Glas verstehen - Typen, Eigenschaften und Herstellung

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Von hitzebeständigem Pyrex bis hin zu PVB-laminierten Sicherheitswindschutzscheiben ist Glas in vielen Formen erhältlich. Einige der allgemein als Gläser bezeichneten Materialien sind eigentlich Kunststoffe oder Kunststoff-Glas-Mischungen, obwohl der Begriff Glas nicht explizit eine bestimmte chemische Zusammensetzung angibt. Der Begriff kann eine beliebige Anzahl harter, amorpher, anorganischer und einheitlicher Feststoffe beschreiben, die entstehen, wenn geschmolzene Materialien schnell genug abgekühlt werden, um eine Kristallisation zu verhindern. Die typischen Stoffe, die bei der Glasherstellung verwendet werden, sind jedoch Silikate, Borate und Phosphate.

Glas ist ein unflexibles Material, das durch Erhitzen einer Mischung trockener fester Materialien bis zum Erreichen eines halbfesten Zustands und anschließendes schnelles Abkühlen der Mischung gebildet wird, um zu verhindern, dass sie die kristalline Struktur bildet, die die meisten festen Materialien haben. Wenn das Glas abkühlt, werden die Atome in einem ungeordneten Zustand ähnlich dem einer Flüssigkeit eingeschlossen, bevor sie den kristallinen Zustand eines Festkörpers bilden können. Da Glas weder flüssig noch fest ist, sondern die Eigenschaften von beidem besitzt, existiert Glas als eigenständige Materie.

Aufgrund seiner Stärke und Vielseitigkeit hat Glas nahezu unbegrenzte Anwendungsmöglichkeiten. Es wird ausgiebig im Bauwesen verwendet und bietet Verkleidungen für die meisten modernen Gebäude und regelmäßige architektonische Glaselemente für die meisten anderen bewohnbaren Strukturen. Ob als Kochgeschirr, Fernsehbildschirm oder Glühbirne, es findet vielfältige Verwendung im Haushalt. Es ist wahrscheinlich das wichtigste Material in der Astronomie, die ursprünglich durch die Verwendung verschiedener Glaslinsen ermöglicht wurde. Neben seiner offensichtlichen Verwendung in biologischen, chemischen und medizinischen Labors (Reagenzgläser, Bechergläser, Mikroskope) ist Glas auch Teil des Gehäuses für die meisten Instrumente. Obwohl Polycarbonatlinsen Glas in Brillen weitgehend ersetzt haben, waren Glaslinsen historisch gesehen das einzige Mittel zur Verbesserung des Sehvermögens. Auch die Kunst hat Glas viel zu verdanken, da Glasmalereien und viele dekorative Glasobjekte aus der Antike überlebt haben und Künstler seit mehr als tausend Jahren inspirieren.

In der modernen Industrie erfüllt Glas viele biomedizinische und optische Funktionen. Es ist auch eine notwendige Komponente in zahlreichen Luft- und Raumfahrtgeräten sowie ein nützlicher Stoff in der Halbleitertechnologie und Elektronik. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften werden bestimmte Glasarten in integrierten Schaltkreisen verwendet. Es liefert auch ein Verstärkungsmaterial für laminierte Kunststoffe. Glasperlen werden beim Sandstrahlen verwendet, und Glasscheiben sind eine Voraussetzung für die meisten Spiegelhersteller.

Dieser Artikel gibt einen Einblick in die einzigartigen Eigenschaften von Glas und erklärt die verschiedenen Glasarten und ihre Zusammensetzung. Darüber hinaus wird untersucht, wie Glas hergestellt wird, zusammen mit einigen der verschiedenen Möglichkeiten, wie Glas nach der Herstellung behandelt oder veredelt werden kann.

Eigenschaften

Während es viele verschiedene Glasarten gibt und ihre Eigenschaften je nach chemischer Zusammensetzung variieren, gibt es einige Eigenschaften, die die meisten Glasarten gemeinsam haben. Trotz seines zerbrechlichen Rufs ist Glas mechanisch stark. Oberflächenfehler schwächen Glas, aber es gibt Prozesse, um Fehler zu minimieren und es zu stärken. Glas ist ein hartes Material, das Kratzern und Abrieb bis zu einem gewissen Grad widersteht. Glas ist im Allgemeinen chemisch beständig gegen die meisten Industrie- und Lebensmittelsäuren, und seine Beständigkeit gegenüber anderen Chemikalien ist unterschiedlich. Es ist elastisch und gibt unter Belastung nach, bevor es sich wieder in seine ursprüngliche Form zurückbiegt. Natürlich hat Glas eine Bruchstelle, die je nach Typ unterschiedlich ist.

