LEITPROGRAMM

LEITPROGRAMM
WERKSTOFFE
(METALLE, GLAS, EMAIL, KUNSTSTOFFE)
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Was ist ein Leitprogramm?
Ein Leitprogramm ist ein Heft/Skript, in mit dem Sie ihr Wissen selbstständig erarbeiten
können.
Im Heft sind alle Inhalte, Übungen und Arbeitsanweisungen enthalten, die Sie benötigen.
Das Heft führt bzw. leitet Sie durch das Thema; daher auch der Name Leitprogramm.
In diesem Leitprogramm zum Thema Werkstoffe werden Sie verschiedene Aufgaben
finden, die Sie entweder alleine oder zu zweit lösen sollen.
Das Ziel ist, dass Sie am Ende alles Wichtige des Themas verstanden haben, aber in
Ihrem eigenen Tempo arbeiten können.
Jedes Kapitel in diesem Leitprogramm beginnt mit den Zielen/Lernzielen und der Angabe,
wie viel Zeit Sie für die Bearbeitung ungefähr einplanen müssen. Anschliessend folgen ein
Theorieteil und zum Schluss verschiedene Aufgaben.
Der Arbeitsablauf pro Kapitel sieht dementsprechend folgendermassen aus:
1.
2.
3.
4.
5.
Lernziele lesen
Theorieteil durchlesen
Aufgaben lösen (gewisse Aufgaben werden bewertet)
Lernziele bearbeiten
Prüfung schreiben.
Lernziele
Theorieteil
Aufgabe zum lösen
Im letzten Kapitel finden Sie eine grosse Anzahl an Repetitionsfragen zu den einzelnen
Kapiteln.
Sie haben insgesamt knapp 8 Lektionen Zeit für die Bearbeitung. Es steht Ihnen natürlich
frei, zu Hause bzw. im Internat am Leitprogramm weiter zu arbeiten.
LMT
2
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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INHALTSVERZEICHNIS
1
2
3
4
5
6
7
Allgemein ........................................................................................................ 4
EisenMetalle .................................................................................................... 8
Nichteisenmetalle ............................................................................................15
Glas ...............................................................................................................19
Email .............................................................................................................23
Kunststoffe .....................................................................................................25
Repetition.......................................................................................................30
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
3
LMT
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1
ALLGEMEIN
Ziele:
 Ich kenne die allgemeinen Anforderungen die an Werkstoffe gestellt werden und
kann sie in eigenen Worten beschreiben.
 Ich kann anhand konkreter Beispiele erklären welche Arten von
Deformationsverhalten es gibt.
Zeitaufwand:
Ca. 50 Minuten
Für die Durchführung von Verfahrenschritten in der Getränke- und Lebensmittelindustrie
sind eine Vielzahl von Maschinen, Apparate und Rohrleitungen erforderlich, welche aus
einer ganz beachtlichen Zahl verschiedener Werkstoffe hergestellt werden.
In Bezug auf ihre Einsetzbarkeit in der Getränke- und Lebensmittelindustrie werden an
Werkstoffe hohe chemische, thermische und mechanische Anforderungen gestellt.
Chemische Anforderungen


Werkstoffe dürfen nicht mit Getränke oder Lebensmittel reagieren
Sie dürfen Getränke und Lebensmittel nicht negativ beeinflussen
Thermische Anforderungen




Einrichtungen, die zur Wärmeübertragung vorgesehen sind (Wärmetauscher) sollen
aus Werkstoffen bestehen, welche die Wärme gut leiten.
Sollen Einrichtungen aber vor Wärmeverlusten oder Wärmezufuhr geschützt
werden, sind Werkstoffe zu verwenden, die die Wärme schlecht leiten.
Sie sollen unter Einwirkung von Wärme nicht erweichen.
Sie sollen einen plötzlichen Temperaturunterschied ertragen können.
Mechanische Anforderungen



LMT
Werkstoffe sollen eine glatte, saubere Oberfläche aufweisen.
Sie sollen eine, ihrer Verwendung entsprechende Festigkeit aufweisen.
Werkstoffe müssen mechanischen Beanspruchungen wie Zug, Druck, Biegung,
Scheuerung, Verdrehung mit der geeigneten Festigkeit und dem entsprechenden
Widerstand ertragen können
4
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Aufgabe 1
Überlegen Sie sich was passieren könnte, wenn die oben genannten Anforderungen nicht
eingehalten werden.
Notieren Sie hier für die chemischen, die thermischen und die mechanischen
Anforderungen je ein mögliches Beispiel.
Vergleichen Sie ihre Ideen mit der Person die 2 Plätze rechts von Ihnen sitzt (wenn Sie am
rechten Ende der Reihe sitzen, mit der zweiten Person von links in der nächsten Reihe).
Fällt Ihnen etwas an den Beispielen auf? Notieren Sie
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
5
LMT
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Druck- und Zugfestigkeit
Unter Druckfestigkeit verstehen wir den Widerstand den ein Körper einer auf ihn
einwirkenden Kraft entgegensetzt.
Abbildung 1: Darstellung der Druckfestigkeit
Unter Zugfestigkeit verstehen wir den Widerstand den ein Körper den auf ihn
einwirkenden Dehnungskräften (Zugkraft) entgegensetzt.
