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Glas

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Einordnung: Werkstoff | Stoffgemisch

Unter Glas (soviel wie "glasa", germanisch für Bernstein; das Glänzende oder Schimmernde) versteht man einen amorphen Feststoff. Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine röntgenamorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als eingefrorene unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und mit einer entsprechend hohen Geschwindigkeit abgekühlt werden.

Glas entsteht, wenn eine Schmelze so schnell abkühlt, dass sich im wesentlichen keine kristalline Struktur ausbilden kann. Das bedeutet, dass sich bei der Entstehung von festem Glas aus einer Schmelze die Geschwindigkeiten der Kristallkeimbildung und die des Kristallwachstums so zueinander verhalten müssen, dass sich zwar Kristallkeime bilden können, aber aufgrund des Erstarrens der Schmelze für das eigentliche Kristallwachstum nicht genügend Zeit vorhanden ist.

Im engeren Sinne versteht man unter Glas aber vor allem erstarrte anorganische Schmelzen auf der Basis von Siliziumdioxid (SiO2) das heißt vor allem aus Quarzsand und Zusatzstoffen wie Soda (Natriumcarbonat, Na2CO3) und früher auch Pottasche (Kaliumcarbonat, K2CO3), Manganoxid und Metalloxiden. Durch die Beimengung dieser Zusätze lassen sich die Eigenschaften des Glases beeinflussen.

Daraus ergibt sich eine Abgrenzung zum Kunststoff, der zwar die oben genannten Definition erfüllen kann, aber im Grunde aus Kohlenwasserstoffverbindungen besteht und organischen (siehe auch organische Chemie) Ursprungs ist, er darf darum nicht als Glas im engeren Sinn bezeichnet werden.

Viele Glassorten sind klar beziehungsweise durchsichtig, das bedeutet, dass sie für sichtbares Licht durchlässig sind. Im Allgemeinen sind es solche Gläser, die mit dem Begriff als erstes in Verbindung gebracht werden. Extrem klares Glas kann so transparent sein, dass infrarotes Licht über viele Kilometer durch Glas in Form von Glasfaserkabeln geschickt werden kann. Viele Glassorten sind allerdings undurchlässig für UV-Strahlung.

Glas kann aber auch opak sein und alle anderen Färbungen aufweisen, es ist meist hart, chemisch weitgehend träge und biologisch inaktiv, es kann bestimmte Wellenlängen absorbieren (Filterglas), außerdem können sehr glatte und undurchlässige Glasoberflächen hergestellt werden. Im Allgemeinen ist nur die Reaktion zwischen Glas und Fluorwasserstoffsäure industriell von Bedeutung.

Inhaltsverzeichnis
1 Herstellung
2 Verarbeitung
3 Glasfärbung und Entfärbung
4 Einstellung der Glaseigenschaften
5 Einteilung der Gläser

5.1 Natürliches Glas
5.2 Künstliches Glas

5.2.1 Einteilung nach äußeren Merkmalen
5.2.2 Einteilung nach Anwendungsbereichen
5.2.3 Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

6 Geschichte des Glases
7 Beispiele für Erzeugnisse aus Glas
8 Ist Glas flüssig?

8.1 Belege dafür, dass Glas nicht flüssig ist

9 Siehe auch
10 Weblinks

Herstellung

Glas wird aus Quarzsand (SiO2) erschmolzen. Bei der Abkühlung der meisten Schmelzen tritt bei der Liquidustemperatur die Kristallisation ein, und erst nach vollständiger Kristallisation verringert sich die Temperatur weiter. Die Glasschmelze hingegen wird bei der Abkühlung unter die Liquidustemperatur zu einer unterkühlten Flüssigkeit, bei der es zu einer Strukturierung der Atome kommt, jedoch nicht zu einer Kristallisation. Dies macht sich dadurch bemerkbar, dass sich die Viskosität mit sinkender Temperatur immer weiter erhöht. Erst bei Unterschreitung der Transformationstemperatur erstarrt die Schmelze und wird zu einer eingefrorenen, unterkühlten Flüssigkeit, dem Glas.

Um Glas zu erschmelzen, wird ein Netzwerkbildner (Quarzsand), Netzwerkwandler wie Na2O, K2O etc., und Zwischenoxide, auch Stabilisatoren genannt, wie beispielsweise MgO, zusammen mit Schmelzbeschleunigern, so genannten Flussmitteln (Pottasche, Soda) geschmolzen. Wegen der Bildung des Netzwerkes spricht man bei Gläsern auch von einer Matrix. Sie setzt sich aus den diese Struktur bildenden Elementen Sauerstoff und aus Si4+, B3+ oder P5+ zusammen. Aufgespalten wird das Netzwerk durch Kationen wie Na+ oder Ca+; daneben existieren so genannte intermediäre Kationen wie Al3+, Zn2+ oder Pb2+, die sowohl bildende als auch Netzwerk wandelnde Eigenschaften haben.

