Dichte

Dichte

Zur Ermittlung der Dichte sind im Allgemeinen die Masse und das Volumen zu bestimmen.
Die Dichte ρ eines homogenen Körpers ist definiert als das Verhältnis der Masse m zum gesamten Volumen V, d.h.

$\rho \,=\,{\frac {m}{V}}$

Dabei ist V das Volumen der ganzen Stoffmenge, also einschließlich etwaiger Poren. Die so ermittelten Werte werden auch als Rohdichte bezeichnet, wenn man sich jedoch auf das Volumen des Feststoffes allein bezieht, spricht man von Reindichte. Die Rohdichte geschütteter Stoffe wird auch Schüttdichte genannt. Die Dichte hat die Maßeinheit g cm^-3 oder kg m^-3. Zur experimentellen Bestimmung der Dichte werden die bekannten physikalischen Methoden eingesetzt:

• Auftriebsverfahren
• Schwebeverfahren
• Pyknometer und
• Dichtegradientensäule

Kunststoffe besitzen im Vergleich mit anderen Werkstoffen eine relativ geringe Dichte von ungefähr 0,9 g cm^-3 für die Polyolefine PP und PE bis ungefähr 2,3 g cm^-3 für Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Polyolefine schwimmen auf Grund der kleineren Dichte im Wasser und aus diesem Grund ist es auch möglich, sie von anderen Kunststoffen z.B. beim Recycling zu trennen.
Da einige physikalische Eigenschaften eng mit der Dichte gekoppelt sind, z.B. die Kristallinität, kann eine Veränderung dieser Eigenschaften über Dichtemessungen verfolgt werden.

Tabelle: Die Dichte von Kunststoffen im Vergleich zu anderen Werkstoffklassen

Aus der Tabelle ist zu entnehmen, dass die Dichte verschiedener Werkstoffe z.T. um ein Vielfaches höher ist als jene von Kunststoffen. Die größere Dichte anderer Materialien ist auf zwei Ursachen zurückführbar:

• Die einzelnen Atome von Eisen und Aluminium sind mit einer Dichte von 7,8 g cm^-3 bzw. 2,7 g cm^-3 deutlich schwerer als die elementaren Bestandteile von Kunststoffen, wie Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatome.
• Der durchschnittliche Abstand zwischen den Atomen in Kunststoffen ist teilweise größer als in Metallen.

Literaturhinweise

• DIN 1306 (1984): Dichte, Begriffe, Angaben
• DIN EN ISO 1183-1 Normentwurf, (2010-05): Kunststoffe – Verfahren zur Bestimmung der Dichte von nicht verschäumten Kunststoffen – Teil 1: Eintauchverfahren, Verfahren mit Flüssigkeitspyknometer und Titrationsverfahren
• ISO 2781 (2008-05): Elastomere oder thermoplastische Elastomere – Bestimmung der Dichte
• DIN EN ISO 845: Schaumstoffe aus Kautschuk und Kunststoffen – Bestimmung der Rohdichte (ersetzt DIN 53420)
• Michaeli, W., Greif, H., Kaufmann, H., Vossebürger, F.-Z.: Technologie der Kunststoffe. Carl Hanser Verlag München Wien (1992), ISBN 3-446-15821-9 (siehe AMK-Büchersammlung unter H11)
• Woebcken, W. (Hrsg.): Stoeckhert – Kunststofflexikon. Carl Hanser Verlag, München Wien (1998), 9. Auflage , ISBN 978-3-446-17969-1 (siehe AMK-Büchersammlung unter G3)
• Hellerich, W. Harsch, G. Haeule, S.: Werkstoff-Führer Kunststoffe – Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. Carl Hanser Verlag, München Wien (1996), 7. Auflage, ISBN 3-446-17617-9 (siehe AMK-Büchersammlung unter G1)

Dichtebestimmung

Eintauchverfahren

In der DIN EN ISO 1183 [1] werden drei Verfahren zur Bestimmung der Dichte von nicht verschäumten Kunststoffen festgelegt, die in Form von blasenfrei geformten oder extrudierten Erzeugnissen vorliegen. Hohlräume wie Löcher oder Gasblasen verfälschen das Messergebnis. Die in der Norm aufgeführten Verfahren sind:

