Oplossingen · hoofdstuk 17Polymeren en composieten
Kettingen van duizenden schakels: waarom een PLA-print in de kas doorzakt, en een koolstofvezelfiets niet
Uitgewerkte oplossingen bij de 16 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.
Een sensorhouder voor de kas, laag per laag. Maar welk filament houdt het uit in de zon?
Voor de leerkrachtDeze pagina bevat de antwoorden. Druk het werkboek af zonder deze pagina.
Oefenen
Oefenen
één stap, direct toepassen
17.1
Van monomeer naar polymeer
Oefenen3Tekenen15 min
Propeen is CH2=CH–CH3, vinylchloride CH2=CHCl, tetrafluoretheen CF2=CF2.
a
Teken voor elk monomeer een stuk van de polymeerketen met drie eenheden. Duid de herhalende eenheid aan.
Telkens gaat de dubbele binding open en ontstaat een keten van C-atomen: –CH2–CH(CH3)–CH2–CH(CH3)–CH2–CH(CH3)–; –CH2–CHCl–CH2–CHCl–CH2–CHCl–; –CF2–CF2–CF2–CF2–CF2–CF2–. De herhalende eenheid is telkens de twee C-atomen van één monomeer.
b
Geef de naam van elk polymeer. Welk ken je als antiaanbaklaag van een pan?
Polypropeen (PP), polyvinylchloride (PVC), polytetrafluoretheen (PTFE, bekend als teflon): de antiaanbaklaag.
17.2
Additie of condensatie?
Oefenen3Begrijpen10 min
Deze polymeren kwamen in het handboek voor.
a
Zeg van elk of het door additie of door condensatie gemaakt wordt, en welk bijproduct er bij condensatie vrijkomt: PE, PET, nylon, PVC, PLA, PS, bakeliet, PP.
Waarom kan water de keten van PLA traag afbreken, en die van PE niet?
In de keten van PLA zitten esterbindingen met zuurstofatomen (–CO–O–): water kan die openbreken, het omgekeerde van de condensatie (hydrolyse). De keten van PE bestaat alleen uit C–C- en C–H-bindingen, waar water niet aan kan.
17.3
Welk soort kunststof?
Oefenen3Begrijpen10 min
Thermoplast, thermoharder of elastomeer?
a
Deel in: een PET-fles, een bakelieten stopcontact, een autoband, een PLA-print, uitgeharde epoxylijm, een elastiekje, een polycarbonaat kasplaat, een melamine bord.
Welke van deze voorwerpen kan je recycleren door ze te smelten? Waarom de andere niet?
Alleen de thermoplasten: hun losse ketens schuiven bij verwarmen langs elkaar. Thermoharders en gevulkaniseerd rubber hebben bindingen tussen de ketens; ze smelten niet, maar ontbinden als je ze te sterk verwarmt.
17.4
Recyclagecodes lezen
Oefenen3Begrijpen10 min
Zoek thuis of in de klas vijf kunststof voorwerpen met een recyclagecode (fles, dop, potje, folie, speelgoed, 3D-print).
Een PET-fles (code 1) en haar dop (code 2 of 5) zijn van verschillende kunststof. Is dat een probleem voor de recyclage?
Nee: na het malen worden ze in water gescheiden. PET zinkt (1,38 g/cm³), HDPE en PP drijven (onder 1 g/cm³: F7). Wel is het beter de dop op de fles te laten: losse doppen raken verloren in de sortering.
c
Waarom hoort een mislukte PLA-print niet in de blauwe zak, ook al is het plastic?
De blauwe zak is voor verpakkingen: de sorteercentra zijn daarop ingesteld. Een 3D-print is geen verpakking, en PLA stoort de recyclage van PET als het er toch tussen komt.
