Glas

Eigenschaften von Glas

Im Gegensatz zu anisotropen kristallinen Körpern haben Gläser isotrope Eigenschaften. Bei Erwärmung wird das Material allmählich weicher und geht kontinuierlich von einem Zustand, in dem seine Eigenschaften denen eines Festkörpers ähneln, in einen Zustand über, in dem es als unterkühlte Flüssigkeit beschrieben werden kann und eine beträchtliche Viskosität aufweist. Der Temperaturbereich, in dem diese Veränderung beobachtet wird, ist relativ gering und wird als Glasumwandlungsbereich bezeichnet. In diesem Bereich sind mehrere signifikante Veränderungen zu beobachten: die spezifische Wärme, der Brechungsindex und der Wärmeausdehnungskoeffizient sowie die elektrische Permittivität ändern sich rasch. Bei Temperaturen unterhalb des Umwandlungsbereichs ist Glas durch Härte und Sprödigkeit gekennzeichnet. Mit steigender Temperatur wird es zunehmend plastisch, bis es sich in eine beweglichere Flüssigkeit verwandelt. Der Umwandlungsbereich für Quarzglas liegt bei etwa 1500 K, während er bei Silikatgläsern bei etwas niedrigeren Temperaturen liegt, etwa bei 800-1000 K, je nach der genauen Zusammensetzung des Materials.

Struktur des Glases

Sowohl Quarz- als auch Silikatglas haben eine ähnliche Struktur wie kristalline Silikate.  Sie bestehen aus tetraedrischen Gruppen von SiO₄, die zusammen ein starres dreidimensionales Gerüst bilden. Der Unterschied liegt jedoch in der Anordnung, denn im Gegensatz zu kristallinen Körpern mit einem geordneten Kristallgitter sind die im Glas vorhandenen Gruppen ungeordnet miteinander verbunden. Die Anordnung von Glas wird als scheinbar stabil beschrieben, was bedeutet, dass es keinen Gleichgewichtszustand erreicht, sondern zu einem kristallinen Zustand tendiert. Unter normalen Bedingungen ist dieser Prozess so langsam, dass er nicht wahrnehmbar ist. Dies kann nur bei sehr altem Glas beobachtet werden. Diese Geschwindigkeit kann jedoch durch die Verwendung höherer Temperaturen in der Größenordnung von 1200-1400 K, je nach Glassorte, erhöht werden. Eine bemerkbare Veränderung des Glases nach der Kristallisation ist die charakteristische Trübung und erhöhte Sprödigkeit. Die Plastizität der Glasmasse lässt sich bei jeder gewünschten Verarbeitungstemperatur variieren und kann durch Blasen, Pressen usw. geformt werden.

Beispiele für Glasmaterialien

1. Natron-Kalk-Glas 12,9 % Na₂O (Natron), 11,6 % CaO (Kalk, Calciumcarbonat), 75,5 % SiO₂ (Glassand)
2. Kalium-Kalk-Glas, wo Na₂O durch K₂O ersetzt wurde
3. Natrium-Kalium-Kalk-Glas, in dem sowohl Natrium- als auch Kaliumoxid enthalten ist.
4. Jenaer Glas 74,5% SiO₂, 8,5% Al₂O₃, 4,6% B₂O₃, 7,7% Na₂O, 3,9% BaO, 0,8% CaO, 0,1% MgO.

Silikatglas

Es ist die am häufigsten verwendete Glasart, die durch Schmelzen von Quarzsand mit Soda Na₂CO₃ und Kalkstein CaCO₃ bei einer Temperatur von etwa 1800 K hergestellt wird. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, Silizium-, Natrium- und Kalziumoxide in die Masse einzubringen, d.h. SiO₂, Na₂O und CaO. Das grundlegende glasbildende Oxid in seiner Zusammensetzung ist SiO₂, und sein räumliches Netz ist die so genannte Silizium-Sauerstoff-Bindung, die in den Zwischenräumen Substitutionen von Zwischenionen durch modifizierende Ionen enthält. Diese stammen von zusätzlich eingebrachten Oxiden, um die Eigenschaften des Glases zu verändern.

