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Micron Document

<!DOCTYPE html>

<title>Sphärolith</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Sphärolith</span></h1>

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</div>

<p>Der Begriff <b>Sphärolith</b> (von <span style="font-style:normal;font-weight:normal"><a href="Altgriechische_Sprache" title="Altgriechische Sprache">altgriechisch</a></span> <span lang="grc-Grek" class="Grek" style="font-style:normal">σφαῖρα</span> <i>sphaîra</i> ‚Kugel‘ und <span style="font-style:normal;font-weight:normal"><a href="Altgriechische_Sprache" title="Altgriechische Sprache">altgriechisch</a></span> <span lang="grc-Grek" class="Grek" style="font-style:normal">λίθος</span> <i>líthos</i> ‚Stein‘) bezeichnet allgemein ein kugeliges oder strahliges Kristallaggregat. In der <a href="Polymerphysik" title="Polymerphysik">Polymerphysik</a> wird als Sphärolith eine für <a href="Thermoplaste" title="Thermoplaste">thermoplastische</a> <a href="Kunststoff" title="Kunststoff">Kunststoffe</a> typische kugelförmige <a href="%C3%9Cberstruktur" title="Überstruktur">Überstruktureinheit</a> bezeichnet, in der Kristallite radialsymmetrisch angeordnet und über amorphe Zwischenbereiche fest verbunden sind. Die Größe und die Anzahl der Sphärolithe in einem <a href="Werkst%C3%BCck" title="Werkstück">Werkstück</a> beeinflusst ganz wesentlich dessen mechanische und optische Eigenschaften.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Entstehung">Entstehung</h2></div>

<div class="hauptartikel" role="navigation"><span class="hauptartikel-pfeil" title="siehe" aria-hidden="true" role="presentation">→ </span><i><span class="hauptartikel-text">Hauptartikel</span>: <a href="Kristallisation_(Polymer)" title="Kristallisation (Polymer)">Kristallisation (Polymer)</a></i></div>

<p>Sphärolithe können sich beim Abkühlen von Schmelzen thermoplastischer Kunststoffe bilden. Die Neigung zur <a href="Kristallisation_(Polymer)" title="Kristallisation (Polymer)">Kristallisation</a> ist von der Polymerart, d. h. von der Anordnung der Atome, Moleküle, bzw. der funktionalen Gruppen in der Molekülkette abhängig. Beispiele für Polymere, die Sphärolithstrukturen ausbilden können, sind: <a href="Polyamide" title="Polyamide">Polyamid 6</a>, <a href="Polypropylen" title="Polypropylen">Polypropylen (PP)</a>, <a href="Polyoxymethylen" class="mw-redirect" title="Polyoxymethylen">Polyoxymethylen (POM)</a>, <a href="Polyethylen" title="Polyethylen">Polyethylen (PE)</a> oder <a href="Polybutylenterephthalat" title="Polybutylenterephthalat">Polybutylenterephthalat (PBT)</a>. In diesen Polymeren können sich Molekülketten regelmäßig zueinander anordnen und damit Kristallite bilden.<sup id="cite_ref-Sawyer_1-0" class="reference"><a href="#cite_note-Sawyer-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Die kristallinen Strukturen entstehen bevorzugt an <a href="Kristallisationskeim" class="mw-redirect" title="Kristallisationskeim">Kristallisationskeimen</a> und wachsen von ihrem Zentrum aus gleichförmig in alle Richtungen nach außen. Es bilden sich daher kugelförmige, <a href="Radialsymmetrisch" class="mw-redirect" title="Radialsymmetrisch">radialsymmetrische</a> Anordnungen.<sup id="cite_ref-Hemsley_2-0" class="reference"><a href="#cite_note-Hemsley-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Ob sich Sphärolithe bilden und wie groß diese werden, hängt von der Art des Polymers und den Abkühlbedingungen in der Schmelze ab.

