Handboek · hoofdstuk 10Materialen en hun eigenschappen
Waarom een kas uit aluminium en polycarbonaat bestaat, en hoe je dat met proeven en een keuzetabel onderbouwt
Een ingenieur kiest geen materiaal omdat het 'goed' is, maar omdat het past bij wat het onderdeel moet doen. In dit hoofdstuk leer je de vijf materiaalfamilies kennen, en de eigenschappen waarmee je ze vergelijkt: hardheid, sterkte, stijfheid, taaiheid, elasticiteit, geleiding en duurzaamheid. Je test ze met eenvoudige proeven, je kiest met een gewogen keuzetabel, en je volgt materialen van grondstof tot recyclage. Zo onderbouw je de keuze voor het frame en de wanden van de meetkas.
- Je kan de vijf materiaalfamilies (hout, metalen, kunststoffen, keramiek en glas, composieten) herkennen en er typische eigenschappen van geven.
- Je kan hardheid, sterkte, stijfheid, taaiheid, elasticiteit, geleiding en duurzaamheid uitleggen en van elkaar onderscheiden.
- Je kan eenvoudige materiaalproeven eerlijk uitvoeren: buigen, krassen en geleiden.
- Je kan de hardheidsschaal van Mohs gebruiken om materialen te rangschikken.
- Je kan uitleggen waarom composieten en legeringen gemaakt worden, met gewapend beton als voorbeeld.
- Je kan een gewogen keuzetabel opstellen, invullen en kritisch bekijken.
- Je kan de materialenkringloop beschrijven, van grondstof tot recyclage, en uitleggen waarom recycleren van aluminium zoveel energie bespaart.
- Je kan de materiaalkeuze voor het frame en de wanden van de meetkas onderbouwen.
Een schip dat in de haven brak
Tijdens de Tweede Wereldoorlog bouwden de Verenigde Staten in recordtempo vrachtschepen en tankers. In plaats van staalplaten met duizenden klinknagels aan elkaar te zetten, werden ze voor het eerst op grote schaal gelast: sneller en goedkoper. Maar er ging iets mis. Honderden schepen kregen scheuren, en enkele braken zomaar in twee.
Het bekendste geval is de tanker SS Schenectady. Op 16 januari 1943 lag het gloednieuwe schip na zijn proefvaart rustig aan de kade in Portland, in het noordwesten van de VS. Er was geen storm en geen lading. Toch scheurde het schip, met een knal die je meer dan een kilometer ver hoorde, bijna helemaal door, net achter de opbouw. Alleen de bodemplaten hielden het nog bij elkaar.
Onderzoekers ontdekten dat het staal van die schepen bij koud weer bros werd. Bij kamertemperatuur vervormt zulk staal eerst voor het breekt: het is taai. Maar onder een bepaalde temperatuur breekt het plots, zoals glas, en een scheurtje bij een lasnaad of een scherpe hoek loopt dan in een oogwenk door de hele plaat. De Britse onderzoekster Constance Tipper toonde met een eenvoudige proef op ingekerfde staafjes aan dat staal zo'n overgangstemperatuur heeft. Sindsdien kiezen scheepsbouwers staal dat ook in de kou taai blijft, en vermijden ze scherpe hoeken.
'Sterk' is niet genoeg. Het staal van de Schenectady was sterk, maar in de kou niet taai. Een materiaal kiezen betekent: weten welke eigenschappen tellen voor dit onderdeel, in deze omstandigheden. Voor de meetkas, die buiten staat en in de winter vriest, geldt dat ook.
Vijf materiaalfamilies
Duizenden materialen, maar ze vallen uiteen in vijf families. Binnen een familie lijken de eigenschappen op elkaar, omdat de deeltjes op een gelijkaardige manier aan elkaar vastzitten (dat zie je in Intermediate en Expert).
