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温度与聚合物

现在我们对材料结构有了更好的理解，我们将深入研究其热性能，以了解其随温度变化的行为。为此，我们首先需要定义一种测试，它将揭示聚合物的热性能：DSC。

DSC 定义差示扫描量热法 (DSC) 是一种热分析方法，其中将样品放入腔室中，并测量持续升高腔室内部温度所需的吸热量。这种分析旨在通过记录聚合物如何通过其能量吸收和释放水平对逐渐升高的热量做出反应，从而精确确定样品发生某些状态转变（例如玻璃化转变、结晶和熔融）的温度。

DSC玻璃化转变温度 (Tg)

玻璃化转变温度存在于所有聚合物中，它指的是聚合物物理状态从玻璃态（坚硬易碎）转变为橡胶态（柔软有弹性）的温度。Tg 通常用于突出无定形聚合物的最高工作温度。

结晶温度 (Tc)

结晶发生在 Tg 和 Tm（熔融温度）之间。它是聚合物分子排列形成晶体的过程。结晶温度是聚合物以最高速度结晶的点。

熔融温度 (Tm)

熔融温度是半结晶聚合物的晶体区域开始熔化/变形的点。无定形聚合物没有明确的熔融温度。

分解温度 (Td)

分解温度是材料开始变质的温度，这意味着聚合物的主链开始分解。

关于上述图表和定义的说明一个简单的理解方式是，注入腔室的热量（能量）将用于升高内部温度，但是如果腔室内的样品（聚合物）吸收了一些热能用于结构重排，则需要注入更多的热量才能以恒定速率持续升高温度。

参考下图，一开始系统施加恒定量的热量，以一定速率升高温度。在 Tg（玻璃化转变温度）处，我们可以注意到需要更多的热量才能以相同的速率升高温度，这是因为样品会吸收一些热能来打破其非共价键，使聚合物移动更自由（导致材料变软）。

在此相变之后，样品将具有更高的热容，因此系统仍需要注入恒定量的热量以相同的速率升高系统温度，但此量将高于 Tg 之前。样品持续吸收的能量将使聚合物微观结构越来越自由地移动（激发它们）。在 Tc（结晶温度）处，样品的聚合物链将具有足够的自由移动能力来形成晶体。然后样品将释放能量（热量），这意味着我们需要向系统注入更少的热量来升高其温度。

原因是晶体结构（一种更有序的结构）来自于一种更无序的结构，这将需要更少的能量，从而释放出多余的能量。一旦晶体形成，样品将不再向系统释放能量。然而，在晶体形成后不久，在 Tm（熔融温度）处，聚合物链将继续获得能量（运动），这将使它们过度激发并打破晶体结构，从而从系统中吸收能量，因此需要向系统注入更多的能量以恒定速率继续升高温度。在所有晶体破裂后，样品将不再需要系统提供任何额外的能量。这解释了 Tc 和 Tm 处两个相反的尖峰。在 Td（分解温度）处，样品将开始分解，这意味着共价键将开始断裂，样品将失去其热容，因此需要更少的热量来升高系统温度。

现在，对聚合物的热转变和随温度变化的行为有了更好的理解，我们可以利用这些知识来解释一些 3D 打印现象：