فهم كيفية عمل البوليمرات: نظرة بسيطة على درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمرات

إن درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) قد تبدو صعبة، ولكنها السر وراء معرفة سبب عدم تحول البلاستيك الصلب القابل للكسر إلى سائل وسبب مرونة الشريط المطاطي في درجة حرارة الغرفة. هذه المقالة مناسبة لك إذا تساءلت يومًا عن كيفية استخدام نفس المواد الأساسية في العديد من الأشياء المختلفة، من النظارات الصلبة إلى حافظات الهواتف الناعمة. سأشرح فكرة التحولات الزجاجية باستخدام كلمات سهلة، مع الحديث عن العلم دون المصطلحات صعبة الفهم. سننظر في درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمرات، وما هي الأشياء التي تغيرها، ولماذا هي صفقة كبيرة بالنسبة للمنتجات التي نستخدمها كل يوم. عندما تنتهي من قراءة هذا، سيكون لديك فهم جيد لهذا الجزء الأساسي من علم البوليمرات واحترام جديد للعمل الذكي الذي يدخل في صناعة المواد التي نستخدمها.

ما هي درجة حرارة التحول الزجاجي في البوليمر تحديدًا؟

فكر في قطعة من البوليمر المنتظم. عندما يكون الجو باردًا جدًا، يكون صلبًا وسهل الكسر، مثل الزجاج. إذا ضربته، فقد ينكسر إلى قطع. نسمي هذه الحالة الزجاجية. الآن، إذا بدأت في تسخين هذا البوليمر، فسيحدث شيء أنيق. لا يذوب ببساطة في سائل دفعة واحدة. بدلاً من ذلك، فإنه يمر بتغيير بطيء. يصبح أكثر ليونة وأكثر مرونة ومطاطية. يحدث هذا التغيير على مدى نطاق درجة حرارة معين. منتصف هذا النطاق هو ما نسميه درجة حرارة التحول الزجاجي، أو Tg.

يجب أن تعلم أن هذا ليس مثل الذوبان الحقيقي، مثل عندما يصبح الجليد ماء. يتم بناء البوليمر من سلاسل طويلة ومختلطة من أجزاء صغيرة. في الحالة الزجاجية، تكون سلاسل البوليمر هذه عالقة بشكل أساسي. يمكنهم الاهتزاز قليلاً، لكن ليس لديهم طاقة كافية للتجول. عندما تقوم بتسخين البوليمر ويصل إلى Tg الخاص به، تحصل السلاسل على طاقة حرارية كافية للبدء في الانزلاق بجانب بعضها البعض. هذه القدرة الجديدة على الحركة هي التي تجعل البوليمر يشعر بالمطاطية. لذلك، فإن التحول الزجاجي هو تغيير في كيفية تحرك سلاسل البوليمر، وليس تغييرًا من مادة صلبة إلى سائلة.

فكر في طبق من السباغيتي المطبوخة. عندما يكون باردًا، تلتصق القطع ببعضها البعض ولا تتحرك كثيرًا. إذا قمت بتسخينه، يمكن للقطع أن تتحرك حول بعضها البعض بسهولة أكبر. هذه صورة بسيطة لما يحدث لسلاسل البوليمر أثناء التحول الزجاجي. درجة حرارة التحول الزجاجي هي سمة أساسية للبوليمرات غير المتبلورة - تلك التي لها بنية جزيئية فوضوية ومختلطة. بالنسبة للبوليمرات شبه البلورية، التي تحتوي على مناطق مرتبة (بلورية) وفوضوية (غير متبلورة)، يحدث التحول الزجاجي فقط في الأجزاء الفوضوية.

