[发明专利]一种聚合物玻璃化转变温度的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体是指一种用于聚合物玻璃化转变温度的测量方法。

技术背景

非晶态高分子的玻璃化转变行为是高分子凝聚态物理学中的核心科学问题^[1]。玻璃化转变温度(Tg)是非晶态高分子的一个极其重要的性能参数，它决定材料的使用温度范围。高分子材料的力学性能取决于其使用的温度。在低于Tg时，高分子处于脆性玻璃态，此时聚合物的形变很小，弹性模量很高(≈1GPa)，呈现出刚性的玻璃体。因此，作为塑料的聚合物必须具有较高的玻璃化转变温度，以确保在室温条件下，其处于玻璃态，具有高的弹性模量。在玻璃化转变区域内，高分子的弹性模量急剧的下降(从1-10GPa降至1-0.1MPa)，聚合物体现出很强的耗散性质。因此，用作减震或者隔音材料时，则要求材料的玻璃化转变温度在室温左右，以确保在室温下高分子具有较高的内耗。当温度高于Tg时，聚合物处于高弹态，此时高分子成为柔软的固体，具有很高的弹性形变，外力去除后很容易恢复。因此，橡胶的Tg必须低于室温，以确保在室温下，高分子处于高弹态。

高分子本体玻璃化转变温度的测量手段从最早的体积膨胀法到现在的界电光谱、核磁共振法经过了将近70年发展，现在基本达成共识。同时，其测量过程麻烦，且受诸多因素的影响(例如空气湿度、温度)，还需要购买特殊的仪器设备才能进行。另外，从价格角度考虑，目前所使用的设备投入很大，一般的仪器(例如核磁共振仪、介电光谱仪、动态力学分析仪)成本就需要好几十万，甚至上百万人民币的投入，另外还需要配备一些附件，所以成本很大。

目前的常用的测量聚合物玻璃化转变温度的方法有：

1.膨胀计法在膨胀计内装入适量的受测聚合物，通过抽真空的方法在负压下将对受测聚合物没有溶解作用的惰性液体充入膨胀计内，然后在油浴中以一定的升温速率对膨胀计加热，记录惰性液体柱高度随温度的变化。由于高分子聚合物在玻璃化温度前后体积的突变，因此惰性液体柱高度-温度曲线上对应有折点。折点对应的温度即为受测聚合物的玻璃化温度。

2.热分析法以玻璃化温度为界，高分子聚合物的物理性质随高分子链段运动自由度的变化而呈现显著的变化，其中，热容的变化使热分析方法成为测定高分子材料玻璃化温度的一种有效手段。目前用于玻璃化温度测定的热分析方法主要为差热分析(DTA)和差示扫描量热分析法(DSC)。以DSC为例，当温度逐渐升高，通过聚合物的玻璃化转变温度时，DSC曲线上的基线向吸热方向移动。因此，DSC曲线发生台阶式漂移的温度即为样品的玻璃化转变温度。

3.动态力学性能分析法(DMA)通过在受测聚合物上施加正弦交变载荷获取聚合物材料的动态力学响应来获得高分子的玻璃化转变温度。对于弹性材料(材料无粘弹性质)，动态载荷与其引起的变形之间无相位差。当材料具有粘弹性质时，材料的变形滞后于施加的载荷，载荷与变形之间出现相位差。将含相位角的应力应变关系按三角函数关系展开，定义出对应于弹性性质的储能模量G’和对应于粘弹性的损耗模量G”。由于相位角差的存在，外部载荷在对粘弹性材料施加应变时出现能量的损耗，损耗因子tan(δ)为损耗模量与弹性模量的比值(tanδ＝G”/G’)。当温度由低向高发展并通过玻璃化转变温度时，材料内部高分子的运动能力发生变化，与分子动态相关的粘弹性随之的变化。这一变化同时反映在储能模量，损耗模量和阻尼系数上。储能模量的下降，阻尼系数的峰值对应着材料内部结构的变化。相应的温度即为玻璃化转变温度。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，及测试成本等多种因素考虑，提出了一种方便、成本低廉、且准确的测量方法。通过测量不同温度下液滴在高分子表面的扩散行为来测量高分子的玻璃化转变温度。