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

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

diffrattometria a raggi X;
calorimetria differenziale a scansione;
densimetria;
risonanza magnetica nucleare;
spettroscopia infrarossa.

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

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.

Nel caso delle materie plastiche, il grado di cristallinità è in genere intorno al 20÷80%. 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.

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.