Zelfherstellende materialen (3 hv) - Docentenhandleiding
Een verkorte versie van de docentenhandleiding is hier te vinden.
Antwoorden en toetsvragen
De antwoorden vindt u hieronder. Voorbeeldtoetsvragen zijn te vinden op het docentenforum van mijnscheikunde.nl. Om toegang te krijgen tot het forum dient u zich eenmalig te registeren. Hier zijn geen kosten aan verbonden.
1. Opbouw van de module
InleidingZelfherstellende materialen is een module voor het vernieuwde scheikundeonderwijs in de derde klas. Leerlingen maken kennis met het schoolvak scheikunde aan de hand van de context zelfherstellende materialen. De begrippen materialen, materiaaleigenschappen en micro/macro komen met regelmaat in de module voor. Deze begrippen zijn belangrijk binnen de scheikunde en daarom ook binnen het schoolvak. Ook de plaats van de chemicus die werkt met zelfherstellende materialen wordt zichtbaar.
De term micro/macro verdient nog enige toelichting.
In de module staan spannende en ook leerzame speurtochten over maïzena en water, zelfherstellend beton, geheugenmetaal, geheugenkunststof en zelfherstellende verven. Leerlingen kunnen over zulke onderwerpen onderzoekjes uitvoeren. Eén van de onderliggende doelen is dan ook om leerlingen onderzoeksvaardigheden bij te brengen.
In oktober 2005 kwam in het Heerenlanden College te Leerdam docenten, medewerkers vanuit verschillende bedrijven en 25 leerlingen van de vierde klas havo/vwo bijeen om met elkaar te zoeken naar geschikte onderwerpen die in een module nieuwe scheikunde bewerkt zouden kunnen worden. Twee onderwerpen zijn daaruit gekomen, namelijk Melkzuur (gecoacht door Arne Mast) en Zelfherstellende materialen. Centrum JongerenCommunicatie Chemie is projectleider van beide moduleteams.
Rond het onderwerp Zelfherstellende materialen kwam in Tilburg een groep van zes docenten van zes verschillende scholen uit heel Nederland bij de Fontys Lerarenopleiding bijeen om deze module te gaan ontwikkelen. Niet gestoord door enige kennis gingen de docenten aan de slag om inhoud te geven aan deze module, die als geen andere innoverend is. Zo zijn zelfherstellende verven en lakken nog niet in de handel, maar op den duur zullen ze in onze maatschappij een belangrijke rol gaan spelen. Zelfherstellend beton wordt al veel langer gebruikt, maar zonder dat de gebruikers dat zelf wisten. Inmiddels wordt veel onderzoek gedaan naar zulke materialen. Het ministerie van Economische zaken steunt de onderzoeksgroep van prof. Van der Zwaag (TU Delft) die veel onderzoek uitvoert in samenwerking met de chemische industrie.
De ontwikkelaars van de module Zelfherstellende materialen vinden het erg belangrijk dat leerlingen op school kennismaken met nieuwe ontwikkelingen die pas over enige jaren op de markt komen. Als later aan mensen gevraagd wordt wat zij over hun scheikunde-onderwijs van vroeger weten te zeggen, mag hopelijk klinken: het was zo vernieuwend dat we na jaren een nieuw product op de markt zagen komen, waar wij op school al onderzoek aan gedaan hebben.
Opbouw van de module
U kunt als docent op drie verschillende manieren met de module Zelfherstellende materialen werken.
1. De context-conceptbenadering
2. De meer traditionele methode
3. Een mengvorm
Ad 1. De context-conceptbenadering
Hierbij gebruikt u de eerste en een gedeelte van de tweede les als introductie (de nieuwsgierigheidsfase). Na de proefjes met maïzena en water komen de diverse onderwerpen kort aan de orde.
Na deze lessen zijn er meerdere keuzemogelijkheden waarop leerlingen met zelfherstellende materialen bezig kunnen zijn (de plannings- en verwerkingsfase), met:
- Les 1 Zelfherstellend beton
- Les 2 Geheugenmetaal
- Les 3 Geheugenkunststof
- Les 4 Zelfherstellende verf
Leerlingen formuleren zelf (in groepjes) hun onderzoekvraag en maken een opzet voor hun onderzoek. Vervolgens gaan ze zo (of wat aangepast door suggesties van u of de toa) te werk. Ze kunnen daaraan 4 lessen bezig zijn. In de 6e les worden de onderzoeksresultaten aan elkaar gepresenteerd (de evaluatiefase) en in de verdiepingsfase (de 7e les) komen allerlei begrippen aan de orde, die leerlingen naar aanleiding van hun onderzoekje hebben gebruikt (of hadden moeten gebruiken) waardoor de leerwinst van de module zo groot mogelijk wordt.
Dus samengevat:
1. Introductie- en nieuwsgierigheidfase (1 lessen)
2. Plannings- en verwerkingsfase (4 lessen)
- Les 1 Zelfherstellend beton
- Les 2 Geheugenmetaal
- Les 3 Geheugenkunststof
- Les 4 Zelfherstellende verf
4. Verdiepingsfase (1 les)
Ad 2. De meer traditionele methode
Hierbij loopt u in de aangeboden volgorde door de lessen heen. De opdrachten worden gemaakt en de lessen komen in de volgorde zoals ze genoemd zijn aan de orde. De proefjes en onderzoekjes worden in groepjes uitgevoerd. De aanpak is klassikaal; alle leerlingen zijn met dezelfde lesstof bezig.
Ad 3. Een mengvorm
De eerste twee lessen lopen zoals bij de context-conceptbenadering. Vervolgens gaan de leerlingen aan de diverse onderzoekjes (zie aangeboden lessen) werken en in een tempo dat zijzelf bepalen. Daarbij gaat het ene onderzoekje wat sneller dan het andere.