Glas ist temperaturschockbeständig, d. h. es kann plötzlichen Temperaturänderungen gut standhalten und kann intensiver Hitze und Kälte in unterschiedlichem Maße standhalten. Es ist wärmeabsorbierend, speichert Wärme, anstatt sie zu leiten, und absorbiert Wärme besser als Metall. Glas kann Licht mit großer Genauigkeit reflektieren, biegen, übertragen und absorbieren und wird wegen seiner optischen Eigenschaften sehr geschätzt. Es widersteht elektrischem Strom stark und speichert Elektrizität gut.

Arten von Glas

Glas wird basierend auf seiner chemischen Zusammensetzung in Typen eingeteilt. Dies sind einige der häufigeren Typen.

Soda-Kalk-Glas

Kalknatronglas, auch Kalknatronglas oder Fensterglas genannt, ist die gebräuchlichste und kostengünstigste Glasart. Es enthält etwa 70 % Kieselsäure, zusammen mit Soda, Kalk und kleinen Mengen anderer Verbindungen. Das Soda senkt die Temperatur, bei der die Kieselsäure schmilzt, während der Kalk die Kieselsäure stabilisiert. Etwa 90 % des hergestellten Glases ist Natronkalk. Es ist chemisch stabil, oft kostengünstig und sehr gut verarbeitbar, da es während der Herstellung eines Produkts mehrmals wieder weich gemacht werden kann. Es ist ein weicheres Glas, das für die Herstellung durch Schneiden von Vorteil ist, aber das bedeutet, dass es weniger kratzfest ist als andere Glasarten wie Borosilikat und Quarzglas.

Kalknatronglas wird häufig chemisch verstärkt, um seine Festigkeit zu erhöhen, oder es kann getempert werden, um seine Temperaturwechselbeständigkeit und Festigkeit zu erhöhen. Wie der Spitzname schon sagt, wird es häufig in Windows verwendet. Es wird auch für Haushaltsglasbehälter verwendet. Atemkalk hat ein breites Anwendungsspektrum.

Bleiglas

Bleiglas, auch Bleioxidglas oder Bleikristall genannt, besteht zu mindestens 20 % aus Bleioxid. Es wird auch Flintglas genannt, da die ursprüngliche Formel aus dem 16. Jahrhundert kalzinierten Flint als Quelle für Kieselsäure verwendete, aber jetzt wird Flint nicht mehr für seine Herstellung verwendet. Es ist ein weicheres Glas, wodurch es einfacher ist, in Designs zu schneiden, die seinen hohen Brechungsindex zur Geltung bringen. Es kann hohen Temperaturen oder plötzlichen Temperaturänderungen nicht standhalten.

Da Bleiglas lichtbrechend und teurer als Kalknatronglas ist, wurde es früher häufig für dekoratives Glasgeschirr verwendet. Da die Gefahren der Bleiaufnahme jedoch mittlerweile bekannt sind, wird Bleiglas heute aufgrund seiner elektrischen Isoliereigenschaften und seiner niedrigeren Schmelztemperatur hauptsächlich für elektrische Anwendungen verwendet. Die niedrige Schmelztemperatur ist für das Heißsiegeln wünschenswert, damit es um Elektronik herum versiegelt werden kann, die gegenüber höheren Temperaturen empfindlich ist. Es wird auch für Abschirmanwendungen zum Schutz vor Röntgen- und Gammastrahlen in medizinischen, technischen und Forschungsarbeiten sowie aufgrund seines Brechungsindex für optische Gläser verwendet.

Borosilikat

Borosilikatglas besteht zu mindestens 5 % aus Boroxid. Langlebiges und hitzebeständiges Borosilikatglas ist das Material der Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen, von Kochgeschirr bis hin zu Laboranwendungen.

Die Herstellung von Borosilikatglas erfordert höhere Temperaturen als für die Herstellung von normalem Glas erforderlich, obwohl dies auch für seine höhere Hitzebeständigkeit verantwortlich ist. Aufgrund seines geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten ist es auch weitaus weniger Materialbelastungen ausgesetzt als normales Glas, was ebenfalls zu seiner außergewöhnlichen Leistung bei hohen Temperaturen beiträgt. Darüber hinaus ist Borosilikatglas weitaus haltbarer als herkömmliches Glas und kann Unfällen standhalten, bei denen andere Glaswaren zerbrechen würden. Selbst wenn es reißt, funktioniert es normalerweise besser, da es selten zerbricht.