| familie | voorbeelden | typisch | let op |
|---|---|---|---|
| hout | grenen, eik, beuk; plaatmateriaal: multiplex, MDF | licht, sterk langs de vezel, makkelijk te bewerken, hernieuwbaar | zwelt en krimpt met vocht, rot als het nat blijft, brandbaar |
| metalen | staal, roestvast staal, aluminium, koper, messing, zink | sterk, taai, glanzend, geleiden stroom en warmte goed, vervormbaar | zwaar (behalve aluminium), veel roesten of corroderen |
| kunststoffen | PE, PP, PVC, PET, polycarbonaat, acryl, PLA | licht, isolerend, in elke vorm te gieten, waterbestendig | weinig stijf, worden zacht bij warmte, veel verouderen in zonlicht |
| keramiek en glas | baksteen, tegels, porselein, beton, glas | hard, stijf, hittebestendig, slijtvast, sterk op druk | bros: breekt zonder te vervormen, zwak op trek |
| composieten | gewapend beton, glasvezel, koolstofvezel, multiplex | combineren de sterke punten van twee materialen | moeilijk te scheiden en te recycleren |
In de meetkas zie je ze allemaal: een frame van metaal (aluminium), wanden van kunststof (polycarbonaat), plantenbakjes van kunststof (PP) of keramiek (terracotta), een plantentafel van hout (multiplex) en de elektronica op een printplaat van glasvezelversterkte kunststof: een composiet.
Een stof (hoofdstuk 8) is wat iets is: aluminium, polyetheen. Een materiaal is een stof of mengsel zoals je het gebruikt om iets te maken, met een vorm en een bewerking: een aluminium koker, een geperste multiplexplaat. Hetzelfde polycarbonaat kan een massieve plaat of een lichte kanaalplaat zijn: dezelfde stof, een ander materiaal.
Eigenschappen: wat bedoelen we precies?
In het dagelijks leven zeggen we 'sterk' voor bijna alles. Een ingenieur maakt onderscheid:
- Hardheid: weerstand tegen krassen en indrukken. Glas is hard, polycarbonaat niet: een korrel zand maakt er een kras in.
- Sterkte: hoeveel kracht het materiaal kan dragen voor het bezwijkt. Je spreekt van sterk op trek (uit elkaar trekken), op druk (samendrukken) of op buiging.
- Stijfheid: hoe weinig het vervormt onder een kracht. Een stalen lat buigt minder door dan een even grote aluminium lat, en die veel minder dan een kunststof lat.
- Elastisch of plastisch: veert het terug als je loslaat (een stalen lat, een elastiek), of blijft het vervormd (een paperclip, een aluminium strook die je ver doorbuigt)? Elk materiaal is elastisch tot aan een grens; daarboven vervormt het blijvend of breekt het.
- Taai of bros: vervormt het veel voor het breekt (taai: staal bij kamertemperatuur, polycarbonaat, koper), of breekt het plots (bros: glas, keramiek, gietijzer, acryl)?
- Geleiding: laat het elektrische stroom en warmte goed door?
- Duurzaamheid: blijft het goed in zijn omgeving: tegen vocht, roest, rot, zonlicht, slijtage?
Daarnaast tellen dichtheid (hoofdstuk 7), uitzetting bij warmte (hoofdstuk 6), doorzichtigheid, bewerkbaarheid (zagen, boren, lijmen, lassen, gieten) en de prijs.
Glas en een stalen mes zijn ongeveer even hard (± 5,5 op de schaal van Mohs). Maar een glazen staaf breekt al bij een tik, terwijl een stalen staaf buigt. Hard en bros gaan vaak samen: zelfs diamant, het hardste materiaal, splijt met een goede tik op de juiste plaats. Hardheid, sterkte en taaiheid zijn drie verschillende eigenschappen.
Buigen, krassen en geleiden
Hoe verschillen zeven materialen in stijfheid, hardheid en geleiding, als je ze op dezelfde manier test?
- stroken van 20 mm × 3 mm, 25 cm lang, uit staal, aluminium, koper, grenen, PVC, acryl en polycarbonaat
- lijmklem en tafelrand, lat met millimeterverdeling, gewichtje van 100 g met een haakje
- vingernagel, koperen munt, stalen spijker
- led-tester (9 V, led, weerstand, twee draden)
- 1Buigen. Klem elke strook zo vast dat er precies 20 cm voorbij de tafelrand uitsteekt. Meet de hoogte van het uiteinde, hang het gewichtje eraan en meet opnieuw. Het verschil is de doorbuiging.
- 2Neem het gewichtje weg: komt het uiteinde terug op zijn plaats? Buig daarna elke strook voorzichtig met de hand ver door en laat los.
