Stoffe, die verbinden Klebstoffe

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1 3 Stoffe, die verbinden Klebstoffe Marco Spurk Empfohlenes Schuljahr Zeitrahmen Name der thematischen Einheit 4 45 min. Ziel und Kompetenzentwicklung Die Schüler lernen, wie ein Klebstoff funktioniert. Adhäsion und Kohäsion sind hierbei Begriffe, deren Verständnis das Grundprinzip des Klebens verdeutlichen. Festigung und Anwendung des Erlernten durch Herstellung eines Klebstoffes und Entwicklung einer Prüfvorrichtung zur Messung der Haftkraft. Fächerübergreifende Beziehungen Informationsbeschaffung in Literatur und Internet Planung und Realisierung einer Messeinrichtung Naturwissenschaftliche Denkweise Problemlösekompetenz Teamfähigkeit

2 4 A Holz, Metalle und Kunststoffe A 2.1 Theoretische Einführung Die Technik des Klebens ist heute überall anzutreffen. Ob man noch schnell eine Notiz an die Tür klebt oder ein Foto einklebt, die Schuhe anzieht, das Handy nutzt. Wenn man sich aufmerksam umsieht, sind überall Produkte finden, die ohne geeignete Klebstoffe auseinanderfallen würden. Tapeten, Flaschenetiketten, Möbel, Fliesen, Pflaster, um nur Einige zu nennen. Aber nicht nur im Haushalt oder der Schule, auch in der Industrie werden Klebstoffe immer öfter eingesetzt. Viele Hightech-Werkstoffe werden geklebt und können überall dort eingesetzt werden, wo Gewichtsersparnis und Beständigkeit eine große Rolle spielen. So sind für die Rotorblätter der gigantischen Windkraftanlagen extrem belastbare und flexible Klebstoffe entwickelt worden, die Umlaufgeschwindigkeiten von bis zu 300 km/h aushalten. Auch in der Flugzeug- und Autoindustrie wurde die Entwicklung von neuen leichteren Verbundwerkstoffen erst durch passende Klebstoffe möglich. Dadurch bieten sich vielfältige Möglichkeiten für die Einführung des Themas in den Unterricht. Methodischer Teil für Lehrer Themenziele 1. Doppelstunde Einführung 20 Min. Lehrer-Schüler-Gespräch Versuch 1 40 Min. Gruppenarbeit 2 Pers Versuch 1 Arbeitsauftrag: Lehrtext für Schüler 20 Min. Einzelarbeit 2. Doppelstunde Wiederholung der Inhalte aus der 1 Doppelstunde 10 Min. Lehrer-Schüler-Gespräch Versuch 2 Vorbereitung und Kleber herstellen 15 Min.Gruppenarbeit 2 Pers Versuch 2 Prüfvorrichtung entwickeln 15 Min. Gruppenarbeit 2 Pers Versuch 2 Messung 20 Min. Gruppenarbeit 2 Pers Versuch 2 Verkleben verschiedener Materialien 15 Min. Gruppenarbeit 2 Pers Abschlussbesprechung 10 Min. Lehrer-Schüler-Gespräch

