Cristallinité / Degré de Cristallinité

La cristallinité désigne le degré d´ordre structurel d´un solide. Dans un cristal, l´arrangement d´atomes ou de molécules est cohérent et répétitif. De nombreux matériaux tels que la vitrocéramique et certains polymères peuvent être préparés de manière à produire un mélange de régions cristallines et amorphes.

Cependant, même pour des matériaux complètement cristallins, le degré de perfection de la structure peut varier.

Par exemple, la plupart des alliages métalliques sont cristallins, mais comprennent généralement de nombreuses régions cristallines indépendantes (grains ou cristallites).

Dans diverses orientations séparées par des limites de grain, ils contiennent également d'autres défauts cristallographiques, tels que des dislocations. Cela réduit le degré de perfection de la structure.

Les cristaux les plus parfaits sont les boules de silicium produites pour l'électronique semi-conductrice. Il s´agit de grands monocristaux (c'est-à-dire qu'ils n'ont pas de limite de grain) ; ils sont presque exempts de dislocations et ont des concentrations précisément contrôlées d'atomes défectueux.

La cristallisation de polymères peut être observée dans certains thermoplastiques. Lorsque la masse fondue se solidifie, un alignement partiel des chaînes moléculaires du polymère se produit. Sur la base des noyaux de cristallisation, les chaînes moléculaires se replient et forment des régions ordonnées appelées lamelles.

Degré de Cristallinité

Les propriétés des plastiques sont fortement influencées par leur degré de cristallisation. Plus le degré de cristallisation est élevé, plus une pièce moulée est rigide, mais aussi plus fragile.

Le degré de cristallisation est influencé par la structure chimique et l'histoire thermique, telles que les conditions de refroidissement pendant la fabrication ou le traitement post-thermique.

Pour la détermination du degré de cristallisation K, l´enthalpie mesurée de fusion ∆Hmes est comparée à la valeur de la littérature ∆Hlit pour un matériau complétement cristallin.

K= ∆Hmeas / ∆Hlit

Histoire thermique : L´histoire thermique ou mécanique est présente dans la courbe de la 1ère chauffe d'une mesure DSC. La courbe de la 2ème chauffe sert à déterminer les propriétés du matériau dans des conditions dynamiques données.

Le degré de cristallinité a une influence significative sur la dureté, la densité, la transparence et la diffusion.

Cependant, les propriétés ne sont pas seulement déterminées par le degré de cristallinité, mais aussi par la taille des unités structurelles ou par l'orientation moléculaire.

Exemples d´Application

Détermination du degré de cristallinité de polymères

Le comportement de fusion du polyéthylène basse densité (LDPE), du polyéthylène haute densité (HDPE) et du polypropylène (PP) est illustré dans la figure 1.

Les températures de pic aident à identifier les polymères et les mélanges de polymères.

Les airs de pics représentent les enthalpies de fusion.

Basé sur ces valeurs expérimentales, le degré de cristallinité peut être déterminé au moyen du logiciel d´évaluation standard Proteus.

L´enthalpie de fusion est de 293 J/g pour un PE 100% cristallin et de 207 J/g pour un PP 100% cristallin. Cela donne une cristallinité calculée de 46.5% pour LDPE, de 74.2% pour HDPE et de 48.8% pour PP.

Fig. 1: Détermination du degré de cristallinité pour différents polymères entre 25 et 200°C à une vitesse de chauffe de 10°C/min sous une atmosphère d´azote (40 ml/min); les mesures ont été effectuées avec la DSC 204 F1 Phoenix® en utilisant des creusets en aluminium avec couvercles percés.

Détermination du Degré de Cristallinité pendant la Post-Cristallisation

Le calcul du degré de cristallinité K du PET est présenté dans la figure 2 ci-dessous.

À ce stade, l´aire du pic de fusion ∆hm (42,83 J/g), est soustraite de l´aire du pic de post-cristallisation ∆hc (40,29 J/g), et divisée par la valeur de la littérature de 140 J/g.

Ceci résulte en un degré de cristallisation K de 1.8% pour le PET.

Note d'Application

Fig. 2: Calcul du Degré de Cristallinité K, pendant la post-cristallisation du PET dans la plage de température comprise entre 25 et 300°C. L'échantillon a été chauffé à une vitesse de 10°C/min dans un creuset en aluminium scellé avec couvercle percé.

Related Methods

DSC