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Glas

Mat-Lenses

 

Definition

Glas ist eine amorphe, das heißt im wesentlichen nichtkristalline Substanz. Thermodynamisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Die Definition des Glaszustands trifft in dieser Form für alle Substanzen zu, die geschmolzen und entsprechend schnell abgekühlt werden. Während des Erstarrungsvorgangs bilden sich in der Schmelze zwar Kristallkeime, für den Kristallisationsprozess bleibt jedoch nicht genügend Zeit, da das Glas erstarrt, bevor eine Kristallbildung möglich ist. Viele Kunststoffe fallen wegen ihrer thermodynamischen Eigenschaften ebenfalls in die Kategorie Gläser, obwohl sich ihre chemische Zusammensetzung völlig von der der Silikatgläser unterscheidet.


 

 

Wesentliche Elemente und Verbindungen

Neben Kalk-Natron-Glas, das dem gewöhnlichen Gebrauchsglas entspricht, gibt es Quarzglas aus reinem Siliciumdioxid, Bleiglas für z. B. Kristalltrinkgläsern, Fernsehtrichter und optische Linsen. Das Blei im Glas schirmt die elektromagnetische Strahlung ab, hat eine hohe Brechzahl und eine gleichmäßige Dispersion. Wasserglas ist wasserlöslich. Borosilikatglas ist insbesondere chemisch resistent und wird bei Laborgeräten, Kochgeschirr, aber auch optischen Gläser verwendet. Borphosphatglas (Bortrioxid, Phosphorpentoxid) und Alumosilikatgläser sind weitere Spezialgläser. Zu der Gruppe der nichtoxidischen Gläser gehören unter anderem Fluoridgläser und Chalkogenidgläser in der Infrarotoptik. Als Sonderfall in dieser Einordnung muss man Glaskeramik begreifen. Es wird als Glas produziert, durch die Wärmenachbehandlung wird teilweise Rekristallisierung erzielt. So ist es streng genommen kein Glas mehr, sondern ein Glas-Kristall-Mischkörper.

Die nachfolgende Tabelle enthält die ungefähren Zusammensetzungen wichtiger Gläser. Die Angaben sind in Gewichtsprozent.

Tabelle 7a: ungefähre Zusammensetzung wichtiger Glassorten

 

Glasart

SiO2

Al2O3

Na2O

K2O

MgO

CaO

B2O3

Quarzglas

100

 

 

 

 

 

 

Kalk-Natron-Glas

72

2

14

 

 

10

 

Floatglas

72

1,5

13,5

 

3,5

8,5

 

Bleikristallglas

60

8

2,5

12

 

 

 

Laborglas

80

3

4

0,5

 

 

12,5

E-Glas

54

14

 

 

4,5

17,5

10

Email

40

1,5

9

6

1

 

10

Chalkogenid-glas1

 

 

 

 

 

 

 

Chalkogenid-glas2

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabelle 7b: ungefähre Zusammensetzung wichtiger Glassorten (Fortsetzung)

 

Glasart

PbO

TiO2

F

As

Se

Ge

Te

Quarzglas

 

 

 

 

 

 

 

Kalk-Natron-Glas

 

 

 

 

 

 

 

Floatglas

 

 

 

 

 

 

 

Bleikristallglas

17,5

 

 

 

 

 

 

Laborglas

 

 

 

 

 

 

 

E-Glas

 

 

 

 

 

 

 

Email

4

15

13

 

 

 

 

Chalkogenidglas1

 

 

 

12

55

33

 

Chalkogenidglas2

 

 

 

13

32

30

25

 

 

Glas-Zuschlagstoffe sind unter anderem:

 

Verminderung des Schmelzpunkts

  • Zinkoxid

  • Thallium

Veränderung der Brechzahl

  • Bariumoxid

  • Blei (absorbiert auch Strahlung)

Trübungsmittel

  • Zinndioxid

  • Calciumphosphat

  • Fluorid für Opalglas

  • Zirkoniumdioxid

 

  • Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert.

  • Boroxid verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften.

  • Aluminiumoxid erhöht die Bruchfestigkeit

Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu beeinflussen. Zur Glasfärbung erfolgt die Beimischung von Metallen in Form von Nanopartikeln, (rund 0,1%) in die Glasschmelze. Die am häufigsten verwendeten Metalle sind Gold und Silber in einer Korngröße von einigen Nanometern. Weiters entscheidend ist die Form der Partikel, z. B. prolat, sphärisch oder oblat. Die unterschiedlichen Farben bei Reflexion bzw. Transmission werden durch die Nanopartikel beeinflusst.

Entfärben

Für die Entfärbung von Gläsern, die durch Verunreinigungen ihrer Rohstoffe verursacht sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man zur Beseitigung von Farbstichen die komplementäre Farbe. Entfärbemittel werden Glasmacherseifen genannt.

