11. – 13. Schuljahr

Timm Wilke, Björn Bartram, Christin Kostrewa und Reza Saadat

Kunststoff-Additive Auf die Größe kommt es an!

Geräte und Chemikalien
2-Komponenten-Polyesterharz („Presto, GHS02, 07, 08, 09), Teelichtschalen mit hohem Rand, Spatel, Aluminiumoxid (Makro-, Mikro-, Nanopartikel), Rührkerne, Magnetrührer, Rührfischangel/Pinzette
Durchführung
Für alle Proben wird im Abzug eine Teelichtschale mit 9,5g Harz (Komponente1) befüllt. Ein Ansatz (Probe1) wird als Referenz verwendet, anschließend werden in die anderen Ansätze 0,5g Aluminiumoxid-Nanopartikel (Probe2), 0,5g Aluminiumoxid-Mikropartikel (Probe3) und 0,5g Aluminiumoxid-Makropartikel (Probe4) nach und nach hinzugegeben und anschließend die Suspension bzw. Dispersion für zwei Minuten gerührt. Zuletzt werden je drei Tropfen Härter (Komponente2) unter Rühren hinzugegeben und gründlich vermengt.
Nach 3 Minuten wird der Rührkern entfernt. Alle Proben werden beschriftet und über Nacht zum Aushärten ruhen gelassen.
Die Additive sollten möglichst gut durchmischt werden, da ansonsten die Ergebnisse verzerrt werden können. Nach der Reaktion werden die fertigen Proben auf ihre Härte geprüft und die Resultate verglichen.
Beobachtung
Bereits beim Mischen fällt auf, dass die Makropartikel sich am Boden der Probe sammeln und ein homogenes Vermischen kaum möglich ist. Die Proben können optisch unterschieden werden je kleiner die eingesetzten Partikel, desto trüber ist das Material (Abb.1 ). Im Prüfverfahren zeigen sich nach mehreren Messungen im Mittel folgende Werte:
Auswertung
Aluminiumoxid als Additiv trägt einerseits durch die große Härte und andererseits durch die Einbettung in die umgebende Polymermatrix dazu bei, dass das resultierende Komposit härter oder weicher ist, als das reine Polymer. Der Effekt ist dabei abhängig von der Partikelgröße. Insbesondere durch eine homogenere Verteilung innerhalb der Polymermatrix erhöhen Nano-Additive die Härte des Komposits und verringern so eine Rissbildung und -fortpflanzung. Mikropartikel zeigen einen ähnlichen Effekt, wenngleich mit deutlich verringerter Effektstärke.
Besonders deutlich wird der Einfluss der Partikelgröße anhand der Makropartikel, die sich nahezu gar nicht homogen in die Matrix einlagern lassen und sich sichtbar abgesetzt haben. Als Folge bilden sich Schwachstellen im Komposit, wodurch die Härte im Vergleich zum reinen Polymer sogar sinkt.
Didaktischer Kommentar
Mit interessierten Lerngruppen kann im Rahmen des Versuchs diese zu erwartende Schülerfrage aufgegriffen und der Einfluss der Partikelgröße untersucht werden. Durch den Vergleich von Aluminiumoxid mit makro-, mikro- und nanoskaliger Partikelgröße können hier auf Basis der vergleichenden Untersuchung der Versuchsergebnisse einfache Struktur-Eigenschafts-Beziehungen hergeleitet werden. Zudem können unterschiedliche Einsatzgebiete der Komposite diskutiert werden beispielsweise eignen sich härtere Materialien für belastbare Bauteile, weichere für Sollbruchstellen.

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