EVA - Online - Chemie und ihre Didaktik, Universität Wuppertal
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Moderne Werkstoffe<br />
B2 In Carbonfasern herrscht die gleiche Graphitstruktur<br />
wie in der Bleistiftmine. A:Wodurch unterscheidet diese<br />
sich von der Struktur in Kohlenstoff-Nanoröhrchen<br />
(d ≈ 1 nm)? A: Informieren Sie sich über Kohlenstoff-<br />
Nanoröhrchen im Internet.<br />
Komposite <strong>und</strong> Nanostrukturierte<br />
Kunststoffe 2<br />
B1 Carbonfaserverstärkte Kunststoffe werden im Flug- B3 Komposite aus Siliconen <strong>und</strong> Polyacrylaten machen<br />
zeugbau eingesetzt. Eine Carbonfaser (d ≈ 6 µm) ist<br />
viel dünner als ein Menschenhaar (d ≈ 50 µm).<br />
Autolacke unempfindlich gegenüber Steinschlag.<br />
Rümpfe <strong>und</strong> Tragflächen von Flugzeugen, Stoßstangen<br />
<strong>und</strong> Spoiler von Autos, Rahmen von<br />
Fahrrädern wie auch Maste von Segelbooten <strong>und</strong><br />
Surfbrettern sind hohen mechanischen Belastungen<br />
unter dynamischen Bedingungen ausgesetzt. Für<br />
solche Anwendungen wurden Werkstoffe entwickelt,<br />
bei denen mehrere Materialien zu sogenannten<br />
Kompositen zusammengefügt sind. Carbonfaserverstärkte<br />
Kunststoffe sind solche Komposite, die<br />
sich besonders für die genannten Anwendungen gut<br />
eignen, weil sie leicht, fest <strong>und</strong> bei hohen Belastungen<br />
elastisch sind.<br />
Carbonfasern (Kohlenstofffasern) erhält man, wenn<br />
Fasern aus synthetischen Polymeren wie Polyacrylnitril<br />
oder aus chemisch veränderter Cellulose (Viskose) bei<br />
Temperaturen um 1800°C pyrolysiert werden. Dabei<br />
bilden sich Fasern, die zu 96–98% aus reinem<br />
Kohlenstoff mit Graphitstruktur bestehen. Mehrere<br />
Tausend dieser sehr dünnen Fasern (B1) werden zu<br />
einem Faden gebündelt, der auf eine Spule gewickelt<br />
<strong>und</strong> zu einer textilen Struktur gewebt werden kann.<br />
Durch Einbettung von kurzen Fäden aus Carbonfasern<br />
oder von Geweben aus Carbonfasern ineinen<br />
thermoplastischen oder in einen duroplastischen<br />
Kunststoff erhält man schließlich das Komposit, den<br />
carbonfaserverstärkten Kunststoff.<br />
Unter den modernen Werkstoffen nehmen Komposite<br />
aus nanostrukturierten Materialien, deren Teilchen<br />
Dimensionen von 1 nm bis 100 nm haben, einen<br />
Sonderplatz ein. Das Material aus B3 hat ausgezeichnete<br />
Eigenschaften: Es ist transparent, thermoplastisch<br />
zwischen 140°C <strong>und</strong> 250°C, schlag- <strong>und</strong><br />
bruchfest zwischen –40°C <strong>und</strong> 140°C <strong>und</strong><br />
unempfindlich gegenüber aggressiven Chemikalien.<br />
Dieses Material besteht aus Silicon-Nanokügelchen<br />
mit Durchmessern zwischen 10 nm <strong>und</strong> 100 nm, die<br />
von einem Mantel aus 100 bis 200 Atomlagen<br />
Polyacrylat oder Polystyrol umhüllt sind. Setzt man<br />
diese nanoskaligen „Silicon-Flummis“ beispielsweise<br />
Auto-lacken zu, werden diese unempfindlicher<br />
gegenüber Steinschlag. Bei entsprechender Struktur<br />
von Siliconkern <strong>und</strong> Polymerhülle sind auch<br />
Nanokapseln denkbar, die als „intelligente“, durch<br />
Licht, Elektrizität oder Magnetismus schaltbare<br />
Klebstoffe, Lacke oder Arzneimittel eingesetzt werden<br />
könnten. Daher wird auf dem Gebiet der nanostrukturierten<br />
Materialien viel geforscht.<br />
Wie jede wissenschaftlich-technische Entwicklung<br />
beinhaltet auch die Nanotechnologie neben Chancen<br />
auch Risiken. Es ist beispielsweise bekannt, dass<br />
Nanopartikel aus dem Staub, der beim Abrieb von<br />
Carbonfasern entsteht, ähnlich wie die Rußpartikel aus<br />
Dieselfahrzeugen lungengängig <strong>und</strong> krebserregend<br />
sind. Inwiefern auch Nanopartikel aus anderen<br />
Materialien ges<strong>und</strong>heitsschädlich sind, ist noch nicht<br />
genau bekannt. Es ist daher wichtig, Stäube aus<br />
Nanopartikeln zu vermeiden, indem diese gleich nach<br />
bzw. bei der Synthese <strong>und</strong> vor <strong>ihre</strong>r Handhabung zu<br />
rieselförmigen Granulaten oder flüssigen Werkstoffen<br />
verarbeitet werden. Das ist bei den oben erwähnten<br />
Nanokapseln mit Siliconkern <strong>und</strong> Mantel aus einem<br />
anderen Polymer der Fall.<br />
Aufgaben<br />
A1 Zeichnen Sie das Modell eines Komposit-Nanokügelchens<br />
mit Siliconkern (d = 50 nm) <strong>und</strong> 200 Atomlagen<br />
Polyacrylat (Dicke einer Atomlage: ca. 0,1 nm).<br />
A2 Wodurch unterscheiden sich Komposite vom Typ<br />
der carbonfaserverstärkten Kunststoffe (linke Spalte)<br />
von den Kompositen aus nanostrukturierten Materialien,<br />
die in dieser Spalte an einem Beispiel beschrieben<br />
sind? Recherchieren Sie zur Beantwortung<br />
der Frage auch Informationen aus dem Internet.<br />
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