- 3Krassen. Probeer op elke strook een kras te maken met je nagel, met de koperen munt en met de stalen spijker. Voel met je vingertop of er een groef is.
- 4Geleiden. Hou de twee draden van de led-tester 10 cm uit elkaar tegen de strook. Brandt de led?
| strook | doorbuiging met 100 g | ver buigen en loslaten | kras met | led |
|---|---|---|---|---|
| staal | minder dan 1 mm | veert terug (verenstaal) of blijft wat gebogen | niets | brandt |
| aluminium | ± 1 mm | blijft gebogen | spijker (munt: licht) | brandt |
| koper | ± 0,5 mm | blijft gebogen | spijker (munt: licht) | brandt |
| grenen | ± 5 mm | veert terug; splintert als je te ver gaat | nagel (een deukje) | uit |
| PVC | ± 19 mm | veert grotendeels terug | munt, spijker | uit |
| acryl | ± 18 mm | breekt plots | spijker | uit |
| polycarbonaat | ± 24 mm | buigt heel ver en veert terug | munt, spijker | uit |
Voorbeeld van waarnemingen. De doorbuigingen passen bij wat je met de stijfheid van elk materiaal berekent (Intermediate); de kleinste lees je met een lat niet nauwkeurig af.
Stijfheid: metalen buigen het minst; staal is ongeveer drie keer zo stijf als aluminium en zeventig keer zo stijf als PVC. Kunststoffen zijn licht en taai, maar slap. Elastisch of plastisch: bij een kleine kracht veren alle stroken terug; bij een grote kracht blijven aluminium en koper gebogen (plastisch), breekt acryl (bros) en veert polycarbonaat terug (taai). Hardheid: een stalen spijker krast bijna alles behalve staal zelf; kunststoffen en hout zijn het zachtst. Geleiding: alleen de metalen geleiden stroom.
De proef is eerlijk omdat alleen het materiaal verandert: alle stroken zijn even breed, even dik en steken even ver uit (hoofdstuk 2). Een dikkere strook van hetzelfde materiaal buigt veel minder door: de vorm telt minstens zo zwaar als het materiaal (hoofdstuk 13).
Hardheid: wie krast wie?
In 1812 bedacht de Duitse mineraloog Friedrich Mohs een eenvoudige hardheidsschaal: tien mineralen, van zacht naar hard, zodat elk mineraal alle vorige krast en door alle volgende gekrast wordt. Een onbekend materiaal plaats je door te kijken wat het krast en waardoor het gekrast wordt. Wordt het gekrast door een koperen munt maar niet door je vingernagel, dan ligt de hardheid tussen 2,5 en 3,5.
De schaal is een rangschikking, geen meting met gelijke stappen: het verschil tussen korund (9) en diamant (10) is veel groter dan dat tussen talk (1) en gips (2). Voor metalen en kunststoffen meten ingenieurs de hardheid anders: ze drukken er met een bekende kracht een hard kogeltje of puntje in en meten de indruk.
Waarom telt hardheid voor de meetkas? Stof en zand bevatten korreltjes kwarts (hardheid 7): die krassen zelfs glas (± 5,5), en kunststoffen, die veel zachter zijn, nog veel makkelijker. Een kasplaat van polycarbonaat die je met een droge doek afveegt, krijgt fijne krasjes, en daardoor laat ze na enkele jaren minder licht door. Spoel ze daarom eerst met water, en was met een zachte spons. Acryl is iets krasvaster dan polycarbonaat, maar veel brosser.
Trek en druk, en waarom beton wapening nodig heeft
Een balk die doorbuigt, wordt aan de bovenkant samengedrukt en aan de onderkant uitgerekt. Materialen reageren daar heel verschillend op.
- Beton, steen en baksteen zijn sterk op druk maar zwak op trek: ongeveer tien keer zwakker. Een balk van gewoon beton scheurt daarom onderaan, waar hij uitgerekt wordt. Daarom bouwden de Romeinen en de middeleeuwse bouwmeesters bogen en gewelven: vormen die overal op druk belast worden.
- Staal is sterk op trek én op druk. Een dunne staaldraad kan honderden kilo dragen.
- Hout is sterk langs de vezels, en veel zwakker dwars op de vezels: een plank splijt makkelijk in de lengterichting.
