在材料學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，材料的熱性能一直都是一個(gè)非常重要的性能參數(shù)。對(duì)于高分子材料而言更是如此，尤其是對(duì)于那些應(yīng)用于寒冷或高溫環(huán)境下的高分子材料組件，材料的熱學(xué)性能對(duì)其使用起著至關(guān)重要的作用。

高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（通常稱為Tg），定義為高分子材料從硬脆的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳浀?，類似橡膠的高彈態(tài)時(shí)的溫度。

一般而言，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是熱塑性塑料的使用上限溫度，是橡膠或者彈性體的使用下限溫度。

無(wú)定型的非晶聚合物通常只有一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；而對(duì)于結(jié)晶聚合物而言，通常會(huì)存在一個(gè)熔點(diǎn)（Tm）和一個(gè)典型的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，因?yàn)閷?duì)于結(jié)晶型聚合物而言，通常不會(huì)達(dá)到百分百結(jié)晶，其中仍含有無(wú)定形部分。

測(cè)量出材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度非常重要，因?yàn)檫@個(gè)溫度值不僅會(huì)涉及到材料的性能，決定材料的用途外，還能夠用于工業(yè)質(zhì)量控制及產(chǎn)品研發(fā)。

對(duì)于聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)量通常有三種方法：

1.差示掃描量熱法（DSC）

對(duì)于大多數(shù)高分子材料而言，這可能是最傳統(tǒng)也最常用的測(cè)量方法了。

圖1：上海和晟 HS-DSC-101差示掃描量熱法示意圖，該方法適用于很多熱塑性和熱固性的高分子材料

其原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)程序控制溫度的變化，在溫度變化的同時(shí)，測(cè)量試樣和參比物的功率差(熱流率)與溫度的關(guān)系，進(jìn)而得到測(cè)試材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

根據(jù)測(cè)量設(shè)備的不同，差示掃描量熱法適用于許多高分子材料，既包括熱塑性的，也包括熱固性的。

2.熱機(jī)械分析法（TMA）

熱機(jī)械分析定義為：在程序控溫下，對(duì)試樣在非振動(dòng)載荷下的形變與溫度關(guān)系的分析

圖2：熱機(jī)械分析法，該方法通常用于測(cè)量聚合物材料的熱膨脹系數(shù)

該方法通常更多是用于測(cè)量材料的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)對(duì)測(cè)試材料加熱時(shí)，利用一個(gè)敏感性較好的探針測(cè)試材料的膨脹系數(shù)；從得到的膨脹曲線上，能夠在一個(gè)溫度范圍內(nèi)測(cè)量出高分子材料的熱膨脹系數(shù)。

該方法主要是利用一種機(jī)械方法來(lái)測(cè)量高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，如果材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在熱機(jī)械分析測(cè)試過(guò)程中的溫度范圍內(nèi)，膨脹曲線的形狀會(huì)發(fā)生顯著的變化，根據(jù)這種變化能夠很容易的計(jì)算出測(cè)試材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

此外，在熱機(jī)械分析法中也有利用到穿透探針的，這就屬于另外一種不同的熱機(jī)械分析法。在這種方法中，一般都是通過(guò)穿透探針對(duì)測(cè)試樣品材料施加一定的負(fù)荷，隨著溫度的逐漸升高，探針也將逐漸的刺入到測(cè)試材料的內(nèi)部，通常規(guī)定在探針刺入到測(cè)試材料內(nèi)部一定距離時(shí)的溫度為材料的軟化溫度。得到的曲線上形狀顯著改變的地方也表明此時(shí)材料將不再能承受探針施加的壓力，因此就能較容易地計(jì)算出材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

3.動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法（DMA）

動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法是本文介紹的幾種方法中測(cè)量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最靈敏的方法。

圖3：動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法，該方法是本文介紹的幾種方法中測(cè)量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最為靈敏的方法。

動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法是對(duì)測(cè)試試樣施加恒振幅的正弦交變應(yīng)力，觀察應(yīng)變隨溫度或者時(shí)間的變化規(guī)律，從而計(jì)算力學(xué)參數(shù)用來(lái)表征材料粘彈性的一種方法。

DMA曲線一般包括儲(chǔ)存模量、損耗模量、損耗因子三個(gè)信號(hào)的曲線，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，儲(chǔ)存模量急劇下降至較平穩(wěn)的平臺(tái)，損耗模量和損耗因子都形成峰狀。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的確定通常有對(duì)應(yīng)的三種取法，分別為儲(chǔ)存模量曲線上的ONSET溫度值、損耗模量曲線和損耗因子曲線上的峰值溫度。

動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法具有很高的測(cè)試靈敏度，該方法對(duì)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度處發(fā)生改變的感應(yīng)程度比差示掃描量熱法（DSC）要靈敏10到100倍。因此，該方法非常適用于測(cè)試那些一般情況下難以找到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的高分子材料，例如環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的以及高度交聯(lián)的聚合物等。

影響材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的因素

對(duì)于上述提及的幾種技術(shù)，都會(huì)存在一些影響玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量結(jié)果的因素。

