La transición vítrea (Tg) es una transición física reversible que se produce cuando la parte amorfa de un material se calienta o se enfría en un intervalo de temperatura específico. Al enfriar un material por debajo de su temperatura de transición vítrea se vuelve quebradizo como el vidrio, mientras que al calentarlo por encima de la Tg el material se vuelve correoso y luego gomoso. Conocer los valores característicos de la transición vítrea como la temperatura de transición vítrea Tg en K o °C y el valor delta cp en J/g°C (= la altura del escalón de la curva) es útil para determinar el rango de temperatura de funcionamiento o el contenido amorfo de un material semicristalino.
Resumen de temas:
Las propiedades físicas como la capacidad calorífica, Cp, el coeficiente de expansión térmica (CTE) y el módulo de almacenamiento (G') cambian en la transición vítrea. La figura muestra tres curvas diferentes de poliestireno (PS) obtenidas a partir de calorimetría de barrido diferencial (DSC), análisis termomecánico (TMA) y análisis dinámico mecánico (DMA). La curva Cp se determinó a partir de un calentamiento DSC a 5 K/min. El PS se enfrió previamente por choque. El CTE se obtuvo a partir de la segunda pasada de calentamiento con un TMA, y el módulo (G') se determinó con una medición de cizallamiento DMA a 10 Hz.
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La calorimetría de barrido diferencial (DSC) es una técnica de medición versátil utilizada en muchos laboratorios analíticos, tanto de control de calidad como de I+D. Mide el flujo de calor producido en una muestra cuando se calienta, se enfría o se mantiene isotérmicamente a una temperatura constante.
El DSC es una vía popular para determinar la transición vítrea debido a su facilidad de uso y a los cortos tiempos de medición.
Un DSC convencional suele cubrir mediciones de hasta 700 °C. Sin embargo, también pueden obtenerse grandes resultados por encima de 700 °C utilizando un analizador termogravimétrico/calorímetro de barrido diferencial (TGA/DSC) de METTLER TOLEDO.
En el ejemplo del cloruro de polivinilo (PVC), se demuestra que la temperatura de transición vítrea y su valor delta cp dependen del grado de cloración.
Normas
Una norma se utiliza para proporcionar una norma comparativa que sea ampliamente aplicada y reconocida. Esto garantiza que los resultados de las pruebas en los procesos de producción y ensayo que aplican la misma norma sean uniformemente comparables. Las normas pueden sustituir -cuando están disponibles- a la validación de métodos en el análisis, que se requiere para la garantía de calidad, la acreditación o la aprobación. En la actualidad, la normalización en el análisis térmico corre a cargo de numerosas organizaciones nacionales e internacionales, como ISO, ASTM, DIN y CEN.
Existen muchas normas que regulan la determinación de la transición vítrea. Esas normas son la ISO 11359-2, la ISO 11357-2, la EN 6032, la ASTM E1356 o la ASTM D3418, por nombrar algunas.
Se pueden utilizar diferentes métodos para evaluar la transición vítrea a partir de la curva de flujo térmico DSC. El software STARe de METTLER TOLEDO admite los siguientes métodos:
- Según DIN
- Según ASTM
- Según Richardson
- Según ISO
La siguiente imagen muestra los distintos métodos de evaluación y sus resultados.
Consejos y sugerencias
Para la técnica más común DSC: La medición de datos cuantitativos de transición vítrea de buena calidad es una tarea difícil para el DSC. No obstante, es una técnica común y útil debido a la disponibilidad de instrumentos DSC, la sencilla preparación de muestra, el tiempo de medición relativamente corto, la buena precisión y la fácil evaluación mediante software comercial.
Entre los consejos y sugerencias para obtener buenos datos se incluyen:
- Estabilice el instrumento antes de la medición
- No realice nunca la primera medición tras encender el instrumento
- Compruebe la reproducibilidad utilizando mediciones repetidas
- Promediar diferentes mediciones mejora la precisión
- Coloque los crisoles limpios con precisión sobre el sensor
- Si es posible, utilice crisoles con sólo una pequeña diferencia de masa, <50 µg
- Recomendado: Crisol de 40 µl; masa de la muestra: de 10 a 20 mg para materiales orgánicos
- Asegure un buen contacto térmico entre la muestra y el crisol
Aplicaciones
Productos relacionados
Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
La DSC mide las entalpías asociadas a transiciones y reacciones químicas y determina la temperatura a la que suceden estos procesos.
Análisis termomecánico (TMA)
Los coeficientes de expansión térmica se determinan con exactitud y precisión mediante analizadores termomecánicos (con una resolución nanométrica) en el intervalo –150 a 1600 °C.
Analizador dinamo-mecánico (DMA)
El analizador dinamo-mecánico permite determinar las amplitudes de fuerza y desplazamiento, así como los cambios de fase.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Qué factores principales influyen en la transición vítrea?
El grado de curado/reticulación, los plastificantes, la cristalinidad y la historia térmica influyen en la transición vítrea.
¿Cuáles son los resultados típicos de la transición vítrea obtenidos a partir de la curva de flujo térmico DSC?
Temperatura de transición vítrea, altura del escalón, que corresponde a la capacidad calorífica específica cp y anchura de la transición vítrea.
¿Por qué es importante conocer la temperatura de transición vítrea?
- Para determinar la temperatura máxima de uso del material
- Para ajustar los parámetros del proceso si el material debe procesarse en un estado determinado
- Para determinar el grado de curado de los materiales termoendurecibles
- Para determinar si un material es cristalino, amorfo o semicristalino
¿Cómo puede determinarse la transición vítrea por encima de 700 °C?
La transición vítrea puede medirse en un intervalo de temperaturas elevado utilizando un TGA/DSC.
¿Cuáles son las técnicas de análisis térmico más sensibles para determinar la transición vítrea?
La sensibilidad para la transición vítrea aumenta en el siguiente orden: TGA/DSC, DSC, DSC de temperatura modulada, TMA, TMA de carga diferencial (DLTMA) y, por último, DMA. Esto se debe al orden de magnitud en que aumenta la propiedad física que se mide con la técnica respectiva.