لماذا يجب أن نهتم بالتحول الزجاجي للبوليمرات؟

إن التعرف على درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمرات ليس فقط للعمل المدرسي؛ إنه مفيد جدًا في الحياة الواقعية. تحدد Tg للبوليمر كيف سيتصرف عند درجة حرارة معينة، وبسبب ذلك، ما الذي يمكن استخدامه فيه. على سبيل المثال، يجب أن يكون البوليمر المستخدم في صناعة إطار سيارة مرنًا وقابلًا للتمدد في العديد من درجات الحرارة المختلفة. هذا يعني أن Tg الخاص به يجب أن يكون أقل بكثير من درجات الحرارة التي سيكون عليها على الطريق. تُستخدم المواد المطاطية مثل بولي إيزوبرين فوق Tg الخاص بها، وهذا هو سبب كونها ناعمة ومرنة.

من ناحية أخرى، يحتاج البوليمر المستخدم في جزء صلب يعطي شكلًا، مثل علبة الكمبيوتر أو زجاجة المياه، إلى أن يكون صلبًا وقويًا في درجة حرارة الغرفة. تحتاج هذه الاستخدامات إلى بوليمرات ذات Tg عالية، أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة. تُستخدم المواد البلاستيكية الصلبة مثل البوليسترين (PS) وبولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) عندما تكون في حالتها الزجاجية، أي أقل من درجات حرارة التحول الزجاجي الخاصة بها.

تعتبر درجة حرارة التحول الزجاجي أيضًا مهمة جدًا لكيفية تحويل البوليمرات إلى منتجات. لإعطاء البوليمر شكلًا، كما هو الحال في القالب، يجب تسخينه فوق Tg الخاص به إلى نقطة يصبح فيها ناعمًا ويمكن أن يتدفق. إن معرفة Tg يسمح للأشخاص الذين يصنعون الأشياء بمعرفة درجات الحرارة المناسبة لصنعها. يساعد هذا في التأكد من أن الشيء الذي تصنعه يتمتع بالصفات التي تريدها. باختصار، درجة حرارة التحول الزجاجي هي معلومة أساسية تساعد الخبراء على اختيار البوليمر المناسب لوظيفة معينة وصنعه بالطريقة الصحيحة.

كيف تؤثر البنية الكيميائية للبوليمر على درجة حرارته الزجاجية (Tg)؟

البنية الكيميائية للبوليمر هي الشيء الرئيسي الذي يحدد درجة حرارة التحول الزجاجي الخاصة به. تخيل سلاسل البوليمر على أنها حبال طويلة. كلما كان من الأسهل على هذه الحبال أن تتحرك وتنزلق بجانب بعضها البعض، انخفضت Tg. من ناحية أخرى، إذا كانت الحبال صلبة ولها أشياء عليها تعيقها، فسيكون Tg أعلى. غالبًا ما تسمى "صلابة" سلسلة البوليمر هذه بمرونة السلسلة.

بعض أجزاء البنية الكيميائية تغير مرونة السلسلة:

• مرونة العمود الفقري: الذرات التي تشكل سلسلة البوليمر الرئيسية، أو العمود الفقري، مهمة جدًا. البوليمرات ذات الأعمدة الفقرية المرنة جدًا، مثل البولي إيثيلين، لها درجات حرارة تحول زجاجي منخفضة جدًا. يمكن أن تدور الروابط في العمود الفقري للبولي إيثيلين بسهولة. في المقابل، فإن البوليمرات ذات المجموعات الصلبة في عمودها الفقري، مثل الحلقات في البوليسترين، لها درجات حرارة تحول زجاجي أعلى بكثير لأن هذه الحلقات تعيق دوران السلسلة.
• المجموعات الجانبية: يعتبر حجم ونوع الذرات أو مجموعات الذرات الموجودة على العمود الفقري للبوليمر (المجموعات الجانبية) مهمًا جدًا أيضًا. تعيق المجموعات الجانبية الكبيرة، مما يجعل من الصعب على سلاسل البوليمر أن تتحرك. هذا يجعل Tg أعلى. على سبيل المثال، يحتوي البولي بروبيلين على Tg أعلى من البولي إيثيلين بسبب مجموعة الميثيل الصغيرة الموجودة على عموده الفقري. يحتوي البوليسترين على حلقة كبيرة وضخمة كمجموعة جانبية، مما يساعد على إعطائه Tg عالية تبلغ حوالي 100 درجة مئوية.
• القوى بين السلاسل: تعمل قوى السحب بين سلاسل البوليمر أيضًا على تغيير Tg. القوى الأقوى، مثل تلك الناتجة عن المجموعات القطبية في البنية الكيميائية، تمسك السلاسل أقرب. هذا يجعل من الصعب عليهم التحرك ويؤدي إلى ارتفاع Tg. على سبيل المثال، تجعل ذرات الكلور القطبية في كلوريد البوليفينيل (PVC) Tg الخاص به أعلى من Tg البولي إيثيلين.