</p><p>Bei langsamer Abkühlgeschwindigkeit bilden sich weniger Sphärolithe. Gleichzeitig haben diese aber viel Zeit zu wachsen und sind daher relativ groß. Bei rascher Abkühlung setzt die Kristallisation an vielen Stellen gleichzeitig ein. Da die Kristallisationstemperatur bei rascher Abkühlung schneller unterschritten wird, bleiben die Sphärolithe vergleichsweise klein. Bei manchen Polymeren wie zum Beispiel Polyamid (PA) oder Polybutylenterephthalat (PBT) kann eine relativ rasche Abkühlung an der Oberfläche zu einer Schicht mit geringerer Kristallinität oder sogar amorphen Strukturen im Randbereich führen.<sup id="cite_ref-Sawyer_1-1" class="reference"><a href="#cite_note-Sawyer-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Sphärolithe können nur solange wachsen, wie sie von amorphem Material umgeben sind. Werden die Sphärolithe so groß, dass sie sich berühren, so können sie sich in dieser Richtung nicht weiter ausdehnen. Es entstehen dann zwischen den Sphärolithen ebene Flächen.<sup id="cite_ref-Hemsley_2-1" class="reference"><a href="#cite_note-Hemsley-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Einen entscheidenden Einfluss auf die Sphärolithbildung haben Fremdsubstanzen und Verunreinigungen. Sie können als <a href="Nukleation" class="mw-redirect" title="Nukleation">Keimbildner</a> wirken und sorgen so für eine vermehrte Sphärolithbildung. In der Praxis werden daher dem Polymer zum Teil Nukleierungsmittel zugesetzt, um die Kristallisation deutlich zu beschleunigen.<sup id="cite_ref-Nukleierungsmittel_3-0" class="reference"><a href="#cite_note-Nukleierungsmittel-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Gleichzeitig erfolgt die Erstarrung bei höherer Temperatur, was sich vorteilhaft auf Prozesszeiten beim <a href="Spritzguss" class="mw-redirect" title="Spritzguss">Spritzguss</a> auswirkt. Typische Konzentrationen von Nukleierungsmitteln liegen bei 0,1–0,5 %. Als Nukleierungsmittel werden häufig unlösliche anorganische Füllstoffe wie Metalloxide, Metallsalze, Silikate oder <a href="Bornitrid" title="Bornitrid">Bornitrid</a> mit Teilchengrößen von ca. 3 μm dem Polymer beigemischt.<sup id="cite_ref-hanser_4-0" class="reference"><a href="#cite_note-hanser-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Auch Füll- und Verstärkungsmittel und Farbmittel können keimbildend wirken. Daneben gibt es auch als sogenannte „Clarifier“ bezeichnete Nukleierungsmittel, die in der Schmelze gelöst sind. Die Nukleierungsdichte ist hier um Größenordnungen höher als bei nicht gelösten Additiven, so dass optisch wesentlich transparentere Materialien entstehen.<sup id="cite_ref-hanser_4-1" class="reference"><a href="#cite_note-hanser-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Nukleierungsmittel werden meist empirisch gefunden und sind auf ein bestimmtes Polymer optimiert, d. h. ein Nukleierungsmittel für zum Beispiel Polypropylen funktioniert nicht unbedingt für Polyethylen.<sup id="cite_ref-heconuk_5-0" class="reference"><a href="#cite_note-heconuk-5"><span class="cite-bracket">[</span>5<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Aufbau_und_Struktur">Aufbau und Struktur</h2></div>

<p>Sphärolithe sind selbst <i>keine</i> Kristalle im kristallografischen Sinne, sondern stellen Aggregate (Anhäufungen) von sehr vielen, kleineren kristallinen Bereichen dar. Dieses konnte bei einzelnen Materialien durch <a href="R%C3%B6ntgenbeugung" title="Röntgenbeugung">Röntgenbeugung</a> nachgewiesen werden.<sup id="cite_ref-Hemsley_2-2" class="reference"><a href="#cite_note-Hemsley-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Die Größe der Sphärolithe alleine sagt weder etwas über die <a href="Kristallisation_(Polymer)#Kristallinität,_Kristallinitätsgrad,_Kristallisationsgrad" title="Kristallisation (Polymer)">Kristallinität</a> des Werkstoffs (Anteil kristallin zu amorph) noch über die Größe der eigentlichen Kristalle aus.<sup id="cite_ref-Hemsley_2-3" class="reference"><a href="#cite_note-Hemsley-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Die Sphärolithgröße ist vielmehr ein Hinweis auf die Kristallisationsbedingungen im Polymer.

