उच्च आणविक वजन वाले पदार्थों के लिए गलनांक एवं ग्लासीकरण तापमान का महत्व

ग्लास ट्रांजिशन तापमान (Glass Transition Temperature, Tg), वह तापमान है जिस पर काँच जैसी सामग्री, काँच अवस्था एवं उच्च लचीलापन वाली अवस्था के बीच आपस में परिवर्तित हो जाती है। अक्रिस्टलीय पॉलिमरों के मामले में, उन पर स्थिर बल लगाने पर उनमें होने वाले आकार-परिवर्तनों एवं तापमान के बीच के संबंधों का अध्ययन किया जाता है। इसे आमतौर पर “तापमान-आकार परिवर्तन वक्र” या “थर्मोमेकैनिकल वक्र” कहा जाता है। अक्रिस्टलीय पॉलिमरों में तीन यांत्रिक अवस्थाएँ होती हैं – काँचीय अवस्था, उच्च-लचीली अवस्था, एवं चिपचिपी/प्रवाही अवस्था। कम तापमान पर, सामग्री कठोर ठोस अवस्था में होती है; यह काँच के समान होती है। बाहरी बलों के प्रभाव से इसमें बहुत ही कम विरूपण होता है। यही अवस्था “काँचीय अवस्था” कहलाती है। जब तापमान एक निश्चित सीमा तक बढ़ जाता है, तो सामग्री में विरूपण में वृद्धि हो जाती है, एवं एक निश्चित तापमान सीमा तक विरूपण लगभग स्थिर रहता है। यही अवस्था “उच्च-लचीली अवस्था” कहलाती है। जब तापमान और अधिक बढ़ जाता है, तो विरूपण फिर से बढ़ने लगता है, एवं सामग्री धीरे-धीरे चिपचिपे तरल रूप में बदल जाती है। ऐसी स्थिति में विरूपण को वापस लाना संभव नहीं होता। यही अवस्था “चिपचिपे तरल अवस्था” कहलाती है। हम आमतौर पर काँचीय अवस्था एवं उच्च-लचीली अवस्था के बीच होने वाले परिवर्तन को “ग्लासीकरण परिवर्तन” कहते हैं। इस परिवर्तन से संबंधित तापमान को ही “ग्लासीकरण तापमान” कहा जाता है। Tg, अक्रिस्टलीय थर्मोप्लास्टिकों के उपयोग हेतु अधिकतम तापमान है; जबकि रबरों के उपयोग हेतु यह न्यूनतम तापमान है। काँच का रूपांतरण, द्वितीयक चरण-परिवर्तन के रूप में होता है; इस प्रक्रिया में पदार्थ की ऊष्मा-क्षमता में निरंतर परिवर्तन होता रहता है। लेकिन वास्तव में, काँच का रूपांतरण एक गतिकीय प्रक्रिया है। अतः, काँच के रूपांतरण तापमान का सटीक मान, उस तापमान में होने वाले परिवर्तनों की गति से संबंधित होता है। सामान्य रूप से, काँच जैसी स्थिति में मौजूद पदार्थों में अधिकांश उच्च-आणविक वजन वाले पदार्थ, काँच आदि औद्योगिक क्षेत्र में महत्वपूर्ण उपयोग वाले ग्लास-जैसे पदार्थों में ग्लास-जैसी संरचना वाले धातुएँ भी शामिल हैं।