ما هو دور الحجم الحر في التحولات الزجاجية؟

فكرة رئيسية أخرى لفهم التحولات الزجاجية هي الحجم الحر. تخيل جرة مليئة بالرخام. الرخام يشبه سلاسل البوليمر. المساحة الفارغة بين الرخام هي الحجم الحر. يمنح هذا الحجم الحر المساحة اللازمة لسلاسل البوليمر للتحرك والانزلاق بجانب بعضها البعض. كلما زاد الحجم الحر للبوليمر، زادت سهولة حركة سلاسله، وبالتالي، انخفضت درجة حرارة التحول الزجاجي الخاصة به.

عندما تقوم بتبريد البوليمر من حالته المطاطية، تتحرك السلاسل بشكل أقل وتتراص معًا بشكل أقرب. هذا يجعل الحجم الحر أصغر. عند درجة حرارة التحول الزجاجي، يصل الحجم الحر إلى نقطة منخفضة جدًا حيث لا توجد مساحة كافية للأجزاء الكبيرة من السلاسل للتحرك. تتعثر سلاسل البوليمر في مكان واحد، وتتحول المادة إلى مادة صلبة غير متبلورة صلبة. هذا هو ما تدور حوله الحالة الزجاجية.

يمكن للعديد من الأشياء أن تغير كمية الحجم الحر في البوليمر. على سبيل المثال، غالبًا ما تحتوي البوليمرات ذات السلاسل الطويلة والمستقيمة على المزيد من نهايات السلسلة. هذه النهايات السلسلة تجعل المزيد من الحجم الحر. مع ارتفاع الوزن الجزيئي للبوليمر، ينخفض عدد نهايات السلسلة. هذا يعني وجود حجم حر أقل و Tg أعلى. تمنحنا فكرة الحجم الحر طريقة سهلة ولكنها جيدة للتفكير في كيفية تغيير البنية الصغيرة للبوليمر لصفاته الأكبر، وخاصة تحوله الزجاجي.

ما هي العوامل الأخرى التي تؤثر على درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمر؟

إلى جانب البنية الكيميائية الأساسية والحجم الحر، يمكن لبعض الأشياء الأخرى أن تغير درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمر. غالبًا ما تستخدم هذه الأشياء لتغيير صفات البوليمر لاستخدام معين.

فيما يلي جدول يوضح بعض هذه الأشياء الرئيسية:

إن معرفة هذه العوامل التي تؤثر على درجة حرارة التحول الزجاجي تسمح للعلماء بتغيير خصائص البوليمرات لتناسب احتياجات العديد من الاستخدامات المختلفة، من الناعمة والمطاطية إلى الصلبة والقوية.

كيف نقيس درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمر؟

نظرًا لأن التحول الزجاجي ليس حدثًا واضحًا ومفاجئًا مثل الذوبان، ولكنه تغيير بطيء على مدى نطاق من درجات الحرارة، فنحن بحاجة إلى طرق خاصة لقياسه. يمكن استخدام عدد قليل من طرق الاختبار للعثور على Tg للبوليمر. تبحث كل طريقة عن تغيير معين في صفات المادة أثناء مرورها بالتحول الزجاجي.

