Materialen

Les 1: Materialen toepassen

De lesstof:

Om dingen zoals gebouwen, kleding, en gereedschappen te maken, heb je verschillende materialen nodig. Denk aan bakstenen voor huizen, kunststoffolie voor verpakkingen, katoen voor T-shirts, en hout voor gitaren. Elk materiaal heeft speciale eigenschappen die het geschikt maken voor bepaalde dingen. Je kiest het materiaal ook op basis van de prijs en beschikbaarheid. Bijvoorbeeld, hout is stevig en gemakkelijk te bewerken, ideaal voor stoelen. 

Glas is goed om dranken in te bewaren omdat het niet reageert met de inhoud, maar het kan breken. Tegenwoordig worden dranken vaak in lichtere en onbreekbare materialen verpakt, zoals kunststof en karton. 

Kunststoffen zoals polyetheen worden veel gebruikt omdat ze taai en buigzaam zijn. HDPE, een soort polyetheen, is bijvoorbeeld stijf en wordt gebruikt voor flessen die niet breken. 

Carbonfiber, een composietmateriaal van kunststof en koolstofvezels, is erg licht en sterk. Dit wordt vaak gebruikt in sportuitrusting zoals tennisrackets en racefietsen. 

Nieuwe materialen worden voortdurend ontwikkeld om producten te verbeteren en goedkoper te maken. Zo worden moderne racefietsen gemaakt van materialen die veel betere prestaties mogelijk maken dan vroeger.

Les 2: Van grondstof tot product

De lesstof:

Het productieproces van grondstof tot product.

Het maken van dingen zoals een tuinstoel, een rugzak of zelfs een frisdrankblikje is niet zomaar een simpel proces. Het duurt een heleboel stappen om van begin tot eind te komen. Elke stap is belangrijk om uiteindelijk iets te krijgen dat we kunnen gebruiken en verkopen.

Het proces begint met het vinden van grondstoffen in de natuur. Deze worden dan verwerkt tot het uiteindelijke product dat we kunnen gebruiken. Laten we eens kijken hoe een frisdrankblikje wordt gemaakt.

Om te beginnen, halen ze een stof genaamd bauxiet uit de grond. Dit wordt vermalen en gescheiden totdat ze aluminiumoxide hebben, dat naar een fabriek gaat. Daar wordt het opgelost in een vloeistof genaamd kryoliet en dan wordt er een sterke elektrische stroom doorheen gestuurd. Hierdoor ontstaat vloeibaar aluminium.

Daarna wordt dit aluminium gemengd met andere metalen om verschillende soorten aluminium te maken, afhankelijk van waarvoor het gebruikt zal worden. Voor frisdrankblikjes gebruiken ze een zachte soort aluminium die gemakkelijk te vormen is. Het aluminium wordt gewalst tot dunne platen, en dan verder bewerkt tot blikjes.

In de blikjesfabriek worden deze platen omgezet in blikjes door ze te persen en uit te rekken. Dan worden ze schoongemaakt, geverfd, bedrukt en gedroogd. Later worden de bovenkanten gemaakt en vastgemaakt aan de blikjes, voordat ze worden gevuld met frisdrank. Zo zie je maar, zelfs iets simpels als een frisdrankblikje maken is eigenlijk best ingewikkeld!

Blikjes en het milieu

Als we producten maken, heeft dat effect op het milieu. We moeten kijken naar:

• hoeveel grondstoffen we gebruiken;

• hoeveel energie we verbruiken;

• hoeveel afval we produceren.

Laten we eens kijken hoe dit werkt bij een aluminium blikje.

De belangrijkste stof voor aluminium is bauxiet, en daarvan hebben we nog genoeg op de wereld. Maar het winnen en zuiveren van bauxiet kan veel milieuschade veroorzaken. Daarom is het belangrijk om oud aluminium te recyclen (hergebruiken) zo veel als we kunnen.

Om aluminium te maken uit bauxiet hebben we veel elektriciteit nodig, zo'n 14 kWh voor elke kilogram aluminium. Dat is ongeveer 0,5% van wat een gemiddeld huishouden in Nederland in een jaar verbruikt. Het kost dus veel energie. Daarom is recyclen van aluminium belangrijk, want dat kost maar 5% van de energie die nodig is om nieuw aluminium te maken.

Bij het maken van aluminium komen ook afvalstoffen vrij. Bijvoorbeeld, bij het zuiveren van aluminium ontstaat er veel rode smurrie, de 'red mud'. Ook komt er veel koolstofdioxide vrij, een broeikasgas dat bijdraagt aan de opwarming van de aarde.

Les 3: Afvalverwerking

De lesstof:

Afval scheiden 

Mensen en bedrijven in Nederland maken veel afval, ongeveer 490 kg per persoon per jaar. Als dit afval niet goed wordt verwerkt, kunnen er schadelijke stoffen in de bodem, het water en de lucht terechtkomen. Om dat te voorkomen, zijn er regels over wat we met afval moeten doen.

Een belangrijke stap is het scheiden van afval in verschillende soorten. 

Enkele voorbeelden:

• Groente-, fruit- en tuinafval (gft-afval) wordt apart ingezameld om er compost van te maken. Dit gebeurt met hulp van wormen, schimmels en bacteriën. De compost kan weer gebruikt worden in tuinen.

• Glas en papier worden apart ingezameld en gerecycled tot nieuw glas en papier. Ook kunststoffen worden vaak gerecycled, maar dat is wat moeilijker.