對(duì)于差示掃描量熱法（DSC）而言，程序升溫速度以及測(cè)試材料的熱歷史都是影響最終測(cè)試結(jié)果的重要因素。此外，對(duì)于某些材料，DSC并不會(huì)非常靈敏的顯示出足夠大的轉(zhuǎn)變，因此也就不能精確地計(jì)算最后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)量值。

對(duì)于熱機(jī)械分析法（TMA）而言，影響玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量結(jié)果的因素主要為升溫速率和探針施加的負(fù)荷。

對(duì)于動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法（DMA），影響玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的因素就相當(dāng)多了。如前面所說(shuō)，利用這種方法，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的確定通常有對(duì)應(yīng)的三種取法，分別為儲(chǔ)存模量曲線上的ONSET溫度值、損耗模量曲線和損耗因子曲線上的峰值溫度。這三種取值方法都有效可行，但卻會(huì)產(chǎn)生不一樣的結(jié)果。此外，不同的振蕩模式、不同的升溫速度、頻率等都會(huì)影響到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)量結(jié)果。

使用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行質(zhì)量控制

上述幾種技術(shù)都經(jīng)常用于產(chǎn)品的質(zhì)量控制過(guò)程。

差示掃描量熱法更多的是用在實(shí)驗(yàn)室（樹(shù)脂生產(chǎn)廠實(shí)驗(yàn)室或者委托檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室等）內(nèi)，測(cè)試對(duì)象一般為常見(jiàn)的熱塑性材料、無(wú)定形非晶材料，例如聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS）以及丙烯酸等。

熱機(jī)械分析法（TMA）一般適用于熱固性材料以及用于航空航天領(lǐng)域的復(fù)合材料的質(zhì)量控制過(guò)程中。

動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法（DMA）在質(zhì)量控制方面的應(yīng)用則更加廣泛，尤其適用于復(fù)合材料的質(zhì)量控制過(guò)程，復(fù)合材料在投入到最終使用前一般都會(huì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查測(cè)試過(guò)程，以精確控制其物理力學(xué)性能，利用DMA測(cè)量高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是一項(xiàng)很常規(guī)的測(cè)試，主要是為了確定材料性能是否與預(yù)期的一致。

利用上述幾種測(cè)試方法得到的數(shù)據(jù)的可靠性及精度與所用儀器的維護(hù)和校正程度緊密相關(guān)。

校正——以動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法為例

利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法測(cè)量材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，不同的測(cè)試操作以及對(duì)儀器進(jìn)行不一樣的校正工作都會(huì)造成最終測(cè)量結(jié)果有所偏差。

目前，動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有很多種可以選擇，例如ASTM、ISO、MIL、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及客戶要求的特殊標(biāo)準(zhǔn)等。在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試者需要注意這幾項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)里面會(huì)有一些差別。

當(dāng)利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法測(cè)量材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，能夠顯著影響測(cè)量結(jié)果的變量主要有：夾具類型（如三點(diǎn)彎曲，單懸臂等）、升溫速度、頻率、凈化氣體類型以及氣體流速、材料的熱擴(kuò)散系數(shù)以及熱電偶的安放位置等?？紤]到這些，就不難理解采用不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)或者方法，對(duì)測(cè)試設(shè)備需要采用不同的校正方法。其中有些校正方法會(huì)依照設(shè)備生產(chǎn)商的建議方法，或者參考一些其他專門針對(duì)DMA的校正方法等，所有的這些因素都可能會(huì)導(dǎo)致最終測(cè)量的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果產(chǎn)生顯著的不同。

結(jié)論

目前，已經(jīng)有各種各樣的測(cè)試方法能夠測(cè)量出高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。針對(duì)某些測(cè)試樣品，有時(shí)還需要反復(fù)試驗(yàn)以確定最適宜的測(cè)量方法。

此外，如果希望將測(cè)得的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，一定要清楚兩種測(cè)量方法以及測(cè)量參數(shù)是否一致，因?yàn)椴煌臏y(cè)量方法及測(cè)量參數(shù)都會(huì)造成最終數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的偏差。

同樣的，如果是按照測(cè)試規(guī)范或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試技術(shù)和測(cè)試參數(shù)必須嚴(yán)格按照要求選取，因?yàn)榧词故遣扇⊥环N測(cè)試技術(shù)，獲取玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也可能存在多種方式（如DMA），最終得到的結(jié)果之間也會(huì)存在偏差。利用差示掃描量熱法、熱機(jī)械分析法、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法測(cè)量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度得到的結(jié)果很少會(huì)相同，其結(jié)果可能會(huì)相差20℃，甚至更多！

利用各種技術(shù)測(cè)量高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度具有非常重要的意義，但如前所述，采用不同的測(cè)試技術(shù)，得到的結(jié)果也不盡相同，因此，在產(chǎn)品的質(zhì)量控制過(guò)程中，一定要清楚采用的是哪種測(cè)量方法，對(duì)于不同測(cè)試技術(shù)測(cè)得的不同結(jié)果需要認(rèn)真加以分析判斷。

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)）