De afsluiting kan centraal zijn en sterk door de docent geleid, of via presentaties van leerlingen.
2. De introductieles Maïzena en water en viscositeit
a. Maïzena en water: Korte inhoudelijke schetsLeerlingen maken kennis met wat wij verstaan onder ‘niet levende zelfherstellende materialen’. Ze komen uiteindelijk tot een definitie hiervan. En er wordt aangekondigd dat leerlingen over deze materialen nog meer gaan leren in de komende lessen.
Praktische voorbereiding in didactische zin
Leerlingen moeten weten wat mengsels zijn.
Praktische voorbereiding van materialen
Benodigde materialen:
• meel
• zout
• maïzena
• zand
• bekerglazen 500 mL of bakken (liefst plastic)
• roerstaven
Vooraf moeten bakken met maïzena en koud water gemaakt worden, waarbij je krassen kunt maken in dit mengsel.
Feedback voor leerlingen (correctie leerlingenantwoorden)
Bij proef 2 moeten leerlingen tot de volgende conclusies komen:
Verklaring 2 klopt niet, want je kunt de bodem aanraken, dus er bevindt zich geen harde laag er bovenop.
Verklaring 3 klopt niet, want de stof bewoog en als iets bevroren is, is het hard.
Bij de vraag van de leerlingen of hun maïzena-watermengsel goed is, moet je kijken of je er krassen in kunt maken. Is dit het geval dan is het goed. Anders moet je er een klein beetje water of een klein beetje maïzena aan toe voegen.
Antwoord op vraag 9
Hier moeten de leerlingen omschrijven wat “niet levende zelfherstellende materialen” betekent.
Uit hun antwoord moet blijken dat het ‘iets is wat zichzelf weer herstelt, zichzelf weer heel maakt en dit zonder er verder nog wat aan te doen’.
Antwoorden op de vragen maïzena
Het enige antwoord dat je echt moet controleren is vraag 9, de antwoorden op de overige vragen komen de leerlingen tijdens het verder lezen van de tekst tegen.
1 Leerlingen moeten alles opschrijven wat ze zien, alles wat ze zien is goed.
2 Ja of nee, is altijd goed als ze er maar een goed argument bij geven.
3 Ja
4 Alles is goed, zolang uit hun antwoord blijkt dat maïzena beweegt
5 Verklaring 2 en 3 niet juist.
2) De maïzena drijft als een harde laag op het water → je kant de bodem aanraken dus de bovenste laag kan niet hard zijn.
3) Maïzena en water gaan samen een verbinding aan; de situatie lijkt op het bevriezen van water → het mengsel is nog vloeibaar, want het beweegt, dus niet bevroren.
6 Uit hun antwoord moet blijken dat sneller roeren moeilijker gaat, dan langzaam roeren.
7 Als je snel roert
8 Uit hun antwoord moet blijken dat het maïzena stuk gaat en daarna weer heel wordt. (of gaat open en daarna weer dicht)
9 Hier moeten ze omschrijven wat ‘niet levende zelfherstellende materialen’ betekent.
Uit hun antwoord moet blijken dat het ‘iets is wat zichzelf weer herstelt, zichzelf weer heel maakt en dit zonder er verder nog wat aan te doen’.
b. Viscositeit: Korte inhoudelijke schets
Reologische eigenschappen van vloeistoffen en producten zijn belangrijke parameters bij productie, verwerking en kwaliteitscontrole .
Leerlingen maken kennis met het begrip “Viscositeit” en het begrip dilitant wordt hierna besproken.
Antwoord op de vragen dilatant
1 Moeilijker roeren omdat het lange moleculen zijn en die klitten veel meer aan elkaar dan korte moleculen.
2 Boter en yoghurt, mayonaise, haargel, crème, Playdoh klei (misschien niet zo’n sterk voorbeeld, maar het antwoord past wel binnen dit kader), pannenkoekmeel (natuurlijk geen vloeistof, maar het meel gedraagt zich alsof het een vloeistof is).
3 Omdat al de cacao op de bodem ligt. Nee, omdat de cacaodeeltjes een grotere dichtheid dan water hebben.
4 Tuinkruiden blijven zweven in de vloeistof, ondanks de grotere dichtheid van de deeltjes t.o.v. water en azijn dit komt omdat men aan het water-azijn mengsel een verdikkingsmiddel hebben toegevoegd (Dit maakt de vloeistof visco-elastisch) .
5 Limonade, benzine, jenever
6 Motorolie, shampoo, haargel, saus
7 De viscositeit van een vloeistof
8 Bij de productie van een product.
9 Het is belangrijk dat de leerlingen doorhebben dat de lijn niet meer recht loopt. Een vloeistof met dilatant gedrag vertoont een toename van de afschuifspanning bij toenemende afschuifsnelheid.
10 Een heel dun laagje vloeistof
11 a. Tussen een afschuifsnelheid van 0,1 en 2 (geen eenheden; het betreft hier een logaritmische schaal) neemt de viscositeit eerst iets af en later wat toe. Je kunt zeggen dat iedere verstoring allereerst een hogere inwendige weerstand geeft. Het is niet per se nodig dat leerlingen hiervoor een verklaring geven.
b. Boven afschuifsnelheid van 2 neemt de viscositeit enorm toe. Het water dat door de maïzenamoleculen wordt omringd, wordt weggeperst zodat vaste maïzenadeeltjes over elkaar moeten schuiven. Het mengsel gaat zich als een vaste stof gedragen (je merkt ook dat het mengsel niet meer homogeen is).