Borosilikatglas wird häufig für wissenschaftliche und medizinische Labors verwendet, da es zusätzlich zu seinen anderen nützlichen Eigenschaften eine hervorragende chemische Beständigkeit bietet. Alles, von Reagenzgläsern, Stäben und Bechern bis hin zu Messzylindern, Pipetten und Stopfenaufsätzen, wird aus Borosilikat hergestellt und in Labors auf der ganzen Welt verwendet. Obwohl Borosilikatglas eine außergewöhnliche Säurebeständigkeit bietet, ist es weniger beständig gegenüber einer Reihe von Laugen, und gelegentlich sollten andere Materialien in Betracht gezogen werden. Borosilikatglas wird auch in bestimmten Optiken wie Spiegeln verwendet, da es bei Temperaturänderungen seine Form gut beibehält. Andere Anwendungen umfassen die Verstärkung verschiedener Kunststoffverbindungen und in verschiedenen Messgeräten und schützenden Glasoberflächen.

Der Hauptunterschied zwischen Borosilikatglas und herkömmlichem Glas ist der Ersatz von Soda und Kalk durch Boroxid im Herstellungsprozess. Borosilikatglas muss mindestens fünf Prozent Boroxid enthalten, das hilft, das Silikat und Aluminiumoxid und Natriumoxid zu binden.

Alumosilikat

Alumosilikatglas enthält Aluminiumoxid. Es variiert in der Zusammensetzung, hat aber normalerweise zwischen 20 % und 40 % Aluminiumoxid. Es hat vergleichbare Eigenschaften wie Borosilikatglas, ist jedoch hitzebeständiger, verträgt Temperaturen bis zu 800 ^° Celsius und hat eine bessere chemische Beständigkeit. Aufgrund dieser Hitzebeständigkeit ist es viel schwieriger zu schmelzen und damit zu verarbeiten als Borosilikatglas. Die zwei Hauptarten von Alumosilikatglas sind Erdalkali-Aluminosilikatglas und Alkali-Aluminosilikatglas. Erdalkali-Alumosilikatgläser haben einen sehr hohen Erweichungspunkt und werden typischerweise für Glaskolben für Halogenlampen und Hochtemperaturthermometer verwendet und können mit einem elektrisch leitfähigen Film beschichtet und für Widerstände in elektronischen Schaltungen verwendet werden. Der hohe Alkaligehalt von Alkalialumosilikatgläsern verbessert deren Oberflächendruckfestigkeit. Außerdem sind sie sehr hart und kratzfest. Sie werden häufig für Touch-Displays wie Smartphone-Bildschirme sowie für Solarzellen-Deckglas und Verbundsicherheitsglas verwendet.

High-Silica-Glas

Glas mit hohem Quarzgehalt wird hergestellt, indem Glas geschmolzen wird, um fast alle Nicht-Silikat-Elemente daraus zu entfernen. Dieser Prozess kann zu einer Zusammensetzung von 95 bis 99 % Siliziumdioxid führen. Aufgrund des Fehlens von Flussmitteln ist Quarzglas mit einer Verformungstemperatur von bis zu 1.700 ° C extrem schwer zu schmelzen, was bedeutet, dass es bei so hohen Temperaturen wie etwa 1.000 verwendet werden kann^o C. Quarzglas hat eine sehr geringe Wärmeausdehnung, sehr gute chemische Beständigkeit, optische Eigenschaften und mechanische Eigenschaften, aber die extrem hohen Verarbeitungstemperaturen sind ein limitierender Faktor bei der Herstellung und Anwendung in größerem Maßstab.

Mit der Verbesserung der Technologie hat sich die Fähigkeit verbessert, eine größere Reinheit von Glas mit hohem Quarzgehalt zu erreichen, wodurch es möglich wird, immer höhere Glasqualitäten herzustellen. Glas mit hohem Quarzgehalt wird häufig in der Halbleiterindustrie verwendet, da Quarz Siliziumwafer nicht verunreinigt, sowie für Faseroptiken, UV-durchlässige Lampenröhren, Präzisionsoptiken, feuerfeste Röhren und als Faserverstärker in Verbundwerkstoffen.

