Kettingen van duizenden schakels: waarom een PLA-print in de kas doorzakt, en een koolstofvezelfiets niet
Je begint met ketens tekenen, polymerisaties en kunststofsoorten herkennen, recyclagecodes lezen en de ketenlengte berekenen. In de tweede trede meet je de glasovergang in het labo, reken je met de mengregel, kies je filamenten, ontmasker je beweringen over bioplastics, programmeer je het temperatuurmodel, kies je een printrichting en maak je plastic uit melk. In de uitdagingen toets je de filamentkeuze van Habitat (opdracht 17.13), reken je aan de CO2 van verbranden, verklaar je een brekende emmer en debatteer je over bioplastic.
Een sensorhouder voor de kas, laag per laag. Maar welk filament houdt het uit in de zon?
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
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.
b
Geef de naam van elk polymeer. Welk ken je als antiaanbaklaag van een pan?
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.
b
Waarom kan water de keten van PLA traag afbreken, en die van PE niet?
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.
thermoplast
thermoharder
elastomeer
b
Welke van deze voorwerpen kan je recycleren door ze te smelten? Waarom de andere niet?
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).
a
Noteer.
voorwerp
code
kunststof
blauwe zak?
b
Een PET-fles (code 1) en haar dop (code 2 of 5) zijn van verschillende kunststof. Is dat een probleem voor de recyclage?
c
Waarom hoort een mislukte PLA-print niet in de blauwe zak, ook al is het plastic?
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?
b
Een PVC-molecule van 100 000 g/mol: hoeveel eenheden C2H3Cl?
c
Een PLA-molecule van 100 000 g/mol bestaat uit eenheden C3H4O2. Hoeveel melkzuurmoleculen werden ervoor gekoppeld, en hoeveel water kwam er vrij?
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?
b
Meet en noteer.
T (°C)
PLA (mm)
PETG (mm)
ABS/ASA (mm)
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.
d
Waarom zakken de staafjes al een beetje door vóór hun Tg?
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?
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.
c
Waarom maakt men de langste windturbinebladen toch met stroken koolstofvezel erin?
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.
b
Waarom is ABS moeilijk te printen op een open printer in een koude klas?
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.
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).
b
Voeg een tweede eis toe: een onderdeel dat in de kas of buiten komt, mag geen PLA zijn (vocht). Pas de lijst met geschikte filamenten aan.
c
Welke filamenten blijven er over voor een zwart onderdeel op de zomerdag? Wat leer je daaruit?
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?
b
Welke printrichting kies je? Leg uit met de laaghechting.
c
Noem twee andere instellingen die de haak sterker maken.
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.
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?
c
Waarom gebruiken we het niet voor een onderdeel in de kas?
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.
onderdeel
T april
T zomer
vocht / UV
filament, kleur
b
Ontwerp een meting om het model te controleren: welke sensor, waar, hoe lang, wat vergelijk je?
c
Een klasgenoot wil alles in zwart PETG printen 'omdat dat mooi staat'. Wat antwoord je, met getallen?
d
Schrijf de keuze voor je portfolio in vijf regels.
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.
b
Bereken voor PE, PLA en PET hoeveel kg CO₂ er vrijkomt per kg kunststof.
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.
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.
b
Waarom zijn PP-tuinstoelen en -bakjes in de zomer wel 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?
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.
b
Formuleer je eigen standpunt in drie zinnen. Welke maatregel zou volgens jou het meest helpen?
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan uitleggen wat monomeren en polymeren zijn, en uit de molaire massa de ketenlengte berekenen.
Ik kan additie- en condensatiepolymerisatie onderscheiden en een stuk van de polymeerketen tekenen uit het monomeer.
Ik kan thermoplasten, thermoharders en elastomeren herkennen en hun gedrag bij verwarmen verklaren met hun structuur.
Ik kan de glasovergangstemperatuur uitleggen en gebruiken om een kunststof te kiezen voor een bepaalde temperatuur.
Ik kan PLA, PETG, ABS en ASA vergelijken voor 3D-printen, en uitleggen waarom een print zwakker is tussen de lagen.
Ik kan de werking van vezelcomposieten uitleggen en met de mengregel hun stijfheid en dichtheid schatten.
Ik kan biogebaseerd en biologisch afbreekbaar uit elkaar houden en uitleggen onder welke voorwaarden PLA composteert.
Ik kan recyclagecodes 1 tot 7 lezen en de kunststofkringloop beschrijven, met de grenzen van recyclage.
Ik kan met een eenvoudig warmtemodel schatten hoe warm een onderdeel in de kas wordt, en een filament kiezen.
