Kristalliniteit

Kristalliniteitis een begrip uit demateriaalkunde,dat de mate beschrijft waarin deeltjes binnen eenmateriaalin een geordende manier zijn opgebouwd. Met andere woorden, of ze (gedeeltelijk) bestaan uitkristal(len) met een zekerekristalstructuurof juist het gebrek daaraan. Het is eenkwantitatievemateriaaleigenschap,die dekwaliteitvan een materiaal sterk beïnvloedt. Vaak gaat het om materie, die in eenvastetoestand verkeert, maar er bestaan ookvloeistoffendie een mate van kristalliniteit bezitten, de zogenaamdevloeibare kristallen.

Zie ookkristallijn gesteentevoor kristalliniteit in gesteenten.

Schematisch overzicht van de ordening van atomen in kristallijne, polykristallijne enamorfematerie.

Termen

Materialen zijn opgebouwd uit atomen, moleculen of ionen. Deze zijn in vaste stoffen dichtbij elkaar gerangschikt, waardoor ze een "vaste" structuur met een hogeredichtheidvormen dan materie in devloeibareofgasfase.De rangschikking kan een regelmatig patroon zijn (kristallijn) in een denkbeeldig rooster, hetkristalrooster,of volledig willekeurig (amorf). Daarbij kan er binnen een kristallijne stof regelmaat zijn op een lange afstand of op een korte afstand.

De vaste materiaalstructuur van twee voorwerpen opmacroscopische,microscopische en nanoscopische schaal van (boven) een geordende kristallijnmetaalen (onder) een geordende semikristallijnpolymeer.

Er worden verschillende termen gebruikt, die een vorm van kristalliniteit in een bepaald materiaal beschrijven, namelijk:

• Amorf

Zonder enige mate van kristalliniteit.

• Kristallijn

Materie met kristalliniteit.

• Polykristallijn

Kristallijnekorrelsofkristallieten(gebieden) met een willekeurige oriëntatie, die zijn verbonden door amorfe gebieden.

• Parakristallijn

Gebrek aan regelmaat op een lange afstand in ten minste één richting; het regelmatige patroon is alleen op korte afstand in het rooster te vinden, vergelijkbaar met eenvloeibaar kristal.

• Semikristallijn

Enige mate van kristalliniteit in polymeren.

Voor polymeren worden de termen amorf en semikristallijn gebruikt. Bij metalen, keramieken, mineralen en gesteenten kan er worden gesproken over kristallijn, polykristallijn en amorf.

Amorf

ZieAmorfvoor een artikel over amorfe materie.

Amorfe materie isvaste stofzonder een kristallijnestructuur.Deatomen,ionenofmoleculenzijn in amorfe materialen volledig willekeurig gerangschikt, oftewel enige mate aan kristalliniteit ontbreekt. Deze fase leidt meestal totbrosseen (semi)transparantematerie, zoalsglas.Men beschrijft amorfe materie ook wel met de termen glas, glasachtig en glazig.

Kristallijn

Kristallijne materie

Kristallijn is de benaming voor een kwalitatieve eigenschap van eenmateriaal,in het bijzonder eenvaste stof,dat is opgebouwd uit kristallen, dus een zekerekristalstructuurheeft. Bepaalde vloeistoffen zullen tijdens het stollen een proces ondergaan datkristallisatiewordt genoemd, oftewel het vormen van kristallen. Ze zullen een geordende structuur vormen, waarin de atomen in eendichte stapelingworden opgebouwd. Het tegenovergestelde van kristallijn isamorf.Wat een willekeurige stapeling van de atomen beschrijft.

Een voorbeeld van een materiaal dat kristallijn kan zijn, is eenmetaalof eenlegering.Ookkeramieken,mineralenengesteentenhebben een geordend kristalstructuur en zijn kristallijn.

Kristallijnemineralenengesteenten wordenkristallijne gesteentengenoemd. DeAardeis voor het grootste gedeelte opgebouwd uit kristallijne gesteenten.

100% kristallijn

Een voorbeeld van een materiaal dat 100% kristallijn is, is eeneenkristal.Deze wordt tijdens hetkristalliserengevormd uit éénkristalliet.Een voorbeeld hervan is het hardediamant,dat een eenkristal is bestaande uit koolstofatomen.

Glas en kristal(glas)

Kristallijn wordt foutief gebruikt als synoniem voorkristalglas(glas met >4%loodoxide). Soms wordt gedacht datglasof kristalglas een kristallijne materie is, vanwege detransparantieen mogelijkheid oplichtbreking.Echter is het tegenovergestelde waar. Kristalglas en "gewoon" glas zijn namelijk opgebouwd uit ongeordende moleculen, die eenisotrope,amorfe vaste stof vormen. Het is geenkristal,is niet kristallijn en heeft geenkristalstructuur.

Polykristallijn

Twee korrels (oranje en blauw) met een eigen kristaloriëntatie grenzen aan elkaar op eenkorrelgrens(groen en open delen).

