Кристалличность / Степень кристалличности

Кристалличность относится к степени структурного порядка в твердом теле. В кристалле расположение атомов или молекул является последовательным и повторяющимся. Многие материалы, такие как стеклокерамика и некоторые полимеры, могут быть получены таким образом, чтобы была смесь кристаллических и аморфных областей. 

Однако даже для полностью кристаллических материалов степень структурного порядка может варьироваться. 

Например, большинство металлических сплавов являются кристаллическими, но обычно содержат много независимых кристаллических областей (зерен или кристаллитов). 

В различных направлениях, разделенных границами зерен, они также содержат другие кристаллографические дефекты, такие как дислокации. Это снижает степень структурного порядка. 

Наиболее близкими к идеальным кристаллам являются кремниевые були, изготовленные для полупроводниковой электроники, которые представляют собой крупные монокристаллы (т. е. они не имеют границ зерен); они почти свободны от дислокаций и имеют точно контролируемые концентрации атомов дефектов. 

В некоторых термопластах наблюдается кристаллизация полимеров. Когда расплав затвердевает, происходит частичное выравнивание молекулярных цепей в полимере. Основываясь на ядрах кристаллизации, молекулярные цепи складываются вместе и образуют упорядоченные области, называемые ламелями. 

Степень кристалличности

На свойства пластиков существенное влияние оказывает степень их кристаллизации. Чем выше степень кристаллизации, тем жестче и прочнее, но, в тоже время, хрупче формованная деталь. 

Степень кристаллизации зависит от химической структуры и термической истории, таких как условия охлаждения во время обработки или после термической обработки. 

Для определения степени кристалличности (K) измеренную энтальпию плавления ∆Hизмер нужно поделить на известное литературное значение ∆Hлит для полностью кристаллического материала. 

K= ∆Hизмер / ∆Hлит  

Тепловая история: тепловая или механическая история показана на 1-й кривой нагрева ДСК измерения. 2-я кривая нагрева служит для определения свойств материала в заданных динамических условиях. 

Степень кристалличности оказывает значительное влияние на твердость, плотность, прозрачность и диффузию. 

Однако свойства полимеров определяются не только степенью кристалличности, но и размером структурных единиц или ориентацией молекул. 

Примеры

Определение степени кристалличности полимеров

На рис.1 показано поведение при плавлении полиэтилена низкой плотности (LDPE), полиэтилена высокой плотности (HDPE) и полипропилена (PP). 

Пиковые температуры помогают идентифицировать полимеры и полимерные смеси. 

Области пиков представляют собой энтальпии плавления. 

Исходя из этих данных эксперимента, степень кристалличности может быть определена с помощью стандартного программного обеспечения Proteus

Энтальпия плавления для 100% кристаллического полиэтилена составляет 293 Дж/г, а для PP – 207 Дж/г. Это дает расчетную кристалличность для LDPE 46,5%, для HDPE 74,2% и для PP 48,8%. 

Рис.1: Определение степени кристалличности для различных полимеров в диапазоне от комн. темп. до 200°C при скорости нагрева 10 К/мин в атмосфере азота (40 мл/мин); измерения проводились на приборе DSC 204 F1 Phoenix® с использованием алюминиевых тиглейРис.1: Определение степени кристалличности для различных полимеров в диапазоне от комн. темп. до 200°C при скорости нагрева 10 К/мин в атмосфере азота (40 мл/мин); измерения проводились на приборе DSC 204 F1 Phoenix® с использованием алюминиевых тиглей с проколотыми крышками.

Определение степени кристалличности при посткристаллизации

Расчет степени кристалличности (К) ПЭТ показан на рисунке 2 ниже.

В этот момент площадь энтальпии расплава, ∆Нm, здесь 42,83 Дж/г, вычитается из площади энтальпии посткристаллизации, ∆Нc, здесь 40,29 Дж/г, и делится на литературное значение 140 Дж/г. 

Это приводит к степени кристалличности K, равной 1,8% для ПЭТ. 

Application Note

Рис. 2: Расчет степени кристалличности (К) при посткристаллизации ПЭТ в интервале температур от комн. темп. до 300°С. Образец нагревали со скоростью нагрева 10 К/мин в герметичных алюминиевых тиглях с проколотой крышкой.Рис. 2: Расчет степени кристалличности (К) при посткристаллизации ПЭТ в интервале температур от комн. темп. до 300°С. Образец нагревали со скоростью нагрева 10 К/мин в герметичных алюминиевых тиглях с проколотой крышкой.

Связанные методы

DSC