17.5
Ketenlengte berekenen
Oefenen4Rekenen15 min
Atoommassa's: H 1,008; C 12,011; O 15,999; Cl 35,45 g/mol.
a
Een PP-molecule heeft een molaire massa van 250 000 g/mol. Hoeveel propeeneenheden C3H6 bevat ze?
M(C3H6)=42,08g/mol; 250000/42,08=5940 eenheden.
b
Een PVC-molecule van 100 000 g/mol: hoeveel eenheden C2H3Cl?
Een PLA-molecule van 100 000 g/mol bestaat uit eenheden C3H4O2. Hoeveel melkzuurmoleculen werden ervoor gekoppeld, en hoeveel water kwam er vrij?
M(C3H4O2)=72,06g/mol; 100000/72,06=1388 eenheden, dus 1388 melkzuurmoleculen, en 1387 watermoleculen: bij n eenheden zijn er n−1 koppelingen.
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
17.6
Labo: de glasovergang van drie filamenten
Toepassen5Labo50 min
Herhaal de proef uit het handboek, maar maak ze nauwkeuriger: klem een staafje (80 × 10 × 2 mm) aan één kant vast zodat 60 mm uitsteekt, hang er een gewicht van 20 g aan, en dompel het geheel twee minuten in een waterbad. Meet de doorbuiging van het uiteinde met een lat achter het staafje.
a
Maak een meetplan: welke temperaturen, hoeveel herhalingen, wat houd je gelijk?
Bijvoorbeeld 40, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 °C, telkens een nieuw staafje, twee herhalingen. Gelijk houden: afmetingen, printinstellingen, printrichting, tijd in het bad, gewicht, positie van het gewicht.
b
Meet en noteer.
Typisch: enkele mm doorbuiging bij 40 °C voor alle drie; PLA neemt snel toe vanaf 55 à 60 °C (tot het staafje recht naar beneden hangt), PETG vanaf 75 à 80 °C, ABS pas rond 95 à 100 °C.
c
Zet de doorbuiging uit tegen de temperatuur (drie kromme lijnen). Bepaal voor elk materiaal de temperatuur waar de doorbuiging snel begint toe te nemen, en vergelijk met de Tg.
De knikken vallen op of iets onder de Tg uit de tabel. De Tg is geen scherpe grens maar een gebied van enkele graden, en een staafje onder belasting begint al te kruipen voor het volledig rubberachtig is.
d
Waarom zakken de staafjes al een beetje door vóór hun Tg?
Kunststoffen kruipen ook onder hun Tg een beetje, en ze worden geleidelijk slapper naarmate de temperatuur stijgt. Bovendien hangt het af van de tijd: twee minuten is kort, een zomer lang is veel langer.
Zo wordt dit beoordeeld
Veiligheid
Tang en handschoenen, stabiele opstelling, geen kokend water.
Meetplan
Stappen van 5 à 10 °C rond de verwachte Tg; zelfde tijd, gewicht, uitstekende lengte en printinstellingen.
Grafiek
Assen met eenheden, drie reeksen, knik zichtbaar.
Besluit
Knik bij ongeveer 55-60, 75-80 en 95-100 °C; verschil met de Tg verklaard (overgangsgebied, kruip, meetmethode).
17.7
Rekenen met de mengregel
Toepassen5Rekenen20 min
Gebruik de mengregel langs de vezels. Epoxy: 3 GPa, 1,20 g/cm³. Glasvezel 72 GPa, 2,55 g/cm³; vlas 55 GPa, 1,45 g/cm³; koolstof 230 GPa, 1,80 g/cm³. Aluminium: 70 GPa, 2,70 g/cm³.
a
Hoeveel procent glasvezel heb je nodig om langs de vezels even stijf te zijn als aluminium? Kan dat?
