الانتقال الزجاجي والانتقالات الحرارية
الانتقال الزجاجي هو المنطقة الحرارية التي تتغير فيها المناطق غير المتبلورة للبوليمر بين زجاج صلب ومطاط متحرك، وإلى جانب الانصهار والاسترخاءات الثانوية، فإنه يحدد درجات الحرارة التي يمكن عندها معالجة البوليمر واستخدامه.
Definition
الانتقال الزجاجي هو التغير القابل للعكس في بوليمر غير متبلور بين حالة صلبة زجاجية وحالة لينة مطاطية، ويحدث على مدى نطاق حراري يتميز بدرجة حرارة الانتقال الزجاجي؛ وتشمل الانتقالات الحرارية بشكل أوسع هذا الانتقال، والانصهار البلوري، والاسترخاءات الثانوية.
Scope
يغطي هذا الموضوع درجة حرارة الانتقال الزجاجي وأصلها الجزيئي في الحركة القطاعية والحجم الحر، والعوامل التي ترفعها أو تخفضها (صلابة السلسلة، المجموعات الجانبية، الكتلة المولية، الملدنات، التشابك)، وقياسها بواسطة المسعرية والتحليل الميكانيكي الديناميكي، وانتقال الانصهار البلوري، والاسترخاءات الثانوية تحت الزجاج المرتبطة بالحركة الموضعية.
Core questions
- ما هي الحركة الجزيئية التي تنشط عند الانتقال الزجاجي؟
- ما هي العوامل الهيكلية التي ترفع أو تخفض درجة حرارة الانتقال الزجاجي؟
- كيف يتم تمييز الانتقال الزجاجي عن الانصهار تجريبيًا؟
- لماذا يعتمد الانتقال الزجاجي على معدل التبريد والتاريخ الحراري؟
Key theories
- نظرية الحجم الحر
- يتم الوصول إلى الانتقال الزجاجي عندما ينخفض الحجم الحر عن الكمية اللازمة للحركة القطاعية التعاونية؛ تفسر هذه الصورة اعتماد الانتقال على المعدل وانخفاض الانتقال الزجاجي بواسطة الملدنات ذات الكتلة المولية المنخفضة.
- علاقة ويليامز-لاندل-فيري
- فوق الانتقال الزجاجي، تعتمد أوقات الاسترخاء على درجة الحرارة من خلال معادلة WLF، التي تجمع البيانات اللزجة المرنة المقاسة عند درجات حرارة مختلفة في منحنى رئيسي واحد وتربط الانتقال بديناميكيات القطاعات.
Mechanisms
تحت الانتقال الزجاجي، تتجمد الحركة القطاعية واسعة النطاق ويصبح البوليمر غير المتبلور زجاجًا صلبًا؛ عند التسخين عبر الانتقال، يصبح حجم حر كافٍ متاحًا لإعادة الترتيب التعاوني لقطاعات السلسلة، وينخفض المعامل بمقادير كبيرة إلى الهضبة المطاطية. ترفع الهياكل الأساسية الصلبة، والمجموعات الجانبية الضخمة أو القطبية، والروابط الهيدروجينية، والتشابك الانتقال عن طريق إعاقة الحركة، بينما تخفضه السلاسل المرنة، والملدنات، ونهايات السلسلة الحرة. نظرًا لأن الانتقال هو حدث حركي، وليس توازنًا، فإن درجة حرارته الظاهرية تتغير مع معدل التبريد والتاريخ الحراري.
Clinical relevance
تحدد درجة حرارة الانتقال الزجاجي ما إذا كان البوليمر يستخدم كبلاستيك صلب أو مطاط مرن في درجة حرارة الغرفة، وتحدد درجة حرارة الخدمة العليا للمواد غير المتبلورة، وتحدد نوافذ المعالجة للتشكيل وتكوين الأغشية. يُستغل التلدين لضبط الانتقال في PVC المرن، ويساعد فهم الاسترخاءات تحت الزجاج في تفسير متانة الصدمات.
History
صيغت معادلة WLF التي تلتقط التحول اللزج المرن في عام 1955، وطُورت تفسيرات الحجم الحر للانتقال الزجاجي في الخمسينيات والستينيات، وأصبحت المسعرية التفاضلية الماسحة هي الطريقة الروتينية لقياس الانتقال، مما أرسى الفهم الحديث لانتقالات البوليمر الحرارية.
Key figures
- John Ferry
- Malcolm Williams
- Robert Landel
- Walter Kauzmann
Related topics
Seminal works
- sperling2006
- hiemenz2007
Frequently asked questions
- ماذا يحدث للبوليمر عند درجة حرارة انتقاله الزجاجي؟
- تتغير مناطقه غير المتبلورة من زجاج صلب وهش إلى مطاط ناعم ومرن حيث تكتسب قطاعات السلسلة مرونة كافية لإعادة الترتيب. يمكن أن تنخفض الصلابة بمعامل ألف أو أكثر عبر الانتقال.
- لماذا يؤدي إضافة الملدن إلى خفض الانتقال الزجاجي؟
- تزيد جزيئات الملدن الصغيرة من الحجم الحر وتفصل السلاسل عن بعضها، مما يسهل الحركة القطاعية عند درجات حرارة أقل. هذه هي الطريقة التي يتحول بها PVC الصلب إلى منتجات مرنة مثل عزل الكابلات والأنابيب.