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何謂玻璃轉移溫度(Tg, Glass Transition Temperature)

time : 2019-08-15 09:03       作者:凡億pcb

玻璃轉移溫度(Glass Transition Temperature,Tg)是所有塑膠及環氧樹脂材料最重要的特性的一,其實Tg值也是PCB的玻璃纖維布的品質指標的一,不過相較于HDT(Heat Deflection Temperature)似乎又沒有那么重要了,Tg值一般泛指塑料微觀中高分子鏈開始具有大鏈節運動時的溫度。
若應用溫度低于玻璃轉移溫度(Tg)時,分子鏈節的運動大部分會被凍結(frozen),呈現出較多的晶格狀排列,塑料則會呈現出剛性具硬脆(brittle)特性的玻璃態(glassy state)。沒錯就類似玻璃的特性,堅硬但容易脆裂。
若應用溫度高于玻璃轉移溫度(Tg)時,分子鏈節則會有更多的自由度可以運動,塑膠件則會呈現出柔軟可繞曲的橡膠態(Rubbery state)。因此玻璃轉移溫度(Tg)一般為塑料發生在【玻璃態-橡膠態】相轉移時的溫度。
 
所以Tg溫度與塑膠產品的設計及運用的溫度范圍有非常大的關系。一般而言固體塑膠件的應用溫度范圍通常會取在玻璃轉移溫度(Tg)以下,若對塑料繞曲柔軟性有需求者,如橡膠,則應用溫度會選取在玻璃轉化溫度以上,但在熱變形溫度以下。
要注意的是「玻璃轉移」過程基本上是一段溫度區域而非特定的單一溫度,相對的HDT則會指向固定溫度,不過一般我們在定義「玻璃轉移溫度(Tg)」時通常會取其在整個「玻璃轉移」溫度區域的中點(middle point)。
量測Tg溫度的時候一般采用ASTM-E1356的【DSC (Differential Scanning Calorimetry, 差示掃描量熱法 )】方法,這是一種熱分析的技術, 借助補償器測量使樣品與參考比較物達到同樣溫度所需的加熱速率與溫度的關系畫出曲線,然后計算得到Tg值。
玻璃化轉變的DSC曲線
Tg值的計算
參考上圖,當溫度逐漸升高,通過高分子聚合物的玻璃化轉變溫度,DSC曲線上的基線會向著吸熱方向移動。圖中A點是開始偏離基線的點。將轉變前、后的平坦基線延長,兩線的間的垂直距離就是階差ΔJ,在ΔJ/2處可以找到C點,從C點作切線與前基線相交于B點,B點所對應的溫度值即為玻璃化轉變溫度Tg。
不過似乎也有很多人直接拿C點來當作Tg溫度,因為計算比較簡單,反正Tg就是一個參考溫度而已,而且一般B點與C點的溫度差異值也不大。
下圖是維基百科關于PVC的DSC曲線,使用B點或C點計算出來的Tg溫度只有0.1°C的差異,因為在整個DSC曲線中,Tg溫區其實就是一個小連漪而已。
關于PVC的DSC曲線