Glasövergångstemperatur för polymerer

Glasövergångstemperaturen är den temperatur vid vilken en amorf eller halvkristallin polymer övergår från ett glasliknande, sprött tillstånd till ett gummielastiskt tillstånd. I detta intervall förändras polymerkedjornas molekylära rörlighet drastiskt, vilket leder till en förändring i de mekaniska egenskaperna. I motsats till kristallina ämnen har amorfa material inte ett ordnat kristallgitter, utan snarare oordnade molekylära kedjor.

Polymerer

Polymerer är stora, kedjeliknande makromolekyler som består av många liknande monomerer. Polymerer, även kallade plaster, kan framställas artificiellt men finns också i naturen, t.ex. i polysackarider eller polypeptider. Amorfa och halvkristallina polymerer har en så kallad glasövergångstemperatur (T_g).När dessa amorfa eller halvkristallina polymerer värms upp reduceras bindningarna i de oordnade polymerkedjorna som finns i den amorfa fasen tillsammans med bindningarna bland dessa. Polymeren blir mjukare och deformerbar tills den blir mjuk, gummiliknande och deformerbar ovanför T_g. Konstgjorda polymerer kan delas in i följande kategorier baserat på deras mekaniska egenskaper:

• Termoplaster: I termoplaster är polymererna anordnade i kedjor som inte är kopplade till varandra. De smälter eller deformeras när värme appliceras. De är vidare indelade i amorfa (utan kristallstruktur) och halvkristallina termoplaster. Halvkristallin betyder att de har både amorfa (oordnade) och kristallina (ordnade) regioner i sin molekylära struktur. Drifttemperaturen för termoplaster ligger normalt mellan −40 och 150 °C.
• Duroplaster: I duroplaster har polymererna en mycket stark bindning till varandra och varje monomer har mer än två bindningar till andra monomerer. Detta skapar nätliknande, tätt maskerade 3D-bindningar. De är hårda, sköra och temperaturbeständiga. Duroplasternas drifttemperaturintervall kan variera mycket beroende på typ. Vissa duroplaster tål temperaturer på upp till 300 °C eller högre, medan andra redan kan misslyckas vid lägre temperaturer.
• Elastomerer: Elastomerer är en blandad form av termoplast och duroplast med avseende på bindningsstrukturen hos de enskilda molekylära kedjorna. De består av längre kedjesektioner samt bredmaskiga 3D-bindningar. De är elastiska, dvs de antar sitt ursprungliga tillstånd efter deformation. Drifttemperaturintervallet för elastomerer varierar kraftigt beroende på typen av elastomer. Typiska drifttemperaturer kan vara mellan −50 och 150 °C.

Produktion: Polymerisering, polykondensation, polytillsats

Det finns olika tillverkningsprocesser för att omvandla monomerer till polymerer. Monomerer är små, kemiskt reaktiva molekyler med förmågan att kombinera med varandra för att bilda polymerer genom bindning (polymerisering). Valet av metod beror på monomererna, önskad molekylär struktur och produktkraven. Grundkravet är dock alltid att det finns en monomer med minst en dubbelbindning för att kunna utlösa en kedjereaktion.

Polymerisering skiljer mellan radikal och jonisk (katjonisk eller anjonisk) polymerisering. Själva polymeriseringsprocessen är indelad i början av kedjan, kedjetillväxt och kedjeavslut. En katjon tillsätts till en monomer, t.ex. etylen, för att starta kedjan under katjonisk polymerisering. Den positivt laddade katjonen reagerar med monomeren och bildar en bindning med den. Den ursprungligen existerande dubbelbindningen mellan monomerens kolatomer går förlorad som ett resultat och upptas av bindningen av katjonen. Den positiva laddningen som resulterar av detta gör den själv till en katjon. Detta gör att en annan monomer kan integreras, som fortsätter i oändliga steg.

Kedjetillväxten avbryts endast genom att lägga till en anjon och därmed bilda slutprodukten, t.ex. polyeten. Men endast långa kedjor skapas under polymerisation, varför endast termoplaster kan produceras med denna metod. För polykondensering och polytillsats används monomerer som har mer än två funktionella grupper med vilka 3D-bindningar kan skapas i slutet. Beroende på monomerernas storlek resulterar detta antingen i en duroplast (små monomerer, eftersom nätet är tätt) eller elastomerer (stora monomerer, eftersom nätet är brett). Under polykondensation delas en molekyl också av som en biprodukt.

Vilka material har en glasövergångstemperatur?

Inte bara glas, men också andra amorfa eller halvkristallina material som polymerer har en glasövergångstemperatur, även kallad T_g. Glasövergångstemperaturen T_g är en viktig termodynamisk egenskap hos en polymer som är nära kopplad till dess struktur och egenskaper. Det får inte förväxlas med smälttemperaturen vid vilken ett material övergår från ett fast tillstånd till ett flytande tillstånd. Dessa är två olika processer, eftersom energi som tillförs under smältning – i motsats till glasövergången – behövs för att lösa upp det kristallina gallret. Det är dock möjligt att ett material har både en glasövergångstemperatur och en smälttemperatur.