70=Vv⋅72+(1−Vv)⋅3⇒67=69Vv⇒Vv=0,97: 97 % vezels. Onmogelijk: de vezels moeten in hars liggen, en meer dan ongeveer 60 à 65 % krijg je er niet in.
b
Een windturbineblad wordt 1,0 % lichter als je het glasvezelcomposiet (55 % vezels) vervangt door vlascomposiet (40 %) met hetzelfde volume. Klopt dat, of wordt het veel meer? Reken met de dichtheden.
Glas: 1,94g/cm3; vlas: 1,30g/cm3. Bij hetzelfde volume: 1,30/1,94=0,67, dus 33 % lichter, niet 1 %. Maar het vlasblad is ook minder stijf (24 tegenover 41 GPa): om even stijf te zijn, moet het dikker, en dan blijft er van die winst weinig over.
c
Waarom maakt men de langste windturbinebladen toch met stroken koolstofvezel erin?
Hoe langer het blad, hoe meer het doorbuigt onder de wind en zijn eigen gewicht, en het mag de mast niet raken. Koolstof is per kilogram meer dan vier keer zo stijf als glascomposiet: een paar stroken in de lengte (de ligger) houden het blad stijf zonder het veel zwaarder te maken.
17.8
Het juiste filament
Toepassen5Analyseren20 min
Gebruik de filamenttabel uit het handboek.
a
Kies PLA, PETG, ABS of ASA en motiveer met twee eigenschappen: (a) een bekerhouder voor in de auto; (b) een prototype om te zien of een behuizing past; (c) een brievenbusplaatje buiten op het zuiden; (d) een trechter voor voedingsoplossing; (e) een tandwiel in een printer die 60 °C wordt.
(a) PETG of ASA: de auto wordt in de zomer veel warmer dan 55 °C; ASA ook tegen UV. (b) PLA: goedkoop, makkelijk, nauwkeurig; temperatuur speelt geen rol. (c) ASA: UV-bestendig en hittebestendig; ABS vergeelt en wordt bros in de zon. (d) PETG: goed bestand tegen water en zouten, taai; PLA zou op termijn hydrolyseren. (e) Met de vuistregel moet de Tg minstens 75 °C zijn: PETG (80 °C) haalt het net, ABS of ASA met ruime marge. Voor een tandwiel dat blijvend belast wordt, is ABS of ASA de veiligste keuze.
b
Waarom is ABS moeilijk te printen op een open printer in een koude klas?
ABS krimpt veel bij het afkoelen. In koude lucht koelen de onderste lagen sneller af dan de bovenste: de spanningen trekken de hoeken los van het bed (kromtrekken) of doen lagen scheuren. Een gesloten, warme printer vermijdt dat.
17.9
Bioplastics: waar of niet waar?
Toepassen5Begrijpen15 min
Zeg telkens of de bewering waar of niet waar is, en verbeter of verklaar.
a
(a) Bioplastic breekt altijd af in de natuur. (b) Een PLA-print composteert in een jaar in de compostbak van de tuin. (c) Bio-PE uit suikerriet kan in de blauwe zak, net als gewoon PE. (d) Een plastic uit aardolie kan biologisch afbreekbaar zijn. (e) 'Composteerbaar' volgens EN 13432 betekent: in een industriële installatie binnen enkele maanden bijna volledig omgezet.
(a) Niet waar: 'bio' kan ook 'biogebaseerd' betekenen (bio-PE breekt niet af), en afbreekbaar is alleen onder bepaalde omstandigheden. (b) Niet waar: PLA heeft ongeveer 58 °C en veel vocht nodig; een tuincompostbak wordt zelden zo warm. (c) Waar: het is chemisch gewoon PE, als verpakking mag het mee. (d) Waar: bv. PBAT, gebruikt in composteerbare zakjes. (e) Waar: binnen 12 weken uiteengevallen en binnen 6 maanden voor minstens 90 % omgezet.