12 Zie tekst in het lesmateriaal.
3. Les 1 Beton
Korte inhoudelijke schets
Het maken van beton valt meestal buiten de schoolscheikunde, maar vanwege de prachtige zelfherstellende kant van beton is het onderwerp binnen deze module uitermate geschikt. Verder zijn er erg leuke proefjes met beton uit te voeren, die wel vooraf extra werk van de toa vragen, maar die erg illustratief zijn voor het zelfherstellend vermogen van beton. De theorie achter beton kan erg ingewikkeld zijn, maar is in de leerlingentekst eenvoudig gebleven. Het grootste accent gaat naar de microwereld van beton. Het model speelt daarbij een belangrijke rol en de kunststofbak een prima hulp om er leerlingen mee te laten werken.
Er is in de bijlage veel extra informatie over beton.
Practicum
De blokken beton dienen vooraf gegoten te worden. Maak de gietvormen zoals hieronder is vermeld.
PROEF 1 EN 2 Maken van beton en het inkrassen van beton
Nodig:
- kant-en-klare Beamix
- emmer
- mal
- stokje
- spijker
In dit experiment ga je zelf een betonnen blokje maken.
Weeg 1 kilogram kant-en-klare Beamix af en doe dat in een emmer.
Voeg voorzichtig 200 mL leidingwater toe en meng goed totdat een dunne brij is ontstaan.
Giet dit mengsel in de mal en maak het oppervlak goed glad met een stokje.
Laat het geheel nu minimaal twee dagen drogen.
Maken van de gietvormen
Het betonblok is 20 x 5 x 5 cm groot. De gietvormen worden gemaakt uit gewoon hout. Je kunt de betonblokken tegelijk laten maken. Je maakt een gietvorm waarin 5 betonblokken worden gegoten, als volgt:
• Neem een lat van 50 x 5 x 1 cm. Maak elke 5 cm een inkeping van 1 cm tot de helft van de lat.
• Maak vervolgens 6 liggers van 22 cm lang, die in de inkepingen passen.
• Leg deze vormen in elkaar.
• Wanneer de vormen in elkaar liggen, wordt het raster op een krant gelegd. Giet vervolgens het beton erin.
• Maak het oppervlak mooi glad met een stokje.
Maken van de kunststofbak
De kunststofbak die bij opdracht 3 gebruikt wordt kunt u op de volgende manier maken:
• Het formaat van de binnenkant moet iets groter zijn dan de doorsnede van 2 van de grote piepschuimballen. Bijvoorbeeld: wanneer de grootste piepschuimbal 9 cm in doorsnede is, moet de binnenkant iets groter dan 18 cm zijn. Ik heb hiervoor 18,2 cm gebruikt en dat werkte prima. De kunststof heb ik met hotglue aan elkaar gelijmd.
• Aantal kunststof platen bij een plaatdikte van 3 mm: 2 platen van 18,8 x 18,8 cm (deksel en grondplaat) en 4 zijplaten van 18,2 x 18,5 cm.
• Ik heb drie verschillende formaten piepschuimballetjes genomen: 9 cm, 4 cm en 2 cm doorsnede. Te koop bij verschillende handwerk- of hobbywinkels. (Eén zakje van 5 piepschuimballetjes van 4 cm doorsnede kost €1,90.)
• Aantal piepschuimballetjes: 8 balletjes van 9 cm doorsnede, 15 balletjes met doorsnede 4 cm en 15 balletjes met 2 cm doorsnede.
Tip bij het gebruik van de ballenbak
U kunt een wedstrijdelement aan opdracht 3 toekennen. De leerlingen kunnen in een tijdsbestek van 5 minuten zoveel mogelijk balletjes in de doos leggen. De kleine balletjes leveren 1 punt op, de grote ballen 5 punten.
Extra practicumopdrachten
U kunt ook de volgende practicumopdrachten doen.
1. bij het maken van beton kunnen leerlingen andere samenstellingen kiezen:
a. Meer kalk (calciumcarbonaat) toevoegen; dit maakt het mengsel smeuïger.
b. Meer zand toevoegen: het beton wordt meer korrelig en brosser.
c. Veel water gebruiken: het beton moet in een waterdichte vorm gegoten worden. Het voordeel is wel dat het beton in alle hoeken en gaten gaat zitten: er ontstaat veel detail in het oppervlak van het beton. Het nadeel is dat het lang duurt voordat het beton hard is.
d. Andere additieven erbij doen, zoals verschillende metaaloxides, calciumchloride of suiker. De metaaloxides geven kleur aan het beton. Suiker vertraagt de bindingstijd. Calciumchloride daarentegen versnelt de bindingstijd.
2. Leerlingen kunnen het beton in een andere vorm gieten, zodat daar testen mee gedaan kunnen worden. Giet beton in een driehoek. De punten en zijvlakken van de driehoek kunnen getest worden op sterkte.
3. Leerlingen kunnen de gemaakte beton chemisch testen, door het in verdund zuur te leggen. PAS OP!!
4. Leerlingen kunnen het beton voorzichtig doorbreken en de twee helften proberen te verbinden:
a. Door de helften geheel in water te leggen en met een elastiek aan elkaar te houden.
b. Door de helften deels in water te leggen en met een elastiek aan elkaar te houden.
c. Door de helften niet met een elastiek aan elkaar te houden.
d. Door de helften niet in water te leggen en met een elastiek aan elkaar te houden.
e. Door de helften niet met een elastiek aan elkaar te houden.
Eigenschappen van beton
Beton heeft veel eigenschappen die het tot een goed constructiemateriaal maken:
1. Op de eerste plaats is het niet duur, omdat de ingrediënten ruimschoots voor handen zijn.
2. Beton gaat erg lang mee en heeft weinig onderhoud nodig. Dit zorgt er ook voor dat beton goedkoop blijft.
3. Beton kan in allerlei vormen gemaakt worden. Het maken van de bekisting (zie afbeelding) kan in een werkplaats gedaan worden. Dit verlaagt ook de kosten.
