Glas begrijpen - soorten, eigenschappen en fabricage

This post is also available in: Engels Frans Duits Italiaans Pools Portugees, Portugal Spaans

Van hittebestendige Pyrex tot PVB gelaagde veiligheidswindschermen, glas is er in vele vormen. Sommige van de materialen die gewoonlijk glazen worden genoemd, zijn eigenlijk plastic of plastic-glasmengsels, hoewel de term glas niet expliciet een bepaalde chemische samenstelling aangeeft. De term kan een willekeurig aantal harde, amorfe, anorganische en uniforme vaste stoffen beschrijven die worden geproduceerd wanneer gesmolten gesmolten materialen snel genoeg worden afgekoeld om kristallisatie te voorkomen. De typische stoffen die bij het maken van glas worden gebruikt, zijn echter silicaten, boraten en fosfaten.

Glas is een onbuigzaam materiaal dat wordt gevormd door een mengsel van droge vaste materialen te verhitten tot het een halfvaste toestand bereikt, waarna het mengsel snel wordt afgekoeld om te voorkomen dat het de kristallijne structuur vormt die de meeste vaste materialen hebben. Terwijl het glas afkoelt, worden de atomen opgesloten in een ongeordende toestand vergelijkbaar met die van een vloeistof voordat ze de kristallijne toestand van een vaste stof kunnen vormen. Omdat glas noch een vloeistof, noch een vaste stof is, maar in plaats daarvan de eigenschappen van beide heeft, bestaat glas als een afzonderlijk soort materie.

Vanwege zijn sterkte en veelzijdigheid heeft glas bijna onbeperkte toepassingen. Het wordt veel gebruikt in de bouw en biedt een bekleding voor de meeste moderne gebouwen en reguliere architecturale glaskenmerken voor de meeste andere bewoonbare constructies. Het vindt verschillende toepassingen in huis, of het nu kookgerei, televisieschermen of gloeilampen zijn. Het is waarschijnlijk het belangrijkste materiaal in de astronomie, dat oorspronkelijk mogelijk werd gemaakt door het gebruik van verschillende glazen lenzen. Naast het voor de hand liggende gebruik in biologische, chemische en medische laboratoria (reageerbuizen, bekers, microscopen), vormt glas ook een deel van de behuizing voor de meeste instrumenten. Hoewel lenzen van polycarbonaat grotendeels glas in brillen hebben vervangen, waren glazen lenzen historisch gezien het enige middel om het zicht te verbeteren. Zelfs de kunst heeft veel te danken aan glas, want glas-in-lood en veel decoratieve glasobjecten uit de oudheid zijn bewaard gebleven en hebben kunstenaars al meer dan duizend jaar geïnspireerd.

In de moderne industrie vervult glas vele biomedische en optische functies. Het is ook een noodzakelijk onderdeel in tal van ruimtevaart- en luchtvaartelektronica, evenals een nuttige stof in halfgeleidertechnologie en elektronica. Door zijn unieke eigenschappen worden bepaalde glassoorten gebruikt in geïntegreerde schakelingen. Het biedt ook een versterkend materiaal voor gelamineerde kunststoffen. Glasparels worden gebruikt bij zandstralen en glasplaten zijn een vereiste voor de meeste spiegelfabrikanten.

Dit artikel geeft inzicht in de unieke eigenschappen van glas en legt de verschillende soorten glas en hun samenstelling uit. Bovendien wordt onderzocht hoe glas, indien gefabriceerd, kan worden behandeld of afgewerkt na fabricage.

Eigendommen

Hoewel er veel verschillende soorten glas zijn en hun eigenschappen variëren met hun chemische samenstelling, zijn er een paar kenmerken die de meeste soorten glas gemeen hebben. Ondanks zijn fragiele reputatie is glas mechanisch sterk. Oppervlakte-imperfecties verzwakken glas, maar er zijn processen om gebreken te minimaliseren en te versterken. Glas is een hard materiaal dat tot op zekere hoogte bestand is tegen krassen en schuren. Glas is over het algemeen chemisch resistent tegen de meeste industriële en voedingszuren, en de weerstand tegen andere chemicaliën varieert. Het is elastisch en geeft mee onder spanning voordat het terugbuigt naar zijn oorspronkelijke vorm. Natuurlijk heeft glas een breekpunt dat per type verschilt.

