Kristallinität / Kristallinitätsgrad

Die Kristallinität bezieht sich auf den Grad der strukturellen Ordnung in einem Festkörper. In einem Kristall sind die Atome oder Moleküle regelmäßig und periodisch angeordnet. Viele Materialien, wie Glaskeramik und einige Polymere, können so aufbereitet werden, dass eine Mischung aus kristallinen und amorphen Bereichen entsteht.

Aber auch bei vollständig kristallinen Materialien kann der Grad der strukturellen Perfektion variieren.

Zum Beispiel sind die meisten metallischen Legierungen kristallin, aber sie bestehen in der Regel aus vielen unabhängigen kristallinen Bereichen (Körner oder Kristallite).

In verschiedenen, durch Korngrenzen getrennten Orientierungen enthalten sie darüber hinaus weitere kristallographische Defekte, wie Versetzungen. Das reduziert den Grad der strukturellen Perfektion.

Die perfektesten Kristalle sind die für die Halbleiterelektronik hergestellten Siliziumblöcke, die große Einkristalle sind (also keine Korngrenzen haben), nahezu frei von Versetzungen sind und genau kontrollierte Konzentrationen von Defektatomen aufweisen.

Die Kristallisation von Polymeren ist bei einigen thermoplastischen Kunststoffen zu beobachten. Hier kommt es beim Erstarren der Schmelze zu einer partiellen Ordnung der Molekülketten im Polymer. Ausgehend von Kristallisationskeimen lagern sich die Molekülketten faltenförmig aneinander und bilden sogenannte Lamellen.

Kristallinitätsgrad

Eigenschaften von Kunststoffen werden maßgeblich von deren Kristallisationsgrad beeinflusst. Je höher der Kristallisationsgrad, desto steifer und fester, aber auch spröder ist das Formteil.

Der Kristallisationsgrad wird durch die chemische Struktur und thermische Vorgeschichte, wie den Abkühlbedingungen beim Verarbeitungsprozess, oder der Wärmenachbehandlung beeinflusst.

Zur Bestimmung des Kristallisationsgrades K wird die gemessene Schmelzenthalpie ∆Hmess mit dem Literaturwert ∆Hlit für vollständig kristallines Material ins Verhältnis gesetzt.

K= ∆Hmess / ∆Hlit

Thermische Vorgeschichte: Die thermische oder mechanische Vorgeschichte zeigt sich in der 1. Aufheizkurve einer DSC-Messung. Die 2. Aufheizkurve dient zur Bestimmung von Materialkennwerten unter gegebenen dynamischen Bedingungen.

Der Kristallisationsgrad hat einen großen Einfluss auf Härte, Dichte, Transparenz und Diffusion.

Die Eigenschaften werden jedoch nicht nur vom Kristallisationsgrad, sondern auch von der Größe der Struktureinheiten oder der Molekülorientierung bestimmt.

Applikationsbeispiele

Bestimmung des Kristallinitätsgrades von Polymeren

 

Das Schmelzverhalten von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und Polypropylen (PP) ist in der Abbildung 2 dargestellt.

Peaktemperaturen helfen bei der Identifizierung von Polymeren und Polymermischungen.

Die Peakflächen stellen die Schmelzenthalpien dar.

Aus diesen experimentellen Werten kann der Kristallisationsgrad mit der Standardauswertesoftware Proteus bestimmt werden.

Die Schmelzenthalpie für 100 % kristallines PE beträgt 293 J/g und für PP 207 J/g. Daraus ergibt sich eine berechnete Kristallinität von LDPE von 46,5 %, HDPE von 74,2 % und PP von 48,8 %.

 

Abb 2: Bestimmung des Kristallisationsgrades bei versch. Polymeren zwischen RT und 200 °C bei einer Heizrate von 10 K/min in Stickstoffatmosphäre (40 ml/min); die Messungen wurden in Aluminiumtiegeln mit gelochtem Deckel in der DSC 204 F1 Phoenix® durchgeführt.

Bestimmung des Kristallinitätsgrades bei Nachkristallisation

 

Die Berechnung des Kristallinitätsgrades K bei PET ist in unterer Abbildung 3 zu sehen.

Hier wird die Enthalpiefläche des Schmelzens ∆hm hier 42,83 J/g von der Enthalpiefläche der Nachkristallisation ∆hc hier 40,29 J/g abgezogen und durch den Literaturwert von 140 J/g geteilt.

Es ergibt sich somit ein Kristallisationsgrad K von 1,8 % bei PET.

 

Application Note

Abb.3: Berechnung des Kristallisationsgrades K bei der Nachkristallisation von PET im Temperaturbereich zwischen RT und 300 °C. Die Probe wurde mit einer Heizrate von 10 K/min in einem geschlossenen Aluminiumtiegel mit gelochtem Deckel aufgeheizt.

Related Methods

DSC