ग्लासीकरण परिवर्तन, अक्रिस्टलीय पॉलिमर सामग्रियों का एक स्वाभाविक गुण है; यह पॉलिमरों में होने वाले गतिशील परिवर्तनों का बाहरी प्रतिबिंब है। यह सीधे तौर पर सामग्री के उपयोगी गुणों एवं उत्पादन संबंधी विशेषताओं को प्रभावित करता है। इसी कारण, लंबे समय से यह पॉलिमर भौतिकी अनुसंधानों का मुख्य विषय रहा है। चूँकि उच्च आणविक संरचनाएँ कम आणविक संरचनाओं की तुलना में अधिक जटिल होती हैं, इसलिए ऐसी संरचनाओं में आणविक गतिविधियाँ भी अधिक जटिल एवं विविध होती हैं। पॉलिमरों की गतिशीलता के आधार पर, अधिकांश पॉलिमर सामग्रियाँ आमतौर पर निम्नलिखित चार भौतिक अवस्थाओं (या यांत्रिक अवस्थाओं) में होती हैं: ग्लासी अवस्था, विस्कोएलास्टिक अवस्था, थर्मोएलास्टिक अवस्था (रबर जैसी अवस्था), एवं विस्कोसोलिड अवस्था। जबकि, ग्लासीकरण परिवर्तन, उच्च-लचीली अवस्था एवं काँचीय अवस्था के बीच होने वाला परिवर्तन है। आणविक संरचना के दृष्टिकोण से, ग्लासीकरण तापमान, पॉलिमरों के अक्रिस्टलीय भागों के “जमे हुए अवस्था” से “पिघले हुए अवस्था” में आने की प्रक्रिया है। चूँकि इस प्रक्रिया में कोई ऊष्मा उत्पन्न नहीं होती, इसलिए यह न तो प्रथम-कोटि का चरण-परिवर्तन है, और न ही द्वितीय-कोटि का चरण-परिवर्तन (पॉलिमर गतिकी में इसे “मुख्य परिवर्तन” कहा जाता है)। ग्लासीकरण तापमान से नीचे, पॉलिमर ग्लासी अवस्था में होता है; ऐसी स्थिति में आणविक श्रृंखलाएँ एवं उनके खंड कोई गति नहीं कर पाते, केवल आणविक परमाणु/समूह ही अपनी संतुलन स्थिति में कंपन करते रहते हैं। जब तापमान ग्लासीकरण तापमान तक पहुँचता है, तो आणविक श्रृंखलाएँ तो गति नहीं कर पातीं, लेकिन उनके खंड गति करने लगते हैं; इससे पॉलिमर में उच्च लचीलापन देखने को मिलता है। जब तापमान और बढ़ जाता है, तो पूरी आणविक श्रृंखला ही गति करने लगती है, जिससे पॉलिमर में चिपचिपाहट देखने को मिलती है। ग्लासीकरण तापमान (Tg), अक्रिस्टलीय पॉलिमरों का एक महत्वपूर्ण भौतिक गुण है। यह कंडेन्स्ड स्टेट फिजिक्स के सिद्धांतों में भी एक महत्वपूर्ण समस्या है; इससे जुड़ी कई चुनौतियाँ गतिकी एवं ऊष्मागतिकी से संबंधित हैं। ग्लासीकरण संबंधी सिद्धांतों में लगातार विकास हो रहा है। 1950 के दशक में विकसित “फ्री वॉल्यूम” सिद्धांत से लेकर आज तक विकसित “मोडल वॉर्टेक्स” सिद्धांत एवं अन्य कई सिद्धांत, ग्लासीकरण संबंधी कुछ ही समस्याओं का समाधान कर पा रहे हैं। एक पूर्ण ग्लासीकरण सिद्धांत विकसित करने हेतु अभी भी बहुत प्रयासों की आवश्यकता है। अक्रिस्टलीय पॉलिमरों पर स्थिर बल लगाने पर, उनमें होने वाले आकार-परिवर्तनों एवं तापमान के बीच के संबंधों का अध्ययन किया जाता है; इसे आमतौर पर “तापमान-आकार परिवर्तन वक्र” या “थर्मोमेकेनिकल वक्र” कहा जाता है। अक्रिस्टलीय पॉलिमरों में चार यांत्रिक अवस्थाएँ होती हैं; वे हैं – काँचीय अवस्था, चिपचिपी-लचीली अवस्था, अत्यधिक लचीली अवस्था, एवं चिपचिपी-प्रवाही अ कम तापमान पर, सामग्री कठोर ठोस अवस्था में होती है; यह काँच के समान होती है। बाहरी बलों के प्रभाव से इसमें बहुत ही कम विरूपण होता है। यही अवस्था “काँचीय अवस्था” कहलाती है। जब तापमान एक निश्चित सीमा तक बढ़ जाता है, तो सामग्री में विरूपण में वृद्धि हो जाती है, एवं एक निश्चित तापमान सीमा तक विरूपण लगभग स्थिर रहता है। यही अवस्था “उच्च-लचीली अवस्था” कहलाती है। जब तापमान और अधिक बढ़ जाता है, तो विरूपण फिर से बढ़ने लगता है, एवं सामग्री धीरे-धीरे चिपचिपे तरल रूप में बदल जाती है। ऐसी स्थिति में विरूपण को वापस लाना संभव नहीं होता। यही अवस्था “चिपचिपे तरल अवस्था” कहलाती है। हम आमतौर पर काँचीय अवस्था एवं उच्च-लचीली अवस्था के बीच होने वाले परिवर्तन को “ग्लासीकरण परिवर्तन” कहते हैं। इस परिवर्तन से संबंधित तापमान को ही “ग्लासीकरण तापमान” कहा जाता है।

थ्रेड के मालिक को Tg – ग्लासीकरण परिवर्तन तापमान संबंधी बुनियादी अवधारणाओं को साझा करने के लिए धन्यवाद। जो लोग सामग्री-संबंधी विषयों में विशेषज्ञता नहीं रखते, उनके लिए इसे समझना वाकई काफी कठिन है।