Einfluss von Kristallinität auf die Materialeigenschaften von Kunststoffen

Werkstoffe sind heute aus nahezu allen Industriezweigen nicht mehr wegzudenken – vom Automobilbau über die Medizintechnik bis hin zur Verpackungsindustrie. Ihre Vielseitigkeit beruht auf der gezielten Steuerung ihrer inneren Struktur. Ein wichtiger Parameter ist dabei die Kristallinität bei Kunststoffen. Sie beschreibt den Anteil beziehungsweise das Verhältnis geordneter kristalliner zu ungeordneten amorphen Bereichen innerhalb der Polymerstruktur.

Schon geringe Unterschiede im Kristallinitätsgrad eines Kunststoffs können mechanische Stabilität, Wärmeformbeständigkeit, Dichte, Transparenz, Maßhaltigkeit und chemische Beständigkeit beeinflussen. Wer diese Zusammenhänge kennt, kann Werkstoffe gezielter auswählen und die Materialeigenschaften über die Verarbeitung teilweise beeinflussen.

Was versteht man unter Kristallinität?

Polymere bestehen aus langen Kettenmolekülen, die sich auf mikroskopischer Ebene unterschiedlich organisieren können. In kristallinen Bereichen ordnen sich Teile der Polymerketten regelmäßig an. In amorphen Bereichen liegen die Molekülketten dagegen weitgehend ungeordnet vor.

Technisch relevante teilkristalline Kunststoffe enthalten beide Strukturen gleichzeitig: kristalline und amorphe Bereiche. Einen ausführlichen Vergleich der beiden Werkstoffgruppen finden Sie unter amorphe und teilkristalline Kunststoffe.

Was bedeutet Kristallinitätsgrad?

Der Kristallinitätsgrad, häufig auch Kristallisationsgrad genannt, beschreibt, welcher Anteil eines teilkristallinen Kunststoffs in einer kristallinen Struktur vorliegt.

Der Wert ist keine unveränderliche Materialkonstante. Er wird unter anderem beeinflusst durch:

• die chemische und molekulare Struktur des Polymers
• die Abkühlgeschwindigkeit aus der Schmelze
• Werkzeug- und Verarbeitungstemperaturen
• Additive und Nukleierungsmittel
• Orientierung der Polymerketten während der Verarbeitung
• thermische Nachbehandlungen

Damit können Bauteile aus demselben Grundpolymer abhängig von Verarbeitung und thermischer Vorgeschichte unterschiedliche Kristallinitätsgrade und damit unterschiedliche Eigenschaften besitzen.

Mit zunehmender Kristallinität steigt in vielen Fällen die Dichte des Materials, da die Molekülketten dichter gepackt sind. Gleichzeitig verändern sich unter anderem Festigkeit, Steifigkeit, Dimensionsstabilität, chemische Beständigkeit und optische Eigenschaften.

Einfluss auf mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften eines Kunststoffs stehen in direktem Zusammenhang mit seinem Kristallinitätsgrad. Mit zunehmendem kristallinen Anteil können Festigkeit und Steifigkeit steigen, da die Polymerketten in den kristallinen Bereichen dichter und regelmäßiger angeordnet sind.

So können Bauteile aus stark teilkristallinen Kunststoffen hohen mechanischen Belastungen widerstehen und eine geringe Verformungsneigung aufweisen. Auch die Härte kann mit zunehmendem Kristallinitätsgrad steigen, was beispielsweise bei Zahnrädern, Gleitlagern oder technischen Führungselementen von Vorteil sein kann.

Gleichzeitig kann ein hoher Kristallinitätsgrad die Verformbarkeit und Schlagzähigkeit reduzieren. Die Eigenschaften eines Bauteils ergeben sich deshalb immer aus dem Zusammenspiel kristalliner und amorpher Bereiche.

Einfluss auf thermische Eigenschaften

Die thermischen Eigenschaften eines Kunststoffs hängen eng mit seiner Struktur zusammen. Teilkristalline Kunststoffe besitzen neben einer Glasübergangstemperatur eine ausgeprägte Schmelztemperatur der kristallinen Bereiche.

Ein höherer Kristallinitätsgrad kann dazu beitragen, dass ein Kunststoff bei steigender Temperatur länger formstabil bleibt. Für technische Anwendungen spielt deshalb nicht nur die Polymerart eine Rolle, sondern auch die bei der Herstellung entstandene Kristallstruktur.

Besonders bei thermisch belasteten Bauteilen sollte der tatsächliche Werkstoffzustand berücksichtigt werden.

Einfluss auf optische Eigenschaften

Die Anordnung der Molekülketten wirkt sich direkt auf die Lichtdurchlässigkeit aus. Grenzflächen zwischen kristallinen und amorphen Bereichen können sichtbares Licht streuen. Deshalb erscheinen viele teilkristalline Kunststoffe milchig, transluzent oder opak.