Zwischenoxide, die auch Stabilisatoren genannt werden, bewirken eine Erniedrigung der Viskosität, das Glas wird also "länger", und kann auch bei niedrigen Temperaturen noch bearbeitet werden. MgO ist ein gängiger Stabilisator, da er schon in den Rohstoffen (beispielsweise als Begleiter des Kalks) vorkommen kann. Die Menge des Natrium und/oder Calcium ist entscheidend für die Länge der Netzwerkstruktur.

Die Zumischung eines Flussmittels ist erforderlich, da reiner Quarz (SiO2) erst bei einer Temperatur von etwa 1700 °C schmilzt. Von der Antike bis zum 8. Jahrhundert, also auch während des Frühmittelalters wurde als Flussmittel Soda aus so genannten Sodaseen beigemischt. Erst danach, als sich die Waldglashütten durchsetzten, wurde das vor allem im Norden schwer zu beschaffende Soda durch Pottasche (Pflanzenasche) ersetzt. Pottasche wurde wie Soda den Glasrohstoffen (Gemenge) als Flussmittel/Schmelzbeschleuniger beigegeben, wobei allerdings über 90 % des gewaltigen Holzverbrauches der Waldglas-Hütten für die Pottascheproduktion verwendet wurden. Darum mussten diese Glashütten alle Jahre ihren Standort wechseln.

Das Produkt des Erschmelzens der reinen Glasmasse aus den Komponenten wird Fritte genannt, ein Begriff, der in vielen Bereichen, so auch in der Töpferei und der Küche, vorkommt. Auch gibt es oftmals keine scharfe Trennung zwischen Glasproduktion und Glasverarbeitung. Die Produktion des Glases (= Bildung der Netzwerkstruktur durch Erschmelzen der Komponenten) führt zum Zwischenprodukt, der Fritte, einer unansehnlichen Masse, die nicht sofort von sich aus Aufschluss über ihre spätere Verwendung gibt. Das Produkt ist von dunkler, lichtundurchlässiger (= opaker) Färbung. Erst durch Beigabe von Braunstein, einem auch als Glasmacherseife bezeichneten Entfärbungsmittel, wird die Fritte entfärbt - wobei allerdings ein Grünstich zurück bleibt - und kann als Rohglas angesprochen werden.

In der Glasherstellung spricht man im engeren Sinn nur dann von einer Schmelze, wenn Glas wiederaufgeschmolzen wird, wie es zum Beispiel beim Recycling von Altglas geschieht. Allerdings wird bis jetzt Altglas nur als "Zusatz" zu den herkömmlichen Rohstoffen und nicht als alleiniger Rohstoff verwendet.

Nach dem Aufschmelzen des Gemenges/der Rohstoffe muss die Fritte geläutert werden; darunter versteht man ihre Homogenisierung und das Austreiben von Blasen aus derselben. Dabei werden Rohstoffe zugesetzt, die Gase freisetzen. Diese Gasblasen reißen die übrigen Blasen im Glas mit und treiben sie aus.

Verarbeitung

Je nach Verwendungszeck kann Glas unterschiedlich verarbeitet werden, dabei unterscheidet man vor allem Gläser die gepresst, geblasen, gesaugt, gesponnen oder gewalzt werden.

Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit hergestellt werden können.



Glasfärbung und Entfärbung

Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu beeinflussen. Für die Glasfärbung, beziehungsweise für die Entfärbung von Gläsern, die durch Verunreinigungen ihrer Rohstoffe verfärbt sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man für die Entfärbung Färbemittel, die die komplementäre Farbe der Verfärbung produzieren.

Einstellung der Glaseigenschaften

Wie bei der Glasfärbung werden weitere Glaseigenschaften, wie Lichtbrechung, Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Absorbtionsfähigkeit, Wärmeausdehnung durch Zusatzstoffe manipuliert.

Einteilung der Gläser

Natürliches Glas

Natürliches Glas gibt es seit Bestehen der Erdkruste. Es lässt sich durch seine Form in 4 Arten unterteilen:

Neben diesen irdischen Gläsern wurden bei der Apollo 17 Mission orangefarbige Mondglasperlen vulkanischen Ursprungs gefunden. In Meteoriten wird oft Maskelynit gefunden. Maskelynit ist ein diaplektisches Glas mit der Zusammensetzung von Plagioklas, aus dem es auch durch Schockereignisse (Kollisionen, Impakt) erzeugt wird.

Künstliches Glas

Die Einteilung künstlicher Gläser wird nach verschiedenen Gesichtspunkten getroffen. Glas ist heute ein Sammelbegriff für eine Vielzahl von Produkten, die nach ihren äußeren Merkmalen wie Lieferformen, Anwendungsbereichen, chemischer Zusammensetzung und den sich daraus ergebenden Eigenschaften eingeteilt werden können.

Einteilung nach äußeren Merkmalen

Einteilung nach Anwendungsbereichen

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

Die hier beschriebenen Gläser sind, mit Ausnahme einiger Spezialgläser, Silikatgläser. Sie bekommen ihren Namen vom Quarzsand beziehungsweise der dort verbundenen Hauptkomponente Siliziumdioxid. Die chemische Zusammensetzung basiert auf dem gewünschten Verwendungszweck und wird dementsprechend modifiziert. Trotz der Feinheiten und Anforderungen an das Glas selbst bestehen die meisten Flachgläser auch heute noch aus Quarzsand, Kalk und Soda. Glas, das nur aus Quarz hergestellt wird, nennt man Quarzglas.

