Cristalinidad / Grado de Cristalinidad

La Cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de átomos o moléculas es constante y repetitiva. Muchos materiales tales como vitrocerámicas y algunos polímeros se pueden preparar de tal manera que se produzca una mezcla de zonas cristalinas y amorfas. 

Sin embargo, incluso para materiales completamente cristalinos, el grado de perfección estructural puede variar. 

Por ejemplo, la mayoría de las aleaciones metálicas son cristalinas, pero normalmente comprenden muchas zonas cristalinas independientes (granos o cristalinos). 

En varias orientaciones separadas por límites de grano, también contienen otros defectos cristalográficos, como dislocaciones. Eso reduce el grado de perfección estructural. 

Los cristales más perfectos son "boules" de silicio producidos para electrónica de semiconductores  que son grandes monocristales (es decir, no tienen límites de grano); estos están prácticamente libres de dislocaciones y tienen concentraciones controladas con precisión de imperfecciones. 

La Cristalización de polímeros se puede observar en algunos termoplásticos. Cuando la masa fundida solidifica, se produce un alineamiento parcial de las cadenas moleculares en el polímero. Basado en núcleos de cristalización, las cadenas moleculares se pliegan y forman regiones ordenadas llamadas lamella. 

Grado de Cristalinidad

Las propiedades de los plásticos están influenciadas significativamente por su grado de Cristalización. Cuanto mayor sea el grado de cristalización, más rígida y resistente, pero también más frágil, será una pieza moldeada. 

El grado de cristalización está influenciado por la estructura química y el historial térmico, como las condiciones de enfriamiento durante el procesado o el post-tratamiento térmico. 

Para la determinación del grado de cristalización, K, la entalpía de fusión medida ∆Hmeas se establece en relación con el valor de la literatura ∆Hlit para materiales completamente cristalinos. 

K= ∆Hmeas / ∆Hlit 

Historial térmico: el historial térmico o mecánico se muestra en la primera curva de calentamiento de una medida DSC.  

La segunda curva de calentamiento sirve para determinar las propiedades del material en determinadas condiciones dinámicas. 

El grado de cristalinidad tiene una influencia significativa en la dureza, densidad, transparencia y difusión. 

Sin embargo, las propiedades no están determinadas solo por el grado de cristalinidad, sino también por el tamaño de las unidades estructurales o la orientación molecular. 

Ejemplos de Aplicaciones

Determinación del grado de cristalinidad de polímeros

El comportamiento de fusión del polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE) y polipropileno (PP) se muestra en la figura 1. 

Las temperaturas máximas (pico) ayudan a identificar polímeros y mezclas de polímeros. 

Las áreas de los picos representan las entalpías de fusión. 

Basado en estos valores del experimento, el grado de cristalinidad se puede determinar mediante el software de evaluación estándar de Proteus

La entalpía de fusión para PE 100% cristalino es 293 J/g y 207 J/g para PP. Esto produce una cristalinidad calculada para LDPE de 46,5%, para HDPE de 74,2% y para PP de 48,8%. 

Fig. 1: Determinación del grado de cristalización para diferentes polímeros entre temperatura ambiente y 200°C a una velocidad de calentamiento de 10 K / min en una atmósfera de nitrógeno (40 ml / min); las medidas se realizaron con el DSC 204 F1 Phoenix® empleando crisoles de aluminio con tapas perforadas.

Determinación del grado de cristalinidad durante la post-cristalización

El cálculo del grado de cristalinidad, K, del PET se muestra en la figura 2 a continuación. 

A este punto, el área de entalpía de la masa fundida, ∆hm, aquí 42.83 J/g, se resta del área de entalpía de la post-cristalización, ∆hc, aquí 40.29 J/g, y se divide por el valor de la literatura de 140 J/g. 

 Esto da como resultado un grado de cristalización, K, del 1,8% para el PET. 

Application Note

Fig. 2: Cálculo del grado de cristalización, K, durante la post-cristalización del PET en el rango de temperatura ambiente y 300°C. La muestra se calentó a una velocidad de calentamiento de 10 K / min en crisoles de aluminio sellados con tapa perforada.

Métodos relacionados

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