Einleitung
Wenn es um sensorische Spielmaterialien geht, bieten kinetischer Sand und Spielknete Kindern deutlich unterschiedliche Erfahrungen – beide sind auf ihre Weise faszinierend. Obwohl sie auf den ersten Blick ähnlich erscheinen, unterscheiden sie sich erheblich in ihrer Zusammensetzung und ihren physikalischen Eigenschaften.
Kinetischer Sand ist eine Dispersion aus Sandpartikeln, in der der Sand in einer geringen Menge Polymer (PDMS – Polydimethylsiloxan) verteilt ist. Dadurch weist er ein einzigartiges fließähnliches Verhalten auf und behält gleichzeitig die körnige Textur von Sand bei. Bei Bewegung verhält er sich fast wie eine langsam fließende Flüssigkeit, sodass Kinder ihn leicht formen, schneiden und zerbröckeln können. Seine Zusammensetzung kommt der maximalen Packungsdichte nahe, das heißt, die Sandpartikel sind dicht gepackt und enthalten gerade genug Bindemittel, um Bewegung als auch Haftung zu ermöglichen, ohne zusammenzufallen.
Im Gegensatz dazu ist Spielknete (ebenfalls auf PDMSBasis) in der Regel eine Dispersion von Pigmentpartikeln in einem viskoelastischen Medium. Sie dehnt sich, springt und kann bei plötzlicher Krafteinwirkung sogar reißen. Im Gegensatz zu kinetischem Sand hat Spielknete einen viel geringeren Feststoffanteil mit deutlich kleineren Partikeln, was zu einem flüssigeren und elastischeren Verhalten führt.
Obwohl sowohl kinetischer Sand als auch Spielknete als Dispersionen klassifiziert werden, weisen sie eine vollkommen unterschiedliche Zusammensetzung auf. Mittels rheologischen Untersuchungen können die einzigartigen Eigenschaften von kinetischem Sand und Spielknete sowie deren Abhängigkeit von der Art und Weise, wie sie benutzt werden.
Messergebnisse und Diskussion
In Abbildung 1 sind die Kurven eines an der Spielknete durchgeführten Frequenzsweeps dargestellt.
Während G' (der elastische Schubmodul) die feststoffähnlichen Eigenschaften des Materials beschreibt, bezieht sich G" (der viskose Schubmodul) auf seine flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften. Der Phasenwinkel δ beschreibt die Verschiebung zwischen der angewandten Oszillationsdeformation und der resultierenden Schubspannung. Er ist definiert als:
Der Phasenwinkel variiert zwischen 0° für ein perfekt elastisches Material und 90° für ein perfekt viskoses Material.
Bei hohen Frequenzen ist der elastische Schubmodul größer als der viskose Schubmodul. Daher zeigt das Material bei schnellen Schwingungen (die mit kurzen Zeitskalen oder schnellen Bewegungen verbunden sind) ein feststoffähnliches Verhalten.
Bei 3 Hz, was einem Phasenwinkel von 45 ° entspricht, ist ein Crossover zwischen G" und G' zu beobachten. Bei niedrigeren Frequenzen, die auf langsamere Bewegungen hindeuten, zeigt die Spielknete ein Fließverhalten.
Abbildung 2 zeigt das frequenzabhängige Verhalten des elastischen Schubmoduls (G'), des viskosen Schubmoduls (G") und des Phasenwinkels (δ) für kinetischen Sand. Über den gesamten gemessenen Frequenzbereich weist das Material überwiegend feststoffähnliche Eigenschaften auf. Dies zeigt sich in den durchweg niedrigeren Phasenwinkelwerten (unter 45 °) sowie der Dominanz von G' gegenüber G" während der gesamten Messung.
Fazit
Frequenzsweeps werden zur Vorhersage des Materialverhaltens über kurze oder lange Zeiträume herangezogen. Die aus den Untersuchungen an Spielknete und kinetischem Sand gewonnenen Kurven lassen sich mit den sensorischen Erfahrungen der Personen in Verbindung bringen, die das Material verwenden. Kinetischer Sand ermöglicht die Konstruktion von Formen oder Strukturen, die ihre Form beibehalten. Spielknete fließt fortlaufend und nimmt nach Gebrauch die Form ihres Behälters an.