Abbildung 2: Darstellung von Dehnung, Zugfestigkeit und Bruch
Ein Körper, der unter der Einwirkung von Kräften steht, erfährt und zeigt
Formveränderungen d.h. Deformationen. Diese Deformationen werden einerseits durch die
Art der Kräfte (Druck-, Zug-, Schwer- und Drehkraft) und das Formverhalten des
Werkstoffs bestimmt.
Die Deformation kann elastisch, plastisch oder spröd sein.
elastisch
Unter der Einwirkung von Deformationskräften verändert sich die Form eines Körpers.
Gewinnt er nach Aufhören der Krafteinwirkung wieder seine ursprüngliche Form, so
bezeichnen wir das Formverhalten des Körpers als elastisch. Elastische Stoffe sind z.B.
Gummi, Silikon, Neopren, Nylon
plastisch
Behält ein Körper nach dem Aufhören von Deformationskräften eine bleibende
Formveränderung, er gewinnt also seine ursprüngliche Form nicht mehr zurück, so
bezeichnen wir das Formverhalten des Körpers als plastisch. Plastische Stoffe sind z.B.
Wachs, Kitt, Kupfer, Blei
Werkstoffe können bis zu einer stoffabhängigen Belastungsgrenze elastisch verformt
werden. Beim Überschreiten dieser Grenze erfolgt eine plastische Verformung
(Überdehnung) wie z.B. Stahl, Nylon
spröd
Wenn ein Körper bei Beanspruchung zerbricht, so bezeichnen wir das Formverhalten des
Körpers als spröde. Spröde Stoffe sind z.B. Glas, Gusseisen, Acrylglas.
LMT
6
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Aufgabe 2
Sie finden auf dem Tisch verschiedene Materialien bzw. Lebensmittel.
Ordnen Sie diese bitte den folgenden Eigenschaften zu
Eigenschaft
Material/Lebensmittel
Elastisch
Plastisch
Spröd
Aufgabe 3
In Ihrem Lehrbetrieb kommt es immer wieder zu Produktionsausfällen, weil einige
Angestellte die Eigenschaften der Werkstoffe nicht kennen und falsch damit umgehen.
Sie sollen für die ArbeitnehmerInnen Informations-„Flyer“ erstellen, um diese
Unkenntnis zu beheben.
Machen Sie für die Begriffe „Elastisch“, „Plastisch“ und „Spröd“ je einen Flyer (Papier
liegt bereit). Hängen Sie die Flyer an der Wandtafel auf (bitte mit Namen).
Tipp1: Skizzen oder Zeichnungen helfen häufig etwas besser zu verstehen.
Tipp2: Denken Sie daran, dass Sie diese Flyer für Laien verfassen, also so einfach wie
möglich beschreiben.
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
7
LMT
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2
EISENMETALLE
Ziele:
 Ich kann die Herstellung von Stahl in eigenen Worten beschreiben.
 Ich kann den Begriff „Legierung“ erklären und die verwendeten Legierungsmetalle
aufzählen.
 Ich kann aufzeigen welche Bedeutung die Werkstoffnummern, die
Legierungselemente und die Oberflächenbehandlung von Edelstahl (in der
Lebensmittelindustrie) haben.
Zeitaufwand:
Ca. 70 Minuten
Allgemeines
Von den metallischen Werkstoffen werden in der Getränke- und Lebensmittelindustrie
hauptsächlich Stahl, Edelstahl, Aluminium und Kupfer verwendet.
Edelstahl ist eine Legierung von Eisen, Chrom, Nickel und weiteren Metallen, dadurch wird
der Stahl korrosionsbeständig.
Unter Legieren versteht man das Zusammenschmelzen verschiedener Metalle. Dadurch
werden Metalleigenschaften wie z. B. mechanische Widerstandsfähigkeit,
Korrosionsbeständigkeit verbessert.
Legierungsmetalle und deren Verwendung
Name der
Legierung
Edelstahl
Messing
Bronze
Neusilber
Legierungsmetalle
Stahl (Eisen)
Chrom
Nickel
Kupfer
Zink
Kupfer
Zinn
Kupfer
Nickel
Zink
Farbe der
Legierung
Verwendung
Rohrleitungen, Behälter,
Wärmetauscher, Filtrationsapparate,
Pumpengehäuse, Apparate
Hahnen, Ventile, Rohrarmaturen,
Gehäuse, Kunstgegenstände
Hahnen, Ventile, Rohrarmaturen,
Gleitlager,
Stanzteile, Brillenscharniere,
Uhrengehäuse
silbrig
gelb
braun
silbrig
Stahl
Stahl kommt in der Natur nicht rein vor, sondern in Form von Eisenerz. Eisenerze sind
chemische Verbindungen des Eisens mit anderen Elementen, hauptsächlich Sauerstoff. Um
Stahl herstellen zu können, muss dem Eisenerz der Sauerstoff entzogen werden.
LMT
8
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Herstellung von Stahl
Die Entfernung des Sauerstoffs im Eisenerz erfolgt im Hochofen. Dieser Vorgang nennt
man Reduktion. Diese Reduktion erfolgt durch die Verbrennung von Koks (Kohlenstoff),
dabei entsteht Roheisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 3-5%. Dieser hohe
Kohlenstoffanteil bewirkt, dass das Roheisen spröde und weder bieg- noch schmiedbar ist.
