تعريف درجة حرارة التحول الزجاجي
درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) هي درجة الحرارة التي يتحول عندها البوليمر من حالة مرنة إلى حالة زجاجية. وتشير إلى درجة حرارة تحول البوليمر غير المتبلور (بما في ذلك الجزء غير المتبلور في البوليمر المتبلور) من الحالة الزجاجية إلى حالة مرنة للغاية أو العكس. وهي أدنى درجة حرارة يمكن عندها لقطاعات الجزيئات الكبيرة في البوليمرات غير المتبلورة أن تتحرك بحرية. ويُرمز لها عادةً بالرمز Tg، وتختلف قيمتها باختلاف طريقة القياس والظروف.
يُعدّ هذا مؤشرًا هامًا لأداء البوليمرات. ففوق هذه الدرجة، يُظهر البوليمر مرونةً، وتحتها يُظهر هشاشةً. ويجب مراعاة ذلك عند استخدامه في صناعة البلاستيك والمطاط والألياف الصناعية، وغيرها. على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة التحول الزجاجي لبولي فينيل كلوريد 80 درجة مئوية. مع ذلك، فهي ليست الحد الأقصى لدرجة حرارة تشغيل المنتج. فعلى سبيل المثال، يجب أن تكون درجة حرارة تشغيل المطاط أعلى من درجة حرارة التحول الزجاجي، وإلا سيفقد مرونته العالية.
نظرًا لأن نوع البوليمر يحتفظ بطبيعته، فإن للمستحلب درجة حرارة انتقال زجاجي، وهي مؤشر على صلابة طبقة الطلاء المتكونة منه. يتميز المستحلب ذو درجة حرارة الانتقال الزجاجي العالية بطبقة طلاء ذات صلابة ولمعان عالٍ، ومقاومة جيدة للبقع، كما أنه أقل عرضة للتلوث، وتتحسن خصائصه الميكانيكية الأخرى تبعًا لذلك. مع ذلك، فإن ارتفاع درجة حرارة الانتقال الزجاجي ودرجة حرارة تكوين الطبقة الدنيا يُسبب بعض الصعوبات عند استخدامه في درجات الحرارة المنخفضة. وهذا يُعد تناقضًا، فعندما يصل مستحلب البوليمر إلى درجة حرارة انتقال زجاجي معينة، تتغير العديد من خصائصه بشكل ملحوظ، لذا يجب التحكم بدرجة حرارة الانتقال الزجاجي المناسبة. أما بالنسبة للملاط المُعدَّل بالبوليمر، فكلما ارتفعت درجة حرارة الانتقال الزجاجي، زادت مقاومة الضغط للملاط المُعدَّل. وكلما انخفضت درجة حرارة الانتقال الزجاجي، تحسّن أداء الملاط المُعدَّل في درجات الحرارة المنخفضة.
تعريف الحد الأدنى لدرجة حرارة تشكيل الفيلم
تُعد درجة الحرارة الدنيا لتشكيل الفيلم عاملاً مهماًمؤشر على الملاط الجاف المخلوط
يشير مصطلح MFFT إلى أدنى درجة حرارة تتمتع عندها جزيئات البوليمر في المستحلب بحركة كافية للتكتل معًا لتشكيل غشاء متصل. في عملية تشكيل غشاء طلاء متصل من مستحلب البوليمر، يجب أن تتخذ جزيئات البوليمر ترتيبًا متراصًا بإحكام. لذلك، بالإضافة إلى التشتت الجيد للمستحلب، تشمل شروط تشكيل غشاء متصل أيضًا تشوه جزيئات البوليمر. أي أنه عندما يُولّد الضغط الشعري للماء ضغطًا كبيرًا بين الجزيئات الكروية، كلما تقاربت هذه الجزيئات، زاد الضغط.
عندما تتلامس الجزيئات، يُجبر الضغط الناتج عن تبخر الماء الجزيئات على الانضغاط والتشوه لتترابط معًا مُشكلةً طبقة طلاء. من الواضح أنه في المستحلبات التي تحتوي على مواد صلبة نسبيًا، حيث تكون معظم جزيئات البوليمر من الراتنجات الحرارية، كلما انخفضت درجة الحرارة، زادت الصلابة وصعوبة التشوه، مما يُسبب مشكلة الحد الأدنى لدرجة حرارة تكوين الطبقة. أي أنه عند درجة حرارة أقل من حد معين، وبعد تبخر الماء من المستحلب، تبقى جزيئات البوليمر منفصلة وغير قابلة للتكامل. لذلك، لا يستطيع المستحلب تكوين طبقة طلاء متجانسة متصلة بسبب تبخر الماء. أما عند درجة حرارة أعلى من هذا الحد، فعندما يتبخر الماء، تتغلغل جزيئات كل جزيء بوليمر، وتنتشر، وتتشوه، وتتجمع لتُشكل طبقة شفافة متصلة. يُطلق على هذا الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يُمكن عندها تكوين الطبقة اسم الحد الأدنى لدرجة حرارة تكوين الطبقة.