3 5Lösungen und Anweisungen für Lehrer Stoffe, die verbinden Klebstoffe Einführung (ca. 20 min.) Lehrer-Schüler-Gespräch Alle SuS kennen bereits verschiedene Klebstoffe und nutzen diese ständig. Diese Vorkenntnisse und Erfahrungen ermöglichen einen leichten Einstieg (siehe auch: Theoretische Einführung ). Dabei bieten zahlreiche Beispiele aus dem Alltag eine Einstiegsmöglichkeit. Eine Sammlung verschiedener käuflicher Klebstoffprodukte zeigt den SuS, dass es für fast jedes Material einen geeigneten Klebstoff gibt (Holzleim, Porzellankleber, Kunststoffkleber u.v.a.). Auch gibt es verschiedene Klebstoffe bezüglich ihrer Tragfähigkeit, also ob die verklebten Werkstücke nicht mehr voneinander trennbar sind oder ob sie sich leicht wieder trennen lassen wie z. Bsp. Notizzettel. Neben dem Alltäglichen aus dem Umfeld der Schüler können auch ungewöhnliche Beispiele aus der Natur und Technik gezeigt werden. So ist es erstaunlich, dass an vielen Hochhäusern die Glasverkleidungen nur noch verklebt werden oder Muscheln, die sich trotz unendlicher Brandung am Fels festgeklebt haben mit selbst hergestelltem Klebstoff. Versuch 1 (ca. 20 min.) Gruppenarbeit (2 Personen) In diesem Versuch soll das Grundprinzip des Klebens, das im Wesentlichen mit den Begriffen Adhäsion, Kohäsion und Benetzbarkeit einhergeht, den SuS schrittweise nahegebracht werden. Einerseits gibt es Kräfte zwischen Klebstoff und Fügeteil (Adhäsion) und andererseits Kräfte innerhalb des Klebstoffs (Kohäsion). Nur wenn sowohl die Adhäsion als auch die Kohäsion groß ist, kann von einer guten Verklebung gesprochen werden. Die Benetzbarkeit ist wichtig, um eine guten Kontakt zwischen dem Klebstoff und dem Fügeteil herzustellen. Folgende Beobachtungen können von den SuS gemacht werden: Wasser, Öl und Honig haben unterschiedliche haftende Eigenschaften. Einerseits haben wir Wasser, dessen innere Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen größer sind als die Anziehungskräfte zwischen Wasser- und Glasmolekülen, die Kohäsion des Wassers ist also größer als die Adhäsion von Wasser zu Glas. Dies kann dadurch erkannt werden, dass ein Wassertropfen, wenn er auf Glas gegeben wird, als Tropfen bestehen bleibt und nicht auseinander fließt. Man spricht hier auch von einer schlechten Benetzbarkeit. Der Kraftaufwand für das Trennen der beiden Objektträger ist gering in Zugrichtung und sehr gering in Scherrichtung. Öl verhält sich vergleichsweise anders. Der Öltropfen auf Glas verteilt sich gut, die Benetzbarkeit ist also besser, was dafür spricht, dass die Kohäsion zwischen Ölmolekülen und Glasmolekülen größer als bei Wasser und Glas ist. Auch die inneren Anziehungskräfte zwischen den Ölmolekülen sind größer als zwischen Wassermolekülen. Dies führt dazu, dass insbesondere in Scherrichtung mehr Kraft aufgewandt werden muss als beim Wasser. Auch in

4 6 A Holz, Metalle und Kunststoffe A 2.1 Lösungen und Anweisungen für Lehrer Zugrichtung sind größere Kräfte notwendig, um die Objektträger zu trennen. Öl ist daher ein besserer Klebstoff als Wasser. Im Vergleich zu den beiden Flüssigkeiten hat Honig die größten inneren Anziehungskräfte und auch die Adhäsion zum Glas ist größer. Dies kann durch den Kraftaufwand erkannt werden, wenn die Objektträgerwieder getrennt werden. Sowohl in Zug- als auch in Scherrichtung ist der Kraftaufwand im Vergleich zu Wasser und Öl am größten. Honig ist daher im Vergleich zu Öl und Wasser der beste Klebstoff. Da die Benetzbarkeit in diesem Experiment sehr gut beobachtet werden kann, ist es wichtig die SuS darauf hinzuweisen, damit sie diese gezielt beobachten. Im Zusammenhang mit der Benetzbarkeit kann auch auf ein Problem bei der Herstellung eines Klebstoffes hingearbeitet werden: Eine gute Benetzbarkeit kann durch einen dünnflüssigen Klebstoff erreicht werden, Flüssigkeiten haben aber nur eine geringe Kohäsion und können daher keine festen Verbindungen herstellen. Feste Klebstoffe haben eine hohe Kohäsion, aber nur eine sehr schlechte Benetzung und können daher nur schlecht eine Verbindung mit anderen Materialien eingehen. Wie kann dieser Widerspruch gelöst werden? Die Lösung ist die Zeit: Der Klebstoff wird so hergestellt, dass er anfänglich dünnflüssig ist, also eine gute Benetzung aufweist und erst anschließend aushärtet, also eine hohe Kohäsion ausbildet. Dadurch kann der noch flüssige Klebstoff leicht aufgebracht werden und durch die hohe Benetzung eine große Kontaktfläche herstellen. Die Fügeteile können auch noch während der Abbindezeit ausgerichtet werden. Anschließend härtet der Klebstoff aus und es wird eine dauerhafte Verbindung zwischen den Fügeteilen hergestellt. Da die Benetzung so wichtig ist, kann erklärt werden, warum beim Kleben die Behandlung der Oberflächen der Fügeteile eine so wichtige Rolle spielt. Dies ist genauso wichtig wie die richtige Wahl des Klebstoffes, die abhängig vom Material der Fügeteile ist. Das Entfernen von Verunreinigungen ermöglicht den Kontakt mit Fügeteil, das Aufrauen der Oberfläche durch Schleifen führt zu einer Oberflächenvergrößerung und die Verwendung von Klebstoffen, die aus gleichem Material aufgebaut sind wie das Fügeteil erhöht die Benetzung und führt so zu einer stabilen Klebeverbindung. Als Merksatz sollte die SuS folgendes notieren: Je größer die beide Anziehungskräfte Adhäsion und Kohäsion sind desto besser ist die Verklebung. Eine gute Benetzung ist notwendig, damit eine gute Kohäsion stattfinden kann.