Geschichte des Glases

Natürlich vorkommmendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung (Faustkeil) benutzt. Dokumentiert wurde die Glasherstellung durch den Menschen zum ersten Mal in Ägypten um 2000 v. Chr., wo Glasscheiben hergestellt wurden, indem Quarzsand auf geschmolzenem Blei geschmolzen wurde.

Die Germanen kannten vor ihrem Kontakt mit den Römern keinerlei Glas, weder Schmuckglas noch Hohlglas oder Flachglas. Als die Germanen das Glas erstmals in der Form von Schmuck und Glasperlen kennenlernten, wurde es mit ihrem heimischen Wort für Bernstein, "glasa" (das Glänzende oder Schimmernde) benannt. Die Bezeichnung des Bernsteins als glaesum bei dem Volk der Aesti ist aus Tacitus' Germania (98) bekannt.

Die Römer erfanden viele Arten von Glas, aber lange Zeit war Glas undurchsichtig, bis im 14. Jahrhundert italienische Glasmacher das "Cristallo" erfanden, ein farbloses und durchsichtiges Glas. In den Anfängen der Herstellung von durchsichtigem Glas wurde das Glas zu Butzenscheiben geschleudert. Dazu wurden einige Kilo geschmolzenes Glas am Ende einer Stange schnell gedreht, so dass sich eine Scheibe mit bis zu 1,50 Meter Durchmesser bildete. Daraus wurden dann Glasscheiben geschnitten. Weil die Dicke dieser Scheiben sehr unterschiedlich ist und am äußeren Rand zunimmt, kann es dazu kommen, dass alte Glasscheiben am unteren Ende dicker als am oberen sind.

Um 1688 wurde die Methode des Glasgießens erfunden, wodurch Glas stärkere Verbreitung fand. Ab 1827 konnte Glas durch neue Maschinen als Massenware für billige Artikel produziert werden. Die industrielle Flaschenabfüllung (zum Beispiel in Bierbrauereien) begann um die 1870er Jahre. Zu Beginn des 20. Jahrhundert entwickelte der belgische Bergbauingenieur Emile Fourcault ein neuartiges Ziehverfahren für Tafelglas. Dieses ersetzte nicht nur sukzessive den Beruf des "Walzenmachers" (Glasbläser), sondern ermögliche auch die maschinelle Fertigung größerer Stückzahlen. Da die Ziehanlagen direkt mit einer Ziehwanne kombiniert waren, konnte kontinuierlich durchgearbeitet werden. Dieses Verfahren gelangte in Sulzbach/Saar erstmals in Deutschland zum Einsatz.

Beispiele für Erzeugnisse aus Glas

Ist Glas flüssig?

Manchmal wird behauptet, Glas weise einige Eigenschaften einer viskosen Flüssigkeit auf, die bei Raumtemperatur fließt, wenn auch sehr langsam. Als Beleg wird angeführt, an alten Glasscheiben ließe sich unten eine Verdickung nachweisen, die durch das Fließen verursacht werde. Es ist unklar, woher dieser Glaube kommt.

Als ein möglicher Ursprung kann die Technik angesehen werden, bei der Glasbläser geschmolzenes Glas durch Rotation zu einer runden, fast flachen und ebenen Scheibe geformt haben. Aufgrund der Zentrifugalkraft waren die Scheiben an den Kanten etwas dicker, und aus Stabilitätsgründen wurden sie nach dem Zurechtschneiden vorzugsweise mit der dickeren Seite nach unten in die Fenster eingesetzt. In der Tat sind vereinzelt Scheiben zu finden, die mit der dickeren Seite oben eingesetzt wurden.

Ob Glas tatsächlich flüssig ist, wurde sehr ausführlich in der Newsgroup alt.folklore.urban diskutiert, und der durch Zitate von Fachleuten unterstützte Konsens war, dass Glas bei Raumtemperatur nicht flüssig ist. Es ist aber elastisch und gibt auf Krafteinwirkung durchaus nach. Außerdem kann es je nach Anwendungsfall (wie bei Laborthermometern) durchaus auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen es tatsächlich zu einer unterkühlten Flüssigkeit (s. o.) wird, so dass sich die Genauigkeit des Thermometers nach langer Nutzungsdauer verringert.

Selbst wenn sich Glas unter einer langzeitigen Krafteinwirkung langsam verformen würde, dürfte man es deswegen nicht als flüssig bezeichnen. Die langsame Verformung unter einer konstanten Kraft tritt auch in kristallinen Festkörpern auf und wird dort als Kriechen bezeichnet.

siehe auch: Glasübergang

Belege dafür, dass Glas nicht flüssig ist

Siehe auch

Glaskeramik, Glasmalerei, Antikglas, Bleiglas, Kronglas, Flintglas, Plexiglas, Glas auf Mallorca, Jenaer Glas, Glasschleiferei, Altglas, Glasmacher, Glasbläser, Hyalithglas

Weblinks





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