Temperatura di transizione vetrosa, che cos’è e come si misura

All’interno del percorso di caratterizzazione di materiali da costruzione a base polimerica, siano essi compositi, ancoranti chimici, isolanti e molti altri, assume un ruolo essenziale la determinazione della temperatura di transizione vetrosa. 

Per poter spiegare al meglio l’importanza di questa misura termica e come si determina, è necessario prima chiarire la differenza tra materiali amorfi e cristallini. Un materiale si definisce solido cristallino quando è possibile identificare una struttura molecolare, ossia l’insieme di atomi e molecole, ripetibile e prevedibile, definendo il cosiddetto reticolo cristallino. Viceversa un materiale si definisce amorofo quando non è possibile identificare una struttura cristallina ordinata, tra questi troviamo sicuramente il vetro ma anche i polimeri, che possono risultare amorfi o semicristallini, ossia una via di mezzo tra i due casi. 

Nella pratica, le differenze tra un materiale amorfo e cristallino, riguardano proprietà ottiche come la trasparenza, associata ai materiali amorfi, migliori proprietà meccaniche, associate invece ai materiali cristallini ma soprattutto differenti caratteristiche termiche.

Figura 1, Variazione del volume specifico con la temperatura per un materiale amorfo, semicristallino e cristallino. Sono indicate la temperatura di fusione (T_m e T_m‘) e la temperatura di transizione vetrosa (T_g). [1]

Un solido cristallino presenta unicamente la temperatura di fusione, che identifica il punto in cui il materiale passa dallo stato solido allo stato liquido. Per i materiali amorfi invece si determina la temperatura di transizione vetrosa T_g, in cui il materiale passa da uno stato solido detto vetroso ad uno stato solido gommoso, quindi subendo un rammollimento che ne determina una variazione della proprietà meccaniche; infine i solidi semi-cristallini, presentano entrambe le temperature, sia di transizione vetrosa che di fusione. È quindi fondamentale determinare la T_g, perché da essa è possibile determinare il comportamento del materiale e le sue proprietà, rispetto alla temperatura di esercizio e utilizzo dello stesso. Polimeri diversi presentano temperature di transizione vetrosa diverse, che dipendono dalle strutture macromolecolari, eventuali elementi additivi e grado di cristallinità che li definisco. 

La T_g si misura più comunemente attraverso la tecnica di Calorimetria a Scansione Differenziale DSC (Differential Scanning Calorimetry), che si basa su rampe di riscaldamento o raffreddamento controllati, mentre si misura la differenza di flusso termico tra il campione in esame e un riferimento, il tutto in atmosfera controllata. 

Figura 2, Termogramma di riscaldamento di un polimero semicristallino PET, in cui si identificano le temperature di transizione vetrosa, cristallizzazione e fusione. [2]

n figura è possibile osservare il termogramma, flusso termico vs. temperatura, di un polimero termoplastico semi-cristallino come il PET (Polietilentereftalato), in cui il primo picco endotermico rappresenta l’intervallo di transizione vetrosa (generalmente la T_g è il valore medio tra inizio e fine del tratto) e il terzo picco, sempre endotermico, rappresenta il punto di fusione del materiale; al centro un picco esotermico di cristallizzazione. 

Concludendo, nel valutare le proprietà di un materiale polimerico, o più in generale amorfo o semi-cristallino rispetto a determinate temperature di utilizzo, è fondamentale determinare la temperatura di transizione vetrosa che ci indica fino a quali condizioni di temperatura possiamo operare, senza che si verifichino sostanziali variazioni di comportamento del materiale stesso. Nei processi di qualificazione dei materiali per il ripristino e consolidamento delle strutture, la T_g si lega alla matrice polimerica di reti e tessuti, permettendo di determinare fino a che temperatura rimarranno invariate le proprietà determinate in condizioni standard, di laboratorio. 

[1] Di Daniele Pugliesi – Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14663163

[2] Surface Science Western – https://www.surfacesciencewestern.com/analytical-services/differential-scanning-calorimetry-dsc/