Kristallisation

Als Kristallisation bezeichnet man den physikalischen Vorgang der Verhärtung bei der Bildung und beim Wachstum von Kristallen. Bei diesem Prozess wird Kristallisationswärme frei.

Bei der Züchtung von Kristallen werden künstliche Bedingungen geschaffen, unter denen die Kristallisation beschleunigt ablaufen kann.

Die Kristallisation kann aus gasförmiger, flüssiger oder fester Phase erfolgen. Beispiele sind das Erstarren einer Schmelze bei Abkühlung unter den Schmelzpunkt, das Auskristallisieren aus einer übersättigten Lösung, die Kondensation aus der Dampfphase, die Phasenumwandlung fester Stoffe (Polymorphie), die Entstehung kristalliner Produkte bei Festkörperreaktionen sowie die Kristallisation amorpher Stoffe.

Polymorphie: Das Auftreten eines Stoffes in verschiedenen festen Zustandsformen, die bei gleicher chem. Zusammensetzung Unterschiede in ihrer Struktur und damit in den physikalischen und teilweise auch chemischen Eigenschaften aufweisen.

Die Kristallbildung ist abhängig von den Abkühlbedingungen (Beispiel - Abb.1), den Additiven und Füllstoffen im Polymer, sowie den Strömungsbedingungen während des Erstarrens. Auch eine nachträgliche Verstreckung verändert die Anordnung der Moleküle und damit die Eigenschaften des Materials.

Die Kristallisations- bzw. Abkühlkurve einer DSC-Messung kennzeichnet den Enthalpieverlauf aus dem flüssigen, amorphen Zustand übergehend in den festen, kristallinen Phasenzustand. 

Die Kristallisation hat Einfluss auf die optischen, mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften des Stoffes und seine Verarbeitung.

 

Beispiel

Abkühlbedingungen

Abb.1: Glasübergang, Kaltkristallisation und Schmelzen bei konstanter Heizrate von 10 K/min nach Ab¬kühlung mit verschiedenen KühlratenAbb.1: Glasübergang, Kaltkristallisation und Schmelzen bei konstanter Heizrate von 10 K/min nach Ab¬kühlung mit verschiedenen Kühlraten

Die DSC-Untersuchungen zeigen die verschiedenen Glasübergangsbereiche (T  75 °C bis 85 °C), Kaltkristallisation (151 °C) und Schmelzeffekte (249 °C) in Abhängigkeit der vor dem Aufheizen gewählten unterschiedlichen  Kühlraten. Zur definierten Kühlung wurde hier der Intracooler der DSC 204 F1 eingesetzt.

Polyethylen-Terephthalat (PET) ist ein teilkristalliner Thermoplast mit einer relativ langsamen Kristallisationsgeschwindigkeit. Hohe Kühlraten führen bei diesem Material zu großen amorphen Anteilen, ∆cp am Glasübergang wird größer und einer Nachkristallisation während der Aufheizung.

Geringe Kühlraten dagegen führen zur verstärkten Ausbildung von kristallinen Anteilen, die während der Abkühlung entstehen. Dies hat kleinere Glasübergangsstufen und keine Nachkristallisation zur Folge.


Verwandte Methoden

DSC