Transisi Gelas dan Transisi Termal

Transisi gelas adalah daerah suhu di mana daerah amorf suatu polimer berubah antara gelas kaku dan karet bergerak, dan bersama dengan peleburan serta relaksasi sekunder, transisi ini menentukan suhu di mana suatu polimer dapat diproses dan digunakan.

Definition

Transisi gelas adalah perubahan reversibel pada polimer amorf antara keadaan keras seperti gelas dan keadaan lunak seperti karet, yang terjadi pada rentang suhu yang dicirikan oleh suhu transisi gelas; transisi termal secara lebih luas mencakup transisi ini, peleburan kristalin, dan relaksasi sekunder.

Scope

Topik ini mencakup suhu transisi gelas dan asal molekuler-nya dalam gerakan segmental dan volume bebas, faktor-faktor yang menaikkan atau menurunkannya (kekakuan rantai, gugus samping, massa molar, pemplastik, ikatan silang), pengukurannya dengan kalorimetri dan analisis mekanik dinamis, transisi peleburan kristalin, dan relaksasi sekunder di bawah gelas yang terkait dengan gerakan terlokalisasi.

Core questions

• Gerakan molekuler apa yang diaktifkan pada transisi gelas?
• Faktor struktural mana yang menaikkan atau menurunkan suhu transisi gelas?
• Bagaimana transisi gelas dibedakan dari peleburan secara eksperimental?
• Mengapa transisi gelas bergantung pada laju pendinginan dan riwayat termal?

Key theories

Teori volume bebas

Transisi gelas tercapai ketika volume bebas turun di bawah jumlah yang dibutuhkan untuk gerakan segmental kooperatif; gambaran ini menjelaskan ketergantungan laju transisi dan penurunan transisi gelas oleh pemplastik bermassa molar rendah.

Hubungan Williams-Landel-Ferry

Di atas transisi gelas, waktu relaksasi bergantung pada suhu melalui persamaan WLF, yang menggabungkan data viskoelastik yang diukur pada suhu berbeda ke dalam satu kurva master dan menghubungkan transisi dengan dinamika segmental.

Mechanisms

Di bawah transisi gelas, gerakan segmental skala besar terhenti dan polimer amorf menjadi gelas yang kaku; saat dipanaskan melalui transisi, volume bebas yang cukup tersedia untuk penataan ulang kooperatif segmen rantai, dan modulus menurun beberapa tingkat besaran ke dataran tinggi karet. Tulang punggung yang kaku, gugus samping yang besar atau polar, ikatan hidrogen, dan ikatan silang menaikkan transisi dengan menghambat gerakan, sementara rantai fleksibel, pemplastik, dan ujung rantai bebas menurunkannya. Karena transisi ini adalah peristiwa kinetik, bukan kesetimbangan, suhu tampak-nya bergeser dengan laju pendinginan dan riwayat termal.

Clinical relevance

Suhu transisi gelas menentukan apakah suatu polimer digunakan sebagai plastik kaku atau elastomer fleksibel pada suhu kamar, menetapkan suhu layanan atas material amorf, dan mendefinisikan jendela pemrosesan untuk pencetakan dan pembentukan film. Plastisisasi untuk menyesuaikan transisi dimanfaatkan dalam PVC fleksibel, dan pemahaman relaksasi di bawah gelas membantu menjelaskan ketangguhan impak.

History

Pergeseran viskoelastik yang ditangkap oleh persamaan WLF dirumuskan pada tahun 1955, interpretasi volume bebas dari transisi gelas dikembangkan pada tahun 1950-an dan 1960-an, dan kalorimetri pemindaian diferensial menjadi metode rutin untuk mengukur transisi, bersama-sama membentuk pemahaman modern tentang transisi termal polimer.

Key figures

• John Ferry
• Malcolm Williams
• Robert Landel
• Walter Kauzmann

Seminal works

• sperling2006
• hiemenz2007

Frequently asked questions

Apa yang terjadi pada polimer pada suhu transisi gelasnya?

Daerah amorfnya berubah dari gelas yang keras dan rapuh menjadi karet yang lunak dan fleksibel karena segmen rantai memperoleh mobilitas yang cukup untuk menata ulang. Kekakuan dapat menurun hingga seribu kali lipat atau lebih di seluruh transisi.

Mengapa penambahan pemplastik menurunkan transisi gelas?

Molekul pemplastik kecil meningkatkan volume bebas dan merenggangkan rantai, membuat gerakan segmental lebih mudah pada suhu yang lebih rendah. Ini adalah cara PVC kaku diubah menjadi produk fleksibel seperti isolasi kabel dan selang.