Transições Térmicas: Temperatura de Transição Vítrea (Tg)

A temperatura de transição vítrea está associada unicamente com a fase amorfa e é observada apenas em polímeros amorfos e semicristalinos.

 

No contexto dos polímeros e suas aplicações, o conceito de temperatura de transição vítrea (Tg) é uma das propriedades térmicas fundamentais e pode ser usada para distinguir duas categorias de polímeros: os plásticos e os elastômeros (borrachas). A temperatura de transição vítrea está associada unicamente com a fase amorfa dos polímeros e, portanto, é observada apenas em polímeros amorfos e semicristalinos.

Devido à complexidade estrutural dos poliméricos, a Tg não constitui uma temperatura única, mas sim um conjunto de temperaturas. Uma temperatura representativa deste conjunto é selecionada conforme a norma ASTM E1142-15, abaixo da qual um polímero se torna duro e frágil (estado vítreo) e acima da qual o mesmo polímero é macio (estado “borrachoso”).

Em termos experimentais, é acima da transição vítrea que o material se torna um líquido viscoso e escoa. É, por isso, essencial conhecer a temperatura de transição vítrea quando se pretende selecionar um polímero para uma determinada aplicação.

O que ocorre na Tg?

Para entender o que ocorre na temperatura de transição vítrea deve-se ter em mente que as propriedades físicas nos materiais poliméricos dependem da mobilidade da cadeia polimérica, ou seja, estão associadas a restrições nos graus de liberdade translacionais, rotacionais e vibracionais. Dessa forma, a medida que a temperatura diminui restringe-se a energia fornecida e consequentemente os movimentos moleculares.

Abaixo da Tg o material encontra-se em um estado vítreo em que sua energia interna não é suficiente para que ocorra o deslizamento de uma cadeia em relação à outra e, portanto, as cadeias moleculares não apresentam mobilidade e o material torna-se rígido. Com o aumento da temperatura, a energia fornecida ao material torna-se suficiente para que as cadeias da fase amorfa adquiram mobilidade. A transição vítrea se reflete macroscopicamente através de mudanças em vários tipos de propriedades, como por exemplo: capacidade calorífica, coeficiente de expansividade térmica e propriedades viscoelásticas.

Como medir a Tg?

As temperaturas de transição vítrea podem ser medidas por meio das técnicas de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) ou Análise Térmica Dinâmico-Mecânica (DMTA). A análise de DSC é a técnica mais utilizada devido à facilidade de preparação de amostras e rapidez de realização, além de ser aplicável à materiais sólidos e líquidos. Este ensaio consiste em medir a quantidade de energia necessária para estabelecer o equilíbrio térmico entre uma amostra e um material inerte de referência.

Curva típica de DSC

Figura: Curva típica de DSC

A análise térmica dinâmico-mecânica baseia-se na medição do comportamento mecânico de um material em função da temperatura, frequência, tempo, tensão ou combinação desses parâmetros, para uma gama de temperaturas. Esse método apresenta bastante precisão, mas, devido à as diversas formas de ensaio possíveis (tração, flexão, etc), o valor de Tg obtido irá ser diferente para cada ensaio.

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