Glas is bestand tegen thermische schokken, wat betekent dat het goed bestand is tegen plotselinge temperatuurveranderingen en in staat is om intense hitte en kou te doorstaan, in verschillende mate. Het is warmteabsorberend, houdt warmte vast in plaats van deze te geleiden, en absorbeert warmte beter dan metaal. Glas kan licht met grote nauwkeurigheid reflecteren, buigen, doorlaten en absorberen en wordt zeer gewaardeerd om zijn optische eigenschappen. Het is sterk bestand tegen elektrische stroom en slaat elektriciteit goed op.

Soorten glas

Glas is onderverdeeld in soorten op basis van de chemische samenstelling. Dit zijn enkele van de meest voorkomende soorten.

Natronkalkglas

Natronkalkglas, ook wel natriumkalk-silicaglas of vensterglas genoemd, is de meest voorkomende en goedkoopste glassoort. Het bevat ongeveer 70% silica, samen met soda, kalk en kleine hoeveelheden andere verbindingen. De soda verlaagt de temperatuur waarbij het silica smelt, terwijl de kalk het silica stabiliseert. Ongeveer 90% van het vervaardigde glas is natronkalk. Het is chemisch stabiel, vaak goedkoop, en is zeer werkbaar omdat het meerdere keren kan worden verzacht tijdens de fabricage van een product. Het is een zachter glas, wat een aanwinst is voor fabricage via snijden, maar dit betekent wel dat het minder krasvast is dan andere glassoorten, zoals borosilicaat en gesmolten kwarts.

Natronkalkglas wordt vaak chemisch versterkt om de sterkte te vergroten, of het kan worden getemperd om de thermische schokbestendigheid en sterkte te vergroten. Zoals de bijnaam doet vermoeden, wordt het vaak gebruikt in vensters. Het wordt ook gebruikt voor huishoudelijke glazen containers. Natronkalk kent een breed scala aan toepassingen.

Lood glas

Loodglas, ook wel loodoxideglas of loodkristal genoemd, is minimaal 20% loodoxide. Het wordt ook wel vuursteenglas genoemd omdat de oorspronkelijke formule uit de jaren 1600 gecalcineerde vuursteen als bron van silica gebruikte, maar nu wordt vuursteen niet langer gebruikt bij het maken ervan. Het is een zachter glas, waardoor het gemakkelijker is om in ontwerpen te snijden die pronken met zijn hoge brekingsindex. Het is niet bestand tegen hoge temperaturen of plotselinge temperatuurschommelingen.

Omdat loodglas brekend en duurder is dan natronkalkglas, werd het vroeger vaak gebruikt voor decoratief glasservies. Omdat de gevaren van het innemen van lood nu algemeen bekend zijn, wordt loodglas tegenwoordig voornamelijk gebruikt voor elektrische toepassingen vanwege de elektrisch isolerende eigenschappen en de lagere smelttemperatuur. De lage smelttemperatuur is wenselijk voor smeltlassen, zodat het kan worden afgedicht rond elektronica die gevoelig is voor hogere temperaturen. Het wordt ook gebruikt voor afschermingstoepassingen ter bescherming tegen röntgen- en gammastralen in medisch, technisch en onderzoekswerk, en voor optische brillen vanwege de brekingsindex.

Borosilicaat

Borosilicaatglas is samengesteld uit ten minste 5% booroxide. Duurzaam en hittebestendig, borosilicaatglas is het materiaal bij uitstek voor een breed scala aan toepassingen, van kookgerei tot laboratoriumgebruik.