Stop je stalen staven onderaan in het beton, dan vangt het staal de trek op en het beton de druk: gewapend beton. Dat is een composiet: twee materialen samen, met betere eigenschappen dan elk apart. Het werkt ook omdat staal en beton even sterk uitzetten bij warmte (hoofdstuk 6).
Andere composieten: glasvezelversterkte kunststof (dunne glasvezels in hars: boten, windturbinebladen, printplaten), koolstofvezel (heel licht en stijf: raceframes, vliegtuigonderdelen), multiplex (dunne houtlagen met de vezels kruislings verlijmd: sterk in twee richtingen, en het werkt minder bij vocht), en al duizenden jaren leem met stro. Het nadeel: composieten zijn moeilijk te scheiden en dus moeilijk te recycleren.
Een fiets: welk materiaal zit waar?
Een fiets is een verzameling onderdelen, elk met zijn eigen taak, en dus zijn eigen materiaal (de mechanismen bekijk je in hoofdstuk 12).
- 1Kader
Moet stijf, sterk, taai en licht zijn. Aluminium (licht), staal (sterk, goedkoop, maar zwaarder) of koolstofvezel (een composiet: heel licht en stijf, maar duur en moeilijk te recycleren).
- 2Band
Rubber, versterkt met een weefsel van kunststofvezels en een staaldraad in de rand: een composiet die soepel is, grip heeft en niet scheurt.
- 3Spaken
Dunne draden van roestvast staal, altijd op trek belast. Staal is sterk op trek; roestvast, zodat ze niet verzwakken.
- 4Velg
Aluminium: licht, stijf genoeg en bestand tegen regen.
- 5Ketting
Gehard staal: heel hard, zodat de schakels niet snel slijten, en sterk op trek.
- 6Zadel
Een kunststof schaal met zacht schuim erop: elastisch en comfortabel.
- 7Remkabel
Een staalkabel (sterk op trek) in een kunststof mantel (glad, en bestand tegen regen).
- 8Achterlicht met reflector
Doorzichtige kunststof (acryl of polycarbonaat): licht, breekt niet zoals glas, en in elke vorm te gieten.
Geleiding: stroom en warmte
Metalen geleiden elektrische stroom goed: ze zitten vol vrije elektronen die kunnen bewegen (hoofdstuk 19). Daarom zijn draden van koper. Kunststoffen, hout, glas en keramiek zijn isolatoren: daarom is de mantel rond een draad van PVC en de houder van een zekering van keramiek. Een opvallende uitzondering is grafiet, de 'mine' van een potlood: een niet-metaal dat wel geleidt.
Ook warmte gaat vlot door metalen en traag door kunststof, hout en vooral lucht:
| materiaal | warmtegeleiding (W per m per K) | geleidt stroom? |
|---|---|---|
| koper | 400 | heel goed |
| aluminium | ± 200 | goed |
| staal | ± 50 | goed |
| glas | ± 1 | nee |
| polycarbonaat | 0,20 | nee |
| dennenhout | ± 0,13 | nee (droog) |
| piepschuim | ± 0,035 | nee |
| stilstaande lucht | 0,026 | nee |
Hoe groter het getal, hoe sneller warmte door het materiaal gaat. Wat het getal precies betekent, leer je in Intermediate (hoofdstuk 19); hier telt de volgorde: koper geleidt warmte ruim tienduizend keer beter dan stilstaande lucht.
Dat verklaart waarom een metalen trapleuning in de winter kouder aanvoelt dan een houten, ook al hebben ze dezelfde temperatuur: het metaal voert de warmte van je hand veel sneller weg. En waarom een pan een bodem van metaal heeft (de warmte moet erdoor) en een handvat van kunststof of hout (de warmte mag er niet door).
Het aluminium frame geleidt warmte ongeveer duizend keer beter dan de polycarbonaatplaten. In een koude nacht voert het de warmte van binnen snel naar buiten, en is het aan de binnenkant het koudste deel van de kas: daar vormt zich het eerst condens (hoofdstuk 6). Zo'n plaats heet een koudebrug. In hoofdstuk 16 leer je hoe je die beperkt.
