环氧树脂的玻璃化转变温度：定义、影响因素及应用

环氧树脂的玻璃化转变温度：定义、影响因素及应用

环氧树脂的玻璃化转变温度（Tg）是其最重要的性质之一，反映了材料从坚硬的玻璃状转变为柔软的橡胶状的温度区间。本文将详细介绍Tg的定义、测量方法及其对环氧树脂性能的影响，帮助读者全面理解这一重要参数。

一、Tg到底是什么？

玻璃化转变温度（Tg），不要与熔点（Tm）混淆，是热固性聚合物从坚硬、刚性或“玻璃状”状态转变为更柔韧、柔顺或“橡胶状”状态的温度范围。实际上，Tg不是一个离散的热力学转变，而是聚合物链迁移率显著增加的温度范围。最终的Tg是由许多因素决定的：环氧树脂的化学结构，硬化剂的类型和固化程度。Tg通常使用差示扫描量热法（DSC）测量：ASTM E1356，“用差示扫描量热法测定玻璃化转变温度的标准试验方法”。

Tg扫描的格式类似于动力学扫描，除了它是用固化的样品进行的。X轴表示温度，Y轴表示热流响应（见图1）。

如前所述，Tg实际上是一个温度范围，而不是一个特定的温度。然而，惯例是报告一个单一的温度，定义为温度范围的中点，以热流曲线的两个平坦区域的切线为界。对于图1中的环氧树脂材料，报告的Tg为75℃。Tg跨越一个温度范围，而不是发生在一个特定的温度，因为交联的聚合物链具有多个自由度和响应任何施加的热能的聚合物链运动模式。Tg值也可以根据其固化程度而变化。通常，材料的Tg报告是基于100%的转化（完全固化）。

二、环氧树脂的Tg影响因素

Tg强烈依赖于固化程式。低温固化，如室温（RT），将导致该化学物质的Tg最低。室温固化不能达到很高的Tg值。如果同样的材料在更高的温度下固化，则会产生更高的Tg。例如，根据固化程式表，粘合剂的Tg可以在60°C到110°C之间。这就是为什么在任何生产环境中保持严格的温度控制是很重要的。此外，吸湿可以显著降低环氧树脂的玻璃化转变温度（Tg），这是在设计潮湿应用时应考虑的一个因素。

三、其他注意事项

通常，Tg最高的粘合剂具有最佳的耐热性，因此在高温下具有最佳的拉伸性能。除非在固化过程中有明显的放热，否则一般来说，Tg不能显著高于固化过程中所见的最高温度。

模量与胶粘剂的基本关系是：Tg越高，交联密度越高，模量也越高。当温度高于其Tg时，存储模量下降。这表明从刚性状态到顺从状态的变化。高Tg和高存储模量导致高刚度，在大多数情况下等于低伸长率和在环境温度下受力时的差能量耗散。低于Tg的模量与温度主要呈线性反比关系。

搭接剪切强度和模剪强度：一般情况下，随着温度的升高，环氧树脂的搭接剪切强度和模剪强度会降低。这种效果经常被用作去除固化粘合剂的手段。随着环氧树脂变软，内聚失效变得更加普遍。这样就可以更容易地分离两个基板。

四、热膨胀系数（CTE）

随着胶粘剂Tg的变化，另一个重要的物理变化是热膨胀系数（CTE）的变化。当温度超过Tg时，粘合剂将开始软化并失去一些抗拉强度。它的CTE也将上升。一般来说，两个系数之间有一个平滑的过渡Tg。你也可以通过使用CTE曲线来定位材料的Tg。这是通过确定两条曲线的截距来完成的，绘制温度与位移的关系。

五、可以在高于其Tg的温度下使用环氧树脂吗？

与焊料不同，在固化的环氧树脂结构中，共价键产生的力会使更柔顺的环氧树脂在冷却到Tg以下时恢复到原来的形状。在许多情况下，使用高于其Tg的环氧树脂可能是有利的，因为增加的顺应性使粘合剂更耐冲击和振动。此外，由于其较低的刚性，环氧树脂也不太可能损坏脆弱的部件。