4. Beton is een onbrandbaar materiaal en het kan tegen hoge temperaturen.
5. Het is bestand tegen wind, water, ongedierte en insecten.
Toch heeft beton ook wat nadelen:
1. Beton heeft een zeer lage buigsterkte. Dit wil zeggen dat het weinig zijdelingse druk kan weerstaan.
2. Beton is erg bros.
3. Beton heeft een lage kracht-gewicht verhouding, d.w.z. dat veel beton nodig is om een goede sterkte te krijgen.
Afbeelding 2: Beton heeft een zeer lage buigsterkte. Ondanks deze nadelen blijft beton een geliefd bouwmateriaal.
Samenvatting beton
Beton is overal. Let maar eens op wat je in 24 uur allemaal van beton tegenkomt. Al die bouwwerken zijn gemaakt van een mengsel van cement en water met nog wat kiezels. Het is belangrijk een onderscheid te maken tussen beton en cement. Cement is nodig om beton te maken!
(cement + water) + kiezels = beton
Cement wordt gemaakt door een mengsel van mergel en klei in een oven tot ongeveer 1600 °C te verhitten. Het gevormde product wordt ‘klinker’ genoemd. Deze klinker wordt tot poeder gemalen. De basismaterialen die voor het cement worden gebruikt, zijn calcium, silicium, aluminium, zuurstof en ijzer.
Water is een belangrijke beginstof in de cementhydratatie. De reactie van water met de beginstoffen en vorming van bindingen wordt ‘hydratatie’ genoemd. Water en cement vormen een cementpasta die reageert en hard wordt (binden). Deze pasta bindt de kiezels door hydratatie. Tijdens de hydratatie van cement vinden er trage chemische reacties plaats, die uiteindelijk een nieuwe kristallijne stof vormen. Hierbij komt veel warmte vrij.
cement + water = geharde cementpasta
De eigenschappen van deze cementpasta bepalen ook de eigenschappen van het beton. Het is de hydratatie die ervoor zorgt dat het cement hard wordt tot beton. Eenmaal hard, blijft het beton steeds harder worden en blijft, onder goede omstandigheden, vele eeuwen hard.
De sterkte van beton hangt af van de verhouding water : cement en de omstandigheden tijdens harden. Een hoge water : cement verhouding geeft een zwak beton. Dit komt door de grote hoeveelheid poriën die tijdens het hydratatieproces zijn gebleven. Het meeste beton wordt gemaakt met een water : cement verhouding van 0,35 tot 0,6.
Een toevoeging is een vaste stof die ingesloten wordt in het cement, zodat zo min mogelijk van het dure cement gebruikt hoeft te worden. Deze toevoegingen zijn meestal kiezels en vormen zo het kunstmatige gesteente. Toevoegingen kunnen van heel fijn tot heel grof zijn. Van zand tot keien. De hoeveelheid van deze toevoegingen hangt af van de eigenschappen die aan het beton gesteld worden.
zand + cementpasta = specie
specie + kiezels = beton
Soms worden andere toevoegingen gebruikt om speciale eigenschappen aan het beton te geven. De toevoegingen worden hulpstoffen genoemd. Hulpstoffen worden gebruikt om
• de vloeibaarheid (plasticiteit) van de cementpasta te veranderen;
• de bindingstijd te versnellen of vertragen;
• de sterkte te vergroten (zowel duw- als buigsterkte);
• de duurzaamheid te vergroten.
Het produceren van beton is een complex chemisch proces. Het is een materiaal van grote importantie.
Antwoorden op de opdrachten Beton
Opdracht 1
De leerlingen geven hun eigen antwoorden. Het gaat niet om het juiste antwoord, maar dat leerlingen nadenken over het hard worden.
Opdracht 2
Figuur 1: Stroomdiagram van de productie van portlandcement.
Opdracht 3
Als je zoveel mogelijk balletjes in de doos wilt leggen, moeten de kleine balletjes in de ruimtes tussen de grote balletjes liggen. Dit vult de lege gaten op. Zand bestaat uit hele kleine deeltjes; zand zal dus tussen de grotere steentjes en kiezels de lege ruimtes opvullen. Op deze manier hoeft minder cement gebruikt te worden; het beton wordt dus goedkoper en zelfs veel sterker.
Opdracht 4
Water is nodig om verbindingen tussen cement en zand te maken. Is er geen water meer aanwezig, kunnen er ook geen bindingen meer gemaakt worden tussen cement en zand. Deze twee zullen los blijven en het beton verliest zijn sterkte.
Opdracht 5
Op de eerste plaats zijn de deeltjes die het beton zelfherstellend maken, niet beweegbaar in beton. Dat is maar goed ook, want beton moet natuurlijk wel heel sterk blijven. Zijn in beton deeltjes aanwezig die bewegen, zal beton niet zo sterk zijn.
Om beton zelfherstellend te maken, moeten in beton nog niet gereageerde stoffen aanwezig zijn. In de Romeinse tijd mengden de bouwvakkers het beton nog niet zo goed als nu, wat tot gevolg had dat er nog niet gereageerde stoffen aanwezig bleven. Als er een scheur in het beton ontstond, kwam de nog niet gereageerde stoffen in contact met water, zodat het beton weer sterk werd.
Opdracht 6
De enige stof die kan veranderen is cement. Deze stof is dus nodig om beton zelfherstellend te maken. Cement reageert dus met water wat een harde stof wordt.
Les 2 Geheugenmetaal
Korte inhoudelijke schets
Leerlingen maken kennis met ‘geheugenmetalen’. Ze leren over het zelfherstellend karakter ervan en hoe deze in verschillende toepassingen terug te vinden zijn.