• Bestimmung der Dichte nach dem Eintauchverfahren für Halbzeuge und Formteile (Auftriebsmethode) – Verfahren A
• Bestimmung der Dichte mit dem Flüssigkeitspyknometer für Teilchen, Pulver, Flocken, Granulat oder zerkleinerte Fertigteile – Verfahren B
• Titrationsverfahren für blasenfreie Kunststoffe in jeder Form – Verfahren C
Bestimmung der Dichte mit dem Eintauchverfahren (Verfahren A) Die Prüfung erfolgt auf Analysenwaagen oder besonderen zur Bestimmung der Dichte konstruierten Geräten mit einer Messgenauigkeit von 0,1 mg. Neben dem Behälter für die Eintauchflüssigkeit wird noch ein Pyknometer mit seitlicher Überlaufkapillare zur genauen Ermittlung der Dichte der Prüfflüssigkeit, meist frisch destilliertes Wasser oder deionisiertes Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit mit einem Masseanteil von nicht mehr als 0,1 % eines Benetzungsmittels zur Unterstützung beim Abtrennen von Luftbläschen benötigt.
Zunächst wird die Masse m_A der Probe durch Wiegen in Luft bestimmt, dann die Masse m_IL der Probe durch Wiegen in der Prüfflüssigkeit. Die Temperatur der Eintauchflüssigkeit muss 23±2°C oder 27±2°C betragen.
Die Dichte ρ_S des Probekörpers bei 23°C (oder 27°C), in Gramm je Kubikzentimeter, wird nach folgender Gleichung berechnet: Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle Formel hier einfügen} Dabei ist

mA	die Masse der Prüfkörper in Luft, in Gramm
mIL	die Masse der Probekörper in der Eintauchflüssigkeit, in Gramm
ρIL	die vom Lieferer bescheinigte oder experimentell bestimmte Dichte der Eintauchflüssigkeit bei 23°C (oder 27°C), in Gramm je Kubikzentimeter

Bei Probekörpern, deren Dichte geringer ist als die der Eintauchflüssigkeit, darf die Prüfung in genau der gleichen Weise durchgeführt werden, wie oben stehend beschrieben, jedoch mit folgender Ausnahme: ein Senkkörper aus Blei oder einem anderen Material mit hoher Dichte wird so an einem Draht befestigt, dass der Senkkörper wie der Probekörper beim Eintauchen unter dem Flüssigkeitsspiegel ruht. Der Senkkörper darf als Teil des Aufhängedrahtes betrachtet werden. In diesem Fall muss die Dichte des Prüfkörpers nach folgender Gleichung berechnet werden:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://de.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle Formel hier einfügen}

Dabei ist

mK,IL	die Masse des Senkköpers beim Eintauchen in die Flüssigkeit, in Gramm;
mS+K,IL	die Masse der Probekörper und des Senkkörpers beim Eintauchen in die Flüssigkeit, in Gramm

Die Indizes sind aus dem Englischen abgeleitet und bedeuten S für Specimen, IL für immersion liquid und A für air.

Die Dichte von Gießharzen, Pressstoffen und gefüllten Thermoplasten werden stark von der Füllstoffart und dessen Anteil verändert. Daher ist für solche Formstoffe keine Aussage über die Dichte des Grundwerkstoffs möglich, es sei denn, dass nach einer Veraschung die Rückstände vollständig erfasst sind. Der Einfluss von Farbstoffzusätzen (rd. 0,5 bis 1,5 %) ist relativ gering und wirkt sich höchstens bis 0,01 g/cm3 als Erhöhung der Dichte aus [2].


Literaturhinweise

[1] DIN EN ISO 1183-1 (2010-05): Kunststoffe – Verfahren zur Bestimmung der Dichte von nicht verschäumten Kunststoffen – Teil 1: Eintauchverfahren, Verfahren mit Flüssigkeitspyknometer und Titrationsverfahren

[2] Hellerich, W., Harsch, G., Haenle, S.: Werkstoff-Führer Kunststoff–Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. Carl Hanser Verlag München Wien, 1996

Titrationsverfahren

Flüssigkeitspyknometer