الطرق الأكثر شيوعًا هي:

• المسعرية التفاضلية للمسح (DSC): هذه واحدة من أكثر الطرق شيوعًا. تقيس DSC كمية الحرارة اللازمة لجعل عينة البوليمر أكثر سخونة مقارنة بمادة أخرى. عندما يمر البوليمر بتحوله الزجاجي، يحدث تغيير في كيفية احتفاظه بالحرارة. يبدو هذا وكأنه شكل خطوة على الرسم البياني DSC. عادة ما يُنظر إلى Tg على أنه منتصف هذا التغيير.
• التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA): هذه الطريقة جيدة جدًا في رؤية التغييرات في الخصائص الميكانيكية للبوليمر. في اختبار DMA، يتم دفع وسحب قطعة صغيرة من البوليمر بقوة ذهابًا وإيابًا. يتم قياس مدى صلابته ومقدار الطاقة التي يفقدها مع تغير درجة الحرارة. عندما يمر البوليمر بـ Tg الخاص به، هناك انخفاض كبير في مدى صلابته (معامله) ونقطة عالية في الطاقة التي يفقدها. يمكن أن تكون DMA طريقة أفضل للعثور على التحول الزجاجي من DSC، خاصة بالنسبة لبعض أنواع البوليمرات.
• التحليل الحراري الميكانيكي (TMA): تقيس هذه الطريقة التغيرات في حجم البوليمر مع تغير درجة الحرارة. عندما يتم تسخين البوليمر من خلال تحوله الزجاجي، يتغير المعدل الذي ينمو به مع الحرارة. يمكن رؤية هذا التغيير بواسطة TMA واستخدامه للعثور على Tg.

يعتمد تحديد الطريقة التي سيتم استخدامها على البوليمر الذي يتم اختباره وما تحتاج إلى معرفته. من الجيد أيضًا معرفة أن قيمة Tg المقاسة يمكن أن تكون مختلفة قليلاً بناءً على الطريقة المستخدمة وكيفية إعداد الاختبار، مثل معدل التسخين.

ما هو الفرق بين درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) ودرجة حرارة الانصهار (Tm)؟

هذا شيء غالبًا ما يختلط فيه الناس، ولكن درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) ودرجة حرارة الانصهار (Tm) شيئان مختلفان تمامًا. الفرق الرئيسي هو في نوع البوليمر والطريقة التي يحدث بها التغيير.

• التحول الزجاجي (Tg): هذه صفة للجزء غير المتبلور أو غير البلوري من البوليمر. إنه تغيير حيث تنتقل المادة من حالة زجاجية صلبة إلى حالة مطاطية ناعمة. لا تزال المادة صلبة؛ حالتها لا تتغير. التغيير كله يتعلق ببدء حركات كبيرة في سلاسل البوليمر. البوليمرات غير المتبلورة مثل البوليسترين (PS) و PMMA لها Tg فقط.
• الانصهار (Tm): هذه صفة للجزء البلوري من البوليمر. إنه تغيير حقيقي في الحالة حيث تنهار الأشكال البلورية المرتبة والمنظمة، وينتقل البوليمر من مادة صلبة إلى سائل سميك. تحتوي البوليمرات شبه البلورية، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين، على كل من Tg (لأجزائها الفوضوية) و Tm (لأجزائها المرتبة). درجة حرارة الانصهار دائمًا ما تكون أكثر سخونة من درجة حرارة التحول الزجاجي.

لتبسيط الأمر، عند Tg، تبدأ سلاسل البوليمر الفوضوية في التذبذب والتحرك. عند Tm، تنهار الأشكال البلورية المرتبة تمامًا وتذوب. إن معرفة هذا الاختلاف مهم جدًا لفهم كيفية عمل البوليمرات بشكل عام.

ما هي البوليمرات التي لديها درجة حرارة انتقال زجاجي عالية؟

هناك حاجة إلى البوليمرات ذات درجات حرارة التحول الزجاجي العالية للاستخدامات التي تحتاجها لتكون صلبة وقوية وقادرة على التعامل مع الحرارة. تُستخدم هذه المواد في حالتها الزجاجية في درجة حرارة الغرفة، مما يعني أن Tg الخاص بها أعلى بكثير من 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت). تحدث Tg العالية بسبب هياكلها الكيميائية الصلبة، والتي توقف حركة سلاسل البوليمر.

