Krystaliczność (stopień krystaliczności)

Krystaliczność odnosi się do stopnia uporządkowania strukturalnego ciała stałego. W krysztale układ atomów lub cząsteczek jest spójny i powtarzalny. Wiele materiałów, takich jak ceramika, niektóre polimery, można przygotować w taki sposób, aby wytworzyć w ich strukturze mieszaninę obszarów krystalicznych i amorficznych (bez uporządkowania dalekiego zasięgu). 

Jednak nawet w przypadku materiałów całkowicie krystalicznych stopień uporządkowania struktury może być różny.   

Na przykład większość stopów metali jest krystalicznych, ale zwykle zawiera wiele niezależnych, wyróżnionych obszarów krystalicznych (ziaren lub krystalitów).   

W różnych obszarach oddzielonych granicami ziaren zawierają również defekty krystalograficzne, takie jak dyslokacje. Zmniejsza to ogólny stopień doskonałości strukturalnej. 

Najbardziej idealnymi kryształami są sferyczne struktury krzemu produkowane dla potrzeb elektroniki półprzewodnikowej, które są dużymi monokryształami (nie mają granic ziaren); są one prawie wolne od dyslokacji i mają precyzyjnie kontrolowane liczby „wadliwie” ułożonych atomów. 

W niektórych tworzywach termoplastycznych można również zaobserwować zjawisko krystalizacji. Gdy polimer po stopieniu zestala się (zastyga), następuje częściowe wyrównanie/uporządkowanie ustawienia łańcuchów w jego strukturze molekularnej. Bazując na zarodkach krystalizacji, łańcuchy molekularne układają się wzajemnie tworząc uporządkowane obszary zwane lamelami. 

Stopień krystaliczności

Na właściwości tworzyw sztucznych istotny wpływ ma stopień ich krystalizacji. Im wyższy stopień krystalizacji, tym sztywniejszy i mocniejszy, ale też bardziej kruchy może być element wykonany z danego polimeru. 

W celu określenia stopnia krystaliczności K, zmierzoną entalpię topnienia ∆Hpom. porównuje się z jej wartością literaturową ∆Hlit., odczytaną dla takiego samego polimeru lecz całkowicie krystalicznego. 

Historia termiczna: Historia termiczna lub mechaniczna ujawnia się na krzywej DSC w czasie pomiaru pierwszego grzania próbki. Analiza krzywej drugiego grzania służy do określenia natywnych właściwości materiału (polimeru) w danych warunkach dynamicznych. 

Przykłady aplikacji

Oznaczanie stopnia krystaliczności polimerów

Charakterystykę topnienia polietylenu o małej gęstości (LDPE), polietylenu o dużej gęstości (HDPE) i polipropylenu (PP) przedstawiono na rysunku 1. 

Temperatury maksimów krzywej DSC pomagają w identyfikacji polimerów i ich mieszanin. 

Powierzchnie pików reprezentują entalpie topnienia J/g. 

W oparciu o wartości z eksperymentu, stopień krystaliczności można określić za pomocą standardowego oprogramowania Proteus

Entalpia topnienia dla 100% krystalicznego PE wynosi 293 J/g natomiast dla PP 207 J/g.  Daje to obliczoną krystaliczność dla LDPE 46,5%, HDPE 74,2% i PP 48,8%. 

Fig. 1: Determination of the degree of crystallization for different polymers between RT and 200°C at a heating rate of 10 K/min in a nitrogen atmosphere (40 ml/min); the measurements were carried out with the DSC 204 F1 Phoenix® employing aluminum crucibles with pierced lids.

Określenie stopnia krystaliczności dla materiałów z zimną (post) krystalizacją

Obliczenie stopnia krystaliczności, K, PET przedstawiono na rysunku 2 poniżej. 

W tym momencie powierzchnia entalpii topienia, ∆hm, tutaj 42,83 J/g, jest odejmowana od powierzchni entalpii postkrystalizacji ∆hc, tutaj 40,29 J/g, i dzielona przez wartość literaturową 140 J/g. 

Daje to stopień krystalizacji, K, 1,8% dla PET w danym stanie dynamicznym. 

Application Note

Rys. 2: Obliczanie stopnia krystalizacji K podczas wtórnej krystalizacji PET w zakresie temperatur od RT do 300°C. Próbkę ogrzewano z szybkością ogrzewania 10 K/min w zamkniętych aluminiowych tyglach z przebitą pokrywką.

Powiązane metody

DSC