第052篇｜玻璃轉移現象
第052篇｜玻璃轉移現象
Glass Transition
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一句話定義
玻璃轉移現象（Glass Transition）是指高分子材料隨溫度升高，高分子鏈段運動能力逐漸增加，由玻璃態（Glassy State）轉變為高彈態（Rubbery State）的物理轉變過程，其對應溫度稱為玻璃轉移溫度（Glass Transition Temperature, Tg）。
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為什麼重要
在高分子科學中。
熔融（Melting）並非唯一的重要熱轉變。
對於大多數高分子材料而言。
真正決定使用性能的。
往往是玻璃轉移現象。
原因在於。
接著劑是否具有黏性。
塑膠是否具有韌性。
橡膠是否具有彈性。
都與高分子鏈能否活動有關。
而Glass Transition。
正是在描述高分子鏈活動能力改變的過程。
因此。
理解Glass Transition。
等於理解高分子材料如何由堅硬轉變為柔軟。
也是理解：
• Tg
• Adhesion
• Cohesion
• Polymer Mobility
• Rheology
的重要基礎。
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基本原理
高分子材料並非完全靜止。
即使外觀看似固體。
高分子鏈仍持續進行微觀運動。
當溫度較低時。
鏈段活動受到限制。
材料呈現堅硬狀態。
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隨著溫度提高。
熱能逐漸增加。
鏈段開始獲得旋轉與位移能力。
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當活動能力達到特定程度時。
材料進入：
Glass Transition Region
玻璃轉移區域。
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此時：
• 剛性下降
• 彈性增加
• 鏈段活動增加
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這個過程稱為：
Glass Transition。
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Glass Transition不是熔化
這是最容易被誤解的概念之一。
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Melting
熔融。
⸻
晶體結構瓦解。
形成液態。
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Glass Transition
玻璃轉移。
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鏈段活動增加。
材料仍保持固態。
⸻
因此：
Glass Transition屬於二級轉變。
Melting屬於一級轉變。
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兩者本質不同。
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高分子鏈運動機制
高分子鏈包含大量鏈段。
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低溫時：
鏈段幾乎固定。
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接近Tg時：
局部鏈段開始運動。
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高於Tg時：
鏈段活動顯著增加。
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此現象稱為：
Segmental Motion
鏈段運動。
⸻
Glass Transition本質上就是：
Segmental Motion的啟動過程。
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玻璃態（Glassy State）
低於Tg。
材料進入玻璃態。
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特徵：
• 硬度高
• 剛性高
• 延伸率低
• 脆性增加
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例如：
PMMA在室溫下。
即屬於玻璃態材料。
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高彈態（Rubbery State）
高於Tg。
材料進入高彈態。
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特徵：
• 柔軟
• 韌性增加
• 能量吸收能力提高
• 彈性提升
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例如：
Acrylic PSA在室溫下。
通常位於高彈態區域。
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因此具備黏性。
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Glass Transition Region
玻璃轉移並非瞬間發生。
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而是在一定溫度範圍內逐漸完成。
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因此：
Glass Transition通常表現為區域。
而非單一點。
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實務上為方便比較。
常使用：
Glass Transition Temperature（Tg）
代表此區域中心值。
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重要數據
不同溫度下材料狀態
相對Tg位置 材料狀態
遠低於Tg 玻璃態
接近Tg 轉移區
高於Tg 高彈態
遠高於Tg 軟化區
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常見材料玻璃轉移現象
材料 Tg(°C)
Silicone -120
EVA -30 ~ -10
Acrylic PSA -60 ~ -10
PVC 80
PMMA 105
PS 100
PC 145
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Glass Transition與自由體積關係
高分子鏈之間存在：
Free Volume
自由體積。
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溫度提高時。
自由體積增加。
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鏈段活動能力提升。
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因此：
Glass Transition與Free Volume Theory高度相關。
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自由體積增加。
通常伴隨：
• 擴散增加
• 韌性提高
• 流動能力提高
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Glass Transition與接著工程
Glass Transition直接影響：
Wetting
潤濕能力。
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Tack
初黏力。
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Cohesion
內聚力。
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Peel Strength
剝離強度。
⸻
Heat Resistance
耐熱能力。
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例如：
接著劑使用溫度若接近Tg。
性能可能快速變化。
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因此接著工程設計時。
Tg與Glass Transition必須同步考量。
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PSA典型案例
壓敏膠需要：
• 潤濕
• 流動
• 能量吸收
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因此設計上通常使：
使用溫度高於Tg。
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鏈段具備足夠活動能力。
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才能形成良好接著界面。
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Thermoplastic典型案例
熱塑性材料加工時。
常利用Glass Transition現象。
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當材料進入高彈態後。
變形能力提高。
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便於加工成型。