Aufgabe 4
Schauen Sie sich den Film „Vom Erz zum Stahl“ an. Notieren Sie sich die Begriffe die Sie
nicht verstanden haben und fragen Sie bei den KlassenkameradInnen/Lehrperson nach.
Beschriften Sie die Abbildungen 3 und 4 mit den folgenden Begriffen.
Probeentnahme
Schlacke (2x)
Roheisen (2x)
Kohle/Koks
Abgase (2x)
Sauerstoff
Eisenerz
Edelstahl
Luft
Chrom/Nickel/..
Stahl
Stahlabstich
Schrott
Ausblasen/Frischen
Schlackenentleerung
Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Hochofens, Herstellung des Roheisens
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
9
LMT
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Die Umwandlung von Roheisen zu Stahl erfolgt in einem Konverter. Dabei wird der
Kohlenstoff im flüssigen Roheisen mit reinem Sauerstoff verbrannt und somit entfernt.
Dieser Vorgang nennt man Frischen. Beim Frischen werden auch andere unerwünschte
Begleitstoffe wie Silizium, Phosphor, Mangan als Schlacke beseitigt.
Abbildung 4: Konverter; Umwandlung von Roheisen zu Stahl (Frischen)
LMT
10
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Einteilung der Eisenmetalle
Eisen
Gusseisen
Stahl
Edelstahl
Gehalt
Reines Eisen (99.8%)
Eisen mit > 1.7%
Kohlenstoff
Eisen mit < 1.7%
Kohlenstoff
Legierung von Stahl mit
> 10%
Legierungsmetalle
Eigenschaften
als Werkstoff nicht einsetzbar, geeignet für
Anlaysen, als Katalysator
Spröd, rostet, nicht schweissbar
Rostet stark, zäh, schweissbar
Korrosionsbeständig, zäh, schweissbar (nur das ist
in der Lebensmittelindustrie zugelassen), nicht
magnetisch
Um Edelstahl herzustellen, wird der Stahl mit anderen Metallen wie Chrom, Nickel und
Molybdän legiert. Je nach Zusätzen und Prozentgehalt der Legierungselemente
unterscheidet man die verschiedenen Edelstähle:
Chromstahl
Chrom-Nickel-Stahl
Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl
Chrom-Nickel-Molybdän-Titan-Stahl
Bedeutung der Legierungselemente bei Edelstahl
Legierungselement
Chrom (Cr)
Gehalt
13%
18%
Nickel (Ni)
Molybdän (Mo)
10%
2%
Titan (Ti)
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
Bedeutung
Rostbeständig
beständig gegenüber oxidierenden Säuren wie z.B.
Salpetersäure, Chromsäure
Erhöht die Korrosionsbeständigkeit und Elastizität
Beständig gegenüber reduzierenden Säuren wie z.B.
Schweflige Säure, Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure,
organische Säuren
Erhöht die Korrosionsbeständigkeit an Schweissnähten
11
LMT
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Edelstähle werden normiert und erhalten eine internationale Werkstoffnummer.
Beispiel:
Edelstahl 18/10 mit der Werkstoffnummer 1.4401 hat den Namen
X5 CrNiMo 18/10 und hat folgende Zusammensetzung:
X
5
Cr
Ni
Mo
18
10
LMT
=
=
=
=
=
=
=
hochlegiert
0.05% Kohlenstoff
mit Chrom legiert
mit Nickel legiert
mit Molybdän legiert
18 % Chrom
10 % Nickel
12
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Aufgabe 5
Wie sind die folgenden Edelstahle zusammengesetzt?
X 15 Cr Mo Ti 5/12
X 12 Cr Ni Mo 19/10
X 5 Cr Mo S 17/1
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
13
LMT
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Die Korrosionsbeständigkeit der Edelstähle hängt auch von der Oberflächenpolitur ab.
Blank geglühte oder polierte Oberflächen sind beständiger als rauhe Oberflächen. Im
weiteren ist die Tatsache von Bedeutung, dass die Edelstahloberfläche eine Passivschicht
aufweist, die die Stärke einiger Moleküle hat, also sehr dünn ist. Man spricht vom
Passivieren (Behandeln mit z.B. Salpetersäure) oder vom Repassivieren und somit auch
vom Aktivieren des Edelstahls, wenn das unlösliche Eisen in lösliches, aktives Eisen
übergeht. Das kann z.B. durch den Einfluss von schwefliger Säure oder Salzsäure
geschehen und muss vermieden werden. Die Passivschicht der Edelstähle beruht auf einer
adsorptiven Absättigung der freien Valenzen der Oberflächenatome durch Luftsauerstoff
oder auf einer Elektronenverschiebung zwischen Eisen- und Chromatomen.
Weinsteinkristallansatz und Oberflächenbehandlung von Edelstahl
Aufgabe 6
Schauen Sie sich die aufgestellten Maschinenteile an und notieren Sie sich aus welchen
Metallen sie hergestellt sind.
Maschinenteil
A) Schraube
Metall
Stahl
B) Ventil
Messing
C) Armierungseisen
Baustahl
D) Zahnrad
Gusseisen
E) Hahn
Edelstahl
F) Rohr
Edelstahl
G) Deckel
Edelstahl
H) Rohr
Stahl
LMT
14
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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3
NICHTEISENMETALLE
Ziele:
 Ich kann die Eigenschaften und die Verwendung von Kupfer und Aluminium in der
Lebensmittelindustrie nennen.
