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용융 및 결정화
고체가 고체에서 액체로 물리적 상태가 변하는 것을 용융이라고 합니다. 공급된 열은 전체 용융 과정 동안 재료의 온도를 일정하게 유지하면서 결정 격자를 용해시킵니다. 따라서 용융 온도가 정해져 있습니다.
이 1차 단계의 반전, 즉 용융물의 비정질-액체 상태에서 결정 상태로 전환하는 것을 결정화라고 합니다. 결정화는 동역학적으로 제어되는 과정이며 주로 핵 형성에 의존합니다. 따라서 결정화 온도는 항상 열역학적으로 제어되는 용융 온도보다 낮습니다.
유리 전환
반면 폴리머와 같은 비결정성 물질은 유리 전이가 일어납니다.
유리 전이는 전체 또는 부분적으로 비정질 폴리머가 점성이 높거나 고무처럼 탄성이 있는 유연한 상태에서 유리처럼 단단하거나 탄성이 있는 부서지기 쉬운 상태로 변하는 현상입니다.
유리 전이를 특성화하기 위해 유리 전이 온도 Tg는 유리 전이 온도 변화의 절반이 비열 용량 에 도달하는 지점을 나타냅니다.
유리 전이 온도 또는 연화 온도라고도 합니다.
열 유리 전이는 결정화할 수 없는 용융물이 과냉각될 때 관찰됩니다.
주쇄 분절의 재배열, 곁사슬 회전, 말단 그룹 회전과 같은 소위 협력적 분자 운동이 일어나고 “동결”됩니다.
이로 인해 다음과 같은 기계적 및 열역학적 특성이 급격하게 변화합니다. 탄성 계수, 비열 용량, 그리고 열팽창 계수.
냉각 속도는 유리 전이 온도에 결정적인 영향을 미칩니다. 용융물이 빠르게 냉각되면 유리 전이 온도가 높아집니다.
무한히 느리게 냉각하면 비정질 부분 영역이 발생하지 않으므로 유리 전이가 발생하지 않습니다.
많은 일반적인 플라스틱은 부분적으로 결정질이기 때문에 비정질 상이 얼어붙는 유리 전이 온도가 있습니다.
동시에 결정 영역이 용해되는 용융 온도도 있습니다.
폴리머는 유리 전이에 따라 분류할 수 있습니다.
모든 플라스틱에는 특정 유리 전이가 있기 때문에 이는 소재를 특성화하는 데 중요한 매개 변수입니다. 따라서 유리 전이 온도의 결정은 열의 작용에 따른 폴리머의 치수 안정성과 같은 진술을 하기 위해 열 분석에 자주 사용됩니다.
예를 들어 엘라스토머는 고무 탄성 범위, 즉 유리 전이 온도 이상에서만 사용됩니다. 이와 대조적으로 비정질 열가소성 플라스틱은 Tg 이하에서만 사용됩니다.
유리 전이는 플라스틱의 종류와 제조 방식에 따라 달라지므로, Tg를 측정하여 재료의 변화에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
무엇보다도 다음과 같은 관계가 존재합니다:
- 화학 구조: 주쇄의 유연성이 높을수록 Tg가 낮아집니다.
- 어금니 질량: 어금니 질량이 증가함에 따라 Tg가 증가합니다.
- 분자 배향(예: 포일에서의 Tg 증가)
- 가교, 가교 정도가 증가함에 따라 Tg가 증가합니다.
- 가소제: 가소제 함량이 증가함에 따라 Tg가 감소합니다.
유리 전이 온도는 DSC 측정에서 엔탈피 이완 피크로 발생하는 플라스틱의 물리적 노화에 대한 정보도 제공합니다. 폴리머 혼합물도 Tg를 사용하여 특성화할 수 있습니다. 폴리머가 섞이지 않는 경우 개별 성분이 상 분리되어 나란히 존재하고 여러 유리 전이를 측정할 수 있습니다. 순수한 성분과 비교하면 혼합 공정의 비율과 품질에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
유리 전이 온도 결정에 대한 자세한 정보 유리 전이 온도.