5 7Lösungen und Anweisungen für Lehrer Stoffe, die verbinden Klebstoffe Arbeitsauftrag am Ende von Versuch 1 Nachdem der Versuch 1 abgeschlossen ist, sollen die SuS den Lehrtext für Schüler durchlesen und sich darüber klar werden, wo in ihren soeben durchgeführten Versuch Adhäsion, Köhasion und Benetzung stattgefunden hat. Definition von Klebstoff nach DIN EN 923: Ein Klebstoff ist ein nichtmetallischer Werkstoff der Fügeteile durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden kann ( de/-kleben in Industrie und Handwerk). Schlüsselbegriffe für das Verständnis sind daher Adhäsion und Kohäsion. Adhäsion (lat.: adhaerere-anhaften) entsteht durch Anziehungskräfte zwischen den Kontaktflächen zweier Stoffe, also Kräfte zwischen den Oberflächen von Stoffen (z. Bsp. dem Klebstoff und dem Fügeteil, Wasser und Glas, Gecko und Wand). Kohäsion (lat.: cohaerere-zusammenhängen) entsteht durch Anziehungskräfte zwischen den Bestandteilen innerhalb eines Stoffes. Also Kräfte innerhalb eines Klebstoffes oder innerhalb eines Fügeteils. Dies sind beispielsweise Anziehungskräfte innerhalb eines Wassertropfens, die für die runde Form des Wassertropfens sorgen. Bei festen Stoffen sind die Kohäsionskräfte am größten, bei Flüssigkeiten kleiner und bei Gasen am geringsten. Versuch 2 (ca. 65 min) Gruppenarbeit (2 Personen) Welche Kraft hat ein selbstgemachter Magerquark-Klebstoff (Casein-Klebstoff)? Aufgrund der erarbeiteten Erkenntnisse sollen sich Schüler überlegen, wie sie einen Klebstoff herstellen würden, damit zunächst eine gute Benetzbarkeit eintritt und, in einem zweiten, zeitlich verzögertem Schritt, dann eine gute innere Festigkeit ausgebildet wird. Es wird deutlich, dass weitere Faktoren bei der Herstellung eines Klebstoffes eine Rolle spielen. Anfangsfestigkeit, Erreichen der Endfestigkeit, Verarbeitungszeit etc. Je nachdem für welchen Zweck ein Klebstoff benötigt wird, muss dieser durch sorgfältige Auswahl der Zutaten zusammengestellt werden. Daher rührt die immense Auswahl an Klebstoffen, die zu kaufen sind, da Klebstoffe Spezialisten sind. Die Entwicklung eines eigenen Prüfverfahrens, um die Haftkraft des Casein-Klebers mit käuflichen Produkten zu vergleichen, ist ein ganzheitlicher Ansatz, bei dem viele verschiedene Kompetenzen zusammen zu einem Ergebnis führen. Benutze Materialien und Links Quellenverzeichnis Wagner, G., Kleben und Verbinden, NiU Chemie Heft 80, 2004 Quarks et al., Die Kunst des Klebens, WDR Kolín, 2000 Habenicht, Kleben, Springer-Verlag, fonds/schulpartnerschaft/ unterrichtsmaterialien/ unterrichtsmaterialklebstoffe.jsp