</p><p>Die Kristallite sind radialsymmetrisch um das Zentrum angeordnet. Röntgenbeugungsexperimente kleinster Bereiche haben gezeigt, dass dabei die Polymerketten in den Sphärolithen mehr oder weniger <a href="Tangente" title="Tangente">tangential</a> angeordnet sind.<sup id="cite_ref-Hemsley_2-4" class="reference"><a href="#cite_note-Hemsley-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Der Mechanismus des Wachsens bei dem schrittweise nacheinander Ketten längsseits angelagert werden, entspräche dem Mechanismus der Kristallisation von kurzkettigen Paraffinen.<sup id="cite_ref-Hemsley_2-5" class="reference"><a href="#cite_note-Hemsley-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Durch die parallele Anordnung der Ketten kommt es in den Kristallen zu <a href="Doppelbrechung" title="Doppelbrechung">doppelbrechenden</a> Eigenschaften (Formdoppelbrechung), d. h. der <a href="Brechungsindex" title="Brechungsindex">Brechungsindex</a> in Radialrichtung unterscheidet sich von der Tangentialrichtung.

</p><p>Neben sphärolithischen Überstrukturen sind bei manchen Polymeren (zum Beispiel Polypropylen) auch dendritische Überstrukturen bekannt.<sup id="cite_ref-IWF_6-0" class="reference"><a href="#cite_note-IWF-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Sie bilden sich, wenn ein starker <a href="Temperaturgradient" class="mw-redirect" title="Temperaturgradient">Temperaturgradient</a> in der Probe vorliegt. Die Kristallisation beginnt im kälteren Bereich und die kristallinen Bereiche wachsen in Richtung der Bereiche mit höherer Temperatur. Dieses führt zu gerichtetem, dendritischem Kristallwachstum.<sup id="cite_ref-IWF_6-1" class="reference"><a href="#cite_note-IWF-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Auswirkungen">Auswirkungen</h2></div>

<p>Sphärolithe beeinflussen die thermischen Eigenschaften des Polymers (zum Beispiel <a href="Schmelzpunkt" title="Schmelzpunkt">Schmelzpunkt</a>, <a href="W%C3%A4rmeformbest%C3%A4ndigkeit" title="Wärmeformbeständigkeit">Wärmeformbeständigkeit</a>, Schrumpf), die mechanische <a href="Festigkeit" title="Festigkeit">Festigkeit</a>, sowie zum Teil auch die <a href="Chemische_Best%C3%A4ndigkeit" title="Chemische Beständigkeit">chemische Beständigkeit</a> und die optischen Eigenschaften.<sup id="cite_ref-Nukleierungsmittel_3-1" class="reference"><a href="#cite_note-Nukleierungsmittel-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Die kristallinen Anteile sind härter, spröder und besitzen eine höhere Dichte, während die amorphen Anteile duktiler und weniger dicht sind und die Aufgabe der Elastizität im Bauteil übernehmen.<sup id="cite_ref-Werkstofftechnik_7-0" class="reference"><a href="#cite_note-Werkstofftechnik-7"><span class="cite-bracket">[</span>7<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Außerdem besitzen sie einen höheren Schmelzpunkt, was zu einer besseren Wärmebeständigkeit des Bauteils führt.

</p><p>Die Sphärolithe unterscheiden sich in den optischen Eigenschaften von den amorphen Bereichen. Da sie nur in seltenen Fällen deutlich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind, erscheinen teilkristalline polymere Werkstoffe in der Regel milchig bis undurchsichtig (opak).

