Porcentaje de cristalinidad de polímeros

La cristalinidad de un material influencia sus características, incluyendo su fortaleza mecánica, opacidad, y propiedades térmicas. En práctica, las medidas de cristalinidad son efectuadas por motivos de investigación y desarrollo, al igual que para el Control de Calidad (QC). La dispersión de rayos X ocurre en materiales cristalinos y no-cristalinos iluminados con rayos X. La diferencia entre estos dos tipos de dispersión está en el orden de los materiales. Los materiales, específicamente los polímeros, tienen algunas contribuciones amorfas. La habilidad de des-complicar lo amorfo de la dispersión cristalina es clave en obtener un valor seguro que es consistente con toras técnicas, como la Resonancia Magnética Nuclear (RMN o NMR) y la calorimetría.


 X-ray scattering from amorphous material produces a

Figura 1:
A) Dispersión amorfa,
B) Dispersión policristalina no-orientada,
C) Policristalina orientada y dispersión amorfa

Como visto en la Figura 1, la dispersión de rayos X de materiales amorfos produce un “halo” de intensidad, el cual, cuando integrado, crea una “giba” amplia y de baja-intensidad. La dispersión de rayos X de un material cristalino produce manchas (anillos) “bien-definidas” que se integran a los picos de alta-intensidad (agudos). El porcentaje de cristalinidad obtenido mediante medias de rayos X se define como la proporción de la intensidad en los picos cristalinos en cuanto a la suma de las intensidades cristalinas y amorfas:

Porcentaje de cristalinidad = Icristalina/Icristalina + Iamorfa

Con difractómetros de rayos X convencionales con fuentes de línea y detectores de punto, las medidas del porcentaje de cristalinidad de las fibras de polímeros y las láminas son demasiado tardadas y propensas a errores. Los tiempos de recopilación largos resultan porque los polímeros son difractores débiles. Errores resultan por la intensidad de reflexiones no observadas. El detector de área de la placa de imagen de RAPID II supera estos problemas. Este detector esta disponible para recopilar los anillos Deybe completos de muestras de polímeros medidas en transmisión, algo que los sistemas de difracción convencionales no pueden lograr en tiempos prácticos.

Las fibras son las muestras de recopilación de datos más complicadas. Usualmente, el eje de vibra esta cerca de la dirección de la orientación en la fibra. Esto está descrito como la dirección meridional. La dirección normal del eje de la fibra está definida como la dirección ecuatorial. Las fibras son, comúnmente, rotacionalmente simétricas. Es decir, si la fibra estuviera montada verticalmente, el mismo patrón de difracción seria observado en cualquier configuración φ. Para cualquier rango 2θ, se requiere una sola posición de rango para obtener información sobre la orientación en el plano ecuatorial. Las reflexiones meridionales usualmente tienen una intensidad máxima en el ángulo Bragg. Esto significa que, en una muestra con posición arbitraria con respecto al haz de incidencia, se determinarían diferentes porcentajes de cristalinidad en base a la cantidad de reflexión meridional en el barrido. Para determinar el porcentaje de cristalinidad, es necesario efectuar un barrido de todas las reflexiones no-ecuatoriales.

La Figura 2 es un ejemplo de una fibra de polietileno. El espectro mono-dimensional de “Dispersión Total” es obtenido mediante la integración de los datos del detector bidimensional (como visto en la Figura 1). Este espectro, entonces, se des-complica y crea componentes de dispersión amorfos y cristalinos. En este caso, se determina que el porcentaje de cristalinidad es 46%.

Polyethylene fiber

Figura 2: Fibra de polietileno

El RAPID II tiene resolución espacial por virtud de sus ópticos y punto de origen. Esto permite que las propiedades de las muestras sean caracterizadas como función de profundidad. Por ejemplo, los efectos de hapticidad en láminas de polímeros pueden ser estudiados en transmisiones mediante secciones delgadas. Las medidas de cristalinidad dependientes-en-la-profundidad en materiales basados-en-polipropileno mostraron diferencias de cristalinidad muy marcadas (200 μm de separación), lo cual causo fallas prematuras en el materia. Este es uno de los ejemplos de como se puede usar la difracción de rayos X para explorar los efectos del procesamiento en propiedades materiales.


El D/MAX RAPID II es sin duda el rayos X detector de área más versátil en la historia del análisis de materiales. En producción por más de una década y mejorado continuamente durante ese período de tiempo, el éxito del RAPID II es una prueba de la idoneidad de la tecnología de placa de imagen para medir los patrones de difracción y dispersión difusa de una amplia gama de materiales. Read more...