 Ich kann die Herstellung von Aluminium in eigenen Worten erklären.
Zeitaufwand:
Ca. 40 Minuten
Kupfer
Kupfer ist ein weiches, zähes und korrosionsbeständiges Metall, das die Elektrizität und die
Wärme sehr gut leitet. An der Luft bildet Kupfer eine dünne Schutzschicht aus
kohlensaurem Kupfer (Kupferkarbonat). Diese Schutzschicht ist dunkelbraun und heisst
Patina.
Wenn Kupfer mit Essigsäure reagiert, entsteht an der Kupferoberfläche der giftige
Grünspan. Deshalb werden heute Kupfer und Kupferlegierungen nur noch für spezielle
Zwecke in der Getränke- und Lebensmittelindustrie eingesetzt.
Kupfer findet hauptsächlich Anwendung für elektrische Drähte, Dachabdeckungen,
Dichtungen, Legierungen, Brennhafen, Sudpfanne, Käsechessi.
Bei der Herstellung von Spirituosen kann auf Kupfer nicht verzichtet werden. Das Kupfer
der Brennhäfen hat folgende Bedeutung:
-
Sehr guter Wärmeleiter
Bindet unerwünschte Stoffe wie Schwefelwasserstoff, Essigsäure, Blausäure
Begünstigt die Aromabildung in den Spirituosen als Katalysator
Aluminium
Aluminium ist leicht, weich, korrosionsbeständig, jedoch nicht beständig gegenüber
starken Säuren und Laugen. Reines Aluminium ist nicht härtbar, daher wird es häufig mit
verschiedenen Stoffen (Magnesium, Mangan, Kupfer, Blei etc.) legiert.
Aluminium wird eingesetzt für Verpackungen (Tuben, Dosen, Flaschenverschlüsse etc.),
Folien, Elektrotechnik, Behälter- und Apparatebau.
Laut elektrochemischer Spannungsreihe ist Aluminium (Al) ein sehr unedles Metall. Aber
an der Luft ist Aluminium äusserst korrosionsbeständig. Aluminium bildet an der Luft
sofort eine beständige, harte Oxidschicht, welche eine weitere Korrosion unter der
Oxidschicht verhindert.
Als Lagerbehälter für stark saure Lebensmittel oder Getränke eignet sich Aluminium nicht,
weil es durch die Säure angegriffen wird. Aluminiumbehälter eignen sich nur für schwach
saure Lösungen oder als Transportbehälter.
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
15
LMT
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Aluminiumgewinnung
Die Herstellung des Aluminiums erfolgt in zwei Schritten:
1. Gewinnung der Tonerde
Um Tonerde zu gewinnen wird BAUXIT (Aluminium Erz) in einer Mühle zerkleinert.
Anschliessend wird das zerkleinerte BAUXIT mit konzentrierter Natronlauge gemischt.
Nun kommt die Mischung in einen Autoklaven (eine Art „Dampfkochtopf“) und wird bei
30 bar (30facher Druck wie auf der Erde) auf 180°C erhitzt. Das Aluminium wird dabei
wasserlöslich. Nun wird diese Flüssigkeit in einem Filter von unerwünschten Stoffen
getrennt. Zum Schluss muss der Flüssigkeit die Natronlauge und das Wasser entfernt
werden. Es entsteht ein wiesses Pulver, die Tonerde (Aluminiumoxid)
BAUXIT, Natronlauge
180°C
30bar
Filter
2. Reduktion der Tonerde zu Aluminium
Dem Aluminiumoxid (Tonerde) muss nun der Sauerstoff entzogen werden
(=Reduktion). Dies geschieht mit Hilfe von Kryolith (Natrium-Aluminium-Fluor-Salz)
und Gleichstrom.
Die Tonerde hat einen Schmelzpunkt von über 2’000°C und ist dementsprechend
schwierig zu schmelzen. Aus diesem Grund wird Kryolith geschmolzen und darin die
Tonerde gelöst. Kryolith kann bei 1’000°C 15% Tonerde lösen, die Temperatur um die
Tonerde zu verflüssigen ist also nur halb so hoch!
Die Tonerde-Kryolith-Lösung (=Schmelze) wird nun in den Elektrolyseofen gegeben.
Dort wird sie mit Hilfe von elektrischem Gleichstrom in Aluminium und Sauerstoff
zerlegt.
Das reine, flüssige Aluminium setzt sich am Boden ab und wird dort abgesaugt.
Der Sauerstoff verbindet sich mit den Kohleelektroden (die oben in die Schmelze
eingetaucht sind). Es entsteht daraus Kohlenmonoxid oder auch Kohlendioxid.
Durch die Verwendung von Kryolith entstehen im Elektrolyseofen giftige Fluordämpfe.
Tonerde, Kryolith
Binden
Sauerstoff
LMT
Kohleelektroden, Pluspol
Elektrolyt
16
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Minuspol
Flüssiges
Aluminium
Um 1 kg Aluminium herzustellen werden folgende Rohmaterialien benötigt:
5 kg Bauxit (ergibt 2 kg Tonerde)
0.2 kg konz. Natronlauge
34 MJ Wärmeenergie für den Autoklav (entspricht rund 1 l Öl)
15 kWh Elektrizität im Elektrolyseofen
Aufgabe 7
Lesen Sie den Text zur Aluminium Herstellung genau durch. Klären Sie Unklarheiten mit
Hilfe der KlassenkameradInnen oder der Lehrperson.