</p><p>Je nach dem Zeitpunkt, zu dem Sphärolithe zusammenstoßen, entstehen sehr feste oder auch gar keine Verbindungen, so dass die Trennflächen zwischen den Sphärolithen ausgeprägte Strukturschwachstellen bilden können. Große Sphärolithe sind also nicht wünschenswert. Man vermeidet sie durch Nukleierung und/oder Unterkühlung, so dass viele Sphärolithe gleichzeitig wachsen.<sup id="cite_ref-Menges_8-0" class="reference"><a href="#cite_note-Menges-8"><span class="cite-bracket">[</span>8<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Eine Verringerung der Sphärolithgröße durch erhöhte Keimbildung führt zu einem größeren Biegemodul und einer erhöhten Fließgrenze sowie einer niedrigeren Bruchdehnung und Duktilität. Durch eine Nukleierung (höherer Anteil von Keimbildnern) wird die Wärmeformbeständigkeit erhöht.<sup id="cite_ref-9" class="reference"><a href="#cite_note-9"><span class="cite-bracket">[</span>9<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Nachweis">Nachweis</h2></div>

<p>Da Sphärolithe kristalline Bereiche enthalten und damit doppelbrechend sind, lassen sie sich mit Hilfe der <a href="Polarisationsmikroskop" title="Polarisationsmikroskop">Polarisationsmikroskopie</a> nachweisen. Das Erscheinungsbild ist unterschiedlich und abhängig vom verwendeten Polymer. Meist erkennt man sie anhand des typischen Musters („<a href="Malteserkreuz" title="Malteserkreuz">Malteserkreuz</a>“), dessen dunkle Balken parallel zur Polarisationsrichtung von Polarisator und Analysator des Mikroskops ausgerichtet sind.<sup id="cite_ref-10" class="reference"><a href="#cite_note-10"><span class="cite-bracket">[</span>10<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Dreht man das Objekt, so bleibt die Orientierung des Kontrasts trotzdem in der gleichen Raumrichtung bestehen, dreht sich also nicht mit der Probe mit.

</p><p>Der Sphärolithdurchmesser bezeichnet den größten <a href="Durchmesser" title="Durchmesser">Durchmesser</a> der 3-dimensionalen Sphärolithe. Die lichtmikroskopisch nachweisbare Größe liegt zwischen 1 µm und mehreren 100 µm. Bei sehr kleinen Sphärolithen ist das oben beschriebene Muster im Mikroskop nicht mehr zu erkennen. Man erkennt nur noch eine diffuse Streuung des Lichtes.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>Gottfried W. Ehrenstein: <a rel="nofollow" class="external text" href="http://books.google.de/books?id=vbqIGPdg9rcC&printsec=frontcover&dq=Polymer-Werkstoffe"><i>Polymer-Werkstoffe: Struktur - Eigenschaften - Anwendung</i></a>, Hanser Verlag, ISBN 3446211616.</li>

<li>D.A. Hemsley: <i>Applied polymer light microscopy</i>, Elsevier Applied Science, London, S. 111–149, ISBN 1-85166-335-5.</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Weblinks">Weblinks</h2></div>

<ul><li><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.youtube.com/watch?v=9S6ZfKYohBA"><i>Video zur Kristallisation von Polypropylen (Sphärolithbildung unter einem Polarisationsmikroskop)</i></a> auf <a href="YouTube" title="YouTube">YouTube</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-Sawyer-1"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-Sawyer_1-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Sawyer_1-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text">Linda C. Sawyer and David T. Grubb: <a rel="nofollow" class="external text" href="http://books.google.de/books?id=BG7tjoOZFu0C&printsec=frontcover&dq=%27%27Polymer+Microscopy%27%27"><i>Polymer Microscopy</i></a>, Chapman and Hall, London, S. 200–202, ISBN 0-412-25710-6.</span>

</li>

<li id="cite_note-Hemsley-2"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-Hemsley_2-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Hemsley_2-1">b</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Hemsley_2-2">c</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Hemsley_2-3">d</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Hemsley_2-4">e</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Hemsley_2-5">f</a></sup></span> <span class="reference-text">D.A. Hemsley: <i>Applied polymer light microscopy</i>, Elsevier Applied Science, London, S. 111–149, ISBN 1-85166-335-5.</span>

</li>

<li id="cite_note-Nukleierungsmittel-3"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-Nukleierungsmittel_3-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Nukleierungsmittel_3-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text"><a rel="nofollow" class="external text" href="http://www.nemitzgmbh.de/site/pdf/nukleierung.pdf">Nukleierungsmittel</a>, Nemitz Kunststoff-Additive (pdf; 43 kB).</span>