Praktische voorbereiding in didactische zin
Leerlingen moeten weten wat ‘legeringen’ zijn. Ook wordt de term ‘fase’ bekend geacht.
In deze paragraaf komen de termen vorm, fase en toestand voor. Deze kunnen wel eens door elkaar worden gehaald.
• vorm = de uiterlijke vorm van het materiaal, bijv. rond, vierkant, een draad, enz.
• fase = vast, vloeibaar of gas
• toestand = martensiet of austeniet
Praktische voorbereiding van materialen
Benodigde materialen:
Experiment 1
Geheugenmetaal (draad) ±10 cm
Waterbad ±70°C
Potlood en papier
Experiment 2
Verschillende LEGOTM stenen
Geheugenmetaal (draad) ±10 cm
Elektriciteitsdraden, schakelaar en 3V spanningsbron
Massablokjes (0,2 N; 0,4N; 0,6N; 0,8N; 1,0N)
Lineaal
Potlood en millimeterpapier
Experiment 3
Houten plankje, spijkertjes, kamer en paperclips
Geheugenmetaal (draad) ±10 cm
Brander
Waterbad ±70°C
Potlood en papier
Feedback voor leerlingen (correctie leerlingen antwoorden)
Bij experiment 1 komen de leerlingen tot de conclusie dat het geheugenmetaal naar zijn oorspronkelijke vorm terugkeert na verwarmd te zijn geweest (mits de vervorming niet met teveel kracht gepaard is gegaan en het materiaal niet kapot is).
Bij experiment 2 …..
Bij experiment 3 komen de leerlingen tot de conclusie dat er door extreem te verhitten een andere vorm in het geheugen gezet kan worden.
Vragen en mogelijke antwoorden
1. Een legering is mengsel van twee of meer metalen.
2. Een geheugenmetaal moet over enige mate van flexibiliteit beschikken en het moet over een geheugenfunctie beschikken.
3. Een geheugenmetaal kan in de martensiete en in de austeniete toestand voorkomen.
4. De temperaturen die belangrijk zijn voor een geheugenmetaal zijn de temperaturen waartussen overgang naar een bepaalde toestand optreed. Dit zijn Ms, Mf, As en Af.
5. Als de temperatuur van een geheugenmetaal relatief laag is dan bevindt het zich in de martensiete toestand. De deeltjes (atomen) zitten dicht bij elkaar. Als er wordt vervormd dan zullen enkele deeltjes een andere plaats innemen (verder van elkaar gaan staan). Als er vervolgens wordt verwarmd, gaat het metaal over naar de austeniete toestand. Alle deeltjes gaan verder van elkaar staan. Na afkoelen gaan deze weer dichter bij elkaar zitten, waardoor het metaal weer zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt.
6. Als er een massa aan een geheugenmetaal hangt dan zal het (bij lage temperatuur) zich in de uitgerekte martensiete toestand bevinden. Als er wordt verwarmd dan zal het metaal naar de austeniete toestand overgaan. De ruimte tussen de deeltjes (atomen) in deze toestand is kleiner dan bij de uitgerekte martensiete toestand en het materiaal zal ‘krimpen.
7. Het materiaal wordt tot ver boven zijn overgangstemperaturen verwarmd. De vorm wordt (met kracht door vast te zetten) in een bepaalde positie gehouden, zodat deze niet naar zijn oorspronkelijke vorm terug kan gaan.
8. Mogelijke voordelen kunnen zijn: een draad neemt minder ruimte in dan een motor, geen draaiende onderdelen, enz.
9. Er moet precies de goede kracht worden uitgeoefend om een fractuur te kunnen herstellen. Als de kracht te groot of te klein is, dan werkt het niet (goed).
10. Een metaal dat iets (zijn ruimtelijke vorm) kan onthouden.
11. Metalen bestaan uit een rooster van deeltjes (ionen en vrije elektronen / atomen) die netjes gerangschikt, op een vaste plaats zitten.
12. In de martensiete toestand zitten alle deeltjes dicht op elkaar. In de austeniete toestand zitten deze verder van elkaar.
13. Bijv. het stuurmechanisme van een vliegtuig of chirurgische metalen (om mee te dotteren o.i.d.).
Vragen en antwoorden Geheugenmetaal
14. Een legering is mengsel van twee of meer metalen.
15. Een geheugenmetaal moet over enige mate van flexibiliteit beschikken en het moet over een geheugenfunctie beschikken.
16. Een geheugenmetaal kan in de martensiete en in de austeniete toestand voorkomen.
17. De temperaturen die belangrijk zijn voor een geheugenmetaal zijn de temperaturen waartussen overgang naar een bepaalde toestand optreed. Dit zijn Ms, Mf, As en Af.
18. Als de temperatuur van een geheugenmetaal relatief laag is dan bevindt het zich in de martensiete toestand. De deeltjes (atomen) zitten dicht bij elkaar. Als er wordt vervormd dan zullen enkele deeltjes een andere plaats innemen (verder van elkaar gaan staan). Als er vervolgens wordt verwarmd, gaat het metaal over naar de austeniete toestand. Alle deeltjes gaan verder van elkaar staan. Na afkoelen gaan deze weer dichter bij elkaar zitten, waardoor het metaal weer zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt.
19. Als er een massa aan een geheugenmetaal hangt dan zal het (bij lage temperatuur) zich in de uitgerekte martensiete toestand bevinden. Als er wordt verwarmd dan zal het metaal naar de austeniete toestand overgaan. De ruimte tussen de deeltjes (atomen) in deze toestand is kleiner dan bij de uitgerekte martensiete toestand en het materiaal zal ‘krimpen.
