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Diffusion – oder warum ein Kunststoffeimer voll mit Wasser nicht nur wegen des Wasserdruckes größer wird

Diesen Vorgang nennt man Diffusion. Diffusion findet aber auch bei Festkörpern statt, so dringen die Wassermoleküle in unseren Kunststoffeimer ein, der Kunststoff quillt auf, bis er gesättigt ist. Satt ist er dann, wenn er keine Moleküle mehr mag.  

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Diesen Vorgang nennt man Diffusion. Diffusion findet aber auch bei Festkörpern statt, so dringen die Wassermoleküle in unseren Kunststoffeimer ein, der Kunststoff quillt auf, bis er gesättigt ist. Satt ist er dann, wenn er keine Moleküle mehr mag.  
Ich kenn das vom Schnitzelessen, eine gewisse Menge geht, aber dann ist gut. 

Fällt ein Kunststoffbauteil aus der Spritzgussmaschine, ist der Kunststoff noch hungrig nach Wasser. In diesem trockenen Zustand ist der Werkstoff spröder, steifer und fester. Liegt das Kunststoffbauteil nun eine Weile rum, nimmt er aus der Umgebung Wasser auf, es quillt auf. Wie wir bei zu viel Schnitzeln auch.  
Was darüber hinaus aber passiert: der E-Modul des Kunststoffs wird kleiner und die Festigkeitswerte sinken. Und es entstehen Spannungen! 

Konzentrationsunterschiede in einer Flüssigkeit oder einem Gas mag die Natur nicht. Da sich bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunktes die Atome alle bewegen, kommt es ohne äußeres Zutun zu einem Ausgleich der Konzentrationsunterschiede, bis alles schön gleichmäßig verteilt ist. 

Diese Aspekte sollte man bei der Auslegung von Kunststoffbauteilen also berücksichtigen, zumindest aber sollte man ihn kennen. 

Neben den mechanischen Belastungen werden Kunststoffteile auch Umwelteinflüssen ausgesetzt. Diese Umwelteinflüsse können durch chemische Wechselwirkung mit den berührenden Medien (Kraftstoff im Tank), durch Strahlung (z.B. UV-Strahlung), sowie Temperatur verursacht werden. Der Vorteil bei Kunststoffen ist, dass diese durch Additive entsprechend der Beanspruchung designt werden können.  
Wir können also bestimmen, wieviel Schnitzel reinpassen. 

Wie aber lässt sich sowas berechnen?  

Das Universum ist manchmal komplex und manchmal simpel. Diffusion verhält sich wie Wärme. Treibender Faktor ist statt der Temperatur nun die Konzentration, die Wärmekapazität entspricht dem Sättigungswert und die Wärmeleitzahl dem Diffusionskoeffizienten. 

Und schon können wir auch mit einem Standard-FE-Solver berechnen, was unser Eimer macht. Die notwendigen Werte finden wir in der Literatur. Schön, wenn dann ein Versuch zeigt, dass wir richtig gerechnet haben. 

Wer es technisch genauer wissen möchte, kann sich gern bei meinem Dr. Brehm melden.  

Ein bereits zu diesem Thema geplanter Vortrag von ihm wurde leider vom Veranstalter Corona-bedingt abgesagt. Er freut sich also, wenn er sein Wissen an Sie weitergeben darf. 
Mehr zum Thema Kunststoffe finden Sie zudem hier

Ich bin hier nur für das Grobe zuständig. 

Ihr Stefan Merkle 

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