Cuándo medir la temperatura de transición vítrea (Tg) en DSC, TMA o DMA

La temperatura de transición vítrea (Tg) es una propiedad fundamental del material para definir la integridad del material, las condiciones de fabricación y las pautas de funcionamiento en aplicaciones como polímeros, electrónica y materiales avanzados. La transición vítrea puede medirse mediante tres técnicas de análisis térmico: DSC, TMA y DMA, cada una adecuada para materiales y aplicaciones específicas. Este blog explicará cómo miden la Tg estas técnicas y cuándo debe elegir cada una.

La transición vítrea es la región de temperatura donde un material amorfo cambia de una fase vítrea a una fase gomosa al calentarse, o viceversa al enfriarse. La transición vítrea ocurre en realidad en un rango de temperaturas, pero generalmente se reporta como una temperatura única denominada Tg.

Comprender la temperatura de transición vítrea ayuda a responder preguntas importantes como:

• ¿A qué temperatura corre riesgo de delaminación una placa de circuito impreso (PCB)?
• ¿Cuál es la temperatura ideal para el moldeo por inyección o la mezcla de polímeros sin degradación?
• ¿Se deformará o agrietará un material durante su uso final?

La transición vítrea puede medirse mediante DSC, TMA y DMA. Cada una de estas técnicas térmicas detecta la Tg basándose en cambios en una propiedad distinta del material durante la transición vítrea. Elegir el método correcto es esencial para obtener datos fiables y realizar comparaciones cuantitativas entre materiales.

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) es el método más utilizado para medir la transición vítrea. La DSC mide el flujo de calor hacia y desde una muestra en relación con una referencia inerte, revelando cambios en la capacidad calorífica que se utilizan para definir la transición vítrea. Estos cambios en la capacidad calorífica arrojan tres valores de temperatura: el inicio de la transición vítrea, el punto medio y el final de la transición.

El diseño experimental es muy importante para los resultados de DSC. Una mayor velocidad de calentamiento puede proporcionar una mayor sensibilidad, pero desplaza la Tg debido a efectos del instrumento, la conductividad térmica de la muestra y la cinética de transición. Aun así, la instrumentación DSC moderna ofrece un rendimiento de línea base superior y, cuando se combina con una alta velocidad de calentamiento, ofrece una medición de Tg confiable para materiales amorfos, semicristalinos y plastificados, así como para resinas termoestables. El DSC puede medir simultáneamente reacciones de fusión, cristalización y curado, proporcionando datos térmicos adicionales de los que carecen otros métodos.

El DSC modulado (MDSC) ofrece información adicional sobre las transiciones reversibles y no reversibles mediante la aplicación de un flujo de calor oscilante. Mientras que un endotermo de relajación de volumen puede distorsionar la Tg en un DSC convencional, el MDSC separa el endotermo de relajación de volumen del cambio de capacidad calorífica reversible en la Tg para una medición más confiable. El MDSC también separa las transiciones no reversibles (como la cristalización en frío y el curado) y proporciona sensibilidad para detectar transiciones dependientes de la velocidad de calentamiento. El MDSC es especialmente valioso para polímeros semicristalinos, películas multicapa o termoestables parcialmente curados.

El Análisis Termomecánico (TMA) mide la transición vítrea basándose en los cambios dimensionales a medida que se calienta la muestra. La Tg puede medirse mediante un cambio en la expansión térmica o a partir de una mayor penetración de la sonda a medida que el material se ablanda durante la transición vítrea. El modo de expansión es ideal para termoplásticos rígidos y materiales con una transición de expansión bien definida, mientras que el modo de penetración es mejor para materiales que se ablandan significativamente por encima de la Tg, como polímeros más blandos, recubrimientos, adhesivos y algunos elastómeros.

El TMA es mejor que el DSC para materiales rellenos, altamente cristalinos o reticulados, porque los cambios dimensionales observados en la Tg suelen ser significativos. Sin embargo, los perfiles de Tg obtenidos mediante TMA suelen ser amplios, pueden verse afectados por las condiciones de carga de la sonda y pueden complicarse por los efectos de relajación de volumen.

El Análisis Mecánico Dinámico (DMA) mide los cambios en la rigidez mecánica y la absorción de energía mediante la aplicación de un esfuerzo o deformación mecánica oscilante. A medida que el movimiento molecular aumenta durante la transición vítrea, el módulo de almacenamiento (E’) disminuye drásticamente, lo que convierte al DMA en una de las técnicas más sensibles para las determinaciones de Tg. Esta sensibilidad es ideal para detectar la Tg en materiales altamente rellenos, cristalinos o reticulados con un contenido amorfo muy bajo.

Se pueden utilizar tres eventos de DMA para definir el rango de la transición vítrea. El inicio del módulo de almacenamiento (E’) marca el comienzo de la transición vítrea, el pico del módulo de pérdida (E”) es el punto medio de la transición vítrea y el pico de tan delta representa el extremo superior de la transición.

DSC, TMA y DMA tienen cada uno sus propias fortalezas y debilidades al determinar la Tg en diferentes materiales. La siguiente tabla resume la utilidad relativa de las diferentes técnicas térmicas para evaluar la Tg en diferentes materiales según nuestra investigación:

Para obtener más información y análisis, lea la nota de aplicación completa Exploración de la sensibilidad de las técnicas de análisis térmico a la transición vítrea. En nuestra Guía de selección de análisis térmico gratuita se ofrece un desglose más detallado de qué instrumentos térmicos se adaptan a aplicaciones específicas.