6 8 A Holz, Metalle und Kunststoffe A 2.1 Lösungen und Anweisungen für Lehrer Kleben in der Bildenden Kunst Was wären Farben ohne Bindemittel. Malen wie in Australien und Von der Erde zum Bild Lehrtext für Schüler Was bedeutet Kleben? Um zwei Materialien miteinander zu verkleben, müssen ihre Oberflächen sich sehr, sehr nah kommen, denn die Kräfte die dort wirken haben eine unvorstellbar geringe Reichweite. Nur bei einem Abstand von ein paar wenigen Ångström (1 Å = 0, mm = 10 7 mm = m) können die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte wirken, die dafür sorgen, dass sich die winzigen Teilchen aus denen das Material besteht (Atome, Moleküle) gegenseitig anziehen. Auch chemische Bindungen zwischen den Molekülen des Klebers spielen eine Rolle, die ebenfalls nur über eine winzige Reichweite verfügen. Und hier liegt ein Hauptproblem des Klebens. Kaum ein Material hat eine glatte Oberfläche. Unter dem Elektronenmikroskop betrachtet, zeigen selbst glatte Oberflächen wie Glas oder CDs eine bergige Landschaft. Drückt man daher zwei Objektträger aus Glas aufeinander, so berühren sich nur die Gipfel der Landschaft und die Anziehungskräfte zwischen den Gipfeln reichen nicht für eine dauerhafte Verklebung. Objektträger aus Glas Objektträger aus Glas Abbildung 1 Zwei Glasplatten ohne Klebstoff. Die Oberflächen sind bei starker Vergrößerung betrachtet, rauh wie ein Gebirge und haben daher nur wenige Kontaktpunkte an denen die Adhäsionskräfte wirken können. Flüssiger Klebstoff füllt den Zwischenraum aus und sorgt für sehr, sehr viele Kontaktpunkte an denen die Anziehungskräfte wirken. Objektträger aus Glas Klebstoff Objektträger aus Glas Ein flüssiger Klebstoff kann hier Abhilfe schaffen, weil er zwischen den Flächen, die miteinander verklebt werden sollen, vermittelt. Der Kleber fließt bis in die Täler der Landschaft und stellt ausreichend viele Kontaktpunkte

7 9Lösungen und Anweisungen für Lehrer Stoffe, die verbinden Klebstoffe zwischen Klebstoff und Landschaft her. Dasselbe geschieht auf der anderen Seite. Insgesamt erhält man so zwei Flächen, zwischen denen der Klebstoff ausreichend viele Kontaktstellen hergestellt hat, damit die Summe der Kräfte die gewünschte Haftwirkung erzeugen. Dies wird als Adhäsion bezeichnet. Ob ein Klebstoff lückenlos und vollständig in die Landschaft hineinfließen kann und so das Maximum an Kontaktstellen hergestellt werden kann oder ob er nur oberflächlich Kontakt herzustellen vermag, hängt von vielen Faktoren ab. Ein Maß dafür ist die Benetzbarkeit, die sehr gut beim Auftropfen des Klebers auf die Oberfläche beobachtet werden kann. Je mehr der Klebstoff abperlt, desto geringer die Benetzbarkeit und desto geringer die Haftung. Als Faustregel gilt: Je ähnlicher sich die Moleküle von Klebstoff und Material sind, desto besser ist die Benetzbarkeit und desto besser gelingt die Verklebung. Aber solange der Klebstoff flüssig ist, können die Klebeflächen wieder voneinander getrennt werden es ist also noch keine dauerhafte Verbindung hergestellt. Dazu ist die innere Festigkeit des Klebstoffs notwendig: die Kohäsion. Bei vielen Klebern, die lösemittelhaltig sind, sorgen langkettige Moleküle für die Kohäsion. Diese sind im flüssigen Zustand des Klebers frei. Verdampft das Lösungsmittel rücken die Moleküle aneinander und können die oben bereits erwähnten Anziehungskräfte ausbilden. Zusätzlich, da die Moleküle lang sind, verknoten sich diese und sorgen so für feste Verbindungen. Spaghetti kochen ist hier ein anschauliches Modell: Solange die Nudeln im Wasser kochen, sind sie noch frei beweglich. Nachdem das Wasser abgegossen ist, rücken die Spaghetti aneinander und verkleben miteinander. Zusätzlich verknoten sie sich untereinander und geben eine ziemlich feste Verbindung.

