Cristallinità / Grado di Cristallinità

Per "cristallinità" si intendo il grado di ordine strutturale di un solido. In un cristallo l'arrangiamento degli atomi o delle molecole è consistente e ripetitivo. Molti materiali, come ad esempio i vetri ceramici e alcuni polimeri, possono essere trattati in modo tale da produrre sia regioni cristalline che amorfe. 

Tuttavia, anche nel caso di materiali completamente cristallini, l'ordine della perfezione strutturale può cambiare. 

Per esempio, le leghe metalliche sono generalmente cristalline, ma includono regioni cristalline diverse (dette "grani" o "cristalliti"). 

In alcune orientazioni tra i bordi di grano, le leghe possono contenere difetti cristallografici come le dislocazioni, che riducono il grado di perfezione strutturale. 

Le strutture a maggiore perfezione sono i boule di silicio, ossia monocristalli (non hanno bordi di grano) che vengono usati nei dispositivi elettronici a semiconduttore; questi cristalli sono praticamente privi di dislocazioni e hanno una concentrazione perfettamente controllata di atomi difettati. 

La Cristallizzazione  è osservata anche in alcuni polimeri termoplastici. Quando il fuso polimerico solidifica, avviene un parziale allineamento delle catene molecolari. A partire dai nuclei di cristallizzazione, le catene di ripiegano assieme a formare delle regioni ordinate delle "lamelle". 

Grado di Cristallinità

Le proprietà delle materie plastiche sono significativamente influenzate dal loro grado di cristallinità. Maggiore il grado di cristallinità, maggiore la rigidità e la forza, ma anche la fragilità die prodotti stampati.  

Il grado di cristallinità è influenzato dalla struttura chimica e dalla storia termica, come ad esempio le condizioni di raffreddamento applicate durante il processo o durante un trattamento post-produzione. 

Il grado di cristallinità, K, è calcolato rapportando l'entalpia di fusione misurata, ∆Hmis, a quella di letteratura definita per il materiale totalmente cristallino, ∆Hlit

K= ∆Hmis / ∆Hlit 

Storia termica: la storia termica o meccanica si studia nella curva DSC  di primo riscaldamento.  La curva di secondo riscaldamento permette di valutare le proprietà del materiale in determinate condizioni dinamiche. 

Il grado di cristallinità influenza la durezza, la densità la trasparenza e la diffusione di un materiale. 

Tuttavia queste proprietà non dipendono non solo dal grado di cristallinità, ma anche dalle dimensioni delle unità strutturali o dall'orientazione molecolare. 

Esempi Applicativi

Determinazione del Grado di Cristallinità nei polimeri

La figura 1 riporta il comportamento di fusione del polietilene a bassa densità (LDPE), del polietilene ad alta densità  (HDPE) e del polipropilene (PP). 

Le temperature di picco aiutano a identificare il polimero o una miscela di polimeri. 

Le aree die picchi equivalgono alle entalpie di fusione. 

Il grado di cristallinità può essere determinato a partire da queste misure, mediante il software di valutazione Proteus

L'entalpia di fusione per il PE 100% cristallino è 293 J/g. Quella del PP è 207 J/g . Ne consegue un grado di cristallinità calcolato paria a 46.5% per l'LDPE, 74.2% per l'HDPE e 48.8% per il PP. 

Fig. 1: Determinazione del grado di cristallinità di diversi polimeri tra T ambiente e 200°C alla velocità di riscaldamento di 10 K/min in atmosfera di azoto (40 ml/min); le misure sono state acquisite con il DSC 204 F1 Phoenix® usando crogioli in alluminio con coperchio forato.

Determinazione del Grado di Cristallinità durante la Post Cristallizzazione

La figura 2 riporta il calcolo del grado id cristallinità, K, per il PET. 

In questo caso, all'entalpia di fusione, ∆hm, pari a 42.83 J/g, è sottratta quella di post-cristallizzazione, ∆hc, pari a 40.29 J/g, e il risultato è diviso per il valore di entalpia di letteratura, pari a 140 J/g. 

Ne risulta un grado di cristallinità, K, pari a 1.8% . 

Application Note

Fig. 2: Calcolo del grado di cristallinità, K, durante la post-cristallizzazione del PET tra T ambiente e 300°C. Il campione è stato scaldato a una velocità di 10 K/min in crogioli di alluminio col coperchio forato.

Metodi Correlati

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