• Gevaarlijke stoffen, zoals oude medicijnen en verf, worden apart ingeleverd als klein chemisch afval (kca).

• Andere soorten afval, zoals puin en snoeihout, breng je naar een afvaldepot. Puin wordt gebruikt bij wegenbouw en snoeihout wordt verwerkt tot houtsnippers.

In Nederland wordt ongeveer 64% van het afval gescheiden ingeleverd. Het overige afval, ongeveer 180 kg per persoon per jaar, gaat naar een vuilverwerkingsinstallatie, waar metalen zoals ijzer, aluminium en koper uit het afval worden gehaald.

Recycling  

Een deel van het afval wordt gerecycled, zoals papier. Oud papier wordt vermalen tot pulp, waar nieuw papier van gemaakt wordt. Dit is een kringloopproces waarbij het papier telkens opnieuw wordt gebruikt. 

Er zijn wel wat problemen bij de recycling van papier. De inkt die op het papier zit, maakt het lastig om schoon nieuw papier te maken. Er bestaat een methode om de inkt te verwijderen, maar die wordt nog niet overal toegepast. Ook worden de vezels van het papier steeds korter na elke keer recyclen. Na ongeveer vijf keer zijn de vezels zo kort dat het papier alleen nog geschikt is om te verbranden.

Dit geldt ook voor andere materialen: het is moeilijk om een perfect systeem te hebben waarin alles steeds opnieuw gebruikt kan worden. Onderzoekers werken hier hard aan, met als doel een circulaire economie waarin afval niet meer bestaat.

Verbranden en storten

Afval dat niet gecomposteerd of gerecycled kan worden, wordt meestal verbrand. Dit heeft voordelen:

• De warmte die bij het verbranden vrijkomt, kan nuttig gebruikt worden.

• Er is minder ruimte nodig om het afval te storten, en de onbrandbare resten kunnen gebruikt worden bij de aanleg van wegen.

Verbranden heeft ook nadelen. Er kunnen schadelijke stoffen vrijkomen, zoals dioxinen die giftig en kankerverwekkend zijn. Afvalverwerkingsbedrijven moeten maatregelen nemen om deze stoffen zoveel mogelijk te verwijderen.

Les 4: Dichtheid

De lesstof:

Dichtheid

Aluminium wordt vaak een 'licht metaal' genoemd omdat het een lage dichtheid heeft: 2,70 g/cm3. Dat is bijna drie keer minder dan de dichtheid van staal: 7,80 g/cm3. Voor veel dingen is een lage dichtheid superbelangrijk. Bijvoorbeeld, vliegtuigen worden van aluminium gemaakt, niet van staal, zodat het vliegtuig zo licht mogelijk blijft.

Maar soms heb je juist een hoog-dicht materiaal nodig. Lood is zo'n 'zwaar metaal' met een dichtheid van 11,35 g/cm3. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt als ballast in schepen. Ze leggen dan zware blokken lood onder in het schip, zodat het goed in het water blijft liggen.

Om de dichtheid van een materiaal te weten, moet je het volume en de massa meten van een stukje van dat materiaal. 

Volg de volgende stappen:

1. Je meet het volume V, bijvoorbeeld door het onder te dompelen.

2. Je weegt de massa m met een balans of weegschaal.

3. Dan bereken je de dichtheid ρ (hoeveelheid massa per volume) met deze formule: 

ρ = m / V

In deze formule:

• ρ (rho) is de dichtheid in gram per kubieke centimeter (g/cm3).

• m is de massa van het stukje materiaal in gram (g).

• V is het volume van het stukje materiaal in kubieke centimeter (cm3).

Maatwerk in dichtheid

Metalen zoals aluminium, ijzer en lood hebben elk hun eigen, typische dichtheid. Maar sommige materialen hebben geen vaste dichtheid omdat ze uit verschillende dingen zijn gemaakt.

Neem piepschuim (EPS) als voorbeeld. Het wordt gemaakt door gas in vloeibaar polystyreen te blazen. Zo krijg je kleine bolletjes plastic met duizenden gasbelletjes erin. Daarna worden de bolletjes in een vorm gedaan en verhit. Het gas zet uit, waardoor de bolletjes aan elkaar plakken. Als het afkoelt, heb je een sterk blok piepschuim.

Piepschuim bestaat voornamelijk uit gas. Maar de grootte van de gasbelletjes kan variëren, waardoor je het materiaal een lagere of hogere dichtheid kunt geven. In de praktijk varieert de dichtheid van piepschuim van 0,011 g/cm3 tot 0,036 g/cm3.

Dichtheid van vloeistoffen

Vloeistoffen hebben ook een eigen, typische dichtheid. Om de dichtheid van een vloeistof te weten, moet je het volume en de massa meten. Dan kun je de dichtheid berekenen zoals bij vaste stoffen.

Zinken, zweven en drijven

Of iets zinkt, zweeft of drijft, hangt af van de dichtheid. Je kunt dat testen met verschillende voorwerpen. Uit die tests blijkt dat:

• Iets zinkt als het materiaal zwaarder is dan de vloeistof.

• Iets zweeft als het materiaal even zwaar is als de vloeistof.

• Iets drijft als het materiaal lichter is dan de vloeistof.

Een surfplank moet goed blijven drijven. Daarom heeft de plank een kern van piepschuim, wat licht materiaal is. De buitenkant is gemaakt van sterk materiaal, zoals epoxy met glasvezel of carbonfiber, om de kern te beschermen en de plank stevig te maken.