Erstellen Sie anschliessend ein Fliessdiagram der Aluminium Herstellung.
Tipp:
Jeden Arbeitsschritt in Form eines Verbs angeben (und in den Kasten schreiben)
Auf der linken Seite immer das notieren was in die Herstellung reinkommt
Auf der rechten Seite das was als „Abfallprodukt“ eines Herstellungsschritts entsteht
(was weggeht, egal in welcher Form)
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
17
LMT
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Aufgabe 8
Bei den folgenden Aussagen geht es um die Aluminium Herstellung und Kupfer.
1. Kreuzen Sie bitte an, ob die Aussagen richtig oder falsch sind.
2. Schreiben Sie anschliessend die falschen Aussagen so um, dass sie
stimmen.
Richtig
Falsch
Kupfer leitet Wärme sehr gut, Strom aber weniger gut.
Aluminium ist ein sehr weiches Metall, es kann nicht gehärtet werden
und wird deshalb häufig als Legierung eingesetzt.
Kupfer wird in der Lebensmittelindustrie häufig eingesetzt, da seine
Eigenschaften ideal dafür sind.
Wenn Kupfer mit Salzsäure reagiert, entsteht der giftige Grünspann.
Aluminium ist sehr leicht und wird deshalb häufig für Verpackungen in
der Lebensmittelindustrie eingesetzt.
Aluminium bildet an der Luft sofort eine harte Oxidschicht. Unter dieser
Schicht oxidiert das Aluminium dann weiter.
Aluminium eignet sich als Lagerbehälter für stark saure Lösungen, da es
sehr Säurebeständig ist.
Kupfer ist in der Spirituosen Herstellung absolut notwendig, da es
unerwünschte Stoffe binden kann.
LMT
18
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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4
GLAS
Ziele:


Ich kann die Eigenschaften und Verwendung von Glas in der Lebensmittelindustrie
nennen.
Ich kann die Herstellung von Glas in einem Fliessdiagramm aufzeichnen und
Stichwortartig beschreiben
Zeitaufwand:
Ca. 30 Minuten
Glas ist ein anorganischer Stoff, welcher aus dem flüssigen Zustand abgekühlt ist, ohne
dass es dabei kristallisiert. Glas ist gasdicht, hart und spröde. Glas zeichnet sich aus durch
eine grosse Lichtdurchlässigkeit und Druckfestigkeit. Es ist säurebeständig, jedoch nicht
laugebeständig. Glas ist ein elektrischer Isolator und ein schlechter Wärmeleiter,
insbesondere Glaswolle.
Glas lässt sich entweder durch Erwärmen verformen (Glasblasen) oder kaltschleifen,
bohren, schneiden, kleben und armieren mit Kunststoff z.B. Polyester.
Glasapparate werden speziell dort eingesetzt, wo neben hoher chemischer Beständigkeit,
Durchsichtigkeit erwünscht ist z.B. Verpackungsbehälter, Rohre, Schaugläser,
Absperrorgane, Korbflaschen, Laborflaschen und Laborgeräte. Als Spezialanwendung
findet man Glas als Sicherheitsglas, Glasfasern, Isoliermaterial, optische Gläser,
Fensterglas und Spiegel.
Herstellung von Verpackungsglas
Verpackungsglas wird hauptsächlich aus folgenden Rohstoffen hergestellt:
Quarzsand
Hauptrohstoff (ca. 60%)
Soda
dient als Flussmittel für die Glasschmelze im Schmelzofen (ca. 20%)
Kalk
dient als Bindemittel des Glases (ca. 15%)
Eisenoxyd
dient als Färbemittel für Braunglas
Chromoxyd
dient als Färbemittel für Grünglas
Mit Ölbrenner und Elektroden werden die Rohstoffe bei einer Temperatur von 1550°C
geschmolzen. Die Rohmaterialien werden beim Schmelzprozess zu flüssigem Glas
umgewandelt. Die Abwärme wird dem Produktionsprozess über Rekuperatoren zwecks
Energieeinsparung wieder zugeführt.
Die zähflüssige Glasschmelze fliesst aus der Schmelzwanne in den Glasspeiser. Von dort
gelangen die grammgenau zugeschnittenen Glastropfen in die Vorform. Mit fertig
geformter Mündung gelangen die Glaskülbel in der Fertigform, wo die mit Druckluft zum
fertigen Verpackungsglas ausgeblasen werden.
Danach werden die noch glühend heissen Glasbehälter im Kühlofen langsam auf die
Aussentemperatur abgekühlt, um temperaturbedingte Materialspannungen (Zug- und
Druckspannungen) zu vermeiden. Anschliessend erhält das Verpackungsglas einen
Oberflächenschutz.
Nach der Oberflächenbehandlung werden die Glasbehälter optisch, mechanisch und
elektronisch auf Risse, Einschlüsse, Verformungen oder sonstige Fehler geprüft.