Geschmolzener Quarz

Geschmolzenes Quarzglas, auch Quarzglas oder Quarzglas genannt, wird durch Reinigen und Einschmelzen von natürlich vorkommendem kristallinem Siliziumdioxid, das in Sand oder Bergkristall vorkommt, entweder durch Elektro- oder Flammenschmelzen hergestellt. Das resultierende Glas ist hochtransparent, selbst für ultraviolettes und infrarotes Licht, sowie witterungs- und stoßfest. Es ist sehr schwierig herzustellen, da die Verschmelzung bei etwa 1650 ^o C erfolgt, und daher sehr teuer. Diese hohe Schmelztemperatur bedeutet jedoch auch, dass es kurzzeitig Temperaturen von bis zu 1400 °C aushalten kann, wodurch es den höchsten Temperaturen aller Gläser standhält. Aufgrund dieses Widerstands wird geschmolzenes Quarzglas häufig für Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet, insbesondere für Fenster von bemannten Raumfahrzeugen.

Glasherstellung und -veredelung

Während es bei der Herstellung verschiedener Glasarten einige Herstellungsvarianten gibt, skizziert das Folgende den grundlegenden Prozess, der zur Herstellung der gebräuchlicheren Glasarten wie Natronkalk verwendet wird.

Herstellung

Die Zutaten, aus denen Glas besteht, variieren je nach Glasart. Der Hauptbestandteil von Glas, Former genannt, muss auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt werden, um viskos zu werden. Der häufigste Former ist Siliziumdioxid, das in Sand vorkommt. Ersteres wird mit einem Flussmittel vermischt, das ihm hilft, bei einer niedrigeren Temperatur zu schmelzen. Übliche Flussmittel sind Soda und Pottasche. Ein Stabilisator wird auch verwendet, um zu verhindern, dass sich das Glas auflöst oder unerwünschte Kristallverunreinigungen bildet. Ein üblicher Stabilisator ist Calciumoxid aus Kalkstein. Diese trockenen Zutaten werden in einer Charge zusammengemischt. Ein Ofen schmilzt die Charge, um eine flüssige Verbindung zu bilden. Scherben, die aus zerbrochenem Glas bestehen, werden der Charge hinzugefügt, um sie beim Schmelzen zu unterstützen.

Wenn farbiges Glas hergestellt wird, wird dem Gemenge ein Metalloxid zugesetzt. Eisen färbt Glas grün, Kupfer hellblau, Kobalt dunkelblau, Gold tiefrot. Eisenarmes Glas wird empfohlen, wenn Glas mit einer anderen Farbe als Grün gefärbt wird. Mangandioxid wird in kleinen Mengen zum Entfärben von Glas verwendet, in großen Mengen färbt es Glas violett oder in größeren Mengen schwarz.

Nach dem Schmelzen wird das zähflüssige Glas in ein Bad aus geschmolzenem Zinn gegossen, dann zu einem Band geformt und abgekühlt. Den langsamen und gleichmäßigen Abkühlungsprozess nennt man Glühen. Glas muss gleichmäßig gekühlt werden, denn wenn eine Stelle länger heiß bleibt, wird sie dicker und die unterschiedlichen Dicken führen zu einer Belastung des Glasstücks. Ein unsachgemäß getempertes Stück Glas bricht eher.

Schneiden

Als nächstes wird getempertes Glas auf die gewünschten Abmessungen geschnitten. Dies geschieht normalerweise mit Computer Numerical Control-Maschinen oder CNC-Maschinen, die zu äußerst präzisen Operationen fähig sind. CNC-Maschinen arbeiten nach spezifischen CAM- und CAD-Softwareprogrammen, die es ihnen ermöglichen, eine beliebige Anzahl von Werkstücken mit identischer Präzision zu bearbeiten. Sie können auch eine Vielzahl von Bearbeitungsaufgaben ausführen, die normalerweise von Spezialgeräten ausgeführt werden: Sie können Kurven und gerade Linien schneiden, Löcher bohren und Nuten schleifen. Die in der Glasherstellung verwendeten CNC-Maschinen verwenden unverwechselbare Werkzeuge, einschließlich Diamantschleifwerkzeuge, Diamantspitzen und Hartmetallräder, um eine bessere Genauigkeit und Glasbearbeitungsfähigkeit zu erreichen.