De meeste materialen zullen echter tijdens het stollingsproces meerdere kleinekorrels(kristallieten) van kristallijn materiaal vormen, waardoor het materiaal is opgebouwd uit allerlei kristallijne regio's die zijn afgewisseld of verbonden door amorfe gebieden. Ze zijn niet volledig kristallijn ofamorf,maar hebben hebben een groot aantal kleine gebieden met een kristallijne kristalstructuur die worden afgewisseld of "aan elkaar geplakt" door amorfe gebieden. Deze opbouw wordt polykristallijn genoemd.

Pure metalen,legeringen,velekeramieken,mineralen,gesteenten,ijsen een aantalkunststoffenzijn allemaal materialen, die polykristallijn kunnen zijn. Dit betekent dat ze zijn opgebouwd uit allerlei kleinekristallieten, die in demateriaalkundedoor hunmicroscopischeaanzicht worden omschreven als korrels. Binnen een korrel is de kristaloriëntatie gelijk, echter zijnroosterdefecten,zoals onzuiverheden endislocaties,binnen het kristalrooster van een korrel wel toegestaan.

Afhankelijk van de productievoorgeschiedenis kan de oriëntatie van de korrels tot elkaar wel verschillen. De termtextuurgeeft de verdeling van de voorkeursoriëntaties van dekristalstructurenin eenanisotropischpolykristallijn materiaal aan. Een materiaal wordttextuurloos genoemd, wanneer de kristalkorrels willekeurig georiënteerd zijn. De mate van textuur hangt af van het percentage korrels met een voorkeursoriëntatie.

Semikristallijn

Amorfe(ongeordende) en semikristallijne (inlamellaegeordende) polymeerketens.

Morfologie van semikristallijne polymeren op verschillende schalen.

De term semikristallijn wordt gebruikt om de mate van ordening van de polymeerketens inelastomerenenpolymeren(kunststoffen) te beschrijven, dus inthermoplastenenthermoharders.Semikristalliniteit is het verschijnsel dat sommige materialen zelfs in pure vorm slechts tot een bepaalde matekristalliserenen voor een deel amorf blijven. Het is daarmee vergelijkbaar met de term polykristallijn, maar voor de polykristallijne materie hebben de kleine kristallijne gebieden (korrels) een "echte"kristalstructuuren zijn het echtekristallen,terwijl de "kristallijne" gebieden in semikristallijn geordende polymeerketens aangeven.

Semikristalliniteit treedt onder meer op bij de stolling van lineaire polymeren. In veel gevallen ordenen polymeren zich door het opvouwen van de polymeerketen in dunne vlakvormigelamellae.Het kan daarbij gebeuren dat een en dezelfde keten ingebouwd wordt in twee verschillende lamellae. De atomen in het verbindingsstuk kunnen zich daarbij noch volgens de ene, noch volgens de andere lamella ordenen. Ook het deel van de keten dat de vouw ondergaat is niet in staat zich volledig te ordenen.

Het gevolg is dat van het gehele materiaal altijd maar een zeker percentage volledige ordening ondergaat. Dit percentage kan tot boven de 90% belopen als het polymeer volledig lineair is, dat wil zeggen geen zijtakken vertoont, een hoog en uniform molecuulgewicht heeft en de kans krijgt langzaam te kristalliseren. Het inbouwen van zijtakken en kruisverbindingen (cross-links) verlaagt de kristalliniteit danig. De materiaaleigenschappen kunnen daarmee in belangrijke mate beïnvloed worden. Een goed voorbeeld daarvan is de verschillende vormen vanpolyetheen(PE). De hogedrukvorm,HDPE(hogedichtheidpolyethyleen), heeft hoge kristalliniteit en daardoor ook een hogedichtheid.LDPE(lagedichtheidpolyetheen) enLLDPE(lineair lagedichtheidpolyetheen) een beduidend lagere. LLDPE is eigenlijk eencopolymeermet een zeker gehalte aan een monomeer van een wat grotere lengte dan ethyleen, bijvoorbeeld octeen of hexeen. Dit introduceert een zekere mate van korte vertakkingen. LLDPE wordt bijvoorbeeld gebruikt in helder doorzichtige foliën. Een HDPE folie is in de regel melkachtig wit. Deze verschillen zijn een regelrecht gevolg van het verschil in kristalliniteit.

Sommige polymeren, met name die met een ultra-hoog molecuulgewicht, kunnen ook tot kristallisatie gebracht worden zonder dat de ketens zich opvouwen. Deze gestrekteketenpolymeren kunnen grote mechanische sterktes bereiken. Het materiaal moet echter gerekt worden om deze vorm van kristallisatie te bespoedigen.

Bepaling van kristalliniteit

De kristalliniteit is voor materialen een belangrijke maat voor demateriaaleigenschappenen de kwaliteit van het materiaal. Kristalliniteit wordt op verschillende wijze bepaald, afhankelijk van het materiaal, de grootte en. De eenvoudigste is de dichtheid te meten door onderdompeling in een geschikte vloeistof. Een wat preciezere methode is het smeltgedrag te bestuderen in eencalorimetrischexperiment, bijvoorbeeld met eenDSC.Ookröntgendiffractieen vastestof-NMRkunnen een maat voor de kristalliniteit opleveren.

Bronnen, noten en/of referenties