Färbung von Glas

Zur Färbung des Glases werden Zusätze von Übergangsmetalloxiden verwendet. Kobaltoxide führen zu einer violett-blauen Färbung, Dichromtrioxid färbt das Glas grün, und Eisenoxide führen je nach den Bedingungen im Ofen zu einer Grünfärbung in einer reduzierenden Atmosphäre und zu einer Braunfärbung in einer oxidierenden Atmosphäre. Die Rubinfärbung von Glas wird durch die Verwendung von kolloidal dispergiertem Gold erreicht – die Glasmasse wird geschmolzen und bei der Zersetzung wird Gold in atomarer Feinheit freigesetzt. Es ist zunächst farblos, wird aber rubinrot, wenn es auf etwa 800-900 K erwärmt und langsam abgekühlt wird. Ein ähnlicher Mechanismus wird zur Herstellung von gelb gefärbtem Glas verwendet, wobei jedoch kolloidales Silber anstelle von Gold eingesetzt wird.

Glasverstärkung

Es ist möglich, die Oberflächenqualität des Glases zu verbessern und es so zu verändern, dass keine Risse oder Verschiebungen auftreten. Es gibt drei Hauptarten von Verfahren zur Verstärkung dieses Materials:

1. Härtung, bei der eine Erhitzung auf hohe Temperaturen und eine anschließende Abkühlung an der Luft oder in Öl erfolgt. Da die Oberfläche schneller abkühlt als die innere Schicht, können sich die Abmessungen nicht anpassen. Das Innere wird durch die Oberfläche gedehnt und die Oberfläche wird durch das Innere zusammengedrückt.
2. Die chemische Härtung führt zu ähnlichen Ergebnissen wie die Härtung. Das Glas wird in eine Salzschmelze gelegt, die Kaliumkationen enthält, zum Bespiel in KNO₃, das 12 Stunden lang bei 500 °C erhitzt wird. Durch Diffusion kommt es zu einem Ionenaustausch von Na⁺ zu K⁺, die sich auf der Außenfläche verteilen.
3. Glaslaminierung ist ein Verfahren, bei dem eine Polymerschicht zwischen mindestens zwei Glasschichten gebracht wird. Dies ist auf zwei Arten möglich: Glas mit Polymer kann gepresst werden oder flüssiges Polymer kann auf solche Schichten gegossen werden.

Rohmaterialien

Die meisten Stoffe, die für die Glasherstellung benötigt werden, sind mineralischen Ursprungs. Dazu gehören Sand, Kalkstein, Dolomit und Anhydrit. Es werden aber auch Produkte der chemischen Industrie verwendet, wie z.B. Soda. Heute wird auch den Sekundärrohstoffen, d.h. den Glasscherben, immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Wir unterteilen sie in zwei Kategorien: Scherben aus dem Produktionsprozess, die nach dem Schreddern wiederverwertet werden können, und Fremdscherben, d.h. Post-Verbraucher-Material, das gereinigt und veredelt werden muss, um wiederverwendet werden zu können.

Recycling von Glas

Ein wichtiger Aspekt ist die Erkenntnis, dass nicht alles Glas recycelbar ist. Scherben sind ein sehr wichtiger Sekundärrohstoff, aber Materialien wie Behälter, die fest mit anderen Rohstoffen verbunden sind, Keramik, Brillengläser, hitzebeständiges Glas, Glühbirnen, Spritzen und dergleichen sind nicht recycelbar. Recycling von Glas ist ein mehrstufiger Prozess, und die erste Stufe ist die ordnungsgemäße Trennung der Abfälle. An der Recyclingstelle werden die Abfälle gewogen und auf ihre Eignung für die Wiederaufbereitung geprüft. Der nächste Schritt ist die Zerkleinerung und Reinigung der zuvor getrennten Materialien von Etiketten und Feinschmutz.  Nach der ersten Reinigung werden die Abfälle nach Farben getrennt und zu Glashütten transportiert. Dort werden sie bei 1200 °C zu einer Glasmasse geschmolzen, aus der neue Produkte entstehen. Interessant ist, dass die Verarbeitung von Glas im Gegensatz zu der von Papier oder Kunststoffen fast unendlich möglich ist. Die Eigenschaften von Glas ändern sich nach dem Schmelzen nicht.