Modelización de la transición vítrea con relajación entálpica a partir de datos térmicos

Abstract

[Resumen] El objetivo de este trabajo es modelizar la curva de flujo de calor total que se obtiene a partir de ensayos de calorimetría diferencial de barrido (DSC) estándar en el rango de temperaturas de la transición vítrea y la recuperación entálpica. Para ello se propone un modelo matemático que permite la estimación de las curvas de flujo de calor reversing y nonreversing (se utiliza la denominación inglesa para evitar la confusión con procesos termodinámicamente reversibles o irreversibles) a partir de la curva de flujo de calor total obtenida en un ensayo de calorimetría diferencial de barrido. El modelo se ajusta de forma óptima a la curva de flujo de calor total mediante técnicas de regresión no lineal. Análogamente al MTDSC, el modelo propuesto permite separar los procesos reversing y nonreversing, pero con la diferencia importante de que al trabajar con datos de flujo de calor total, las señales separadas no se verán afectadas por la frecuencia de modulación. Teniendo en cuenta estas diferencias, la separación obtenida con el modelo se compara con la obtenida mediante MTDSC y se obtiene una estimación del efecto de la frecuencia. La posibilidad de aplicar este modelo resulta de especial interés en el estudio del envejecimiento físico de materiales amorfos o parcialmente amorfos, los cuales al ser almacenados a temperaturas inferiores a su temperatura de transición vítrea, evolucionan espontáneamente hacia un estado de equilibrio experimentando lo que se conoce como relajación entálpica. En esas situaciones, el estudio de la transición vítrea mediante DSC estándar es muy complicado, a no ser que se borre previamente la historia térmica, lo cual alteraría el material. Conviene destacar que la importancia del modelo no radica en poder obtener mediante DSC estándar algo similar a lo que se obtiene mediante MTDSC, sino en que la estimación de la temperatura de transición vítrea obtenida está libre, a diferencia del caso MTDSC, del efecto de la frecuencia.

[Resumo] O obxectivo deste traballo é modelizar a curva de fluxo de calor total que se obtén a partir de ensaios de calorimetría diferencial de varrido (DSC) estándar no rango de temperaturas da transición vítrea e a recuperación entálpica. Para iso proponse un modelo matemático que permite a estimación das curvas de fluxo de calor reversing e non-reversing (utilízase a denominación inglesa para evitar a confusión con procesos termodinámicamente reversibles ou irreversibles) a partir da curva de fluxo de calor total obtida nun ensaio de calorimetría diferencial de varrido. O modelo axústase de forma óptima á curva de fluxo de calor total mediante técnicas de regresión non lineal. Analogamente ao MTDSC, o modelo proposto permite separar os procesos reversing e non-reversing, pero coa diferenza importante de que ao traballar con datos de fluxo de calor total, os sinais separados non se verán afectadas pola frecuencia de modulación. Tendo en conta estas diferenzas, a separación obtida co modelo compárase coa obtida mediante MTDSC e obtense unha estimación do efecto da frecuencia. A posibilidade de aplicar este modelo resulta de especial interese no estudo do avellentamento físico de materiais amorfos ou parcialmente amorfos, os cales ao ser almacenados a temperaturas inferiores á súa temperatura de transición vítrea, evolucionan espontáneamente cara a un estado de equilibrio experimentando o que se coñece como relaxación entálpica. Nesas situacións, o estudo da transisción vítrea mediante DSC estándar é moi complicado, a non ser que se borre previamente a historia térmica, o cal alteraría o material. Convén destacar que a importancia do modelo non radica en poder obter mediante DSC estándar algo similar ao que se obtén mediante MTDSC, senón en que a estimación da temperatura de transición vítrea obtida está libre, a diferenza do caso MTDSC, do efecto da frecuencia.

[Abstract] The aim of this work is to model the total heat flow curve obtained by standard differential scanning calorimetry (DSC) in the glass transition-enthalpy recovery range of temperature. To this aim, a mathematical model is proposed, which allows to estimate the reversing and non-reversing curves from the total heat flow curve obtained in a standard DSC test. The model is optimally fitted to the total heat flow curve by non linear regression techniques. Similarly to modulated temperature-DSC (MTDSC), the model allows for separation of the reversing and non-reversing processes, but with the important difference consisting in that, since only total heat flow data are involved in the calculation, the separated signals will not be affected by the modulation frequency. Taking these differences into account, the separation obtained by the model is compared to the one obtained by MTDSC, and an estimation of the frequency effect is also obtained. The possibility of applying this model is of great interest for the study of the physical aging of noncrystalline or partially noncrystalline materials, which when stored at temperatures below its glass transition temperature, evolve spontaneously toward a state of equilibrium, experiencing what is known as enthalpy relaxation. In those situations, the study of the glass transition by standard DSC is very complicated, unless the thermal history is previously erased, which would alter the material itself. It should be mentioned that the importance of the proposed model does not lie on the possibility of obtaining by standard DSC something similar to what is obtained by MTDSC, but on the fact that the obtained estimation of the glass transition temperature is free, differently than in the MTDSC case, from the frequency effect.