20. Het materiaal wordt tot ver boven zijn overgangstemperaturen verwarmd. De vorm wordt (met kracht door vast te zetten) in een bepaalde positie gehouden, zodat deze niet naar zijn oorspronkelijke vorm terug kan gaan.
21. Mogelijke voordelen kunnen zijn: een draad neemt minder ruimte in dan een motor, geen draaiende onderdelen, enz.
22. Er moet precies de goede kracht worden uitgeoefend om een fractuur te kunnen herstellen. Als de kracht te groot of te klein is, dan werkt het niet (goed).
23. Een metaal dat iets (zijn ruimtelijke vorm) kan onthouden.
24. Metalen bestaan uit een rooster van deeltjes (ionen en vrije elektronen / atomen) die netjes gerangschikt, op een vaste plaats zitten.
25. In de martensiete toestand zitten alle deeltjes dicht op elkaar. In de austeniete toestand zitten deze verder van elkaar.
26. Bijv. het stuurmechanisme van een vliegtuig of chirurgische metalen (om mee te dotteren o.i.d.).
5. Les 3 Geheugenkunststof
Korte inhoudelijke schets
Leerlingen maken kennis met ‘geheugenkunststof’. Ze leren over het zelfherstellend karakter ervan en hoe deze in verschillende toepassingen terug te vinden zijn. Tevens leren ze hoe ze een artikel moeten schrijven aan de hand van opgezochte informatie (beschouwend schrijven, zie bijvoorbeeld bijlage 7).
Praktische voorbereiding in didactische zin
Leerlingen moeten weten wat moleculen zijn.
• In deze paragraaf komen de termen micro- en macrowereld voor.
Er wordt geoefend met modellen.
• Opbouw van de naam
• Verschil tussen monomeer en polymeer
Praktische voorbereiding van materialen
Benodigde materialen:
• Opdracht 1
Nodig: klei, karton, draad en paperclips
• Opdracht 2
Nodig: klei, karton, draad
• Opdracht 3
Nodig: Verschillende kunststof voorwerpen/verpakkingsmaterialen.
Brander, spatel, aansteker, kroezentang.
• Opdracht 4
Internetopdracht
Verwerking in een artikel voor de schoolkrant.
Vragen en mogelijke antwoorden
1. Uit welke monomeer is polypropeen ontstaan?
2. Wat is het voordeel van het aanbrengen van crosslinks?
3. Noem voordelen en nadelen van het gebruik van kunststoffen.
4. Hoe kun je weten of je met een thermoharder of thermoplast te maken hebt?
5. Als een kunststof is opgebouwd uit korte moleculen, welke eigenschap heeft die kunststof dan?
6. Les 4 Zelfherstellende verf
Korte inhoudelijke schets
Leerlingen krijgen eerst uitleg waaruit verf hoofdzakelijk is opgebouwd. De functie van de verschillende componenten wordt toegelicht. In het bijbehorende filmpje van schooltv wordt op de componenten verder ingegaan en op het onderzoek doen door chemici.
Het filmpje eindigt met de toekomstvisie van verf; de zelfherstellende verf (lak).
Het vervolg gaat hier dan ook op in en geeft mogelijkheden om zelfherstellende eigenschappen in verf in te bouwen.
Praktische voorbereiding in didactische zin
Leerlingen moeten de paragraaf over zelfherstellende kunststoffen voor deze paragraaf behandeld hebben. De begrippen monomeer, polymeer, thermoplast en thermoharder moeten duidelijk zijn.
Mogelijkheden om verdieping aan te brengen zijn ook mogelijk. Bijvoorbeeld op het vwo. Bij verf met meervoudig herstel op een plaats wordt ingegaan op de glastemperatuur. Deze moet niet te hoog zijn . Een mogelijkheid om dit te bereiken wordt uitgelegd op de site van http://www.suprapolix.com/ . Door de begrippen vanderwaalsbinding, H-bruggen en atoombinding uit te leggen. Dit kan op eenvoudig niveau. En dan met behulp van plaatjes van de site de lagere glastemperatuur uitleggen. Misschien wat veel voor de derde klas. Aan u de keuze.
Praktische voorbereiding van materialen
Op het moment is er nog geen verf op de markt waarvan de zelfherstellende eigenschappen duidelijk zichtbaar zijn. Diepe krassen of beschadigingen blijven nog aanwezig. Wel zijn er blanke verven die geringe beschadigingen aan het oppervlak zelf herstellen.
Het bevindt zich nog in een ontwikkel stadium. De eerste toepassingen in een zelfherstellende blanke laklaag die over de verflaag wordt aangebracht komen net uit.
De blanke verf die bij dit experiment nodig is ter beschikking gesteld door Akzo Nobel. Ze zijn te bestellen via Stichting C3. Contactpersoon is Pauline Sloet tot Everlo.
Gegevens:
telefoonnummer: 070 337 87 82
e-mail: psloet@c3.nl
Je krijgt dan een setje aangeleverd dat bestaat uit:
• 150 mL Clearcoat A + 100 mL verharder A
• 150 mL Clearcoat B + 100 mL verharder B
• Brief met instructies.
De A combinatie levert de wat hardere krasgevoelige verffilm op; de B combinatie levert de iets zachtere maar krasherstellende verffilm op.
Het aanbrengen van de verffilm moet gebeuren in de zuurkast en een bepaalde tijd uitharden. Het is dus aan te bevelen dat de plaatjes met de verffilm door de TOA van te voren worden aangemaakt.
Als ondergrond is er geëxperimenteerd met objectglaasjes en zogenaamd zwart staal. Omdat het gaat om geringe beschadigingen die moeilijker zichtbaar zijn gaat mijn voorkeur uit naar zwart staal. Dit metaal kleurt na aanbrengen van de verffilm zwart waardoor de beschadigingen beter zichtbaar zijn. Bovendien is het materiaal wat sterker en dus vaker te gebruiken. Het aanbrengen is met een kwast gebeurd. Je moet dit wel rustig doen en zorgen dat de ingesloten luchtbelletjes verdwijnen, zodat een mooie egale laag verkregen wordt. De luchtbelletjes blijven bij het uitharden anders in de laag zitten.