فيما يلي بعض البوليمرات ذات Tg عالية:

هذه البوليمرات القوية مهمة جدًا في مجالات مثل السفر إلى الفضاء والسيارات والإلكترونيات والطب، حيث غالبًا ما يتعين على المواد التعامل مع درجات الحرارة العالية والكثير من القوة البدنية. إن صنع بوليمرات جديدة ذات درجات حرارة تحول زجاجي أعلى هو شيء يعمل عليه العلماء بجد.

كيف تعمل حركية التحولات الزجاجية؟

لا يتعلق التحول الزجاجي بكيفية عمل الحرارة والطاقة فحسب؛ كما أنه يتأثر بشدة بالحركية، وهي دراسة مدى سرعة حدوث الأشياء. إن صنع حالة زجاجية هو شيء يعتمد على الوقت. يعتمد ما إذا كان البوليمر يصبح زجاجًا أو مادة صلبة بلورية عندما يبرد من كونه سائلًا على مدى سرعة تبريده.

إذا تم تبريد سائل البوليمر ببطء شديد، فإن سلاسل البوليمر لديها الوقت لتصطف في شكل بلوري أنيق. تحتوي عملية صنع البلورات هذه على خطوتين: بدء بلورات صغيرة ثم جعلها أكبر. ولكن إذا تم تبريد السائل بسرعة كبيرة (وهذا ما يسمى بالتبريد)، فإن السلاسل ليس لديها الوقت لتصطف في بلورات. تصبح حركتهم أبطأ وأبطأ حتى "تتعثر" بشكل أساسي في حالة صلبة غير متبلورة فوضوية - زجاج.

توضح حركية التحول الزجاجي أيضًا سبب إمكانية تغيير Tg المقاسة بمعدل التسخين. مع معدل تسخين أسرع، يكون لدى سلاسل البوليمر وقت أقل للتفاعل مع درجة الحرارة الأكثر سخونة، لذلك يبدو أن التغيير يحدث عند درجة حرارة أعلى قليلاً. هذه الجودة القائمة على الوقت هي جزء أساسي من التحول الزجاجي وتجعله مختلفًا عن التغيير الحقيقي القائم على الحرارة مثل الذوبان. إن الطريقة التي تعمل بها طاقة الحرارة والسرعة معًا هي التي تجعل النظر إلى التحولات الزجاجية أمرًا مثيرًا للاهتمام وليس بهذه البساطة.

ما هي النقاط الرئيسية حول درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمرات؟

لإنهاء نظرتنا المقربة إلى درجة حرارة التحول الزجاجي للبوليمرات، إليك أهم الأفكار التي يجب وضعها في الاعتبار:

• درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) هي درجة الحرارة التي ينتقل عندها البوليمر غير المتبلور من حالة زجاجية صلبة إلى حالة مطاطية ناعمة.
• هذا التغيير ليس ذوبانًا. إنه تغيير في قدرة سلاسل البوليمر الطويلة على الحركة.
• Tg هي صفة مهمة جدًا تحدد الاستخدامات الواقعية للبوليمر.
• البنية الكيميائية للبوليمر، مثل مرونة عموده الفقري ومجموعاته الجانبية، هي الشيء الرئيسي الذي يتحكم في Tg الخاص به.
• الحجم الحر، المساحة المفتوحة بين سلاسل البوليمر، مهم جدًا؛ المزيد من الحجم الحر يعني Tg أقل.
• يمكن لأشياء أخرى مثل الوزن الجزيئي والربط المتقاطع وإضافة الملدنات أن تغير Tg بشكل كبير أيضًا.
• عادة ما يتم قياس Tg بأدوات مثل DSC أو DMA أو TMA.
• التحول الزجاجي (Tg) هو صفة للأجزاء الفوضوية، في حين أن نقطة الانصهار (Tm) هي صفة للأجزاء المرتبة.
• البوليمرات ذات Tg العالية صلبة وقوية في درجة حرارة الغرفة وتستخدم للمنتجات طويلة الأمد.
• إن صنع الزجاج هو عملية تعتمد على الحركية تعتمد على مدى سرعة تبريده.