Nachdem das Glas geschnitten und geformt wurde, führen die Hersteller normalerweise einige Glaspolier-, Laminierungs- und andere Veredelungsarbeiten durch. Polierte Spiegel und Linsen machen einen bedeutenden Teil des Glasherstellungsmarktes aus. Diese Artikel erfordern im Allgemeinen extreme Präzision und Oberflächentoleranzen müssen genau sein, damit die Komponenten wie gewünscht funktionieren. Diese Präzisionskomponenten werden in Teleskopen, Prismen, Laserlinsen und -spiegeln und anderen Optiken verwendet, die alle stark von Mängeln und Ungenauigkeiten betroffen sind.

Anlassen

Tempern ist eine Wärmebehandlung, die Glas auf etwa das Vierfache der Festigkeit von nicht gehärtetem Glas stärkt. Wenn gehärtetes Glas zerbricht, zerbricht es in kleine, abgerundete Stücke statt in gezackte Scherben.

Der Temperprozess beginnt damit, dass geschnittenes und gewaschenes Glas durch einen Temperofen geleitet wird, entweder in einer Chargen- oder in einer kontinuierlichen Beschickung. Das Glas wird auf über 600 ^Grad Celsius erhitzt, bevor es den Abschreckvorgang, den Abkühlungsprozess, durchläuft. Während des Abschreckens bläst Hochdruckluft das Glas aus Düsen in vielen verschiedenen Positionen. Die äußere Oberfläche des Glases kühlt viel schneller ab als die Mitte, was dazu führt, dass die Mitte des Glases versucht, sich von der äußeren Oberfläche zurückzuziehen. Das Ergebnis ist, dass die Mitte unter Spannung bleibt und die Außenseite unter Druck steht, was dem gehärteten Glas seine Festigkeit verleiht.

Glas kann auch chemisch vorgespannt werden. Das Glas wird in ein geschmolzenes Kaliumsalzbad getaucht, wodurch die Natriumionen im Glas durch größere Kaliumionen ersetzt werden. Die größeren Kaliumionen füllen die von den Natriumionen hinterlassenen Lücken, wodurch ein Kompressionszustand in der äußeren Oberfläche des Glases entsteht. Diese Methode ist teurer als die Verwendung eines Temperofens und wird daher nicht so häufig verwendet.

Ein Nachteil von gehärtetem Glas ist, dass es nach dem Härten nicht mehr bearbeitet werden kann, sodass es vor dem Prozess vollständig geformt werden muss. Aufgrund der ausgewogenen Belastung von gehärtetem Glas zerbricht wahrscheinlich das gesamte Glas, wenn ein Teil davon beschädigt wird.

Gehärtetes Glas ist eine Art Sicherheitsglas, das für Autofenster, Eingangstüren und andere Anwendungen verwendet wird, bei denen Glasbruch Menschen gefährden kann.

Laminieren

Laminieren ist eine weitere Möglichkeit, Sicherheitsglas herzustellen. Beim Laminieren wird das Glas mit einer Kunststoffzwischenschicht verstärkt. Die Zwischenschicht stärkt nicht nur das Glas, sondern hält auch Glasstücke zusammen, wenn sie zerbrechen, und verhindert, dass sie zerbrechen.

Es gibt einige Laminierverfahren. Zwei oder mehr Glasstücke werden unter Anwendung von Hitze und Druck zwischen einer oder mehreren Klebstoffschichten, üblicherweise Polyvinylbutyral (PVB) oder Ethylen-Vinylacetat (EVA), verklebt. Ein weiteres Verfahren besteht darin, zwei oder mehr Glasstücke mit einer aliphatischen Urethan- oder EVA-Zwischenschicht unter Verwendung von Hitze und Druck zu verbinden. Glas kann auch mit einem gehärteten Harz oder mit EVA zwischengelegt werden.

Verbundglas ist aufgrund seiner Kunststoffschichten schwer zu schneiden, aber nicht unmöglich. Wenn Verbundglas beschädigt wird, reißt es normalerweise in einem Spinnennetzmuster, anstatt in mehrere gefährliche Teile zu zerbrechen.

Zusammenfassung

Dieser Artikel vermittelt ein Verständnis von Glas, seinen Eigenschaften, seiner Herstellung und den verschiedenen Glasarten. Weitere Informationen zu verwandten Produkten finden Sie in unseren anderen Leitfäden oder auf der Thomas Supplier Discovery Platform, um potenzielle Bezugsquellen zu finden oder Details zu bestimmten Produkten anzuzeigen.

Quellen:

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