8 10 A Holz, Metalle und Kunststoffe A 2.1 ➋ Versuch Wasser, Öl oder Honig, was klebt am besten? Material 1 wasserfester dünner Filzstift 6 Objektträger aus Glas 3 Pipetten Wasser Öl Honig, fließend Durchführung Nimm einen Objektträger und beschrifte ihn am linken Ende mit dem Namen des Klebstoffes (Wasser, Öl oder Honig). Verteile zwei Tropfen des Klebstoffes auf dem Objektträger, einen Tropfen in die Mitte, einen rechts. Beschriftung Lege dann einen zweiten Objektträger auf den mit dem Klebstoff vorbereiteten rechten Teil, so dass sich beide Objektträger zu 2/3 überlappen. Drücke die beiden Objektträger fest aufeinander. Wiederhole dieses mit Öl und Honig. Nimm die mit Wasser verklebten Objektträger und versuche die beiden Objektträger wieder voneinander zu trennen, indem du folgendermaßen vorgehst (Achtung, wenn Glas bricht, kann man sich sehr verletzen!). Lege die miteinander verklebten Objektträger an den Tischrand, so dass der obere Objektträger über den Tischrand hinausragt (siehe Skizze unten). Den unteren Objektträger drückst du mit deinem Finger fest auf den Tisch. Jetzt ziehst du den oberen Objektträger langsam nach oben in Zugrichtung bis die beiden Objektträger sich voneinander lösen.

9 11Versuch Stoffe, die verbinden Klebstoffe Danach drückst du beide Objektträger wieder fest aufeinander und wiederholst den Versuch mit dem Unterschied jetzt waagerecht in Scherrichtung zu ziehen. ➋ Trage zunächst auf ein Blatt Papier in eine Tabelle ein, ob sich die Objektträger sehr schwer, schwer, mittelschwer, leicht oder sehr leicht wieder voneinander trennen ließen. Achte auch darauf, ob Unterschiede bestehen zwischen dem Kraftaufwand in Zug- oder Scherrichtung. Wiederhole dieses mit den Objektträgern die mit Öl und Honig verklebt wurden. Erst nachdem du alle drei Klebstoffe untersucht hast, trägst du deine endgültigen Ergebnisse in die Tabelle unten ein. Klebstoff Wasser Öl Honig Zugrichtung Scherrichtung Welcher der drei Klebstoffe ist der Beste, um Glas miteinander zu verkleben? Welcher der drei Klebstoffe ist der Beste, um Glas miteinander zu verkleben? Alternative Um die Kräfte objektiv zu messen, kann an den oberen Objektträger eine Büroklammer geklebt werden. In diese kann dann ein Kraftmesser eingehängt werden mit dem die auftretenden Kräfte gemessen werden können. Arbeitsauftrag Beim Kleben werden die unterschiedlichsten Materialien miteinander verbunden. Mal so, dass sie wieder voneinander getrennt werden können, mal dauerhaft fest. Allen Klebungen liegen zwei naturwissenschaftliche Phänomene zugrunde, die Adhäsion und die Kohäsion. Finde heraus was diese Begriffe bedeuten, dann weißt du auch, was Kleben bedeutet. Finde auch heraus was Benetzung bedeutet.

10 12 A Holz, Metalle und Kunststoffe A 2.1 ➋ Versuch Informiere dich im Lehrtext für Schüler über die Begriffe Adhäsion, Kohäsion und Benetzung und beantworte folgende Fragen: Wie unterscheiden sich Adhäsion und Kohäsion? Was versteht man unter Benetzung? Wasser, Öl und Honig verfügen über unterschiedliche Adhäsions- und Kohäsionskräfte. Ordne die drei von links (geringe Kräfte) nach rechts (größere Kräfte) so ein, wie du sie im Versuch 1 herausgefunden hast. Kohäsionskräften Adhäsionskräften zu Glas Kraftzunahme von links nach rechts