Duurzaamheid: vocht, roest, rot en zonlicht
Een materiaal moet ook na jaren nog doen wat het moet. De meetkas staat in een vochtige, zonnige omgeving met grote temperatuurverschillen: een zware proef.
- Roest. IJzer en gewoon staal reageren met zuurstof en water tot roest. Roest is poreus en bladdert af, zodat het metaal eronder verder roest tot het doorgeroest is. Zout versnelt dat. Bescherming: verven, een laagje zink (verzinken), of roestvast staal met chroom erin.
- Aluminium reageert ook met zuurstof, maar vormt een heel dun, dicht laagje oxide dat het metaal eronder afschermt. Daarom 'roest' een aluminium frame niet door.
- Rot en schimmel. Hout dat lang nat blijft, rot. Bescherming: hout dat droog kan opdrogen, een behandeling (verf, olie, verduurzaming) of een van nature duurzame houtsoort.
- Zonlicht. Het ultraviolette licht van de zon breekt kunststoffen langzaam af: ze worden geel, dof en bros. Kasplaten van polycarbonaat krijgen daarom aan één kant een UV-beschermlaag, die naar buiten moet. Tuinfolie gaat maar enkele jaren mee.
- Vermoeiing en slijtage. Een paperclip die je vaak heen en weer buigt, breekt, ook al zou één keer buigen niets doen. Bewegende delen (scharnieren, kettingen) slijten.
Raken twee verschillende metalen elkaar in vochtige lucht, dan kan één ervan sneller aangetast worden. In de meetkas zet je het aluminium frame daarom vast met roestvast stalen schroeven M4, met een kunststof ringetje ertussen. Waarom dat helpt, leer je in Intermediate (hoofdstuk 16).
Habitat: een keuzetabel voor het kasframe
Het frame van de meetkas bestaat uit 10,4 m profiel (alle ribben van de kas van 1,20 × 0,60 × 0,80 m). Vier opties: een aluminium koker van 20 × 20 × 1,5 mm, een grenen lat van 34 × 34 mm, een verzinkt stalen koker van 20 × 20 × 1,5 mm en een PVC-buis van 25 mm. Welke kies je, en hoe onderbouw je dat?
- massa van het frame (hoofdstuk 7): aluminium 3,1 kg; grenen 6,0 kg; staal 9,1 kg; PVC 2,0 kg
- de eigenschappen uit dit hoofdstuk en uitzetting (hoofdstuk 6)
- een gewogen keuzetabel en een onderbouwde keuze
- 1Stap 1: criteria. Wat moet het frame doen? Het moet stijf en sterk zijn (de platen en het dak dragen, niet doorbuigen), bestand zijn tegen vocht (de kas is vochtig, hoofdstuk 6), licht zijn (je wil de kas kunnen verplaatsen), makkelijk te zagen en te boren zijn (in de klas), niet te duur zijn, en achteraf te recycleren.
- 2Stap 2: gewichten. Niet elk criterium is even belangrijk. Stijfheid en vochtbestendigheid krijgen 3 (zonder die twee faalt de kas), licht, bewerkbaarheid en prijs 2, recyclage 1.
- 3Stap 3: scores van 1 tot 5, telkens met een reden. Aluminium: stijf genoeg in kokervorm (4), roest niet door zijn oxidelaag (5), het lichtst van de metalen (5), zaagt en boort vlot (4), middelmatige prijs (3), onbeperkt te recycleren (5). Grenen: stijf genoeg (3), rot en zwelt in vochtige lucht (2), 6 kg (3), het makkelijkst te bewerken (5), goedkoop (5). Staal: het stijfst (5), roest waar de zinklaag beschadigd is bij zaagsneden en boorgaten (3), zwaar (1), moeilijker te zagen (2). PVC: veel te slap en kruipt bij warmte (1), vocht deert het niet (5), licht (5), goedkoop (5), moeilijk te recycleren (2).
