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何謂玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg, Glass Transition Temperature)

發(fā)布時間 :2017-01-11 09:29 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB制板部
玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Glass Transition Temperature,Tg)是所有塑膠及環(huán)氧樹脂材料最重要的特性的一,其實(shí)Tg值也是PCB的玻璃纖維布的品質(zhì)指標(biāo)的一,不過相較于HDT(Heat Deflection Temperature)似乎又沒有那么重要了,Tg值一般泛指塑料微觀中高分子鏈開始具有大鏈節(jié)運(yùn)動時的溫度。
若應(yīng)用溫度低于玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)時,分子鏈節(jié)的運(yùn)動大部分會被凍結(jié)(frozen),呈現(xiàn)出較多的晶格狀排列,塑料則會呈現(xiàn)出剛性具硬脆(brittle)特性的玻璃態(tài)(glassy state)。沒錯就類似玻璃的特性,堅(jiān)硬但容易脆裂。
若應(yīng)用溫度高于玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)時,分子鏈節(jié)則會有更多的自由度可以運(yùn)動,塑膠件則會呈現(xiàn)出柔軟可繞曲的橡膠態(tài)(Rubbery state)。因此玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)一般為塑料發(fā)生在【玻璃態(tài)-橡膠態(tài)】相轉(zhuǎn)移時的溫度。
 
所以Tg溫度與塑膠產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及運(yùn)用的溫度范圍有非常大的關(guān)系。一般而言固體塑膠件的應(yīng)用溫度范圍通常會取在玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)以下,若對塑料繞曲柔軟性有需求者,如橡膠,則應(yīng)用溫度會選取在玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上,但在熱變形溫度以下。
要注意的是「玻璃轉(zhuǎn)移」過程基本上是一段溫度區(qū)域而非特定的單一溫度,相對的HDT則會指向固定溫度,不過一般我們在定義「玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)」時通常會取其在整個「玻璃轉(zhuǎn)移」溫度區(qū)域的中點(diǎn)(middle point)。
量測Tg溫度的時候一般采用ASTM-E1356的【DSC (Differential Scanning Calorimetry, 差示掃描量熱法 )】方法,這是一種熱分析的技術(shù), 借助補(bǔ)償器測量使樣品與參考比較物達(dá)到同樣溫度所需的加熱速率與溫度的關(guān)系畫出曲線,然后計(jì)算得到Tg值。
玻璃化轉(zhuǎn)變的DSC曲線
Tg值的計(jì)算
參考上圖,當(dāng)溫度逐漸升高,通過高分子聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,DSC曲線上的基線會向著吸熱方向移動。圖中A點(diǎn)是開始偏離基線的點(diǎn)。將轉(zhuǎn)變前、后的平坦基線延長,兩線的間的垂直距離就是階差ΔJ,在ΔJ/2處可以找到C點(diǎn),從C點(diǎn)作切線與前基線相交于B點(diǎn),B點(diǎn)所對應(yīng)的溫度值即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。
不過似乎也有很多人直接拿C點(diǎn)來當(dāng)作Tg溫度,因?yàn)橛?jì)算比較簡單,反正Tg就是一個參考溫度而已,而且一般B點(diǎn)與C點(diǎn)的溫度差異值也不大。
下圖是維基百科關(guān)于PVC的DSC曲線,使用B點(diǎn)或C點(diǎn)計(jì)算出來的Tg溫度只有0.1°C的差異,因?yàn)樵谡麄€DSC曲線中,Tg溫區(qū)其實(shí)就是一個小連漪而已。
關(guān)于PVC的DSC曲線


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