11 13Versuch Stoffe, die verbinden Klebstoffe Magerquark als Klebstoff ➌ Mischt einen Magerquark-Klebstoff an und probiert aus, ob ihr damit kleben könnt. Vergleicht euren Magerquark-Klebstoff mit anderen käuflichen Klebstoffen. Entwickelt dazu ein Prüfverfahren, mit dem ihr die Festigkeit der Klebstoffe überprüfen könnt. Vergleicht dabei auch die unterschiedlichen Härtungszeiten, die die Klebstoffe benötigen, bis sie fest geworden sind. Material für die Klebstoffherstellung 1 Glas (150 ml) mit verschließbarem Deckel Magerquark Stab zum Umrühren Ammoniumcarbonat Waage Messzylinderu Herstellung des Magerquark-Klebstoffs Beschriftet das verschließbare Glas mit Magerquark-Kleber. Gebt 120 ml warmes Wasser, 25 g Magerquark und 7 g Ammoniumcarbonat hinein, schließt das Glas mit dem Deckel und schüttelt bis keine Klümpchen mehr sichtbar sind. Dann lasst ihr die Mischung 2-3 Minuten quellen. In dieser Zeit könnt ihr das Material für die Konstruktion eines Prüfverfahrens holen: 12 Papierstreifen (ca. 15 cm x 1 cm), die miteinander verklebt werden Pinsel Lineal (bei der Verwendung von kariertem Papier wird dies nicht benötigt) Stoppuhr (Mobiltelefon) Kraftmesser Käuflicher Klebstoff Überlegt euch wie ihr mit diesem Material ein Prüfverfahren durchführen könnt, um die Klebeeigenschaften des Magerquark-Klebers in Scherrichtung (siehe Versuch 1) messen könnt. Vergleicht euren Magerquark-Kleber mit dem gekauften Kleber. Notiert oder skizziert euer Prüfverfahren:

12 14 A Holz, Metalle und Kunststoffe A 2.1 ➌ Versuch Nachdem ihr euch ein Prüfverfahren überlegt habt, könnt ihr mit den Messungen anfangen. 1. Nehmt 6 Papierstreifen und bepinselt exakt 2 cm eines Endes mit dem Magerquark-Klebstoff. 2. Nehmt davon 2 Papiertreifen und drückt die mit Klebstoff versehenen Enden aufeinander. Wiederholt dies 2 Mal, so dass ihr jetzt 3 lange, verklebte Papierstreifen habt. 3. Beschriftet alle 3 Papierstreifen mit Magerquark-Kleber und zusätzlich den 1 Streifen mit Anfangshaftung, den 2. mit 10 Min. und den 3. mit trocken. 4. Beschwert die Papiertreifen, damit die Verklebungen fest aufeinandergepresst werden. 5. Startet eure Stoppuhr. 6. Nehmt den Papierstreifen, der mit Anfangshaftung beschriftet ist, und überprüft die Klebekraft in Scherrichtung (siehe Versuch 1). Notiert das Ergebnis in der Tabelle. Jetzt habt ihr Zeit bis zur nächsten Messung. Diese nutzt ihr, um die Klebestreifen mit dem käuflichen Kleber zu verkleben. Geht dazu genauso vor wie zuvor beschrieben und notiert das Ergebnis für die Anfangshaftung in der Tabelle. Dann könnt ihr die Messung nach der angegebenen Trockenzeit von 10 Min mit eurem Magerquark-Klebstoff durchführen und notieren und nachdem der käufliche Klebstoff 10 Minuten trocknen konnte, könnt ihr auch diesen messen. Nun habt ihr ein wenig Zeit bis zur letzten Messung, die wir trocken genannt haben. Diese sollt ihr durchführen sobald eure Papierstreifen mit dem Magerquark-Klebstoff vollständig getrocknet sind. Das gleiche gilt für den käuflichen Klebstoff. Notiert auch diese Messergebnisse in der Tabelle. Während ihr wartet, überprüft ihr, ob der Magerquark-Klebstoff auch unterschiedliche Materialien miteinander verkleben kann. Probiert aus, ob er Glas mit Papier kleben kann. Ergebnistabelle zum Eintragen der mit dem Kraftmesser gemessenen Kräfte (Einheit nicht vergessen!!!) Magerquark-Kleber Anfangshaftung 10 Min. trocken Käuflicher Kleber Welche Unterschiede konntet ihr feststellen?