Als materiaal om beschadigingen mee aan te brengen kunt je natuurlijk zelf experimenteren. Wat goed werkt en ook goed zichtbaar is na aanbrengen van de beschadiging, iIs een hol metalen buisje dat gebruikt wordt om gaten in kurken te stansen.
Het is zeker aan te bevelen dat je eerst zelf ook wat experimenteert met beschadigingen zodat je weet wat werkt en wat niet. Indien de beschadiging wat te diep is zal deze ook bij verffilm B niet verdwijnen.
Hopelijk komen er in de toekomst snel meer mogelijkheden voor experimenten met verven die meer zelfherstellende werking vertonen en we de leerlingen meer kunnen verbazen.
Vragen en antwoorden Zelfherstellende verf
1. Bindmiddel;
Bestaat uit polymeren en vormt het hoofdbestanddeel van de uiteindelijke verflaag. Het bindmiddel bepaalt de: glans, hardheid, elasticiteit, watervastheid en duurzaamheid van de verf.
Oplosmiddel;
Het soort oplosmiddel en de hoeveelheid bepalen de verwerkbaarheid van de verf. Zoals de strijkbaarheid en het vloeigedrag. Na het aanbrengen verdampt het oplosmiddel.
Pigment;
Kleurstoffen die de verf zijn uiteindelijke kleur geven. Het pigment zit in de uiteindelijke verflaag egaal verdeeld tussen het polymeer. Naast de kleur heeft het pigment invloed op de dekkracht, lichtechtheid en duurzaamheid van de verf.
2. Een thermoplast bestaat uit vele afzonderlijke polymeermoleculen. Bij temperatuurverhoging zijn ze vervormbaar (plastisch). Een thermoharder bestaat uit een groot polymeermolecuul in een groot netwerk met
dwarsverbindingen. Bij temperatuurverhoging blijft het hard en stijf. Bij hoge temperatuur zal het ontleden.
3.
4. 1. Bescherming van onderliggend materiaal (bijvoorbeeld het roeten van ijzer tegengaan).
2. Verfraaiing (iets mooier maken)
3. Herkenbaarheid zoal bijvoorbeeld de verschillende vlaggen van landen.
5. Ze hebben verschillende pigmenten aanwezig in bepaalde schilderijen onderzocht.
Chemisch bepaald welk soort pigment het is en gekeken of die in de tijd dat Rembrand zijn schilderijen heeft gemaakt al bestonden.
6. a. Vroeger werden natuurlijke polymeren gebruikt zoals; eiwitten, plantenslijm en
zelfs bloed.
Nu worden synthetische polymeren gebruikt, die in de chemische industrie
worden gemaakt.
b. Synthetische polymeren zijn goedkoper en in grotere hoeveelheden te maken.
Bovendien kunnen ze zo gemaakt worden dat ze de juiste eigenschappen hebben voor de toepassing.
7. a. Een sneldrogende verf (lak) voor auto’s.
b. Een katalysator in de verf en UV-licht van bijvoorbeeld een zonnebank.
c. De katalysator wordt door het UV-licht geactiveerd. Deze zorgt ervoor dat de kleine moleculen een groot polymeer netwerk vormen. Er vindt dus reactie plaats, dus een chemisch drogende verf.
8. a. 1. Eénmalig herstel op één plaats.
2. Meervoudig herstel op één plaats.
b. 1. Nadeel: een tweede kras op dezelfde plaats wordt niet hersteld.
Voordeel: het herstel vindt plaats zonder dat van buitenaf iets moet worden
gedaan.
2. Nadeel: voorlopig ziet het er zo uit dat het herstel allen kan plaatsvinden
als er van buitenaf iets wordt gedaan, zoals bijvoorbeeld
verwarmen.
Voordeel: op één plaats kunnen meerdere krassen hersteld worden.
9. a. De drie hoofdcomponenten voor verf: oplosmiddel, bindmiddel, pigment.
Daarnaast zal er dan als hulpstoffen een katalysator en lijmbolletjes met
monomeer moeten worden toegevoegd.
b. De lijmbolletjes met monomeer en katalysator zijn egaal (gelijkmatig) verdeeld over de verf, lak, als deze is opgedroogd. Indien een scheur ontstaat stroomt het monomeer uit de opengebarsten lijmbolletjes. Het monomeer komt in contact met de katalysator, waardoor het reageert tot een polymeer. Hierbij wordt het weer vast en hard. De scheur is dan gevuld met hetzelfde materiaal als de rest en is gedicht. (indien er kleur aanwezig is zal er in de lijmbolletjes ook pigment aanwezig moeten zijn om te zorgen voor kleuring van de scheur).
c. De katalysator zorgt ervoor dat het monomeer ook bij lagere temperaturen al reageert tot een polymeer. Daardoor is er geen hulp van buitenaf nodig om de scheur te repareren.