يُعدّ MFFT مؤشرًا هامًا لـمستحلب بوليمرومن المهم بشكل خاص استخدام المستحلبات خلال فصول الشتاء الباردة. يمكن اتخاذ التدابير المناسبة لضمان أن يكون لمستحلب البوليمر درجة حرارة دنيا لتشكيل الغشاء تلبي متطلبات الاستخدام. على سبيل المثال، يمكن إضافة مُلدِّن إلى المستحلب لتليين البوليمر وخفض درجة حرارة تشكيل الغشاء الدنيا للمستحلب بشكل ملحوظ، أو تعديل درجة حرارة تشكيل الغشاء الدنيا. تستخدم مستحلبات البوليمر عالية الجودة إضافات، وما إلى ذلك.
مؤسسة MFFT في لونغومسحوق اللاتكس القابل لإعادة التشتت من VAEتتراوح درجة الحرارة عمومًا بين 0 و10 درجات مئوية، والأكثر شيوعًا هي 5 درجات مئوية. عند هذه الدرجة،مسحوق البوليمريُشكّل غشاءً متصلاً. على النقيض من ذلك، عند درجات حرارة أقل من هذه، يفقد غشاء مسحوق البوليمر القابل لإعادة التشتت اتصاله ويتكسر. لذا، تُعدّ أدنى درجة حرارة لتشكيل الغشاء مؤشراً يُمثّل درجة حرارة التشغيل للمشروع. وبشكل عام، كلما انخفضت أدنى درجة حرارة لتشكيل الغشاء، تحسّنت قابلية التشغيل.
الاختلافات بين Tg و MFFT
1. درجة حرارة التحول الزجاجي، وهي درجة الحرارة التي تبدأ عندها المادة بالتليّن. وتشير بشكل أساسي إلى درجة الحرارة التي تبدأ عندها البوليمرات غير المتبلورة بالتليّن. وهي لا ترتبط فقط ببنية البوليمر، بل أيضاً بوزنه الجزيئي.
2. نقطة التليين
وفقًا لقوى الحركة المختلفة للبوليمرات، يمكن أن تتواجد معظم المواد البوليمرية عادةً في الحالات الفيزيائية (أو الميكانيكية) الأربع التالية: الحالة الزجاجية، والحالة المرنة اللزجة، والحالة المرنة للغاية (حالة المطاط)، وحالة التدفق اللزج. التحول الزجاجي هو الانتقال بين الحالة المرنة للغاية والحالة الزجاجية. من منظور التركيب الجزيئي، تُعد درجة حرارة التحول الزجاجي ظاهرة استرخاء للجزء غير المتبلور من البوليمر من الحالة المتجمدة إلى الحالة الذائبة، على عكس التحول الطوري. يصاحب هذا التحول حرارة ناتجة عن تغير الطور، لذا فهو تحول طوري ثانوي (يُسمى التحول الأولي في ميكانيكا ديناميكا البوليمرات). تحت درجة حرارة التحول الزجاجي، يكون البوليمر في حالة زجاجية، ولا تستطيع السلاسل والقطع الجزيئية الحركة. تهتز الذرات (أو المجموعات) المكونة للجزيئات فقط عند مواضع اتزانها؛ بينما عند درجة حرارة التحول الزجاجي، على الرغم من أن السلاسل الجزيئية لا تتحرك، إلا أن قطع السلسلة تبدأ في الحركة، مما يُظهر خصائص مرونة عالية. إذا ارتفعت درجة الحرارة مرة أخرى، ستتحرك السلسلة الجزيئية بأكملها وتُظهر خصائص التدفق اللزج. تُعد درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) خاصية فيزيائية مهمة للبوليمرات غير المتبلورة.
تُعدّ درجة حرارة التحول الزجاجي إحدى درجات الحرارة المميزة للبوليمرات. وباعتبارها الحد الفاصل، تُظهر البوليمرات خصائص فيزيائية مختلفة: فدون درجة حرارة التحول الزجاجي، تكون المادة البوليمرية لدنة؛ وفوقها، تكون مطاطية. ومن منظور التطبيقات الهندسية، فإن الحد الأعلى لدرجة حرارة استخدام البلاستيك الهندسي ذي درجة حرارة التحول الزجاجي يُعادل الحد الأدنى لاستخدام المطاط أو الإيلاستومرات.
تاريخ النشر: 4 يناير 2024