  • Eisenoxide: Färben je nach Wertigkeit des Eisenions grün-blaugrün oder gelb und in Verbindung mit Braunstein gelb sowie braun-schwarz.

  • Kupferoxide: zweiwertiges Kupfer färbt blau, einwertiges färbt rot, daraus ergibt sich das so genannte Kupferrubinglas.

  • Chromoxid: Wird in Verbindung mit Eisenoxid oder allein für die Grünfärbung verwendet.

  • Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelb- oder Grünfärbung (so genanntes Annagelb- oder Annagrün-Glas) mit grüner Fluoreszenz unter UV-Licht. Solche Gläser wurden vor allem in der Zeit des Jugendstils hergestellt. In England und Amerika ist diese Glassorte auch als "uranium glass" oder "vaseline glass" bekannt. Aufgrund der Radioaktivität des Urans wird es heutzutage nicht mehr verwendet.

  • Kobaltoxid: färbt intensiv blau und wird auch für die Entfärbung verwendet.

  • Nickeloxid: violett, rötlich auch für die Graufärbung und zur Entfärbung

  • Manganoxid (Braunstein) als Glasmacherseife zur Entfernung des Grünstichs

  • Selenoxid: färbt rosa und rot, die rosa Färbung wird als Rosalin bezeichnet, während die rote als Selenrubin bezeichnet wird.

  • Silber: ergibt feines Silbergelb

  • Indiumoxid: gelb bis bernsteinorange

  • Neodym: rosa bis purpur, lila.

  • Praseodym: grün

  • Samarium: gelb

  • Europium: intensiv rosa

  • Gold: Wird erst in Königswasser aufgelöst und färbt rubinrot, eine der teuersten Glasfärbungen Goldpurpur.I

 

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Herstellungsprozesse

Gewöhnlich wird Glas durch Schmelzen erzeugt, die Bildung von Glas ist aber auch durch die Erwärmung von Sol-Gel möglich und durch Schockwellen. Der Transformationsbereich, das ist der Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600 °C. Trotz des nicht definierten Schmelzpunkts ist Glas ein Festkörper.

 

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Typische Eigenschaften

  • Strahlungsdurchlässigkeit: Röntgenstrahlen: Hoch, Ultraviolett: Hoch, Licht: Hoch, Infrarot: Hoch

  • Geruch: Geruchlos; nNimmt fremde Gerüche nicht auf

  • Feuchtigkeit: bei dauernder Feuchtigkeit wird Glas 'blind'

  • Laugen- und Säurenresistenz: sehr gut; nur drei Säuren greifen die Glasoberfläche an

  • Reinigung: einfach, mit Wasser

  • Dichte: 2,5 g/cm2

  • Erweichungstemperatur: typisch 600°C

  • Schmelztemperatur: typisch 1032°C

  • Biegefestigkeit: 30 - 100 N/mm2

  • Druckfestigkeit: 700 - 900 N/mm2

  • Elastititätsmodul: 7,3.10(4)

  • Ritzhärte (nach Mohs): 5-6

  • Längenausdehnungskoeffizient: 9,0 x 10^-(6)

  • Wärmeleitfähigkeitskoeffizient: 1,0 W/mK

  • Maximale Gebrauchstemperatur: 200°C (langzeitig), 300°C (kurzzeitig)

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Anwendungen

Die im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutungstragende Eigenschaft von Glas ist die optische Durchsichtigkeit. Die optischen Eigenschaften sind so vielfältig wie die Anzahl der Gläser. Neben klaren Gläsern, die in einem breiten Band für Licht durchlässig sind, kann man durch Zugabe von speziellen Materialien zur Schmelze die Durchlässigkeit blockieren. Zum Beispiel kann man optisch klare Gläser für infrarotes Licht undurchdringbar machen, die Wärmestrahlung ist blockiert. Die bekannteste Steuerung der Durchlässigkeit ist die Färbung. Es können die verschiedensten Farben erzielt werden. Andererseits gibt es undurchsichtiges Glas, das schon aufgrund seiner Hauptkomponenten oder der Zugabe von Trübungsmitteln opak ist.

Gebrauchsglas hat eine Dichte von ca. 2500 kg/m3 (2,5 g/cm3). Die mechanischen Eigenschaften variieren sehr stark. Die Bruchfestigkeit z. B. wird stark von der Qualität der Oberfläche bestimmt. Glas ist weitgehend resistent gegen Chemikalien. Eine Ausnahme ist Flusssäure; sie löst das Siliziumdioxid und wandelt es zu Hexafluorokieselsäure. Bei Raumtemperatur hat Glas einen hohen elektrischen Widerstand, der allerdings mit steigender Temperatur stark abfällt, sofern es sich nicht um reines Quarzglas handelt.

 

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