Schematisch overzicht van de ordening van atomen in kristallijne, polykristallijne en amorfe materie.

Kristalliniteit is de mate waarin een materiaal in een geordende manier is opgebouwd, dus uit kristallen met een zekere kristalstructuur. Het is een materiaaleigenschap, die de kwaliteit van een materiaal sterk beïnvloedt. Vaak gaat het om materie, die in een vaste toestand verkeerd, maar er bestaan ook vloeistoffen die een mate van kristalliniteit bezitten, de zogenaamde vloeibare kristallen. Er worden vijf termen gebruikt, die een vorm van kristalliniteit in een materiaal beschrijven, namelijk kristallijn, polykristallijn, cryptokristallijn, semikristallijn en amorf. Voor polymeren worden de termen amorf en semikristallijn gebruikt. Bij metalen en keramiek kan er worden gesproken over kristallijn, polykristallijn en amorf. Voor mineralen kan worden gesproken over kristallijn, polykristallijn, cryptokristallijn en amorf

Zie Amorf voor een artikel over amorfe materie.

Kristallijn

Kristallijne materie

Kristallijn is de benaming voor een kwalitatieve eigenschap van een materiaal, in het bijzonder een vaste stof, dat is opgebouwd uit kristallen, dus een zekere kristalstructuur heeft. Bepaalde vloeistoffen zullen tijdens het stollen een proces ondergaan dat kristallisatie wordt genoemd, oftewel het vormen van kristallen. Ze zullen een geordende structuur vormen, waarin de atomen in een dichte stapeling worden opgebouwd. Het tegenovergestelde van kristallijn is amorf. Wat een willekeurige stapeling van de atomen beschrijft.[1]

Een voorbeeld van een kristallijn materiaal is een metaal of legering. Ook keramieken en mineralen hebben een geordende kristalstructuur en zijn kristallijn. Minerale kristallijne materialen worden kristallijne gesteenten genoemd. De Aarde is voor het grootste gedeelte opgebouwd uit kristallijne gesteenten.

100% kristallijn

Een voorbeeld van een materiaal dat 100% kristallijn is, is een eenkristal. Deze wordt tijdens het kristalliseren gevormd uit één kristalliet. Een voorbeeld hervan is het harde diamant, dat een eenkristal is bestaande uit koolstofatomen.

Glas en kristal(glas)

Kristallijn wordt foutief gebruikt als synoniem voor kristalglas (glas met >4% loodoxide). Soms wordt gedacht dat glas of kristalglas een kristallijne materie is, vanwege de transparantie en mogelijkheid op lichtbreking. Echter is het tegenovergestelde waar. Kristalglas en "gewoon" glas zijn namelijk opgebouwd uit ongeordende moleculen, die een isotrope, amorfe vaste stof vormen. Het is geen kristal, is niet kristallijn en heeft geen kristalstructuur.

Polykristallijn

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

De meeste materialen zullen echter tijdens het stollingsproces meerdere kleine korrels (kristallieten) vormen, waardoor het materiaal is opgebouwd uit meerdere kristallijne regio's die zijn afgewisseld of verbonden door amorfe gebieden. Ze zijn niet volledig kristallijn of amorf, maar hebben gebieden met een kristallijne kristalstructuur die worden afgewisseld of "aan elkaar geplakt" door amorfe gebieden. Deze opbouw wordt polykristallijn genoemd. Pure metalen, legeringen, vele keramieken, mineralen, gesteenten, ijs en een aantal kunststoffen zijn allemaal voorbeelden van polykristallijne materialen. Dit betekent dat ze zijn opgebouwd uit allerlei kleine kristallieten, welke door hun microscopische aanzicht worden omschreven als korrels. Binnen een korrel is de kristaloriëntatie gelijk, echter zijn onzuiverheden en dislocaties binnen het kristalrooster van een korrel wel toegestaan. Afhankelijk van de productievoorgeschiedenis kan de oriëntatie van de korrels tot elkaar wel verschillen. De term textuur geeft de verdeling van de voorkeursoriëntaties van de kristalstructuren in een anisotropisch polykristallijn materiaal aan. Een materiaal wordt textuurloos genoemd, wanneer de kristalkorrels willekeurig georiënteerd zijn. De mate van textuur hangt af van het percentage korrels met een voorkeursoriëntatie. Er wordt onderscheidt gemaakt tussen drie gradaties in textuur: zwak, matig en sterk.[1]

De benaming polykristallijn wordt in dit geval gebruikt omdat er een groot aantal kleine kristallijne gebieden zijn gevormd met een kristalstructuur. Dit gebeurt bij metalen, legeringen, keramieken en mineralen.[1]

Cryptokristallijn

Als er sprake is van verschillende chemische verbindingen, zoals bij mineralen voorkomt, spreekt men ook van een polykristallijne stof. Een gesteente met kristallieten, die zo klein zijn dat ze met het blote oog niet zijn te zien, heet een cryptokristallijn gesteente.

Semikristallijn

De vaste materiaalstructuur van twee voorwerpen op macroscopische, microscopische en nanoscopische schaal van (boven) een geordende kristallijn metaal en (onder) een geordende semikristallijn polymeer.
Amorfe (ongeordende) en semikristallijne (in lamellen geordende) polymeerketens

De term semikristallijn wordt gebruikt om de mate van ordening van de polymeerketens in elastomeren en polymeren (kunststoffen) te beschrijven, dus in thermoplasten en thermoharders. Semikristalliniteit is het verschijnsel dat sommige materialen zelfs in pure vorm slechts tot een bepaalde mate kristalliseren en 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" kristalstructuur en zijn het echte kristallen, terwijl de "kristallijne" gebieden in semikristallijn geordende polymeerketens aangeven.[1]

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 bladvormige lamellen. Het kan daarbij gebeuren dat een en dezelfde keten ingebouwd wordt in twee verschillende lamellen. De atomen in het verbindingsstuk kunnen zich daarbij noch volgens de ene, noch volgens de andere lamel 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 van polyetheen (PE). De hogedrukvorm (HDPE, hoge dichtheid-polyethyleen) heeft hoge kristalliniteit en daardoor ook een hoge dichtheid. LDPE (Low Density PE) en LLDPE (Lineair Low Density PE) een beduidend lagere. LLDPE is eigenlijk een copolymeer met 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 semikristallijne materialen een belangrijke maat voor de eigenschappen en de kwaliteit van het materiaal. Kristalliniteiten kunnen op verschillende wijze bepaald worden. De eenvoudigste is de dichtheid te meten door onderdompeling in een geschikte vloeistof. Een wat preciezere methode is het smeltgedrag te bestuderen in een calorimetrisch experiment, bijvoorbeeld met een DSC. Ook röntgendiffractie en vastestof-NMR kunnen een maat voor de kristalliniteit opleveren.

Zie ook