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Fusión y cristalización
El cambio de estado físico de un sólido de sólido a líquido se conoce como fusión. El calor suministrado disuelve la red cristalina, permaneciendo constante la temperatura del material durante todo el proceso de fusión. Por tanto, existe una temperatura de fusión definida.
La inversión de esta fase de primer orden, la transición del estado amorfo-líquido de la masa fundida al estado cristalino, se denomina cristalización. Es un proceso controlado cinéticamente y depende principalmente de la nucleación. Por lo tanto, la temperatura de cristalización siempre está por debajo de la temperatura de fusión controlada termodinámicamente.
Transición vítrea
En cambio, los materiales no cristalinos, como los polímeros, tienen una transición vítrea.
Aquí es donde los polímeros total o parcialmente amorfos pasan de un estado altamente viscoso o elástico como el caucho, flexible, a un estado vítreo o elástico duro, quebradizo.
Para caracterizar la transición vítrea, la temperatura de transición vítrea Tg expresa el punto en el que la mitad del cambio en la capacidad calorífica específica se alcanza.
También se denomina temperatura de transición vítrea o temperatura de reblandecimiento.
La transición vítrea térmica se observa cuando se sobreenfría una masa fundida que no puede cristalizar.
Entonces se «congelan» los llamados movimientos moleculares cooperativos, como los reordenamientos de los segmentos de la cadena principal, las rotaciones de las cadenas laterales y las rotaciones de los grupos terminales.
Esto provoca cambios bruscos en las propiedades mecánicas y termodinámicas como módulo de elasticidadla capacidad calorífica específica y el coeficiente de expansión térmica.
La velocidad de enfriamiento influye decisivamente en la temperatura de transición vítrea. Si la masa fundida se enfría rápidamente, la temperatura de transición vítrea es más alta.
Con un enfriamiento infinitamente lento, no hay transición vítrea, ya que no se producen zonas parciales amorfas.
Muchos plásticos comunes son parcialmente cristalinos: por tanto, tienen una temperatura de transición vítrea por debajo de la cual se congela la fase amorfa.
Al mismo tiempo, también tienen una temperatura de fusión a la que se disuelve la zona cristalina.
Los polímeros pueden clasificarse en función de su transición vítrea
Dado que cada plástico tiene una transición vítrea específica, éste es un parámetro importante para caracterizar el material. Por ello, la determinación de la temperatura de transición vítrea se utiliza a menudo en el análisis térmico, para hacer afirmaciones como la estabilidad dimensional de un polímero bajo la acción del calor.
Por ejemplo, los elastómeros sólo se utilizan en la gama elástica del caucho, es decir, por encima de la temperatura de transición vítrea. En cambio, los termoplásticos amorfos sólo se utilizan por debajo de la Tg.
Como la transición vítrea depende del tipo de plástico y de su fabricación, se puede obtener información sobre los cambios en el material determinando la Tg.
Entre otras cosas, existen las siguientes relaciones:
- Estructura química: cuanto más flexible es la cadena principal, menor es la Tg
- Masa molar: la Tg aumenta al aumentar la masa molar
- Orientación molecular, por ejemplo, aumenta la Tg en las láminas
- Reticulación, la Tg aumenta al aumentar el grado de reticulación
- Plastificantes: la Tg disminuye a medida que aumenta el contenido de plastificante.
La temperatura de transición vítrea también proporciona información sobre el envejecimiento físico de los plásticos, que se produce como un pico de relajación entálpica en las mediciones DSC. Las mezclas de polímeros también pueden caracterizarse mediante la Tg. Si los polímeros son inmiscibles, los componentes individuales aparecen separados en fase, de modo que existen uno al lado del otro y pueden medirse varias transiciones vítreas. Una comparación con los componentes puros puede proporcionar información sobre las proporciones y la calidad del proceso de mezcla.
Más información sobre la determinación de la temperatura de transición vítrea.