17.10
Python: het temperatuurmodel uitbreiden
Toepassen6Programmeren30 min
Gebruik filamentkeuze.py uit het handboek.
a
Laat het programma voor elke kleur de temperatuur berekenen bij twee situaties: een aprildag (lucht 32 °C, G = 600 W/m²) en een zomerdag met het dak dicht (lucht 40 °C, G = 700 W/m²).
Welke filamenten blijven er over voor een zwart onderdeel op de zomerdag? Wat leer je daaruit?
Zomer, zwart: 40+0,95⋅700/15=84,3∘C; nodig: Tg ≥ 99 °C: alleen ABS (105) haalt het, ASA (100) net. Besluit: maak een onderdeel in de zon niet zwart. Wit wordt die dag 40+0,25⋅700/15=51,7∘C: PETG blijft ruim goed.
17.11
Hoe print je een haak?
Toepassen5Analyseren15 min
Een geprinte haak moet in de kas een gieter van 5 kg dragen. Je kan hem rechtop printen (de lagen liggen horizontaal, dwars op de haak) of liggend op zijn zijkant (de lagen lopen in de lengte van de haak).
a
Teken beide printrichtingen met de lagen erin. In welke richting werkt de trekkracht in de gebogen haak?
In de bocht van de haak trekt het gewicht de binnen- en buitenkant in de lengte van de haak uit elkaar (buiging: trek aan de ene kant, druk aan de andere).
b
Welke printrichting kies je? Leg uit met de laaghechting.
Liggend: dan lopen de rupsen in de lengte van de haak en werkt de trekkracht langs de lagen. Rechtop geprint moet de laaghechting de trek opnemen: de haak breekt dan tussen twee lagen, vaak bij een fractie van de belasting.
c
Noem twee andere instellingen die de haak sterker maken.
Meer wanden (bv. 4 in plaats van 2), meer vulling in de bocht, een iets hogere printtemperatuur voor betere laaghechting, en PETG in plaats van PLA (taaier).
17.12
Maak: plastic uit melk
Toepassen4Maken45 min
Melk bevat caseïne, een eiwit: een natuurlijk polymeer. Met zuur klontert het samen tot een vormbare massa die uithardt. Rond 1900 maakte men er knopen en sierspelden van. Nodig: 250 mL melk, 4 eetlepels azijn, een pannetje, een zeef, keukenpapier, een vormpje.
a
Warm de melk op tot ongeveer 50 °C (niet koken), roer de azijn erdoor en zeef de klonters. Druk ze droog in keukenpapier, kneed en vorm ze. Beschrijf wat je ziet in elke stap.
Bij het roeren vormen zich meteen witte klonters en blijft er een geelachtig, troebel vocht over (de wei). De klonters voelen rubberachtig; uitgelekt en gekneed worden ze een deeg dat je kan vormen.
b
Laat je voorwerp twee dagen drogen. Test hardheid, buigzaamheid en wat er gebeurt in warm water. Is caseïneplastic een thermoplast of eerder een thermoharder? Waarom?
Na twee dagen is het voorwerp hard en wat bros. In warm water wordt het niet echt zacht zoals PLA, maar zwelt en verweekt het langzaam doordat het water opneemt. Het gedraagt zich eerder als een (zwakke) thermoharder: je kan het niet omsmelten; de eiwitketens zijn aan elkaar geklit.
c
Waarom gebruiken we het niet voor een onderdeel in de kas?
Het neemt water op, zwelt, en is voedsel voor schimmels en bacteriën: in een warme, vochtige kas rot het weg. Historisch werd het daarom met formaldehyde gehard (galaliet), wat we om gezondheidsredenen niet doen.
Zo wordt dit beoordeeld
Werkwijze
Melk verwarmd zonder koken, zuur toegevoegd, goed uitgelekt en gedroogd.
Zuur doet de caseïne neerslaan; bij het drogen klitten de eiwitketens samen.
