玻璃转移温度 Glass transition temperature
玻璃转移温度 Glass transition temperature
■刘文斌/型创科技 技术总监
多模穴平衡性的重要性
玻璃转移温度(Glass Transition Temperature, Tg) 或称玻璃转移点(Glass Transition Point) 是高分子塑胶材料一项重要的物理性质，大部分从事塑料加工人员，并不是很清楚了解此玻璃转移温度所代表的物理意义，所以利用此针对玻璃转移温度的特征及现象加以说明。一般结晶性塑料材料被加热熔融时，材料随着温度上升，结晶性材料的状态会有三种变化，玻璃态(glass state)，橡胶态(rubber state)- 或称为黏弹态(visco-elastic state)以及熔融态(melt state)，当塑料被加热，塑料从固体的塑料粒到最后形成具流动性的熔融胶料形态，塑料的形态就从玻璃态经黏弹态到最后的熔融态，而所对应的相变化温度点就是玻璃转移温度(Tg) 以及结晶熔点(Tm)。塑料的熔融状态(melt) 我们会比较有概念，状态就是类似麦芽糖或蜂蜜状，是一种具有流动性的黏稠液态形式；然而对于「玻璃态」及「橡胶态( 黏弹态)」之间有甚么差异的特性呢? 通常对于不是学习高分子科学的人员来说，通常都是一知半解的。玻璃态跟橡胶态两者是塑胶材料状态上的交接形式，两者都是属于固态形式，主要差异点是在于塑料分子结构上自由度(degree offreedom) 的差异。塑胶在玻璃态下是属于固体状态，分子结构几乎被完全冻住或被限制住，而无法产生整体分子链的运动，甚至分子链上小区域上的分子振动也无法进行，所以此时塑料是表现出坚硬且具脆性的物理性质。另外塑料的黏弹态(visco-elastic state) 或称橡胶态(rubber state) 在外观上也是固体形式，但是在此黏弹态时塑料分子结构上一些小区域( 一般约为5~10 分子重复单元大小)，是具有可振动能量的。
对于结晶性塑料而言，在黏弹态区域时，其非结晶性部分的小范围分子链区域具有可移动的自由度，但在结晶部分因分子链结构被晶格所限制住，所以在结晶区域部分分子结构还是无法运动。所以塑料的黏弹态虽然也是固态形式，但是相对上比玻璃态在性质上来的柔软(flexible) 且具有可变形(deformable) 的特性。虽然不同塑料材料在黏弹态时，因分子结构的不同所表现出来的外观特性也会有所不同，例如像一般弹性体或橡胶(elastomer or rubber) 跟结晶性塑料的比较上而言，其主要的差异是在弹性模数(elasticmodulus) 上的不同，当在黏弹态区域时，表现在外观性质上也就有软质、硬质特质上的差异，但是在组态上还是会有黏弹态的区域。
由图表1 可见塑料的物理性质在材料的玻璃转移温度前后会产上较大的变化，通常对于材料的体积、黏度、强度以及硬度上，会有较大的变化。所以材料的玻璃转移温度(Tg) 对于塑料的鉴别、所表现的材料特性以及可加工参数的应用上都是一项重要的考虑依据。玻璃转移温度(Tg) 会因不同塑料种类而异，玻璃转移温度(Tg) 主要是由塑料的微观分子链结构所决定，分子链结构越柔软、越容易运动(ex. 曲折、旋转、振动等运动) 的塑料，其玻璃转移温度将越低，相反地分子链越坚硬的(ex. 主链上具有苯环结构者) 则将具有较高的玻璃转移温度。例如一些常见塑料的玻璃转移温度如下: POM 的Tg约为-80℃ ~-40℃ (ex. Polyplastics Duracon)，PPS的Tg 约为80 ℃ ~100 ℃ (ex. Polyplastics Fortron)，PP 的Tg 约为-20 ℃，PA66 的Tg 约为50 ℃，PS 的Tg 约为100℃。上述各种塑料的Tg 温度是在一个范围，玻璃转移温度(Tg) 会因为所使用的量测方法及仪器设备不同，所测得的Tg 温度也会有所差异。一般Tg 温度的量测最常见的量测方式是利用DSC- 微分热差扫描仪(Differential Scanning Calorimetry-DSC)。其他还有许多其他量测仪器可以测得玻璃转移温度数据，例如动态机械黏弹测定仪(DynamicMechanical Spectrometer-DMS)、热机械分析仪(Thermomechanical Analyzer-TMA) 等等。
玻璃转移温度对于塑胶材料在使用上成型加工上都有重要的影响，例如POM 材料的Tg 范围是在-80℃ ~-40℃，所以在常温环境下POM 是处于其材料的黏弹态( 或橡胶态) 状态，所以POM 材料在产品的使用环境或是在成型冷却加工温度范围条件下，都是在高于POM 材料的玻璃转移温度以上，这将会造成材料有较高的韧性；材料在高于的玻璃转移温度点以上时，分子链的微观结构在小区域是具有可移动性的，所以有可能会造成后结晶或后收缩等问题。
另外像PPS 材料的Tg 范围约在80℃ ~100℃左右，所以在PPS 的成型加工时其温度变化从熔融态冷却到室温，将会经过材料的玻璃转移温度，所以射出成形时的冷却模温条件就要考虑到Tg 的影响，通常PPS 材料的料商建议射出模温设定条件约在130℃以上，主要的原因是希望在射出周期时间越短的生产要求下，PPS 材料由熔融胶料射入到模穴时，可以处于在一高出PPS 的玻璃转移温度(Tg) 以上的冷却环境下，这样PPS 在冷却过程时其分子结构小区域内还是具有可自由运动的特性，所以可以比较容易产生较高的结晶化程度。结晶性材料由高温降温冷却而产生结晶，而结晶化程度和降温速率有绝对的关系，过快的降温冷却将造成分子链来不及排入结晶晶格中，所以也将会使冷却后产品的强度及刚性不足，甚至产品会比较有可能产生较大的后收缩现象。因此射出过程中的冷却模温条件设定，需要考虑到材料的玻璃转移温度特性。
一般来说在塑胶射出成型加工时，应该要避免模具的设定温度是在成形塑胶的玻璃转移温度(Tg) 附近，同理材料的使用环境温度也应尽量避免在材料的玻璃转移温度附近。例如像PBT塑胶件在使用上常会遭遇一个问题，就是在约40℃ 温度附近，材料强度上会有一个较大的变化，其原因就是PBT 塑胶材料的玻璃转移温度约在40℃左右，所以当环境温度上升到40℃温度附近，PBT 塑料的分子结构会有较大的自由度，将会使材料的细部分子结构发生变化。■
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