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與高分子結構的關係
Glass Transition受到以下因素影響：
• Molecular Weight
• Crosslinking
• Crosslink Density
• Branching
• Copolymer
• Crystallinity
• Polymer Morphology
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因此：
Glass Transition可視為高分子結構綜合表現。
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常見應用
Acrylic PSA
初黏設計。
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PU Adhesive
柔韌性控制。
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Hot Melt Adhesive
加工溫度設計。
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TPU
彈性體設計。
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Engineering Plastic
使用溫度評估。
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Electronic Material
熱循環可靠度分析。
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相關名詞
• Glass Transition Temperature
• Free Volume
• Polymer Mobility
• Crystallinity
• Polymer Morphology
• Crosslink Density
• Thermoplastic
• Thermoset
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FAQ
Q1：Glass Transition與Tg相同嗎？
不同。
Glass Transition是現象。
Tg是描述該現象的代表溫度。
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Q2：玻璃轉移是否等於熔化？
不同。
玻璃轉移屬於鏈段活動變化。
熔化則涉及晶體結構瓦解。
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Q3：所有高分子都有Glass Transition嗎？
幾乎都有。
只是表現程度與溫度範圍不同。
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APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，Glass Transition是理解接著劑行為最重要的高分子現象之一。
許多接著問題看似來自配方設計。
實際上往往與材料使用溫度相對於Glass Transition的位置有關。
例如冬季接著性能下降。
高溫環境持黏力不足。
甚至運輸過程中的性能波動。
都可能與鏈段活動能力改變有關。
實務分析時，建議不要只關注Tg數值本身。
更應理解Glass Transition背後所代表的高分子鏈運動機制。
因為接著性能的形成與失效，本質上都與高分子鏈是否能夠適當活動密切相關。
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延伸閱讀
• Glass Transition Temperature（玻璃轉移溫度）
• Free Volume（自由體積）
• Polymer Mobility（高分子鏈活動性）
• Crystallinity（結晶度）
• Polymer Morphology（高分子形態學）
• Crosslink Density（交聯密度）
• Thermoplastic（熱塑性高分子）
• Thermoset（熱固性高分子）
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參考文獻
1. Ferry J.D., Viscoelastic Properties of Polymers.
2. Rubinstein M., Polymer Physics.
3. Sperling L.H., Introduction to Physical Polymer Science.
4. Flory P.J., Principles of Polymer Chemistry.
5. Polymer.
6. Macromolecules.
7. Progress in Polymer Science.
8. Journal of Applied Polymer Science.
Glass Transition
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一句話定義
玻璃轉移現象（Glass Transition）是指高分子材料隨溫度升高，高分子鏈段運動能力逐漸增加，由玻璃態（Glassy State）轉變為高彈態（Rubbery State）的物理轉變過程，其對應溫度稱為玻璃轉移溫度（Glass Transition Temperature, Tg）。
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為什麼重要
在高分子科學中。
熔融（Melting）並非唯一的重要熱轉變。
對於大多數高分子材料而言。
真正決定使用性能的。
往往是玻璃轉移現象。
原因在於。
接著劑是否具有黏性。
塑膠是否具有韌性。
橡膠是否具有彈性。
都與高分子鏈能否活動有關。
而Glass Transition。
正是在描述高分子鏈活動能力改變的過程。
因此。
理解Glass Transition。
等於理解高分子材料如何由堅硬轉變為柔軟。
也是理解：
• Tg
• Adhesion
• Cohesion
• Polymer Mobility
• Rheology
的重要基礎。
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基本原理
高分子材料並非完全靜止。
即使外觀看似固體。
高分子鏈仍持續進行微觀運動。
當溫度較低時。
鏈段活動受到限制。
材料呈現堅硬狀態。
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隨著溫度提高。
熱能逐漸增加。
鏈段開始獲得旋轉與位移能力。
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當活動能力達到特定程度時。
材料進入：
Glass Transition Region
玻璃轉移區域。
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此時：
• 剛性下降
• 彈性增加
• 鏈段活動增加
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這個過程稱為：
Glass Transition。
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Glass Transition不是熔化
這是最容易被誤解的概念之一。
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Melting
熔融。
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晶體結構瓦解。
形成液態。
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Glass Transition
玻璃轉移。
⸻
鏈段活動增加。
材料仍保持固態。
⸻
因此：
Glass Transition屬於二級轉變。
Melting屬於一級轉變。
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兩者本質不同。
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高分子鏈運動機制
高分子鏈包含大量鏈段。
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低溫時：
鏈段幾乎固定。
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接近Tg時：
局部鏈段開始運動。
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高於Tg時：
鏈段活動顯著增加。
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此現象稱為：
Segmental Motion
鏈段運動。
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Glass Transition本質上就是：
Segmental Motion的啟動過程。
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玻璃態（Glassy State）
低於Tg。
材料進入玻璃態。
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特徵：
• 硬度高
• 剛性高
• 延伸率低
• 脆性增加
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例如：
PMMA在室溫下。
即屬於玻璃態材料。
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高彈態（Rubbery State）
高於Tg。
材料進入高彈態。