Toepassing
Kritisch: gevoelig voor water, schimmel en bacteriën.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
17.13
Habitat: filament voor de kas, getoetst
Uitdagen7Habitat50 min
Voor de meetkas en de kweekruimte moeten een reeks onderdelen geprint worden: klemmen voor de druppelslang (in de zon, belast), een houder voor de pH-sonde (in de schaduw, nat), een kapje over de lichtsensor (buiten op het dak) en een ondoorzichtige behuizing voor de microcontroller (in de kas). Gebruik het model T=Tlucht+αG/h en de vuistregel.
a
Maak een keuzetabel: per onderdeel de hoogste temperatuur (april en zomer), vocht, UV, belasting, en het gekozen filament en de kleur.
Bijvoorbeeld: klem druppelslang, in de zon: wit 42 / 50 °C, belast: PETG wit. pH-sondehouder, schaduw, nat: ± lucht (32 / 40 °C), veel vocht: PETG, elke kleur (geen PLA: hydrolyse). Lichtsensorkapje buiten op het dak: UV, zon: ASA, lichte kleur (wit 42 / 50 °C). Behuizing microcontroller in de kas: lichtgrijs PETG of ASA, met ventilatiegaten; in de volle zon wordt lichtgrijs 56 °C: hang de behuizing liefst in de schaduw, voor de elektronica.
b
Ontwerp een meting om het model te controleren: welke sensor, waar, hoe lang, wat vergelijk je?
Een kleine temperatuursensor (bv. een NTC of een DS18B20) in een geprinte klem vastlijmen, in de zon achter de kaswand hangen, en een tweede sensor in de schaduw voor de luchttemperatuur. Een hele zonnige dag elke minuut loggen (hoofdstuk 30). Vergelijk het gemeten verschil T − T_lucht met α·G/h; met een lichtmeter (lux → W/m², ruw) kan je G schatten.
c
Een klasgenoot wil alles in zwart PETG printen 'omdat dat mooi staat'. Wat antwoord je, met getallen?
Zwart PETG in de zon wordt in april al 70 °C en in de zomer 84 °C: boven zijn Tg van 80 °C. De klem zakt door of laat de slang los. In wit blijft PETG onder 52 °C. Wil je toch zwart: ASA, en zelfs dat haalt in de zomer net de marge niet.
d
Schrijf de keuze voor je portfolio in vijf regels.
Bijvoorbeeld: 'Onderdelen in de kas printen we in wit of lichtgrijs PETG; buiten en in de volle zon ASA. PLA gebruiken we alleen voor passtukken en prototypes. De keuze steunt op het model T = T_lucht + α·G/h (zwart tot 84 °C, wit tot 52 °C) en de vuistregel Tg ≥ T + 15 °C. We controleren het met een gelogde meting op een geprinte klem.'
Zo wordt dit beoordeeld
Model
Temperaturen per kleur en situatie correct berekend (bv. wit april 42 °C, zwart zomer 84 °C).
Keuze
Per onderdeel een filament en kleur die de vuistregel halen en rekening houden met vocht en UV.
Meting
Temperatuursensor op of in een geprint onderdeel, naast een luchtsensor in de schaduw, over een zonnige dag gelogd.
Argumentatie
Zwart PETG: 70 à 84 °C tegenover Tg 80 °C: te krap of te warm; wit of ASA als alternatief.
17.14
Plastic verbranden: hoeveel CO₂?
Uitdagen6Rekenen25 min
Afval dat niet gerecycleerd wordt, gaat vaak naar een verbrandingsoven met energiewinning. Herhalende eenheden: PE C2H4, PLA C3H4O2, PET C10H8O4.
a
Schrijf de kloppende vergelijking voor de volledige verbranding van één eenheid PE en één eenheid PLA.
C2H4+3O2→2CO2+2H2O en C3H4O2+3O2→3CO2+2H2O.
b
Bereken voor PE, PLA en PET hoeveel kg CO₂ er vrijkomt per kg kunststof.
