Мислител X400
LCD 3D принтер L10
Хипер скоростен TPU
Стандартен TPU 90A филамент
Стандартен TPU 95A филамент
TPU Rainbow-95A
Ултра копринена PLA
Стандартен PLA
Копринен трицветен PLA
Още
PETG стандарт
PETG-GF
PETG-CF
Хипер скорост PETG
PA6/12-GF
Стандарт ASA
Хипер Спийд АСА
ASA стъклени влакна
ASA въглеродни влакна
ABS стъклени влакна
ABS въглеродни влакна
Hpyer Speed ABS филамент
Водоизмиваща се смола
Смола с ниска миризма
ABS подобна смола
Температура и полимери: Термични свойства и DSC характеризиране
2026-01-15
След като изяснихме структурата на полимерните материали, ще се съсредоточим върху техните термични свойства, за да изследваме законите, регулиращи изменението на поведението на полимерите с температурата. За да се постигне тази цел, първо е необходимо да се въведе метод за изпитване, който може точно да характеризира термичните свойства на полимерите – диференциална сканираща калориметрия (DSC).
1. Определение на диференциална сканираща калориметрия (DSC)
Диференциалната сканираща калориметрия (DSC) е основна техника за термичен анализ. Принципът ѝ е да се постави полимерна проба в затворена тестова камера и да се улови термичният отговор на пробата чрез измерване на промяната в топлината, необходима за поддържане на постоянна скорост на повишаване на температурата в камерата. Основната цел на този метод е да се локализират характерните температури, при които полимерите претърпяват различни преходи в състоянията (като стъклен преход, кристализация, топене и др.). По същество, той постига количествено характеризиране на техните термични свойства чрез проследяване на поведението на абсорбция и освобождаване на енергия от полимерите по време на процеса на постепенно нагряване.
2. Ключови температури на термичен преход на полимерите
1. Температура на встъкляване (Tg)
Температурата на стъкловиден преход е основна термична характеристика, притежавана от всички полимери, отнасяща се до критичната температура, при която физическото състояние на полимера преминава от твърдо и крехко стъкловидно състояние в меко и еластично гумено състояние. За аморфните полимери Tg е ключов индикатор, определящ максималната им работна температура – превишаването на тази температура води до значително влошаване на механичните свойства на материала, което го прави неспособен да поддържа първоначалните си експлоатационни функции.
2. Температура на кристализация (Tc)
Процесът на кристализация протича само в температурния диапазон между температурата на стъклен преход (Tg) и температурата на топене (Tm), което е процесът, при който полимерните молекулни вериги се подреждат редовно от неподредено състояние, за да образуват подредена кристална структура. Температурата на кристализация (Tc) не е единствената температура, при която протича кристализация, а по-скоро температурната точка, при която скоростта на кристализация на полимера достига своя максимум. В този момент мобилността на молекулните вериги и термодинамичната движеща сила за правилното подреждане достигат оптимален баланс.
3. Температура на топене (Tm)
Температурата на топене е уникална температура на термичен преход на полукристалните полимери, съответстваща на температурата, при която подредените кристални области вътре в тях започват да се топят и решетъчната структура се разрушава. Трябва да се отбележи, че аморфните полимери нямат ясна температура на топене поради липсата на правилни кристални области и ще омекват непрекъснато само с повишаване на температурата.
4. Температура на разлагане (Td)
Температурата на разлагане е критичната температура, при която полимерът започва да се подлага на термично разграждане. В този момент ковалентните връзки в основния верижен скелет на полимера се разрушават и химическата структура и макроскопските свойства на материала се увреждат необратимо. Тази температура е важен индикатор, определящ диапазона на термична стабилност на полимера – надвишавайки Td, материалът напълно губи своята експлоатационна стойност.
3. Принцип на DSC тестване и анализ на процеса на термичен преход
За да се разбере корелацията между DSC кривата и термичния преход на полимерите, основната цел е да се изясни логиката на разпределение на топлината: топлината, инжектирана в тестовата камера, първоначално е предназначена да поддържа постоянна скорост на повишаване на температурата в камерата. Ако обаче полимерната проба абсорбира или освобождава енергия поради вътрешно структурно пренареждане, системата трябва допълнително да допълни или намали подадената топлина, за да поддържа скоростта на нагряване постоянна – тази промяна на топлината ще бъде записана от DSC инструмента, за да се образува характеристична крива. В комбинация с типична DSC крива на нагряване, законите за промяна на енергията на всеки етап на термичен преход могат да бъдат анализирани, както следва:
В началния етап на теста системата прилага постоянно количество топлина, за да повиши температурата на камерата с постоянна скорост. Когато температурата достигне Tg (температура на встъкляване), инструментът ще открие значително увеличение на топлината, необходима за поддържане на постоянната скорост на нагряване. Това е така, защото полимерът трябва да абсорбира голямо количество топлинна енергия на този етап, за да разкъса нековалентните връзки между молекулите (като ван дер Ваалсови сили и водородни връзки), което позволява на първоначално замразените молекулярни вериги да придобият мобилност, което макроскопски се проявява като преход на материала от твърдо и крехко състояние в меко и еластично състояние. След завършване на встъкляването, специфичният топлинен капацитет на полимера ще се повиши до ново стабилно ниво. В този момент системата трябва непрекъснато да подава постоянно високо количество топлина, за да поддържа първоначалната скорост на нагряване.
С повишаването на температурата, мобилността на полимерните молекулни вериги се увеличава допълнително. Когато температурата достигне Tc (температура на кристализация), молекулните вериги са придобили достатъчна мобилност, за да се подредят спонтанно редовно и да образуват подредена кристална структура. Тъй като преходът от неподредено състояние към подредена кристална структура е екзотермичен процес, пробата ще освободи енергия в околната среда. Следователно, системата не е необходимо да подава твърде много топлина, за да поддържа постоянна скорост на нагряване, съответстваща на екзотермичен пик в DSC кривата.
След като кристалите са напълно оформени, пробата вече не освобождава енергия и системата се връща в стабилно състояние на подаване на топлина. Когато обаче температурата се повиши до Tm (температура на топене), ситуацията се обръща отново: решетъчната структура на кристалните области на полимера трябва да абсорбира голямо количество топлинна енергия, за да се разпадне, а молекулните вериги се връщат в неподредено състояние на движение, което кара пробата да проявява силно ендотермично поведение. В този момент системата трябва значително да увеличи подаването на топлина, за да поддържа скоростта на нагряване, съответстваща на ендотермичен пик в DSC кривата. След като всички кристални области са напълно разтопени, ендотермичният процес на пробата приключва и подаването на топлина се връща към стабилност.
Когато температурата продължи да се повишава до Td (температура на разлагане), ковалентните връзки в основната верига на полимерните молекули започват да се разкъсват и материалът претърпява термично разлагане. В този момент специфичният топлинен капацитет на пробата рязко спада и тя вече не изисква голямо количество топлина за повишаване на температурата, което съответства на очевидно изместване на базовата линия в DSC кривата, което показва, че материалът е навлязъл в етап на термично разграждане.
В обобщение, изместването на базовата линия, съответстващо на Tg, екзотермичният пик, съответстващ на Tc, ендотермичният пик, съответстващ на Tm, и базовата мутация, съответстваща на Td в DSC кривата, заедно съставляват пълния спектър на термичните характеристики на полимера. Това осигурява основна основа за точно характеризиране на неговите термични свойства и определяне на работния температурен диапазон.