Het maken van borosilicaatglas vereist hogere temperaturen dan die nodig zijn voor de productie van gewoon glas, hoewel dit ook de hogere hittebestendigheid verklaart. Het heeft ook veel minder materiaalbelasting dan gewoon glas vanwege de lagere thermische uitzettingscoëfficiënt, wat ook bijdraagt aan de uitzonderlijke prestaties bij hoge temperaturen. Bovendien is borosilicaatglas veel duurzamer dan traditioneel glas en is het bestand tegen ongelukken waarbij ander glaswerk zou breken. Zelfs als het barst, presteert het doorgaans beter, omdat het zelden verbrijzelt.

Borosilicaatglas wordt vaak gebruikt voor wetenschappelijke en medische laboratoria omdat het naast zijn andere nuttige eigenschappen een uitstekende chemische weerstand biedt. Alles, van reageerbuizen, staven en bekers tot maatcilinders, pipetten en stoppers, wordt gemaakt van borosilicaat en wordt in laboratoria over de hele wereld gebruikt. Hoewel borosilicaatglas een uitzonderlijke zuurbestendigheid biedt, is het minder bestand tegen een reeks alkaliën, en soms moeten andere materialen worden overwogen. Borosilicaatglas wordt ook gebruikt in bepaalde optieken, zoals spiegels, omdat het zijn vorm goed behoudt tijdens temperatuurschommelingen. Andere toepassingen zijn onder meer het versterken van verschillende kunststofverbindingen en in verschillende kalibers en beschermende glasoppervlakken.

Het belangrijkste onderscheid tussen borosilicaatglas en traditioneel glas is de vervanging van boriumoxide door soda en kalk in het productieproces. Borosilicaatglas moet ten minste vijf procent booroxide bevatten, dat helpt het silicaat en aluminiumoxide en natriumoxide te binden.

Aluminosilicaat

Aluminosilicaatglas bevat aluminiumoxide. Het varieert in samenstelling, maar bevat gewoonlijk tussen 20% en 40% aluminiumoxide. Het heeft vergelijkbare eigenschappen als borosilicaatglas, maar is hittebestendiger, verdraagt temperaturen tot 800 ^o Celsius en heeft een betere chemische bestendigheid. Door deze hittebestendigheid is het veel moeilijker te smelten en dus te fabriceren dan borosilicaatglas. De twee belangrijkste soorten aluminosilicaatglas zijn aardalkali-aluminiumsilicaatglas en alkali-aluminiumsilicaatglas. Aardalkali-aluminiumsilicaatglazen hebben een zeer hoog verwekingspunt en worden doorgaans gebruikt voor glazen lampen voor halogeenlampen, thermometers voor hoge temperaturen, en kunnen worden gecoat in een elektrisch geleidende film en worden gebruikt voor weerstanden in elektronische schakelingen. Het hoge alkaligehalte van alkali-aluminiumsilicaatglas verbetert de druksterkte van het oppervlak. Ze zijn ook erg hard en krasvast. Ze worden vaak gebruikt voor aanraakschermen, zoals smartphoneschermen, en voor zonnecellen voor afdekglas en gelaagd veiligheidsglas.

Hoog silicaglas

Hoog silicaglas wordt gemaakt door glas te smelten om bijna alle niet-silicaatelementen eruit te verwijderen. Dit proces kan resulteren in een samenstelling van 95 tot 99% silica. Vanwege het gebrek aan vloeimiddelen is hoog silicaglas extreem moeilijk te smelten, met een vervormingstemperatuur tot wel 1.700ºC, wat betekent dat het kan worden gebruikt bij zulke hoge temperaturen als ongeveer 1.000^o C. Hoog silicaglas heeft een zeer lage thermische uitzetting, zeer goede chemische duurzaamheid, optische eigenschappen en mechanische eigenschappen, maar de extreem hoge verwerkingstemperaturen zijn een beperkende factor bij de productie en toepassing op grotere schaal.

Naarmate de technologie verbetert, is het vermogen om een grotere zuiverheid van hoog silicaglas te bereiken verbeterd, waardoor het mogelijk wordt om steeds hogere glaskwaliteiten te vervaardigen. Hoog silicaglas wordt vaak gebruikt in de halfgeleiderindustrie omdat silica siliciumwafels niet vervuilt, en voor glasvezel, UV-doorlatende lampbuizen, precisie-optica, vuurvaste buizen en als vezelversterking in composieten.

