Temperatura di Transizione Vetrosa: Proprietà e Applicazioni dei Polimeri
Nell’ambito dello studio dei polimeri e delle loro potenzialità applicative, un ruolo fondamentale è svolto dalla temperatura di transizione vetrosa Tg. Questo parametro indica la temperatura al di sotto della quale il polimero diventa fragile, mentre al di sopra assume nuovamente la consistenza plastica.
La transizione vetrosa è una caratteristica tipica della porzione amorfa di un solido semi-cristallino. A basse temperature, le regioni amorfe del polimero si presentano in uno stato vetroso, e le molecole mostrano scarsa mobilità, con un debole movimento vibrazionale consentito. Di conseguenza, il polimero risulta duro, rigido e fragile. All’aumentare della temperatura di transizione vetrosa, le molecole iniziano a muoversi, conferendo al polimero una consistenza gommosa, morbidezza e flessibilità. Un esempio chiaro di questo fenomeno è rappresentato dalla gomma da masticare, morbida e flessibile a temperatura corporea, ma dura e rigida a basse temperature.
Relazione Empirica di Flory-Fox
Nel contesto della chimica dei polimeri, la relazione empirica di Flory-Fox rappresenta un punto di partenza significativo. Questa relazione mette in relazione la temperatura di transizione vetrosa con il peso molecolare medio numerico del polimero, definito come Mn = Σ(i) NiMi/ Σ(i)Ni, dove Mi rappresenta il peso molecolare e Ni il numero di catene.
Secondo questa relazione, Tg = Tg,∞ – K/Mi, in cui Tg,∞ è la massima temperatura di transizione vetrosa che può essere raggiunta per un peso molecolare teorico infinito, e K è un parametro empirico legato al volume libero presente nella specie polimerica.
Il Volume Libero e le Proprietà del Materiale
Il volume libero, ovvero lo spazio non occupato, diminuisce raffreddando il polimero fino alla temperatura di transizione vetrosa. A questa temperatura raggiunge un valore critico minimo Vf, limitando il riarrangiamento delle catene e riducendo la capacità delle catene polimeriche di assumere diverse conformazioni fisiche.
La differenza fondamentale tra un materiale elastico e uno plastico risiede nella capacità del materiale elastico di ritornare alla sua forma originale dopo essere stato sottoposto a stress, mentre i materiali plastici non riescono a farlo.
La temperatura di transizione vetrosa del vetro è compresa tra 510 e 560 °C, il che implica che a temperatura ambiente il vetro si presenta sempre duro ma fragile. Al contrario, il PVC ha una Tg di 83 °C, il che indica che a temperatura ambiente è fragile, ma se foggiato a forma di tubo può essere utilizzato per il trasporto di acqua fredda ma non di acqua calda. Aggiungendo un adeguato plastificante, il PVC può avere una Tg che arriva fino a -40°C, rendendolo adatto per applicazioni ad alte e basse temperature.