玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的重要概念以及它與熱變形溫度的關(guān)系，你了解嗎？

在材料科學中，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是高分子材料的一個關(guān)鍵熱力學參數(shù)，它標志著材料從玻璃態(tài)向高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變。Tg的調(diào)節(jié)對于優(yōu)化塑料和橡膠的性能至關(guān)重要，尤其是在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的使用場景對材料的耐熱性、柔韌性和機械性能進行精準調(diào)控。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是指高分子材料從硬脆的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳浀母邚棏B(tài)時的溫度。

對于無定形聚合物，Tg通常是其熱變形溫度（HDT）的參考指標，而結(jié)晶性聚合物的耐熱性則更多地受到結(jié)晶區(qū)域的影響。Tg的高低直接影響材料的使用性能，例如，塑料的耐熱性和橡膠的彈性。因此，掌握Tg的調(diào)節(jié)方法以及理解材料的結(jié)晶性對熱變形溫度的影響，對于材料科學的發(fā)展具有重要意義。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的調(diào)節(jié)方法多種多樣。

增塑劑

增塑劑的加入可以顯著降低高分子材料的Tg。增塑劑分子插入聚合物鏈之間，削弱分子鏈間的相互作用力，從而降低Tg，提高材料的柔韌性和加工性能。

例如，在聚氯乙烯（PVC）中加入鄰苯二甲酸酯類增塑劑，可以顯著降低其Tg，使其更適合用于軟質(zhì)塑料制品。這種調(diào)節(jié)方式在實際應(yīng)用中非常廣泛，例如在電線電纜的絕緣層中，通過添加增塑劑，可以使PVC在低溫下仍保持柔韌性，同時在加工過程中也更容易成型。

共聚

共聚是通過將不同Tg的單體進行聚合來調(diào)節(jié)材料的Tg。選擇低Tg的單體進行共聚可以降低材料的Tg，而選擇高Tg的單體則可以提高Tg。

例如，丁苯橡膠（SBR）通過苯乙烯和丁二烯的共聚，其Tg于介兩者之間，兼具良好的彈性和一定的耐熱性。這種材料廣泛應(yīng)用于輪胎制造中，既保證了輪胎在低溫下的彈性和柔韌性，又能在高溫下保持一定的強度和穩(wěn)定性。通過調(diào)整苯乙烯和丁二烯的比例，可以進一步優(yōu)化SBR的性能，以滿足不同使用場景的需求。

交聯(lián)反應(yīng)

交聯(lián)反應(yīng)通過形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制分子鏈的運動，從而提高材料的T。g例如，天然橡膠在硫化過程中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其Tg顯著提高，從而在常溫下具有良好的彈性和耐磨性。

在汽車輪胎制造中，通過硫化交聯(lián)，天然橡膠的性能得到顯著提升，能夠承受高速行駛和復(fù)雜路況帶來的各種應(yīng)力。此外，交聯(lián)還可以提高材料的耐化學腐蝕性和耐熱性，使其在惡劣環(huán)境下也能保持良好的性能。

改變分子量

分子量的增加通常會提高材料的Tg，因為高分子量的聚合物鏈段運動能力較弱。通過控制聚合反應(yīng)條件，可以調(diào)節(jié)聚合物的分子量，從而實現(xiàn)對Tg的調(diào)控。

例如，在聚乙烯（PE）的生產(chǎn)中，通過控制聚合反應(yīng)的溫度、壓力和催化劑用量，可以調(diào)節(jié)PE的分子量。高分子量的聚乙烯具有更高的Tg，因此在高溫環(huán)境下具有更好的穩(wěn)定性和機械性能。這種材料常用于制造高強度的塑料制品，如管道、容器等，能夠承受較高的溫度和壓力。

共混

通過將不同Tg的聚合物進行共混，可以調(diào)節(jié)材料的Tg。例如，將聚乳酸（PLA）與聚碳酸酯（PC）共混，可以提高PLA的耐熱性。PLA生物是一種可降解的聚合物，具有良好的生物相容性和環(huán)境友好性，但其耐熱性較低。

通過與PC共混，PLA的Tg得到提高，從而在高溫環(huán)境下也能保持較好的性能。這種共混材料在醫(yī)療器械和包裝材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱變形溫度的關(guān)系

除了Tg的調(diào)節(jié)方法，材料的結(jié)晶性對熱變形溫度的影響也不容忽視。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和熱變形溫度是材料熱性能的兩個不同指標。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是高分子材料從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)的溫度，反映的是材料內(nèi)部鏈段運動狀態(tài)的變化，是材料的固有屬性，主要受材料化學組成、分子結(jié)構(gòu)等影響，測試時對試樣施加的負荷通常較小。

而熱變形溫度是材料在一定負荷下開始出現(xiàn)明顯熱變形的溫度，關(guān)注的是材料在熱和力共同作用下的宏觀力學性能變化，除材料自身性質(zhì)外，還與負荷大小、升溫速率等外部條件緊密相關(guān)。在測試方法上，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度常用差示掃描量熱法、動態(tài)力學分析等，而熱變形溫度則是在特定負荷和升溫速率下觀察材料達到規(guī)定變形量時的溫度。

結(jié)晶性聚合物的熱變形溫度（HDT）通常高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。這是因為結(jié)晶區(qū)域的存在使得材料在高溫下仍能保持一定的剛性。結(jié)晶度越高，材料的HDT越高。例如，聚丙烯（PP）的結(jié)晶度增加時，其HDT會顯著提高。此外，結(jié)晶性聚合物的耐熱性還受到結(jié)晶區(qū)域的熔融溫度（Tm）的影響。當結(jié)晶度在一定范圍內(nèi)增加時，材料的HDT會接近其Tm。

例如，聚乳酸（PLA）的結(jié)晶度增加時，其HDT會顯著提高，接近其熔融溫度。一般情況下，熱變形溫度可能高于或低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。當材料的分子鏈剛性較大、交聯(lián)密度較高時，在玻璃化轉(zhuǎn)變后分子鏈仍能保持一定的形狀和強度，需要更高的溫度和外力才會發(fā)生明顯變形，此時熱變形溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

而對于一些結(jié)晶度較低、分子鏈柔性較大的材料，在玻璃化轉(zhuǎn)變后材料的力學性能下降明顯，在相對較低的溫度和較小外力下就可能發(fā)生明顯變形，這種情況下熱變形溫度可能低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。