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
19
LMT
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Verpackungsglasherstellung
Formgebung des Glasbehälters
Bilder 1-3 zeigen die Formung des zähflüssigen
Glastropfens zum Glaskülbel in der Vorform
mittels Druckluft
Bild 4 zeigt den Wechsel von der Vorform in
die Fertigform
Bilder 5-7 zeigen Fertigstellung des Glaskülbels
zum Glasbehälter in der Fertigform mittels
Druckluft
LMT
20
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Aufgabe 9
1. Lesen Sie das Kapitel zum Thema Glas AKTIV durch (Markieren, Notizen
machen).
2. Überlegen Sie sich anschliessend Fragen (mindestens 5) zum Thema und
notieren sie diese.
3. Lösen Sie die Fragen des/der SitznachbarnIn
Hinweis:
Die Fragen sollen sich auf die Lernziele (Seite 19) beziehen. Die Beantwortung der
Fragen zeigt Ihnen, ob sie das Thema verstanden haben.
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
21
LMT
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Aufgabe 10
1. Schreiben Sie die einzelnen Herstellungsschritte von Glas untereinander auf.
2. Notieren Sie stichwortartig zu jedem Herstellungsschritt was hier passiert.
LMT
22
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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5
EMAIL
Ziele:
 Ich kann die Eigenschaften und die Verwendung von Email in der
Lebensmittelindustrie nennen.
Zeitaufwand:
Ca. 15 Minuten
Email ist eine mehrschichtige, bei 1000°C eingebrannte und festhaftende glasähnliche
Masse auf metallischen Trägerwerkstoffen z.B. Stahl.
Email weist ähnliche Eigenschaften auf wie Glas. Email ist hart, lebensmittelecht aber
spröd und schlagempfindlich. Da dessen Wärmeausdehnung geringer ist als diejenige des
Trägerwerkstoffes, besteht die Gefahr, dass Email beim Aufheizen gerissen wird. Auch
beim schnellen Abkühlen heisser Emaischichten können diese reissen. Durch die
entstehenden Haarrisse können Lebensmittel zum Trägerstoff vordringen und diesen
angreifen.
Emaillierte Behälter sind sehr korrosionsbeständig, druckbeständig und lassen sich sehr
gut reinigen.
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
23
LMT
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Aufgabe 11
Wie würden Sie einem Kind erklären was „Email“ ist? Versuchen Sie auch Skizzen zur Hilfe
zu nehmen.
Hinweis:
Wichtig ist, dass Sie nicht einfach den Text abschreiben bzw. die Skizze der Seite
23 abzeichnen. Versuchen Sie ihre eigene Darstellung bzw. Formulierung zu finden.
LMT
24
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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6
KUNSTSTOFFE
Ziele:



Ich kann die Bezeichnungen, die Eigenschaften, die Einsatzgebiete und die
Beständigkeit von je 2 Kunstoffen (Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere)
nennen.
Ich kann die Begriffe „Thermoplaste“, „Duroplaste“ und „Elastomere“ in eigenen
Worten erklären.
Ich kann die Kunststoffe in „Thermoplaste“, „Duroplaste“ und „Elastomere“
Zuordnen.
Zeitaufwand:
Ca. 50 Minuten
Kunststoffe sind Werkstoffe, die chemisch hergestellt werden. Die fertigen Kunststoffe
werden als Granulat oder Pulver angeboten, die durch Walzen, Spritzgiessen, Pressen,
Ziehen oder Blasen zu Halbfabrikaten oder Fertigfabrikaten geformt werden.
Kunststoffwerkstücke lassen sich spanabhebend, durch Kleben oder auch durch
Warmverformung und Schweissen verarbeiten. Die Methode richtet sich nach der
Kunststoffgruppe.
Kunststoffe sind so genannte Polymere Stoffe. Sie sind aus mehreren hundert Monomeren
(Einzelbausteinen) aufgebaut.
Hier einige Beispiele:
Monomer (Einzelbaustein)
Polymer (Makromolekül)
Ethylen
Polyethylen (PE)
Vinylchlorid
Polyvinylchlorid
Tetraflourethylen
Polytetrafluorethylen (Teflon)
Acryl
Polyacryl (Plexiglas)
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
25
LMT
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Kunststoffe lassen sich in drei Gruppen einteilen:
Thermoplaste
Duroplaste
Elastomere
Thermoplaste
Thermoplaste erweichen beim Erwärmen und werden wieder hart beim Abkühlen.
Folgende Tabelle zeigt den Einsatzbereich der Thermoplaste in der Getränke- und
Lebensmittelindustrie.