PE: 2⋅44,01/28,05=3,14kg per kg. PLA: 3⋅44,01/72,06=1,83kg. PET: M=192,17g/mol, 10⋅44,01/192,17=2,29kg.
c
PLA geeft minder CO₂ per kg, en die koolstof kwam kort geleden uit de lucht (via de maïsplant). Is PLA verbranden dus klimaatneutraal? Geef een argument voor en een tegen.
Voor: de koolstof in PLA werd een paar maanden eerder door een plant uit de lucht gehaald; verbranden brengt die terug zonder er extra fossiele koolstof bij te doen. Tegen: de teelt, de meststoffen, het transport en de fabriek (vergisten, polymeriseren) gebruiken veel energie, vaak fossiel; en de akker had ook voedsel kunnen leveren. Klimaatneutraal is het dus niet; minder slecht dan fossiel plastic verbranden wel (een LCA zoekt het uit: E47).
17.15
Waarom breekt de emmer?
Uitdagen6Analyseren20 min
Een regenton uit polypropeen (PP) staat 's winters buiten. Bij −12 °C valt een ijsklomp erin, en de wand barst. Een ton uit polyetheen (HDPE) naast hem overleeft dezelfde klap.
a
Verklaar met de glasovergangstemperaturen van PP en HDPE.
De Tg van PP ligt rond −10 °C: bij −12 °C zijn de ketens in het amorfe deel 'bevroren' en is PP glasachtig en bros. Een klap geeft een scheur. De Tg van HDPE ligt rond −120 °C: bij −12 °C zijn de ketens nog beweeglijk, en de wand vangt de klap op door te vervormen.
b
Waarom zijn PP-tuinstoelen en -bakjes in de zomer wel taai?
Bij 20 °C ligt PP ruim boven zijn Tg: het amorfe deel is rubberachtig en de kristallen houden het stijf. Die combinatie is taai.
c
Voor een waterreservoir buiten bij het poolstation (tot −25 °C): welke kunststof kies je? Wat moet er nog meer gebeuren om het reservoir heel te houden?
HDPE (of LLDPE, waar vele regentonnen en watertanks van gemaakt worden): taai tot ver onder −25 °C. Daarnaast: het water mag niet bevriezen (ijs zet 9 % uit, hoofdstuk 13), dus leegmaken, isoleren of verwarmen, en de tank uit de zon (UV) of met UV-stabilisator.
17.16
Debat: lost bioplastic het plasticprobleem op?
Uitdagen6Argumenteren30 min
Stelling: 'Als alle plastic verpakking uit bioplastic gemaakt wordt, is het plasticprobleem opgelost.' Gebruik wat je leerde over biogebaseerd, afbreekbaar, recyclage en zwerfvuil.
a
Geef twee sterke argumenten vóór de stelling en drie ertegen, telkens met een voorbeeld of een getal.
Voor: biogebaseerde kunststof vervangt aardolie als grondstof; de koolstof komt uit de lucht; industrieel composteerbare verpakking kan samen met voedselresten verwerkt worden (koffiecapsules, theezakjes). Tegen: 'bio' is niet altijd afbreekbaar (bio-PE); PLA breekt alleen industrieel af, niet in de natuur of de tuin, dus zwerfvuil blijft een probleem; composteerbaar plastic tussen gewone kunststof stoort de recyclage; de teelt kost land, water en meststoffen; PLA composteren levert geen nieuwe grondstof op, recycleren wel.
b
Formuleer je eigen standpunt in drie zinnen. Welke maatregel zou volgens jou het meest helpen?
Bijvoorbeeld: 'Bioplastic is een nuttig hulpmiddel voor toepassingen waar het plastic toch bij voedselresten belandt, maar het lost zwerfvuil en de hoeveelheid afval niet op. Het meest helpt minder en herbruikbare verpakking, en ontwerpen voor recyclage: één kunststof per verpakking, geen onnodige kleurstoffen.'