玻璃态是高分子材料的一种独特物理状态,其表现为硬而脆的特性,类似于玻璃。这种状态在材料科学中具有重要意义,因为它影响着材料的机械强度、热稳定性、透明度等多个方面。理解玻璃态不仅是掌握高分子物理行为的关键,也是优化和设计新材料的基础。
玻璃态的特性
玻璃态通常出现在低于聚合物的玻璃化转变温度(Tg)[1]时,这是一个非常特殊的区域,分子运动从活跃的液态向低能的固态过渡。在玻璃态中,高分子链的大部分运动被冻结,仅微观尺度上的小部分运动(如链节的微小振动或侧基的扭转)还能维持。
1. 机械性质
在玻璃态中,材料表现出较高的硬度,但同时也有较低的韧性。这种状态下的高分子材料在受到外力时不易变形,表现出较小的弹性形变,并且这种形变是可逆的。一旦外力移除,材料可以恢复到原始形态。处于玻璃态的聚合物符合胡克定律(普弹性):在应力低于比例极限的情况下,固体中的应力与应变成正比。例如:向某聚合物施加1N的力,就可以使其凹陷0.1cm,向其施加2N的力就可以使其凹陷0.2cm(F=kx)。
2. 热性能
在玻璃态下,聚合物的热容(Cp)通常较低。[2] 当温度升高接近Tg时,热容会突增,这是因为分子开始重新获得部分运动能力,需要更多的能量来支持这种状态的变化。
3. 透明度
许多聚合物在玻璃态下具有较好的透明度,因为材料内部较少的分子运动减少了光的散射。这使得例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物在玻璃态时被广泛应用于需要透明材料的场合。
玻璃化转变温度(Tg)
玻璃化转变温度是描述聚合物从玻璃态到高弹态(或反之)的转变的关键参数。因为其为非晶体,其Tg不是一个固定的温度点,而是一个温度区间,在这个区间内,聚合物的物理性质会发生显著变化。,玻璃态与橡胶态之间的转变不是相转变,因而熔点(Tm)总是高于玻璃化转变温度(Tg)[3]
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[1]汪卫华.非晶态物质的本质和特性[J].物理学进展,2013,33(05):177-351.
[2]林树坤,卢荣主编.物理化学.武汉.华中科技大学出版社. 2016.01 .26~27
[3]单国荣,翁志学,黄志明,等.提高通用塑料热变形温度的方法[J].化工新型材料,1995,(02):13-17+46.