• 玻璃轉化

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    玻璃轉化

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    玻璃-液體轉變或玻璃化轉變是非晶材料(或半晶材料中的非晶區域)隨著溫度升高從堅硬且相對易碎的玻璃態逐漸轉變為粘性或橡膠態的可逆轉變。 表現出玻璃化轉變的無定形固體稱為玻璃。 通過將粘性液體過冷成玻璃態實現的反向轉變稱為玻璃化。

    材料的玻璃化轉變溫度 Tg 表征發生這種玻璃化轉變的溫度范圍(作為實驗定義,通常標記為 100 秒的弛豫時間)。 它總是低于材料結晶狀態的熔化溫度 Tm(如果存在的話)。

    聚苯乙烯和聚(甲基丙烯酸甲酯)等硬塑料的使用溫度遠低于其玻璃化轉變溫度,即當它們處于玻璃態時。 它們的 Tg 值都在 100°C (212°F) 左右。 聚異戊二烯和聚異丁烯等橡膠彈性體在高于其 Tg 時使用,即處于橡膠狀態,它們柔軟而有彈性; 交聯可防止其分子自由流動,從而賦予橡膠在室溫下的固定形狀(與粘性液體相反)。

    盡管材料的物理性質通過其玻璃化轉變發生了變化,但這種轉變不被視為相變; 相反,它是一種在一定溫度范圍內延伸并由幾個公約之一定義的現象。 這些約定包括恒定的冷卻速率(20 開爾文/分鐘(36°F/分鐘))和 1012 Pa·s 的粘度閾值等。 在通過該玻璃化轉變范圍冷卻或加熱時,材料在熱膨脹系數和比熱方面也表現出平滑的階躍,這些效應的位置再次取決于材料的歷史。 一些相變是否構成玻璃化轉變的問題是一個正在進行的研究問題。

    IUPAC定義

    玻璃轉化(在高分子科學中):聚合物熔體在冷卻時變成聚合物玻璃或聚合物玻璃在加熱時變成聚合物熔體的過程。

    • 在聚合物的玻璃化轉變過程中發生的現象仍在進行中,正在進行科學調查和辯論。 玻璃化轉變呈現二階特征

    由于熱研究通常表明摩爾吉布斯能、摩爾焓和兩相(即熔體和玻璃)的摩爾體積是相等的,而熱容和膨脹率是不連續的。 然而,鑒于在接近玻璃化轉變溫度的溫度下在聚合物玻璃或聚合物熔體中達到平衡的固有困難,玻璃化轉變通常不被認為是熱力學轉變。

    • 就聚合物而言,通常由 10-20 個主鏈原子組成的鏈段的構象變化在低于玻璃化轉變溫度時變得無限緩慢。
    • 在部分結晶的聚合物中,玻璃化轉變僅發生在材料的無定形部分。
    • 定義與ref不同。
    • 不推薦使用常用術語“玻璃-橡膠轉變”來表示玻璃化轉變。

    簡介

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    液體到類固體狀態的玻璃化轉變可能發生在冷卻或壓縮的情況下。 這種轉變包括在 500 K 的溫度范圍內材料的粘度平穩增加多達 17 個數量級,而材料結構沒有任何明顯的變化。 這種顯著增加的結果是玻璃在實際觀察的時間尺度上表現出類似固體的機械性能。 這種轉變與冷凍或結晶轉變相反,后者是 Ehrenfest 分類中的一級相變,涉及體積、能量和粘度等熱力學動力學性質的不連續性。 在許多通常經歷冷凍轉變的材料中,快速冷卻將避免這種相變,而是在某個較低溫度下導致玻璃化轉變。

    玻璃轉化

    其他材料,如許多聚合物,缺乏明確的結晶狀態,即使在非常緩慢的冷卻或壓縮下也很容易形成玻璃。 材料在淬火時形成玻璃的趨勢稱為玻璃形成能力。 這種能力取決于材料的成分,可以通過剛性理論進行預測。

    在轉變溫度范圍以下,玻璃結構不會根據所用的冷卻速率而松弛。 玻璃態的膨脹系數與結晶固體的膨脹系數大致相當。 如果使用較慢的冷卻速率,結構松弛(或分子間重排)發生的時間增加可能會導致更高的密度。

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