Grado di cristallinità

Il grado di cristallinità di un materiale (spesso indicato con "ϰ") è una grandezza che indica la percentuale di materiale che si trova allo stato cristallino rispetto alla quantità totale.

A seconda del modo in cui esprimiamo la quantità di materiale, si parla più precisamente di grado di cristallinità "massico" (ϰ_m) oppure "volumetrico" (ϰ_v).

I valori del grado di cristallinità dipendono sia dalla natura chimica del materiale sia dal modo in cui esso è prodotto, lavorato e utilizzato.

In generale, il grado di cristallinità varia da 0 (per materiali completamente amorfi) a 1 (per materiali completamente cristallini). I materiali che presentano valori del grado di cristallinità compresi tra 0 e 1 sono detti "semicristallini".

Misura del grado di cristallinità

Variazione del volume specifico con la temperatura per un materiale amorfo, semicristallino e cristallino. Sono indicate la temperatura di fusione (Tm e Tm') e la temperatura di transizione vetrosa (Tg).

Per la stima del grado di cristallinità si possono utilizzare le seguenti metodologie:

In particolare la densimetria è una tecnica che consiste nell'indagare la variazione del volume specifico al variare della temperatura; dai risultati di tale metodica è possibile stabilire se un materiale è amorfo, semicristallino o cristallino:

nel caso di un materiale amorfo, si ha un aumento graduale del volume specifico, con una variazione di pendenza in corrispondenza della temperatura di transizione vetrosa;
nel caso di un materiale cristallino, si ha una brusca variazione di pendenza in corrispondenza della temperatura di fusione; infatti in corrispondenza della temperatura di fusione avviene una trasformazione di fase solido-liquido a temperatura costante;
nel caso di un materiale semicristallino, si ha un comportamento intermedio tra i due casi precedenti.

Cristallinità dei polimeri

Struttura microscopica di una sferulite di una materia plastica: si notano zone cristalline ("a zig-zag") inserite all'interno di zone amorfe. Una stessa macromolecola in genere presenta zone nella fase amorfa e zone nella fase cristallina.

Le materie plastiche sono costituite da lunghe catene polimeriche; il grado di cristallinità dei materiali polimerici è maggiore se tali catene polimeriche sono allineate tra loro. La presenza nella macromolecola di gruppi funzionali stericamente ingombranti e la mancanza di tassia ostacolano l'allineamento delle catene polimeriche, quindi abbassano il grado di cristallinità.

Quindi i polimeri sindiotattici presentano maggiore cristallinità rispetto ai polimeri atattici.^[1]

Nel caso delle materie plastiche, il grado di cristallinità è in genere intorno al 20÷80%.^[2] Nel caso del polietilene ad alta densità (HDPE) si possono raggiungere valori intorno al 95%. Anche le fibre aramidiche (tra cui Nomex e Kevlar) presentano elevati valori di cristallinità.^[1]

Cristallinità delle rocce

In ambito geologico, le rocce possono essere classificate nelle seguenti categorie, in base al loro grado di cristallinità:

rocce olocristalline: completamente cristalline;
rocce ipocristalline: parzialmente cristalline; i cristalli sono immersi in una matrice amorfa;
rocce ipoialine: parzialmente amorfe;
rocce oloialine: completamente amorfe (ad esempio ossidiana).

Influenza del grado di cristallinità sulle proprietà del materiale

Materiali con un alto grado di cristallinità sono in genere più duri, più densi, meno trasparenti e presentano un coefficiente di diffusione di materia minore.

Ad esempio, il PET in forma cristallina presenta una densità di 1,499 g/cm³, mentre in forma amorfa presenta una densità di 1,336 g/cm³.^[3]

Note

^ ^a ^b Copia archiviata (PDF), su chifis1.unipv.it. URL consultato il 14 febbraio 2011 (archiviato dall'url originale il 10 maggio 2006).
^ Jo Perez, Matériaux non cristallins et science du désordre, PPUR, coll. « sciences appliquées INSA Lyon », Losanna, 2001 (ISBN 2880744857), p. 201.
^ Polymer Handbook, IV Edition, Brandrup J., Immergut E.H., Grulke E.A., Wiley Interscience