10. a. Boven de glastemperatuur wordt een thermoplast vervormbaar. Het vertoont plastische eigenschappen.
b. Onder de glastemperatuur hebben de grote polymeermoleculen een vaste plaats en kunnen niet bewegen. Boven de glastemperatuur kunnen delen van moleculen ten opzichte van elkaar bewegen. Het is dus vervormbaar.
c. Boven de vloeitemperatuur gedraagt een polymeer zich als een vloeistof en vloeit als het ware uit. Er is dan geen sprake meer van een vaste plaats. (Als een verf bij deze temperatuur komt vloeit deze van het voorwerp af, dat is natuurlijk niet de bedoeling).
d. Bij temperaturen boven de vloeitemperatuur kunnen hele polymeer moleculen langs elkaar bewegen. Ze trekken elkaar wel nog aan maar van een vaste plaats is helemaal geen sprake meer.
e. Bij een thermoharder is geen sprake van losse grote polymeermoleculen. Het is een groot polymeernetwerk. Dus eigenlijk een groot netwerk van atomen een elkaar gebonden door atoombindingen. Hierbij is het niet mogelijk dat moleculen geheel of gedeeltelijk kunnen gaan bewegen. Niet vervormbaar. Boven een bepaalde temperatuur worden de atoombindingen verbroken en ontleed de stof.
11. a. De gebruikte verf zal een niet al te hoge glastemperatuur moeten hebben.
Zodra er een kras ontstaat zal deze boven de glastemperatuur gebracht moeten worden. Delen van de grote moleculen zullen zich dan in de scheur verplaatsen (bewegen). Als de kras vol is gelopen is er geen ruimte meer om verder te bewegen. Als de verf dan weer onder de glastemperatuur komt is de kras verdwenen en de verflaag hersteld.
b. Omdat er verf verdwijnt bij het ontstaan van een kras zal de ontstane verflaag na herstel steeds iets minder dik worden. Het herstellend vermogen zal na een aantal krassen op een plaats op een bepaald moment een verflaag opleveren die niet dik genoeg is voor het gewenste effect.
Proefwerkvragen zijn op te vragen via info@scheikundeinbedrijf.nl
Begrippenlijst
Introductie | |
| Begrippen vooraf kennen | Begrippen leren |
| Wrijving/weerstand | Mengsel |
| Niet-levend zelfherstellend materiaal | |
| Maïzena en water is zelfherstellend | |
| Dilatant | |
| Begrippen vooraf kennen | Begrippen leren |
| Lineair verband | Reologie (stromingsleer) |
| Kracht | Reologische eigenschappen |
| Constante temperatuur | Reologisch gedrag |
| Regelmatige structuur | Viscositeit (dikvloeibaarheid) (η) |
| Oplossing | Weerstand die vloeistof biedt tegen stroming of vervorming |
| Microstructuur | Newtonse vloeistoffen en niet-newtonse vloeistoffen |
| Viscosimeter | |
| Afschuifspanning (τ) en -snelheid (D) | |
| η = τ / D (Pa*s) | |
| Dilatant gedrag | |
| Reogram | |
| Beton | |
| Begrippen vooraf kennen | Begrippen leren |
| Mengsel | Cement |
| Bindmiddel | Specie |
| Beton | |
| Vulstof | |
| Mergel | |
| Gips | |
| Hydratatie | |
| Hydraat | |
| Zelf een blokje beton maken | |
| Zelfherstellend vermogen van beton | |
| Dichtheid, pakking en raakvlakkenStroomdiagram van de productie van Portlandcement | |
| Geheugenmetaal | |
| Begrippen vooraf kennen | Begrippen leren |
| Metaal | Geheugenmetalen |
| Legeringen | Voorbeelden van legeringen (NiTinol, Cu-Zn en Fe-Mn-Si) |
| Eigenschappen | Opbouw metalen en legeringen |
| Rubberachtige flexibiliteit | Austeniet (fig. 3) |
| Rooster | Martensiet (fig. 4) |
| Belasting | Ms (martensiet-start) en Mf (martensiet-finish) |
| Energie | As en Af |
| Elektrische stroom geeft warmte | Invloed temperatuur op een veer van geheugenmetaal (fig. 6) |
| BewegingFz | Gedrag geheugenmetaal onder invloed van de temperatuurGedrag geheugenmetaal onder invloed van een elektrische stroom |
| Spanning (V) en Belasting (N) | Bepaalde vorm opslaan in een geheugenmetaal |
| Geheugenkunststof | |
| Begrippen vooraf kennen | Begrippen leren |
| Kunststoffen | Moleculen |
| Microwereld | Ketens |
| Polymeren | |
| Monomeren | |
| Harde en zachte polymeren | |
| Crosslink | |
| Thermoplast | |
| Zelfherstellende verf | |
| Begrippen vooraf kennen | Begrippen leren |
| Bindmiddel | Doel verf: grondlaag, vullende laag en deklaag |
| Oplosmiddel | Componenten verf en lak: bindmiddel, oplosmiddel en pigmenten (kleurstoffen) |
| Synthetische polymeren | Functie componenten |
| Zelfherstellend kunststof | Glasovergangstemperatuur heeft te maken met: Polymeren, Glas- en vloeitemperatuur |
| Monomeer en polymeer | Glastemperatuur (Tg) |
| Katalysator | Vloeitemperatuur (Tv) |
| Dichtheid | Verf en lak die zich op een bepaalde plaats eenmaal kan herstellen |
| Stijfheid | Schematische weergave van het herstel van een scheur in de kunststof (figuur 3) |
| Uv-straling of laser | Verf en lak die zich ook op dezelfde plaats meerdere malen kan herstellen |
| Plastisch | Figuur 4 een glasachtige, een plastische en een vloeibare fase |
| Mechanisme | Nissan bracht in december 2005 een auto op de markt met zelfherstellend vermogen in de lak |
| Elektrostatisch geladen | Bij het chemieconcern Bayern in Duitsland is ook zo’n blanke lak ontwikkeld |
| Oppervlaktespanning | |
Extra informatie beton
bijlage 1
Lesplanner
bijlage 2
Hoe maak ik een poster?
bijlage 3
Hoe maak ik een verslag?
bijlage 4
Hoe schrijf ik een artikel?
bijlage 5
Einbeoordeling werkstuk
bijlage 6