Was passiert bei der Kristallisation (Tc)?
Kristallisation beschreibt den Übergang eines Stoffes in einen kristallinen Zustand. Dies kann aus der Gasphase, Festphase oder Flüssigphase erfolgen. Atome oder Moleküle ordnen sich in ein klar definiertes Kristallgitter mit minimalen Energiezuständen an.
Inhaltsverzeichnis:
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- Wissenschaftliche Definition
- Rekristallisation
- Praktische Anwendung
- Kristallinitätsgradbestimmung
Wissenschaftliche Definition
Die Kristallisation ist sowohl in der Metallurgie, bei Glaskeramiken als auch bei Polymeren der Prozess im Abkühlvorgang, bei dem sich, entweder von selbst oder durch zugesetzte Nukleierungsmittel und Verunreinigungen, Kristallite ausbilden.
Hier wird aufgrund des Hauptanwendungsgebietes der DSC die Kristallisation bei Polymeren, die durch Bereiche mit Fernordnung eine Kristallstruktur bilden. Zuvor lagen diese Molekülketten in amorphem Zustand ungeordnet vor.
Voraussetzung für die Kristallbildung ist neben den Kristallisationskeimen eine Schmelze und damit einhergehend eine ausreichend hohe Temperatur. Die Kristallisation ist dabei umso besser erfassbar, je langsamer abgekühlt wird. Dadurch haben entsprechende Molekülketten mehr Zeit sich zu orientieren.
Rekristallisation
Jedoch kann Kristallisation auch von Verstreckung durch mechanische Einflüsse in kaltem Zustand hervorgerufen werden. Beim erneuten Aufheizen kann es zu Rekristallisation kommen. Diese Rekristallisation, auch Kaltkristallisation genannt, liegt zwischen der Glasübergangstemperatur und der Schmelze des Polymers.
Ursache dieser exothermen Reaktion ist die weitere Orientierung der Ketten infolge der Erweichung des Materials nach dem Glaspunkt. Durch die Erweichung können die Molekülketten besser schwingen und sich nachträglich zu Kristallen orientieren. Dabei können sowohl neue Kristallisationskeime gebildet werden als auch bereits vorhandenen Kristallkörner wachsen.
Praktische Anwendung
In der Praxis der DSC-Messung äußert sich die Kristallisation als exothermer Peak. Um die DSC-Messung möglich, den Kristallinitätsgrad K zu bestimmen. Die Kristallinität, der Kristallisationsgrad und der Kristallinitätsgrad werden in der Fachliteratur synonym verwendet und geben an, wie viel Prozent des Polymers kristallin vorliegen.
In der Praxis kommt vollständig kristallinen Polymeren kaum Bedeutung zu, da sie sich nur durch aufwendiges Tempern knapp unterhalb der Schmelztemperatur erzeugen lassen.
Kristallinitäsgradbestimmung
K = Kistallinitätsgrad
∆H = Enthalpie
∆HC = Enthalpie der Kristallisation
∆Hlit = Literaturwert der Enthalpie
∆HM = Enthalpie der Schmelze
Voraussetzung zur Kristallinitäsgradbestimmung ist das Wissen über die theoretische Schmelzenthalpie ∆Hlit bei vollständig kristallinem Material, nach:
K=∆HM/∆Hlit ∙100
lässt sich der Kristallinitätsgrad in Prozent berechnen. Durch ein zweites Aufheizen kann somit bestimmt werden, inwiefern die Kristallinität für diese Probe durch die thermische und mechanische Vorgeschichte beeinflusst wurde. Tritt während des Aufheizvorganges ein Rekristallisationspeak auf, wird dieser von der Schmelzenthalpie abgezogen und das Ergebnis durch den zugehörigen Literaturwert geteilt. Das lässt sich zusammenfassen durch:
K=(∆HM–∆HC)/∆Hlit ∙100
Abbildung 1: Kaltkristallisation mit relevanten Temperaturen
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