</li>

<li id="cite_note-hanser-4"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-hanser_4-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-hanser_4-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text">Tim A. Osswald, Ernst Schmachtenberg, Sigrid Brinkmann, Erwin Baur: <a rel="nofollow" class="external text" href="http://files.hanser.de/hanser/docs/20041108_2411816132-69_3-446-22670-2_Leseprobe03.pdf"><i>Saechtling Kunststoff Taschenbuch</i></a>, Hanser Fachbuch, ISBN 3-446-22670-2 (Leseprobe pdf; 209 kB).</span>

</li>

<li id="cite_note-heconuk-5"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-heconuk_5-0">↑</a></span> <span class="reference-text"><a rel="nofollow" class="external text" href="http://www.kunststofftechnik-lapacz.de/wirkungsweise/Kunststoffe/heconuk.html">Nukleierungsmittel</a>, Kunststofftechnik Ulrike Lapacz.</span>

</li>

<li id="cite_note-IWF-6"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-IWF_6-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-IWF_6-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://av.tib.eu/media/12674">Videos und Erklärungen zur dendritischen Kristallisation von Polypropylen</a>.</span>

</li>

<li id="cite_note-Werkstofftechnik-7"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-Werkstofftechnik_7-0">↑</a></span> <span class="reference-text"><a rel="nofollow" class="external text" href="http://www.archaeometrielabor.com/Bilder/pdf/Instrumentelle%20Analytik/Mik_Werkst.pdf">Praktikum Werkstofftechnik, Mikroskopie von Werkstoffgefügen / -strukturen, Institut für Werkstofftechnik</a> – Universität GH Kassel (pdf; 2,1 MB).</span>

</li>

<li id="cite_note-Menges-8"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-Menges_8-0">↑</a></span> <span class="reference-text">Georg Menges, Edmund Haberstroh, <a href="Walter_Michaeli" title="Walter Michaeli">Walter Michaeli</a>, Ernst Schmachtenberg (2002): <i>Werkstoffkunde Kunststoffe</i> Hanser Verlag, ISBN 3-446-21257-4, (<a rel="nofollow" class="external text" href="http://books.google.de/books?id=R3p4KXQBNAAC&pg=PA68&dq=Kristallisation+polymer&as_brr=3#PPA148,M1">Google Books</a>).</span>

</li>

<li id="cite_note-9"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-9">↑</a></span> <span class="reference-text">W. Lutz: <a rel="nofollow" class="external text" href="http://www.dechema.de/dechema_media/Downloads/mbf/2459-view_image-1-called_by-dechema-original_site--original_page-122738.pdf"><i>Verbesserte Wärmeformbeständigkeit thermoplastischer Mehrphasenwerkstoffe durch kontrolliertes Kristallwachstum</i>.</a> Institut für Kunststoffkunde und -technik, Universität Stuttgart, 2005 (pdf; 1,1 MB).</span>

</li>

<li id="cite_note-10"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-10">↑</a></span> <span class="reference-text">Inga Gurke: <a rel="nofollow" class="external text" href="http://d-nb.info/958396507/34"><i>Smektische Thermotrope Hauptkettenpolyesterimide</i></a>. Dissertation, Institut für Makromolekulare und Technische Chemie, Universität Hamburg, 1999 (pdf).</span>

</li>

</ol>

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Normdaten (Sachbegriff): <a href="Gemeinsame_Normdatei" title="Gemeinsame Normdatei">GND</a>: <span class="-print"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://d-nb.info/gnd/4338225-3">4338225-3</a></span> </div>

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Dieser Artikel wurde von <a class="external text" title="Zuletzt bearbeitet am 2025-01-31" href="https://de.wikipedia.org/wiki/?title=Sph%C3%A4rolith&oldid=252855077">Wikipedia</a> herausgegeben. Der Text ist unter <a class="external text" href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de">Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0</a> verfügbar, sofern nicht anders angegeben. Für die Mediendateien können zusätzliche Bedingungen gelten.

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