سبد خرید 0
در این مقاله به بررسی دقیق و کامل دمای انتقال شیشه ای در پلیمر ها می پردازیم در ادامه با پایا فام همراه باشید:
دمای انتقال شیشه ای در پلیمر ها چیست؟
آیا تا به حال شیئی پلاستیکی را در زمستان بیرون قرار دادهاید و مشاهده نمودهاید که در این شرایط، نسبت به تابستان، بسیار راحتتر ترک برمیدارد و می‌شکند؟ این تجربه ناشی از پدیدهای به نام انتقال شیشهای است. این انتقال، پدیدهای مختص پلیمرها است و یکی از خواصی است که پلیمرها را به موادی منحصر به فرد تبدیل میکند. برای هر پلیمر دمای خاص و منحصر به فردی وجود دارد که دمای انتقال شیشه ای، یا به اختصار Tg نامیده میشود. وقتی پلیمر تا دمایی پایینتر از دمای انتقال شیشه ای خود سرد شود، مانند شیشه، سخت و شکننده میشود. برخی از پلیمرها در دمایی بالاتر از Tg خود، و برخی دیگر در دمای زیر Tg استفاده می‌شوند. دمای انتقال شیشه ای پلاستیک‌های سخت مانند پلی‌استایرن و پلی متیل متاکریلات بالاتر از دمای اتاق و برای هر دو در حدود 100 درجه سانتیگراد است. دمای انتقال شیشه ای الاستومرها مانند پلی ایزو پِرِن و پلی ایزو بوتیلن پایین تر از دمای محیط است و این پلیمرها در دمای اتاق انعطاف‌پذیر و نرم هستند.
پلیمرهای آمورف و بلورین :
انتقال شیشهای با فرآیند ذوب متفاوت است. ذوب شدن، انتقالی است که در پلیمرهای بلورین رخ میدهد. زمانی که زنجیرهای پلیمری از ساختارهای بلورین خود خارج شوند و حالتی نامنظم به خود بگیرند، انتقال ذوب رخ داده است. بر خلاف پلیمرهای بلورین، پلیمرهای آمورف ساختاری نامنظم و تصادفی دارند و انتقال ذوب برای این نوع پلیمرها اتفاق نمیافتد. البته حتی پلیمرهای بلورین هم دارای قسمت‌هایی آمورف هستند که معمولاً بین ۴۰ تا ۷۰ درصد از ساختار این پلیمرها را تشکیل میدهد. به همین دلیل، یک پلیمر بلورین می‌تواند دارای هر دو دمای انتقال شیشه ای و دمای ذوب باشد. با این حال، لازم بذکر است که قسمت آمورف، فقط دارای انتقال شیشهای و قسمت بلورین فقط دارای انتقال ذوب می‌باشد.
تغییر دادن دمای انتقال شیشه ای :
گاهی اوقات دمای انتقال شیشهای یک پلیمر بالاتر از مقدار مطلوب موردنظر است. در این حالت کافی است که ماده‌ای به نام نرم‌کننده به پلیمر اضافه شود. نرمکنندهها، موادی کوچک مولکول هستند که بین زنجیرهای پلیمری قرار می‌گیرند و سبب فاصله افتادن میان زنجیرههای پلیمری و کاهش نیروهای میان زنجیرههای پلیمری می‌شوند.
در این حالت حجم آزاد میان زنجیرههای پلیمری افزایش یافته و زنجیرها راحتتر روی هم می‌لغزند. بنابراین نسبت به زمانی که پلیمر فاقد نرم کننده بوده است، زنجیرههای پلیمری در دمای پایینتری قادر به حرکت خواهند بود. در نتیجه، از این طریق می توان Tg یک پلیمر را کاهش داد و پلیمری منعطف‌تر به دست آورد.