Thermoplaste in der Getränke- und Lebensmittelindustrie
Beständigkeit
Bezeichnung
Weich-PVC
Polyvinylchlo
rid mit
Weichmache
r
Hart-PVC
Polyvinylchlo
rid
PE
Polyethylen
PP
Polypropylen
PTFE
Polytetrafluo
r
Ethylen
(z.B. Teflon)
PA
Polyamid
(z.B. Nylon)
PS
Polystyrol
(z.B. Styropor)
Polyacryl
LMT
Eigenschaften
Einsatzgebiet
Dichte 1.4 kg/dm3, weich,
günstig, kleb- und schweissbar,
brennt in der Flamme unter
Entwicklung giftiger
Salzsäuregase, löscht aber, wenn
es aus dem Bereich des Feuers
genommen wird
Dichte 1.4 kg/dm3, hart, günstig,
kleb- und schweissbar, spröd bei
Kälte, brennt in der Flamme unter
Entwicklung giftiger
Salzsäuregase, löscht aber, wenn
es aus dem Bereich des Feuers
genommen wird
Dichte 0.9 kg/dm3,
gasdurchlässig, frostfest, elastisch
und zäh auch bei tiefen
Temperaturen, nicht klebbar
jedoch schweissbar, ritzbar mit
Fingernagel, brennt weiter, wenn
es entflammt ist
Dichte 0.9 kg/dm3, frostfest, gute
Festigkeit auch bei höheren
Temperaturen, sterilisierbar mit
Dampf bis 120°C, nicht ritzbar
mit Fingernagel, brennt weiter,
wenn es entflammt ist
Wasserschläuche,
Verpackungsmater <
ial, Bodenbeläge
90°C
Dichte 2.2 kg/dm3, sehr gute
chemische Beständigkeit,
unbrennbar, sehr gute
Gleiteigenschaften, zersetzt sich
ab 360°C unter Abgabe von
giftigen Dämpfen, antistatisch,
teuer
Dichte 1.1 kg/dm3, sehr zäh, sehr
gut chemikalienbeständig
Dichte 1.1 kg/dm3
(ungeschäumt), spröd bei tiefen
Temperaturen
Dichte 1.2 kg/dm3, glasklar,
Temp
.
Behälter,
Verkleidungen,
Gehäuse,
Rohrleitungen
Rohrleitungen,
Behälter,
Verpackungen
Rohrleitungen für
höhere
Temperaturen,
Filterplatten,
Pneumatikzylinder
, Ventilatoren,
Apparateteile
Dichtungen,
Gleitelemente,
Schläuche,
Filtertücher
Führungsschienen
bei Abfüllanlagen,
Lager, Zahnräder,
Schrauben, Rollen
Verpackungsmater
ial
(Joghurtbecher),
Isolationsmaterial
Schutzvorrichtung
26
Lösun Säure
gsmit
tel
Lauge
Nein
gut
gut
<
90°C
Nein
gut
gut
<
80°C
gut
gut
gut
<120
°C
gut
gut
gut
-70°C gut
bis
180°C
Sehr
gut
Sehr
gut
<100
°C
gut
Sehr
gut
Sehr
gut
<80°
C
nein
gut
gut
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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(z.B.
Plexiglas)
lichtbeständig, glänzend, klebund schweissbar, halb so schwer
wie Normalglas, nicht so
kratzfest, dagegen weniger
schlagempfindlich
PET
Dichte 1.4 kg/dm3, glasklar, hohe
(Polyethylen Festigkeit, abriebfest, gehört zur
Gruppe der Polyester und besteht
terephthalat) aus Ethylenglykol und
Terephthalsäure
en bei Maschinen
Gleitelemente,
Getränkeflaschen
<80°
C
<100
°C
nein
gut
gut
gut
gut
bedin
gt
Duroplaste
Duroplaste sind Zweikomponenten-Kunststoffe wie beispielsweise Epoxidharz und Härter.
Sie lassen sich nach der Aushärtung nicht mehr erweichen und verformen. Die Aushärtung
erfolgt meistens bei Raumtemperatur.
Duroplaste in der Getränke- und Lebensmittelindustrie
Beständigkeit
Bezeichnung
Eigenschaften
Einsatzgebiet
Temp
.
UP
Polyester
Dichte ohne Armierung 1,2
kg/dm3, günstig, gasdurchlässig,
empfindlich gegenüber Alkohol
und starken Säuren, kann
Feuchtigkeit aufsaugen
Dichte ohne Armierung 1.2
kg/dm3, günstig, sehr hohe
Festigkeit bei Verstärkung mit
Glasfasern, EP-Beschichtungen
von Behälter sind
lebensmittelecht.
Behälter (mit
Glasfaser
verstärkt), Rohre
bis max. 2 bar)
-40°C
bis
bedin
115°C gt
EP
Epoxidharz
(z.B. Araldit,
Obrit)
Auskleidungen
von Stahl-, Beton- >110
und Alubehälter,
°C
Klebstoff
Lösun Säure
gsmit
tel
bedin
gt
Lauge
bedin
gt
gut
gut
gut
Elastomere
Elastomere sind elastisch und bleiben formfest in der Kälte. Beim Erwärmen werden sie
klebrig und verformbar.
Elastomere in der Getränke- und Lebensmittelindustrie
Beständigkeit
Bezeichnung
Neopren
Silikon
Eigenschaften
Einsatzgebiet
Temp
.
Gute chemische Beständigkeit,
bedingt ölbeständig, hohe
Abriebfestigkeit
Temperaturbeständig, sehr gute
chemische Beständigkeit auch
gegenüber Alkohol, Oel,
Desinfektionsmittel, teuer
Stator bei Monopumpen, Impeller,
Schläuche
Schläuche,
Dichtungen
-45°C
bis
bedin
110°C gt
-70°C
bis
gut
220°C
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
27
Lösun Säure
gsmit
tel
Lauge
gut
Gut
Sehr
gut
Sehr
gut
LMT
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Bei Maschinen, Anlagen und Geräte kommen Kunststoffe kombiniert mit anderen
Werkstoffen zum Einsatz. Dies zeigt beispielsweise der Aufbau eines Schlauches zur
Förderung von Lebensmitteln und Getränken.
Aufgabe 12
Schreiben Sie je einen Spickzettel zu „Thermoplaste“, „Duroplaste“ und „Elastomer“ .