Mit zunehmendem Kristallinitätsgrad kann die Transparenz weiter abnehmen. Die optischen Eigenschaften hängen allerdings zusätzlich von Kristallitgröße, Polymerstruktur, Wanddicke und Verarbeitung ab.

Amorphe Kunststoffe wie Polycarbonat oder PMMA können dagegen hohe Transparenz erreichen, da ausgeprägte kristalline Strukturen fehlen.

Einfluss auf Dichte und chemische Beständigkeit

Mit zunehmender Kristallinität liegen die Polymerketten in den kristallinen Bereichen dichter gepackt vor. Dadurch steigt typischerweise die Dichte des Werkstoffs.

Die dichtere Struktur kann außerdem das Eindringen bestimmter Medien erschweren. Ein höherer Kristallinitätsgrad kann deshalb bei vielen Werkstoffen zu einer verbesserten chemischen Beständigkeit und geringeren Permeabilität beitragen.

Die tatsächliche Beständigkeit eines Kunststoffs hängt jedoch zusätzlich wesentlich von Polymerart, Medium, Konzentration, Temperatur und Einwirkdauer ab.

Einfluss auf Barriereeigenschaften

Kristalline Bereiche können den Transport kleiner Moleküle durch einen Kunststoff behindern. Gase oder Flüssigkeiten müssen dabei überwiegend Wege durch die amorphen Bereiche des Materials zurücklegen.

Ein höherer Kristallinitätsgrad kann deshalb die Permeabilität reduzieren und die Barrierewirkung verbessern. Dieser Zusammenhang spielt unter anderem bei Verpackungen sowie bei technischen Anwendungen mit Anforderungen an Gas- oder Flüssigkeitsdichtigkeit eine Rolle.

Verarbeitung und Einflussfaktoren auf die Kristallisation

Die Kristallinität eines Kunststoffs wird nicht ausschließlich durch seine chemische Struktur bestimmt. Auch die Verarbeitung hat einen erheblichen Einfluss auf die Ausbildung der kristallinen Struktur.

• Abkühlgeschwindigkeit: Eine langsame Abkühlung gibt den Polymerketten mehr Zeit, sich geordnet anzuordnen. Sehr schnelles Abkühlen kann die Kristallisation dagegen begrenzen.
• Temperaturführung: Werkzeug-, Schmelze- und Bauteiltemperatur beeinflussen Keimbildung und Kristallwachstum.
• Nukleierungsmittel und Füllstoffe: Bestimmte Additive können zusätzliche Kristallisationskeime bereitstellen und den Kristallisationsprozess verändern.
• Strömung und Orientierung: Bei Extrusion oder Spritzguss können Scherung und Orientierung der Polymerketten die Kristallstruktur beeinflussen.
• Thermische Nachbehandlung: Durch gezieltes Tempern kann bei geeigneten teilkristallinen Kunststoffen eine weitere Kristallisation stattfinden.

Besonders bei dickwandigen Halbzeugen oder Bauteilen können unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten zwischen Rand- und Kernbereich zu lokalen Unterschieden im Kristallinitätsgrad führen.

Nachkristallisation bei Kunststoffen

Von Nachkristallisation bei Kunststoffen spricht man, wenn sich nach dem ursprünglichen Formgebungs- und Abkühlprozess weitere kristalline Bereiche ausbilden.

Das kann auftreten, wenn ein teilkristalliner Kunststoff während der Herstellung nicht seinen unter den jeweiligen Bedingungen möglichen Kristallinitätsgrad erreicht hat. Werden die Polymerketten später durch erhöhte Temperaturen wieder ausreichend beweglich, können sich zusätzliche geordnete Strukturen bilden.

Eine gezielte Nachkristallisation wird häufig durch thermische Nachbehandlung beziehungsweise Tempern unterstützt.

Dabei können sich je nach Kunststoff unter anderem folgende Eigenschaften verändern:

• Kristallinitätsgrad
• Steifigkeit und Festigkeit
• Dichte
• Wärmeformbeständigkeit
• chemische Beständigkeit
• Permeabilität
• Dimensionsstabilität
• Schwindung und Verzug

Gerade der letzte Punkt ist für präzise technische Bauteile relevant. Eine Veränderung der Kristallstruktur geht mit Volumenänderungen einher und kann deshalb Maßänderungen oder Verzug verursachen. Weitere Hintergründe finden Sie im Beitrag Verzug bei Kunststoffbauteilen – Ursachen und Lösungen.

Ob eine Nachkristallisation sinnvoll ist und welche Temperaturführung erforderlich ist, hängt vom jeweiligen Polymer, dem Ausgangszustand des Halbzeugs und den geforderten Bauteileigenschaften ab.