Mätning av glasövergångstemperaturen

Det finns olika sätt att bestämma glasövergångstemperaturen för olika material:

• FTIR-spektroskopi: Den mäter förändringar i molekylära vibrationer som uppstår nära T_g.
• Termomekanisk analys (TMA): Förekomsten av en karakteristisk förändring i provets böjning identifieras. När det närmar sig T_g börjar provet mjukna och deformeras, vilket leder till en synlig ökning av deflektionen.
• Dynamisk differentialkalorimetri (DSC): Den energi som absorberas eller frigörs under övergången mäts.
• Dynamisk ångsorption (DVS): Denna metod mäter en förändring i sorptionsbeteende (polymerens förmåga att absorbera vattenånga).
• Dynamisk mekanisk analys: Polymeren deformeras genom periodisk deformation eller oscillation. T_g identifieras i DMA-diagrammet som den punkt där fasförskjutningen av provet ökar avsevärt eller dess elasticitetsegenskaper förändras drastiskt.
• Dielektrisk analys (DEA): T_g identifieras ofta som den punkt där dielektriska egenskaper, särskilt förlustfaktorn, visar en skarp ökning eller förändring.

Påverkan på glasövergångstemperaturen

Kunskap om glasövergångstemperaturen spelar en viktig roll vid val av rätt polymermaterial för vissa tillämpningar. Glasets övergångstemperatur påverkas av olika faktorer:

Molekylär vikt

Glasövergångstemperaturen beror på respektive polymers molekylvikt. Molekylvikten bestämmer längden på de långa kedjorna som genereras under bildandet av polymerer. Högre molekylvikter leder i allmänhet till högre glasövergångstemperaturer, eftersom längre polymerkedjor kräver mer energi för att röra sig.

Kemisk struktur

Typen och styrkan hos de kemiska bindningarna och funktionella grupperna i en polymer påverkar dess glasövergångstemperatur. Polymerer med starkare bindningar har ofta högre T_g-värden.

Kristallinitet

Amorf plast som inte har en beställd kristallstruktur tenderar att ha lägre glasövergångstemperaturer jämfört med halvkristallina polymerer. De kristallina områdena är starkt ordnade och förblir så även efter att T_{g har} överskridits. De bildar materialstrukturen och säkerställer att halvkristallina material fortfarande kan användas ovanför deras T_g.

Kedjans styvhet

Polymerer vars kedjor är flexibla och har hög rörelsefrihet tenderar att ha lägre T_g-värden. Styva polymerkedjor kräver mer energi för att röra sig, vilket leder till högre T_g-värden.

Fyllmedel och tillsatser

Tillsatsen av fyllmedel, mjukgörare eller andra tillsatser kan påverka glasövergångstemperaturen genom att modifiera polymerstrukturen med dessa ämnen. Många fyllmedel, särskilt oorganiska fyllmedel som glasfiber, kolfiber eller mineraler, kan avsevärt förbättra polymerens mekaniska egenskaper. De fungerar som förstärkande element och ökar polymerens draghållfasthet, böjhållfasthet och hårdhet. Fillers kan också öka polymerens styvhet genom att begränsa polymerkedjornas flexibilitet. Genom att öka värmeledningsförmågan kan de också göra en polymer mer temperaturstabil.

Tillsatser används ofta för att förbättra polymerens processbarhet. Mjukmedel är ett exempel på detta. De påverkar polymerstrukturen genom att interagera mellan polymerkedjorna och lossa deras bindningar. Detta leder till minskad T_g och ökad polymerflexibilitet. Antioxidanter och UV-stabilisatorer kan till exempel också användas för att skydda polymerstrukturen från åldrande och nedbrytning genom exponering för ljus, värme eller syre.

Effekt på bearbetning

Glasövergångstemperaturen påverkar också bearbetningen av polymerer. Vid temperaturer över T_g kan polymerer bildas lättare, medan bearbetning kan bli svårare under T_g, eftersom polymeren är spröd och bryts lätt. T_g-influenser, till exempel:

• valet av bearbetningsteknik,
• bearbetningstemperaturen, och
• bearbetningsparametrar som hastighet, tryck och kylning.

Termoplastiska polymerer, såsom polystyren, kan lätt bearbetas över T_g. Polystyren är då i ett flytande tillstånd och lätt formbart, vilket gör att formsprutning, extrudering eller termoformning kan användas som bearbetningsmetod. Hård polyeten är också lämplig för blåsformar till exempel, eftersom den kan smälta och flöda bra vid högre temperaturer, vilket gör den lämplig för produktion av flaskor, behållare och behållare för livsmedelsförpackningar.

MISUMI tillhandahåller en portfölj med plast med olika egenskaper.