- 4Stap 4: vermenigvuldig elke score met het gewicht en tel op (tabel).
criterium gewicht aluminium grenen verzinkt staal PVC stijf en sterk 3 4 (12) 3 (9) 5 (15) 1 (3) bestand tegen vocht 3 5 (15) 2 (6) 3 (9) 5 (15) licht 2 5 (10) 3 (6) 1 (2) 5 (10) makkelijk te bewerken 2 4 (8) 5 (10) 2 (4) 4 (8) prijs 2 3 (6) 5 (10) 4 (8) 5 (10) recycleerbaar 1 5 (5) 3 (3) 5 (5) 2 (2) totaal (max. 65) 56 44 43 48
Habitat: de wanden kiezen
De wanden en het dak van de meetkas zijn samen 3,60 m². Vijf opties: glas van 4 mm, massief polycarbonaat van 4 mm, een kanaalplaat van polycarbonaat van 4 mm, acryl (PMMA) van 4 mm en tuinfolie van polyetheen van 0,2 mm. Welke kies je?
| optie | laat licht door | massa per m² | bij een harde tik | isoleert | levensduur in de zon |
|---|---|---|---|---|---|
| glas 4 mm | ± 90 % | 10 kg | breekt in scherpe scherven | slecht | tientallen jaren |
| PC massief 4 mm | ± 88 % | 4,8 kg | breekt niet | slecht | ± 10 jaar en meer (met UV-laag) |
| PC kanaalplaat 4 mm | ± 80 % | 0,8 kg | deukt, breekt niet | goed (lucht in de kanalen) | ± 10 jaar en meer (met UV-laag) |
| acryl 4 mm | ± 92 % | 4,8 kg | barst | slecht | lang, vergeelt nauwelijks |
| tuinfolie 0,2 mm | ± 85 % (nieuw) | 0,2 kg | scheurt | slecht | enkele jaren |
- de tabel met eigenschappen
- oppervlakte van wanden en dak: 3,60 m²
- een gewogen keuzetabel en een keuze
- 1Criteria en gewichten. Licht doorlaten (3: planten hebben licht nodig, hoofdstuk 27) en veilig zijn bij een stoot (3: de kas staat in een klas en in de wind). Isoleren (2: 's nachts minder warmteverlies en minder condens), licht zijn (2), lang meegaan (2), prijs (1).
- 2Scores uit de tabel. Glas scoort hoog op licht en levensduur, maar laag op veiligheid, massa (36 kg voor de hele kas) en isolatie. De kanaalplaat laat wat minder licht door, maar is taai, weegt voor de hele kas maar 2,9 kg en isoleert het best: de stilstaande lucht in de kanalen geleidt warmte slecht.
criterium gewicht glas PC massief PC kanaalplaat acryl folie laat licht door 3 5 (15) 4 (12) 3 (9) 5 (15) 4 (12) breekt niet, veilig 3 1 (3) 5 (15) 4 (12) 2 (6) 2 (6) isoleert 2 1 (2) 1 (2) 4 (8) 1 (2) 1 (2) licht 2 1 (2) 3 (6) 5 (10) 3 (6) 5 (10) levensduur (UV) 2 5 (10) 4 (8) 4 (8) 5 (10) 1 (2) prijs 1 3 (3) 2 (2) 3 (3) 2 (2) 5 (5) totaal (max. 65) 35 45 50 41 37
Van grondstof tot recyclage
Elk materiaal begint als grondstof uit de natuur: ijzererts voor staal, bauxiet voor aluminium, zand, soda en kalk voor glas, klei voor keramiek, aardolie (of maïs en suikerriet) voor kunststof, bomen voor hout. Van grondstof tot materiaal kost vaak veel energie. Aluminium wordt met elektriciteit uit aluminiumoxide gehaald: voor één ton nieuw aluminium is ongeveer 186 gigajoule nodig, voor één ton gerecycleerd aluminium maar ongeveer 8,3 gigajoule, zo'n 95 % minder.
De weg van een materiaal heet de materialenkringloop. Hoe langer een materiaal in de kringloop blijft, hoe minder grondstof en energie er nodig is. Daarom is er een volgorde van voorkeur:
- minder gebruiken en lang laten meegaan;
- hergebruiken en herstellen: een product opnieuw gebruiken zoals het is;
- recycleren: het materiaal opnieuw maken (smelten, vermalen) tot een nieuw product;
- verbranden met energieterugwinning;
- storten: het materiaal is verloren.
