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Las propiedades de los sólidos dependen en gran medida de la disposición de las partículas (átomos y moléculas) que componen los materiales. Si la disposición es desordenada, las sustancias son amorfas. En las sustancias cristalinas, las partículas están dispuestas a distancias regulares y siguiendo un patrón fijo.
Mientras que los polímeros reticulados (durómeros, elastómeros termoestables) siempre tienen una estructura amorfa, en los polímeros termoplásticos pueden formarse cristales. En la mayoría de los casos, aparecen zonas con estructura cristalina y zonas con estructura amorfa una al lado de la otra. En este caso, se trata de plásticos semicristalinos.
El grado de cristalización depende de las condiciones en las que los plásticos se solidifican. La temperatura durante la solidificación y la velocidad del cambio de temperatura tienen una influencia decisiva.
Propiedades del material en función de la cristalización
La cristalización en el plástico aumenta su densidad, temperatura de transición vítrea, temperatura de fusión y solidez.
Como resultado, también mejoran la estabilidad dimensional y la resistencia a la abrasión mecánica.
Al mismo tiempo, disminuye el coeficiente de dilatación térmica y la capacidad de penetración de líquidos y gases.
Estas propiedades amplían la gama de aplicaciones de los polímeros semicristalinos.
Durante la cristalización se libera calor.
Esta entalpía de cristalización puede determinarse mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) y compararla con valores conocidos.
La entalpía de cristalización medida y otros datos obtenidos durante el análisis térmico permiten optimizar la producción y controlar la calidad de los polímeros.
Cristalización
La transición del estado líquido al sólido en los polímeros puede conseguirse de dos maneras: O bien un polímero fundido se solidifica, o bien precipita a partir de una solución sobresaturada. En este proceso, las macromoléculas pierden gran parte de su energía cinética, que se libera al medio ambiente en forma de calor.
Dentro de un intervalo de temperatura limitado, las cadenas de moléculas en forma de bola pueden «estirarse». Al hacerlo, se disponen en estructuras paralelas, formadas por una macromolécula plegada, similar a una manguera de bomberos o a un cable tendido en bahías. En algunos polímeros, las cadenas de moléculas diferentes también se alinean paralelas entre sí. La formación de tales estructuras se denomina cristalización.
La formación de la estructura cristalina requiere un punto de partida, que se denomina núcleo de cristalización. Dicho núcleo puede ser la mínima cantidad de polímeros ya cristalinos o moléculas extrañas, como el cuarzo. El cristal crece alrededor de este núcleo hasta que encuentra otros cristales o zonas de material solidificado amorfo. Añadiendo núcleos de cristalización a la masa fundida o a la solución, se puede influir en el número y, por tanto, en el tamaño de los cristales.
Qué sustancias son adecuadas como núcleos depende de cada sistema polimérico y debe determinarse experimentalmente. El tiempo necesario para el crecimiento de los cristales y el intervalo óptimo de temperatura también se determinan mediante experimentos. Los métodos de análisis térmico son adecuados para ello.
Recristalización
La recristalización es la nueva formación y transformación de cristales. Este proceso se produce involuntariamente cuando la temperatura de los materiales cristalinos o semicristalinos alcanza un determinado valor o cuando los polímeros son deformados por fuerzas mecánicas externas. También está relacionado con el aumento o la disminución de la movilidad de las partículas. La recristalización puede utilizarse de forma selectiva para conseguir las propiedades requeridas del material. Para ello existen varios procesos.
Postcristalización por estiramiento
Este proceso se utiliza en la producción de fibras sintéticas, películas y cuerpos huecos. Las fibras y películas sintéticas se producen por extrusión de los polímeros calentados. Durante este proceso, el material se presiona a alta presión a través de boquillas o aberturas similares y adquiere su forma.
A continuación se aplican fuerzas de tracción, que hacen que las cadenas moleculares se estiren y se dispongan en paralelo. Los cuerpos huecos (botes, botellas) pueden fabricarse a partir de piezas brutas que se expanden mediante una sobrepresión en el interior. Las tensiones de tracción que esto crea en el material conducen a la cristalización.
Recristalización a partir de la solución
En una solución, las macromoléculas de un polímero están distribuidas uniformemente. Si se induce la sobresaturación, es decir, si se aumenta la concentración de las macromoléculas en la solución por encima de la solubilidad máxima a la temperatura respectiva de la solución, las macromoléculas se depositarán en estado sólido. Al hacerlo, se reorganizan y pueden formar estructuras cristalinas.
El requisito previo para la cristalización es mantener la temperatura óptima y el tiempo necesario para el crecimiento de los cristales. La recristalización puede apoyarse y controlarse añadiendo núcleos de condensación («inoculando» la solución).