Kleben Sie die Sickzettel an die Wand und schauen Sie sich die der anderen an.
Fällt Ihnen etwas auf? Ist etwas für Sie besonders hilfreich? Entdecken Sie vielleicht Fehler
in den Spickzettel der anderen (dann sofort melden)?
LMT
28
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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Aufgabe 13
Wählen Sie je zwei Kunststoffe aus, von denen sie die Bezeichnung, die Eigenschaft, das
Einsatzgebiet und die Beständigkeit merken (siehe Lernziel Seite 25).
Diese Sachen müssen Sie auswendig lernen. Eine gute Möglichkeit ist dazu die
Mnemotechnik bzw. die Loci-Methode.
Das funktioniert folgendermassen:
1. Man schreibt sich den Lernstoff auf Merkzettel auf.
2. Man wählt einen Ort oder einen Weg aus, den man gut kennt. Z.B. an der Haustür
der Wohnung, der Arbeitsweg, der Umkleidekabine usw.
3. Nun begibt man sich geistig auf diesen Weg bzw. in diesen Raum.
4. Jeder Begriff den man lernen muss wird an einen bestimmten Gegenstand gehängt.
5. „Laufen“ Sie mehrmals durch den Raum und stellen Sie sich vor wie das was sie
aufgehängt haben aussieht.
6. machen Sie für jeden der 6 Kunststoffe einen anderen Weg/Raum
Tipp:
Versuchen Sie die Bilder die sie sich merken so witzig wie möglich zu machen, das
erleichtert das Behalten!
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
29
LMT
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7
REPETITION
In diesem Kapitel finden Sie zu jedem Thema eine Fragensammlung, die Ihnen als
Repetition dienen soll. (Schreiben Sie die Lösungen auf separate Blätter).
Allgemein
1. Welche chemischen Anforderungen müssen Werkstoffe für die Getränke- und
Lebensmittelindustrie haben?
2. Nennen Sie das Deformationsverhalten der folgenden Werkstoffe:
a. Blei
b. Silikon
c. Gla
d. Kitt
e. Araldit
f. Edelstahl
g. Gummi
h. Plexiglas
i. Gusseisen
Eisenmetalle
1.
2.
3.
4.
5.
Was versteht man unter einer Legierung?
Nennen Sie drei Legierungen
Wie nennt man die Legierung von Kupfer und Zinn?
in welcher Form kommt Eisen in der Natur vor?
Was passiert mit dem Eisenerz im Hochofen? Erklären Sie detailliert in eigenen
Worten
6. Zeichnen Sie ein Fliessdiagramm der Stahlherstellung.
7. Was sind die Unterschiede zwischen Roheisen und Stahl? Zählen Sie 3 Unterschiede
auf.
8. Was sind die Unterschiede zwischen Stahl und Edelstahl? Erklären Sie in ganzen
Sätzen zwei wichtige Unterschiede.
9. Wieso enthält Edelstahl Chrom?
10. Wieso enthält Edelstahl Molybdän?
11. Wie heisst die teuerste Oberflächenbehandlung von Edelstahl?
12. Erklären Sie in eigenen Worten den Begriff „Passivschicht von Edelstahl“
Nichteisenmetalle
1. Was passiert mit Kupfer an der Luft?
2. Zählen Sie 4 Eigenschaften von Kupfer auf.
3. Wieso werden Kupfer und Kupferlegierungen heute nur noch für ganz spezielle
Zwecke in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt?
4. Wie heisst der Rohstoff für die Aluminiumherstellung?
5. Wieso ist Kryolith für die Herstellung von Aluminium so wichtig?
6. Zählen Sie 6 Eigenschaften von Aluminium auf.
7. Die Aluminium Herstellung belastet die Umwelt. Nennen sie zwei Faktoren welche
die Umwelt belasten.
8. Wieso ist Aluminium korrosionsbeständig, obwohl es ein sehr unedles Metall ist?
LMT
30
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
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9. Zählen Sie drei Lebensmittel oder Getränke auf, die mit Aluminium nicht in Kontakt
kommen dürfen.
Glas und Email
1. Zählen Sie 6 Eigenschaften von Glas auf.
2. Was genau ist Glas eigentlich? Erklären Sie stichwortartig.
3. Zählen Sie die Rohstoffe die für die Herstellung von Verpackungsglas benötigt
werden.
4. Wieso ist Braunglas braun und Grünglas grün?
5. Was ist ein „Glaskülbel“?
6. Wieso muss der heisse Glasbehälter im Kühlofen langsam abgekühlt werden?
7. Was ist Email?
8. Zählen Sie die Vor- und Nachteile von Emailierten Behältern auf.
Kunststoffe
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Was versteht man unter einem Elastomer?
Welche Kunststoffe werden im Behälterbau eingesetzt?
Welche Kunststoffe werden im Rohrleitungsbau eingesetzt?
Zählen Sie drei Kunststoffe auf, die nicht lösungsmittelbeständig sind.
Zählen Sie zwei Kunststoffe auf, die sehr gut säure- und Laugenbeständig sind.
Welcher Kunststoff entwickelt beim Verbrennen giftige Salzsäuregase?
Welche Kunststoffe vertragen Temperaturen von über 100°C nicht?
(Metalle, Glas, Email, Kunststoffe)
31
LMT