Niet elk materiaal recycleert even goed. Metalen en glas kan je telkens opnieuw smelten zonder dat ze slechter worden. Papier kan een aantal keer mee, tot de vezels te kort worden. Kunststoffen moeten per soort gesorteerd worden (hoofdstuk 9); daarvoor dient de recyclagecode. Composieten zijn het moeilijkst, omdat de twee materialen vast aan elkaar zitten.
| code | kunststof | voorbeelden |
|---|---|---|
| 1 | PET | drankflessen |
| 2 | HDPE (polyetheen, hard) | flacons, doppen |
| 3 | PVC | buizen, kabelmantels |
| 4 | LDPE (polyetheen, zacht) | folie, zakjes |
| 5 | PP | potjes, doppen, plantenbakjes |
| 6 | PS | piepschuim, yoghurtpotjes |
| 7 | andere (polycarbonaat, PLA, mengsels) | kasplaten, 3D-printonderdelen |
Wie ontwerpt, beslist mee hoe recycleerbaar iets is. Schroeven in plaats van lijmen maakt uit elkaar halen mogelijk. Eén soort kunststof in plaats van drie maakt sorteren eenvoudiger. De meetkas is zo ontworpen: een geschroefd aluminium frame en losse platen.
Overzicht: materialen kiezen
De families, de eigenschappen, de proeven en de stappen van een keuzetabel op één blad.
| familie | voorbeelden | typisch | let op |
|---|---|---|---|
| hout | grenen, eik, beuk; plaatmateriaal: multiplex, MDF | licht, sterk langs de vezel, makkelijk te bewerken, hernieuwbaar | zwelt en krimpt met vocht, rot als het nat blijft, brandbaar |
| metalen | staal, roestvast staal, aluminium, koper, messing, zink | sterk, taai, glanzend, geleiden stroom en warmte goed, vervormbaar | zwaar (behalve aluminium), veel roesten of corroderen |
| kunststoffen | PE, PP, PVC, PET, polycarbonaat, acryl, PLA | licht, isolerend, in elke vorm te gieten, waterbestendig | weinig stijf, worden zacht bij warmte, veel verouderen in zonlicht |
| keramiek en glas | baksteen, tegels, porselein, beton, glas | hard, stijf, hittebestendig, slijtvast, sterk op druk | bros: breekt zonder te vervormen, zwak op trek |
| composieten | gewapend beton, glasvezel, koolstofvezel, multiplex | combineren de sterke punten van twee materialen | moeilijk te scheiden en te recycleren |
| eigenschap | vraag | eenvoudige proef |
|---|---|---|
| hardheid | krast het? | krassen met nagel, munt, spijker (schaal van Mohs) |
| sterkte | hoeveel kracht voor het breekt? | belasten tot het bezwijkt (hoofdstuk 13) |
| stijfheid | hoeveel vervormt het? | doorbuiging meten met een gewicht |
| elastisch of plastisch | komt het terug? | belasten en loslaten |
| taai of bros | vervormt het voor het breekt? | ver buigen of een tik (met bril) |
| geleiding | gaan stroom en warmte erdoor? | led-tester; ijsblokje dat smelt |
| duurzaamheid | blijft het goed? | een week in water, zout water, zon |
| stap | keuzetabel |
|---|---|
| 1 | criteria: wat moet het onderdeel doen, in welke omstandigheden? |
| 2 | gewicht per criterium (bv. 1 tot 3), met een reden |
| 3 | score per optie (1 tot 5), met een reden of een meting |
| 4 | score × gewicht, optellen per optie |
| 5 | controleren: verandert de winnaar als je de gewichten wat verschuift? Wat ziet de tabel niet? |
| code | kunststof | voorbeelden |
|---|---|---|
| 1 | PET | drankflessen |
| 2 | HDPE (polyetheen, hard) | flacons, doppen |
| 3 | PVC | buizen, kabelmantels |
| 4 | LDPE (polyetheen, zacht) | folie, zakjes |
| 5 | PP | potjes, doppen, plantenbakjes |
| 6 | PS | piepschuim, yoghurtpotjes |
| 7 | andere (polycarbonaat, PLA, mengsels) | kasplaten, 3D-printonderdelen |
Waar materialen naartoe leiden
Met dit hoofdstuk sluit het deel Materie en materialen af. Materialen verbinden de leerlijn materie en chemie (waaruit bestaat het?) met ontwerpen en maken (wat maak je ervan?) en met krachten en constructies (wat houdt het?). Wat je hier kwalitatief vergelijkt, wordt verder in de opleiding kwantitatief: in Intermediate de opbouw van kunststoffen en een keuzematrix met milieucriteria, in Expert spanning, rek en stijfheid in getallen, en materiaalkeuze met Ashby-diagrammen.
