Nachkristallisation (Kaltkristallisation)

Die Nachkristallisation von teilkristallinen Kunststoffen tritt vor allem bei erhöhter Temperatur und gesteigerter Molekülbeweglichkeit oberhalb des Glasübergangs auf. Sie kann jedoch auch bereits bei Raumtemperatur ablaufen, z.B. bei Kautschuken oder TPU.

Bei der Nachkristallisation handelt es sich um eine Veränderung der physikalischen Struktur, die zur Erhöhung des Kristallisationsgrades und der Lamellendicke sowie zur Vervollkommnung der Kristallstruktur führt. Bei der Nachkristallisation (Kaltkristallisation) wachsen an der Übergangszone zwischen den bestehenden kristallinen Strukturen und den amorphen Bereichen neue geordnete Strukturen (Kristallite) an. Diese neugebildeten Kristalle können sich von den bereits vorhandenen durch eine niedrigere Schmelztemperatur unterscheiden (siehe Abb.1).

Durch die Bildung einer dichteren Packung der Moleküle kann es zur Schwindung bzw. zum Verzug mit Rissbildung kommen.

 

Abb.1: Nachkristallisation (aus Gottfried Wilhelm Ehrenstein, Sonja Pongratz: Beständigkeit von Kunststoffen, S.30)

Die Nachkristallisation stellt im Sinne der DIN 50035 einen Physikalische Alterungsvorgang dar.

Physikalische Alterungsvorgänge sind immer Folge von thermodynamisch instabilen Zuständen (Eigenspannungen, Orientierungen, unvollkommene Kristallstruktur), die aus den verarbeitungsbedingten Abkühlbedingungen bei der Herstellung entstehen.

Die Kunststoffe erstarren hierbei in einer unterkühlten Schmelze, so dass keine Gleichgewichtsstruktur resultiert.

Durch Temperatureinwirkung werden die physikalischen Alterungsvorgänge beschleunigt.

 

Applikationsbeispiele

Beispiel zur Nachkristallistation

Diese Aufheizkurve zeigt Glasübergang, Nachkristallisation und Schmelzen von PET (Polyethylenterephthalat).

Instrument: DSC 214 Polyma

 

Testbedingungen:

  • Temperaturbereich 0 °C…290 °C unter Stickstoff 40 ml, 60 ml (P2, Protective)
  • Heiz-/Kühlraten 10 K/min
  • Einwaage 12 mg in gelochten Concavus®-Tiegel
Abb.2: Exotherme Nachkristallisation von PET bei 131°C (Peaktemperatur)

Beispiel zur Nachkristallistation und Schmelzen eines Vulkangesteins

Natürliche Materialien wie Gesteine sind hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung schwer zu analysieren. Solche Materialien sind in der Regel ein Gemisch aus verschiedenen Oxiden, Sulfaten oder Carbonaten. Vulkangestein ist in der Regel aus geschmolzenem Magma erstarrt und enthält hauptsächlich verschiedene Oxide.

Dieses Beispiel Abb. 3 zeigt ein DSC-Messergebnis einer DSC 404 F1 für ein solches Material. Man sieht deutlich, dass es sich fast vollständig amorph verfestigt hat.
Der Glasübergang lag zwischen 623 °C und 655 °C.
Nachkristallisation und Schmelzen wurden bei 884 °C und 1111 °C (Spitzentemperatur) nachgewiesen. Die bei der Kristallisation freigesetzte Wärme war vergleichbar mit der Schmelzwärme, was auf die hohe Amorphizität dieser Mischung hinweist.

Testbedingungen:

  • Temperaturbereich RT°C…1250 °C unter Stickstoff
  • Heizrate 10 K/min
Abb.3: DSC 404 F1-Messung an Vulkangestein, Temperaturbereich RT…1250 °C, 10 K/min

Related Methods

DSC