Kristallisation bei Polyolefinen

Zu den technisch wichtigen Polyolefinen zählen insbesondere Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Beide Werkstoffgruppen können teilkristalline Strukturen ausbilden.

Wie stark ein Polyolefin kristallisiert, hängt unter anderem von seiner Molekülstruktur und den Verarbeitungsbedingungen ab. Bei Polyethylen beeinflusst beispielsweise der Verzweigungsgrad der Polymerketten, wie dicht sich diese anordnen können. Bei Polypropylen spielt zusätzlich die räumliche Anordnung der Seitengruppen eine wichtige Rolle.

Auch bei Polyolefinen wirken sich Kristallinitätsgrad und Abkühlbedingungen unter anderem auf Steifigkeit, Dichte, Schwindung und optische Eigenschaften aus.

Beispiele für teilkristalline Kunststoffe

Typische teilkristalline technische Kunststoffe sind:

• Polyethylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Polyamid (PA)
• Polyoxymethylen (POM)
• Polyethylenterephthalat (PET)
• Polybutylenterephthalat (PBT)
• PEEK

Wie hoch der tatsächliche Kristallinitätsgrad ausfällt, ist material- und verarbeitungsabhängig. Deshalb sollte nicht nur zwischen amorph und teilkristallin unterschieden werden. Für das Verhalten eines konkreten Bauteils ist auch relevant, wie stark der Werkstoff tatsächlich kristallisiert ist.

Zum Schluss

Der Kristallinitätsgrad beeinflusst zahlreiche Eigenschaften technischer Kunststoffe. Mit zunehmender Kristallinität können unter anderem Steifigkeit, Festigkeit, Dichte, Wärmeformbeständigkeit, chemische Beständigkeit und Dimensionsstabilität zunehmen. Gleichzeitig können Transparenz und Verformbarkeit zurückgehen.

Neben dem Polymer selbst bestimmt vor allem die thermische und verarbeitungstechnische Vorgeschichte die tatsächliche Struktur. Abkühlung, Temperaturführung, Additive und eine mögliche Nachkristallisation sollten deshalb bei anspruchsvollen Anwendungen gemeinsam betrachtet werden.

Für die Werkstoffauswahl bedeutet das: Nicht allein die Bezeichnung des Kunststoffs entscheidet über seine späteren Eigenschaften. Auch Kristallinitätsgrad und Verarbeitung können für die Leistungsfähigkeit eines Bauteils relevant sein.

Häufige Fragen

Was bedeutet Kristallinität bei Kunststoffen?

Kristallinität beschreibt den Anteil geordneter kristalliner Bereiche innerhalb eines Kunststoffs. Teilkristalline Kunststoffe besitzen gleichzeitig kristalline und amorphe Strukturen.

Was ist der Kristallinitätsgrad?

Der Kristallinitätsgrad beziehungsweise Kristallisationsgrad gibt an, wie groß der kristalline Anteil eines teilkristallinen Kunststoffs ist. Er hängt sowohl von der Polymerstruktur als auch von den Verarbeitungsbedingungen ab.

Was sind kristalline beziehungsweise teilkristalline Kunststoffe?

Bei teilkristallinen Kunststoffen sind Teile der Polymerketten regelmäßig angeordnet, während andere Bereiche amorph bleiben. Vollständig kristalline technische Polymere sind unter normalen Bedingungen nicht der Regelfall.

Was bedeutet Nachkristallisation bei Kunststoffen?

Bei der Nachkristallisation bilden sich nach der ursprünglichen Verarbeitung zusätzliche kristalline Bereiche. Ursache kann beispielsweise eine spätere thermische Belastung oder eine gezielte Wärmebehandlung sein.

Wie beeinflusst die Abkühlung die Kristallinität?

Langsames Abkühlen gibt den Polymerketten mehr Zeit zur geordneten Anordnung und kann die Kristallisation fördern. Schnelles Abkühlen kann den erreichbaren Kristallinitätsgrad reduzieren.

Welche Eigenschaften ändern sich mit zunehmender Kristallinität?

Abhängig vom Werkstoff können unter anderem Steifigkeit, Festigkeit, Dichte, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit zunehmen. Transparenz, Dehnung und Schlagzähigkeit können dagegen abnehmen.

Welche Kunststoffe sind teilkristallin?

Typische Beispiele sind PE, PP, PA, POM, PET, PBT und PEEK. Der tatsächliche Kristallinitätsgrad unterscheidet sich je nach Werkstoff und Verarbeitung.

Kann Tempern die Kristallinität erhöhen?

Bei geeigneten teilkristallinen Kunststoffen kann eine kontrollierte thermische Nachbehandlung eine weitere Kristallisation ermöglichen. Dabei müssen mögliche Maßänderungen, Schwindung und Verzug berücksichtigt werden.