Veilig zagen, boren en lijmen in de werkplaats.
Uitzetten: polycarbonaat zet drie keer zoveel uit als aluminium, dus sleufgaten.
De massa van het frame en de wanden, uit volume en dichtheid.
Legeringen als mengsels met eigenschappen op maat.
Recyclage begint met sorteren: magneet, zink-drijfbak, luchtstroom.
Elastisch vervormen en de wet van Hooke: de veerunster.
Trek, druk, buiging; profielen en waarom vorm meer telt dan materiaal.
Isoleren met luchtlagen; de koudebrug van het frame.
PLA en andere filamenten: materiaalkeuze voor 3D-geprinte onderdelen.
Corrosie als chemische reactie, en waarom twee metalen elkaar aantasten.
Hoe kunststoffen en composieten opgebouwd zijn; recyclagecodes.
Een materiaalkeuzematrix met milieucriteria en de levenscyclus.
Spanning, rek, elasticiteitsmodulus en de veiligheidsfactor in getallen.
Kristalstructuur, warmtebehandeling en materiaalkeuze met Ashby-diagrammen.
In het kort
- Materialen vallen in vijf families: hout, metalen, kunststoffen, keramiek en glas, composieten.
- Hardheid (krassen), sterkte (kracht tot breuk), stijfheid (hoeveel vervorming) en taaiheid (vervormen voor het breekt) zijn verschillende eigenschappen.
- Elastisch materiaal veert terug, plastisch materiaal blijft vervormd; bros materiaal breekt plots, taai materiaal vervormt eerst.
- De schaal van Mohs rangschikt hardheid van 1 (talk) tot 10 (diamant): elk materiaal krast alles wat zachter is.
- Metalen geleiden stroom en warmte goed; kunststof, hout, glas, keramiek en lucht isoleren.
- Duurzaamheid: ijzer roest door, aluminium beschermt zich met een oxidelaagje, hout rot als het nat blijft, kunststof verouderd in zonlicht.
- Composieten combineren materialen: in gewapend beton vangt het staal de trek en het beton de druk op.
- Met een gewogen keuzetabel kies je onderbouwd: criteria, gewichten, scores, optellen, en controleren of de keuze gevoelig is voor de gewichten.
- De materialenkringloop: grondstof, materiaal, product, gebruik, en dan liefst hergebruiken of recycleren. Gerecycleerd aluminium kost 95 % minder energie.
Wat je nu kent
- materiaalfamilie
- Groep materialen met gelijkaardige eigenschappen: hout, metalen, kunststoffen, keramiek en glas, composieten.
- hardheid
- Hoe goed een materiaal weerstaat aan krassen of indrukken; de schaal van Mohs rangschikt van 1 (talk) tot 10 (diamant).
- sterkte
- Hoeveel kracht een materiaal kan dragen voor het bezwijkt, op trek, druk of buiging.
- stijfheid
- Hoe weinig een materiaal vervormt onder een kracht; staal is ongeveer drie keer zo stijf als aluminium.
- taai
- Vervormt veel voor het breekt en neemt zo veel energie op; het tegengestelde is bros.
- bros
- Breekt plots, zonder vooraf zichtbaar te vervormen, zoals glas en keramiek.
- elastisch
- Neemt na het wegnemen van de kracht weer zijn oorspronkelijke vorm aan.
- plastisch
- Blijft na het wegnemen van de kracht vervormd.
- corrosie
- Aantasting van een metaal door zijn omgeving, zoals het roesten van ijzer in vochtige lucht.
- composiet
- Materiaal uit twee of meer materialen die samen betere eigenschappen hebben dan elk apart, zoals gewapend beton.
- keuzetabel
- Tabel waarin je opties scoort op criteria met een gewicht, om onderbouwd te kiezen.
- materialenkringloop
- De weg van een materiaal van grondstof over product en gebruik naar hergebruik, recyclage, verbranding of storten.