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特徵：
• 柔軟
• 韌性增加
• 能量吸收能力提高
• 彈性提升
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例如：
Acrylic PSA在室溫下。
通常位於高彈態區域。
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因此具備黏性。
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Glass Transition Region
玻璃轉移並非瞬間發生。
⸻
而是在一定溫度範圍內逐漸完成。
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因此：
Glass Transition通常表現為區域。
而非單一點。
⸻
實務上為方便比較。
常使用：
Glass Transition Temperature（Tg）
代表此區域中心值。
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重要數據
不同溫度下材料狀態
相對Tg位置 材料狀態
遠低於Tg 玻璃態
接近Tg 轉移區
高於Tg 高彈態
遠高於Tg 軟化區
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常見材料玻璃轉移現象
材料 Tg(°C)
Silicone -120
EVA -30 ~ -10
Acrylic PSA -60 ~ -10
PVC 80
PMMA 105
PS 100
PC 145
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Glass Transition與自由體積關係
高分子鏈之間存在：
Free Volume
自由體積。
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溫度提高時。
自由體積增加。
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鏈段活動能力提升。
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因此：
Glass Transition與Free Volume Theory高度相關。
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自由體積增加。
通常伴隨：
• 擴散增加
• 韌性提高
• 流動能力提高
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Glass Transition與接著工程
Glass Transition直接影響：
Wetting
潤濕能力。
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Tack
初黏力。
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Cohesion
內聚力。
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Peel Strength
剝離強度。
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Heat Resistance
耐熱能力。
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例如：
接著劑使用溫度若接近Tg。
性能可能快速變化。
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因此接著工程設計時。
Tg與Glass Transition必須同步考量。
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PSA典型案例
壓敏膠需要：
• 潤濕
• 流動
• 能量吸收
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因此設計上通常使：
使用溫度高於Tg。
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鏈段具備足夠活動能力。
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才能形成良好接著界面。
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Thermoplastic典型案例
熱塑性材料加工時。
常利用Glass Transition現象。
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當材料進入高彈態後。
變形能力提高。
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便於加工成型。
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與高分子結構的關係
Glass Transition受到以下因素影響：
• Molecular Weight
• Crosslinking
• Crosslink Density
• Branching
• Copolymer
• Crystallinity
• Polymer Morphology
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因此：
Glass Transition可視為高分子結構綜合表現。
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常見應用
Acrylic PSA
初黏設計。
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PU Adhesive
柔韌性控制。
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Hot Melt Adhesive
加工溫度設計。
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TPU
彈性體設計。
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Engineering Plastic
使用溫度評估。
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Electronic Material
熱循環可靠度分析。
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相關名詞
• Glass Transition Temperature
• Free Volume
• Polymer Mobility
• Crystallinity
• Polymer Morphology
• Crosslink Density
• Thermoplastic
• Thermoset
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FAQ
Q1：Glass Transition與Tg相同嗎？
不同。
Glass Transition是現象。
Tg是描述該現象的代表溫度。
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Q2：玻璃轉移是否等於熔化？
不同。
玻璃轉移屬於鏈段活動變化。
熔化則涉及晶體結構瓦解。
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Q3：所有高分子都有Glass Transition嗎？
幾乎都有。
只是表現程度與溫度範圍不同。
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APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，Glass Transition是理解接著劑行為最重要的高分子現象之一。
許多接著問題看似來自配方設計。
實際上往往與材料使用溫度相對於Glass Transition的位置有關。
例如冬季接著性能下降。
高溫環境持黏力不足。
甚至運輸過程中的性能波動。
都可能與鏈段活動能力改變有關。
實務分析時，建議不要只關注Tg數值本身。
更應理解Glass Transition背後所代表的高分子鏈運動機制。
因為接著性能的形成與失效，本質上都與高分子鏈是否能夠適當活動密切相關。
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延伸閱讀
• Glass Transition Temperature（玻璃轉移溫度）
• Free Volume（自由體積）
• Polymer Mobility（高分子鏈活動性）
• Crystallinity（結晶度）
• Polymer Morphology（高分子形態學）
• Crosslink Density（交聯密度）
• Thermoplastic（熱塑性高分子）
• Thermoset（熱固性高分子）
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參考文獻
1. Ferry J.D., Viscoelastic Properties of Polymers.
2. Rubinstein M., Polymer Physics.
3. Sperling L.H., Introduction to Physical Polymer Science.
4. Flory P.J., Principles of Polymer Chemistry.
5. Polymer.
6. Macromolecules.
7. Progress in Polymer Science.
8. Journal of Applied Polymer Science.