Gesmolten kwarts

Gesmolten kwartsglas, ook wel fused-silica glas of glasachtig-silica glas genoemd, wordt vervaardigd door het zuiveren en smelten van natuurlijk voorkomend kristallijn silica, gevonden in zand of bergkristal, hetzij met elektrische of vlamfusie. Het resulterende glas is zeer transparant, zelfs voor ultraviolet en infrarood licht, en weer- en schokbestendig. Het is erg moeilijk te fabriceren, aangezien fusie plaatsvindt bij ongeveer 1650 ^o C, dus het is erg duur. Deze hoge smelttemperatuur betekent echter ook dat het gedurende korte perioden temperaturen tot 1400 ° C aankan, waardoor het bestand is tegen de hoogste temperaturen van elk glas. Vanwege deze weerstand wordt gesmolten kwartsglas vaak gebruikt voor ruimtevaarttoepassingen, met name de ramen van bemande ruimtevaartuigen.

Glasfabricage en afwerking

Hoewel er enkele fabricagevariaties bestaan bij het maken van verschillende soorten glas, schetst het volgende het basisproces dat wordt gebruikt om de meer gebruikelijke soorten glas te maken, zoals natronkalk.

fabricage:

De ingrediënten waaruit glas bestaat, zijn afhankelijk van het type glas. Het hoofdbestanddeel van glas, eerstgenoemde genoemd, moet tot een zeer hoge temperatuur worden verwarmd om stroperig te worden. De meest voorkomende vorm is siliciumdioxide, dat in zand wordt aangetroffen. De eerste wordt gemengd met een vloeimiddel, waardoor het bij een lagere temperatuur smelt. Veel voorkomende fluxen zijn natriumcarbonaat en kalium. Een stabilisator wordt ook gebruikt om te voorkomen dat het glas oplost of ongewenste kristalonzuiverheden vormt. Een veel voorkomende stabilisator is calciumoxide, uit kalksteen. Deze droge ingrediënten worden in een batch met elkaar gemengd. Een oven smelt de batch om een vloeibare verbinding te vormen. Cullet, die bestaat uit gebroken glas, wordt aan de batch toegevoegd om het te laten smelten.

Als gekleurd glas wordt gefabriceerd, wordt een metaaloxide aan de batch toegevoegd. IJzer kleurt glas groen, koper kleurt lichtblauw, kobalt donkerblauw, goud dieprood. Glas met een laag ijzergehalte wordt aanbevolen bij het kleuren van glas in elke andere kleur dan groen. In kleine hoeveelheden wordt mangaandioxide gebruikt om glas te ontkleuren, maar in grote hoeveelheden kleurt het glas paars, of in grotere hoeveelheden zwart.

Nadat het is gesmolten, wordt het stroperige glas vervolgens in een bad van gesmolten tin gegoten, vervolgens tot een lint gevormd en afgekoeld. Het langzame en gelijkmatige afkoelingsproces wordt gloeien genoemd. Glas moet gelijkmatig worden gekoeld, want als een gebied langer heter blijft, wordt het dikker, en de verschillende diktes resulteren in spanning op het stuk glas. Een onjuist gegloeid stuk glas heeft meer kans om te barsten.

Snijden

Vervolgens wordt gegloeid glas op de gewenste afmetingen verzaagd. Dit wordt meestal gedaan met Computer Numerical Control-machines, of CNC-machines, die in staat zijn tot uiterst nauwkeurige bewerkingen. CNC-machines werken volgens specifieke CAM- en CAD-softwareprogramma’s, waardoor ze een willekeurig aantal werkstukken met dezelfde precisie kunnen bewerken. Ze kunnen ook een breed scala aan bewerkingstaken uitvoeren die normaal worden uitgevoerd door gespecialiseerde apparatuur: ze kunnen bochten en rechte lijnen snijden, gaten boren en groeven slijpen. De CNC-machines die worden gebruikt bij de glasfabricage, gebruiken onderscheidende gereedschappen, waaronder diamantslijpgereedschappen, diamantpunten en hardmetalen wielen, om een betere nauwkeurigheid en glasbewerkingscapaciteiten te bereiken.