دمای انتقال شیشه ای در برابر ذوب :
تفاوت‌های مهم بسیار مهمی میان انتقال شیشهای و ذوب شدن وجود دارد. همان طور که بیان شد، پدیده ذوب تنها در مورد پلیمرهای بلورین اتفاق می‌افتد، در حالی که انتقال شیشهای برای پلیمرهای آمورف و بلورین قابل مشاهده است. هنگامی که به پلیمری بلورین با سرعتی ثابت حرارت داده میشود، دمای نمونه با سرعت ثابت افزایش مییابد. (مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای یک گرم از پلیمر به اندازه یک درجه سانتیگراد، ظرفیت گرمایی نامیده میشود.) این افزایش دمای پلیمر با سرعت ثابت تا رسیدن به دمای ذوب پلیمر ادامه مییابد و در نقطه ذوب پلیمر، دمای پلیمر ثابت باقی میماند و تغییر حالت از جامد به مایع رخ میدهد. ثابت باقی ماندن دما تا زمانی ادامه مییابد که پلیمر کاملاً ذوب شود، سپس دمای پلیمر دوباره شروع به بالا رفتن میکند. افزایش دما به این دلیل متوقف میشود که ذوب، نیازمند انرژی است. تمام انرژی حرارتی داده شده به پلیمر بلورین در نقطه ذوبِ آن، صرف تغییر حالت پلیمر میشود و هیچ انرژی صرف بالا بردن دما نمی‌شود. این مقدار گرما، گرمای نهان ذوب نامیده میشود. پس از تغییر حالت پلیمر به مذاب، افزایش دمای آن با سرعت کمتری صورت می‌گیرد، زیرا پلیمر ذوب شده دارای ظرفیت گرمایی بالاتری نسبت به پلیمر بلورین جامد است و از اینرو می‌تواند انرژی بیشتری را جذب کند و در عین حال، افزایش دمای کمتری نشان دهد. در نتیجه در هنگام ذوب یک پلیمر، دو اتفاق رخ میدهد: ابتدا پلیمر مقدار مشخصی حرارت، یعنی گرمای نهان ذوب را جذب میکند و سپس ظرفیت گرمایی‌اش نیز تغییر میکند. هر گونه تغییر حالتی که از طریق حرارت ایجاد شود و باعث تغییر در ظرفیت گرمایی ماده گردد و با گرمای نهان در ارتباط باشد، انتقال درجه اول نامیده میشود؛ حال این تغییر می‌تواند ذوب، انجماد، تبخیر و یا میعان باشد.
زمانی که یک پلیمر آمورف تا Tg حرارت داده میشود، پدیده متفاوتی رخ میدهد. در ابتدا افزایش دمای پلیمر با سرعتی مشخص انجام می‌گیرد. اگرچه با رسیدن به دمای انتقال شیشهای، افزایش دما متوقف نمی‌شود ولی با عبور از Tg پلیمر، افزایش دما با همان سرعت قبلی اتفاق نمیافتد و در هنگام وقوع پدیدهی انتقال شیشهای، ظرفیت گرمایی پلیمر افزایش مییابد. از آنجایی که انتقال شیشهای تنها شامل تغییر ظرفیت گرمایی میشود و گرمای نهان را در بر نمی‌گیرد، این انتقال را انتقال درجه دوم مینامند.
چرا برخی پلیمرها، دمای انتقال شیشه ای بالایی دارند؟
برخی از پلیمرها Tg بالا و برخی دیگر Tg پایینی دارند. سوالی که میتوان مطرح نمود این است که چه چیزی باعث میشود که دمای انتقال شیشهای یک پلیمر برابر با ۱۰۰ درجه سانتیگراد و برای پلیمری دیگر، مساوی با 500 درجه سانتیگراد باشد؟
ساده ترین جواب این است: زنجیره‌ها تا چه اندازهای حرکت می‌کنند؛ زنجیرههای پلیمری که می‌تواند به راحتی حرکت کند، Tg بسیار پایینی خواهند داشت، در حالیکه زنجیرههای پلیمر دیگری که این آزادی حرکت را ندارد، Tg بالایی خواهد داشت. این بیان، فهم این مطلب را آسان‌تر خواهد کرد: هر چقدر پلیمری راحتتر حرکت کند، مقدار انرژی کمتری نیاز دارد تا زنجیرها شروع به حرکت جنبشی کنند و از حالت سختِ شیشهای وارد حالت نرم لاستیکی شوند.
درخواست خرید و مشاهده محصولات
برای دریافت اطلاعات بیشتر در رابطه با محصولات ما و مشاوره رایگان با شماره 91002662-031 تماس حاصل فرمایید.
:References
Thermal Properties of Polymeric Materials, E. Alfredo Campo, in Selection of Polymeric Materials, 2008.