Nadat het glas is gesneden en gevormd, voeren fabrikanten meestal wat glaspolijst-, lamineer- en andere afwerkingsdiensten uit. Gepolijste spiegels en lenzen vormen een aanzienlijk deel van de glasfabricagemarkt. Deze items vereisen over het algemeen extreme precisie en oppervlaktetoleranties moeten exact zijn om componenten naar wens te laten functioneren. Deze precisiecomponenten worden gebruikt in telescopen, prisma’s, laserlenzen en spiegels en andere optica, die allemaal sterk worden beïnvloed door onvolkomenheden en onnauwkeurigheden.

Tempereren

Temperen is een warmtebehandeling die glas versterkt tot ongeveer vier keer de sterkte van niet-gehard glas. Als gehard glas toch breekt, breekt het in kleine, ronde stukjes in plaats van gekartelde scherven.

Het temperingsproces begint met gesneden en gewassen glas dat door een temperoven gaat, hetzij in een batch of een continue toevoer. Het glas wordt verwarmd tot meer dan 600 ^o Celsius voordat het door quenching, het koelproces, gaat. Tijdens het blussen blaast hogedruklucht het glas uit de sproeiers in veel verschillende posities. Het buitenoppervlak van het glas koelt veel sneller af dan het midden, wat ertoe leidt dat het midden van het glas probeert terug te trekken van het buitenoppervlak. Het resultaat is dat het midden onder spanning blijft en de buitenkant onder druk komt te staan, waardoor gehard glas zijn sterkte krijgt.

Glas kan ook chemisch getemperd worden. Het glas wordt ondergedompeld in een bad met gesmolten kaliumzout, waardoor de natriumionen in het glas worden vervangen door grotere kaliumionen. De grotere kaliumionen vullen de gaten die zijn achtergelaten door de natriumionen, waardoor een compressietoestand ontstaat in het buitenoppervlak van het glas. Deze methode is duurder dan het gebruik van een temperoven, dus het wordt niet zo veel gebruikt.

Een nadeel van gehard glas is dat het niet opnieuw kan worden bewerkt als het eenmaal is gehard, dus het moet vóór het proces volledig worden gevormd. Vanwege de uitgebalanceerde spanning van gehard glas, zal het hele stuk glas waarschijnlijk breken als een deel ervan wordt beschadigd.

Gehard glas is een soort veiligheidsglas dat wordt gebruikt voor autoruiten, toegangsdeuren en andere toepassingen waar glassplinters mensen in gevaar kunnen brengen.

Lamineren

Lamineren is een andere manier om veiligheidsglas te maken. Lamineren is het versterken van het glas met een tussenlaag van kunststof. De tussenlaag versterkt niet alleen het glas, maar houdt ook stukken glas bij elkaar als ze breken, zodat het niet versplintert.

Er zijn een paar lamineerprocedures. Twee of meer stukken glas worden met behulp van warmte en druk verlijmd tussen een of meer lagen lijm, meestal polyvinylbutyral (PVB) of ethyleenvinylacetaat (EVA). Een andere methode is om twee of meer stukken glas te verbinden met een alifatische tussenlaag van urethaan of EVA, met behulp van warmte en druk. Glas kan ook worden ingelegd met een uitgeharde hars of met EVA.

Gelaagd glas is door zijn kunststoflagen moeilijk te snijden, maar niet onmogelijk. Wanneer gelaagd glas beschadigd is, barst het meestal in een spinnenwebpatroon in plaats van in meerdere gevaarlijke stukken uiteen te vallen.

Overzicht

Dit artikel gaf inzicht in glas, zijn eigenschappen, hoe het is gemaakt en de verschillende soorten glas. Raadpleeg voor meer informatie over gerelateerde producten onze andere gidsen of bezoek het Thomas Supplier Discovery Platform om potentiële leveranciers te vinden of details over specifieke producten te bekijken.

bronnen:

Bron

Site Navigation