Glas

Glas gehört zu den bekanntesten Materialien der Welt und ist seit vielen Jahrtausenden ununterbrochen in Gebrauch. Wie die Keramiken sind Gläser nichtmetallische, anorganische Werkstoffe, was ihre Beschreibung unter dem Begriff „Keramik“ begründet. Im Gegensatz zu vielen keramischen Werkstoffen, insbesondere zur technischen Keramik, sind Gläser amorphe Stoffe. Sie erstarren ohne Kristallisation und liegen nach Abkühlen zunächst als unterkühlte Flüssigkeit vor, bevor sie in den festen Zustand übergehen.
            Abb. 1 Anwendungsbeispiele für Glas a) Trinkgläser, b) Glaskannen c) Laborgegenstände, d) Glasfassade
Die Einteilung von Gläsern erfolgt meist nach der chemischen Zusammensetzung. Danach wird grundsätzlich zwischen Kalknatronglas, Bleiglas und Borosilikatglas unterschieden. Diese drei Glasarten machen rund 95 % der gesamten Glasproduktion aus. Der restliche Anteil entfällt auf Spezialgläser wie z. B. Quarzglas und Glasfasern. Alle Gläser enthalten mindestens 50 % Siliziumoxid. Dazu kommen oft verschiedene weitere Oxide, am häufigsten Metalloxide. Durch diese Zusätze lassen sich Eigenschaften von Glas mit Ausnahme der Festigkeit in weiten Bereichen modifizieren.
Kalknatronglas wird für Getränkeflaschen, für verschiedene Lebensmittel- und Trinkgläser (Abb. 1a) sowie in großen Mengen für Fensterscheiben und Glasfassaden (Abb. 1d) verwendet. Kalknatrongläser sind lichtdurchlässig und zeichnen sich durch eine glatte, porenfreie Oberfläche aus, so dass sie z. B. leicht gereinigt werden können.
Bleiglas zeichnet sich durch einen hohen Brechungsindex, Farblosigkeit, Glanz und einen schönen Klang aus. Seine Dichte ist mit mehr als 3,5 g/cm3 deutlich höher als die anderer Glasarten. Bleigläser eignen sich besonders gut für die Verzierung durch Schliff. Im täglichen Leben begegnen uns Bleigläser zumeist als Trinkgläser, Vasen, Schalen oder als Ziergegenstände. Gläser, die weniger als 18 % bzw. keine Bleioxide enthalten, werden auch als Kristallglas bezeichnet. Gläser mit sehr hohem Bleioxidgehalt (mehr als 40 %) werden in der Optik verwendet und Flintglas genannt.
Borosilikatglas besitzt eine hohe chemische Beständigkeit und gute Temperaturbeständigkeit. Es zeichnet sich durch einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Daher wird diese Glasart sehr oft für Produktionsanlagen in der chemischen Industrie, in Laboratorien (Abb. 1c) oder für hochbelastbare Lampengläser verwendet. Aber auch im Haushalt findet Borosilikatglas Verwendung: Back- und Auflaufformen sowie anderes "feuerfestes" Geschirr (Abb. 1b) sind daraus gefertigt.
Spezialgläser werden für besondere technische und wissenschaftliche Zwecke benutzt. Ihre Zusammensetzung ist sehr unterschiedlich und umfasst zahlreiche chemische Verbindungen. Zu dieser Gruppe gehören z. B. die optischen Gläser und Gläser für Elektrotechnik und Elektronik sowie Glaskeramiken und Glasfasern.
Obwohl Glas zu den ältesten Werkstoffen der Menschheit gehört, besteht noch keine Klarheit bezüglich seiner Struktur. Physikalisch betrachtet ist Glas eine unterkühlte Flüssigkeit. Die mittlerweile allgemein anerkannte Beschreibung der Glasstruktur ist das Netzwerkmodell. Nach diesem Modell können wir uns Glas als eine Art anorganisches Polymer vorstellen, bei dem bestimmte Nichtmetalloxide mit Metalloxiden ein räumliches Netzwerk bilden. Das Nichtmetalloxid ist der Netzwerkbildner oder Glasbildner und die Metalloxide, die in das Gerüst des Netzwerkes eingelagert sind, werden Netzwerkwandler genannt. Der wichtigste Netzwerkbildner ist Siliziumoxid. Neben ihm können auch andere Stoffe wie z. B. Boroxid als Netzwerkbildner fungieren. Das Netzwerkmodell besagt, dass im Glas grundsätzlich dieselben Bindungszustände wie im Kristall vorliegen, bei silikatischen Gläsern also in Form von SiO4-Tetraedern. Der Vergleich von Quarz und Quarzglas zeigt, dass Glas ausschließlich über eine Nahordnung in Form dieser Tetraeder verfügt, jedoch keine kristalline Fernordnung aufweist.
Gewöhnlich wird Glas durch Schmelzen erzeugt. Anders als bei der Abkühlung kristalliner Materialien erfolgt beim Glas der Übergang von der flüssigen Schmelze zum Feststoff kontinuierlich. Dies bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zwar Kristallkeime bilden, für den Kristallisationsprozess jedoch nicht genügend Zeit verbleibt. Das erstarrende Glas ist zu schnell fest, so dass noch eine Kristallbildung möglich ist. Bei der Glasherstellung lassen sich prinzipiell drei Stufen unterscheiden: Glasbildungsprozess, Läuterungsprozess und Abstehprozess. Diese Verfahrensstufen sind in der Praxis nicht exakt voneinander abzugrenzen und weisen Übergänge auf. Die Zusammensetzungen der Gemenge für die einzelnen Glassorten, die sogenannten Glassätze, sind sehr verschieden. Die Komponenten liegen dabei in Form von Oxiden, Karbonaten und Nitraten vor und bestimmen durch ihre Art und Menge die Eigenschaften des Glases. Für den Läuterungsprozess werden Läutermittel benutzt, die Entgasung und Homogenisierung der Glasschmelze herbeiführen. Der Glasbildungsprozess stellt einen Aufschmelzvorgang dar. Die Läuterungs- und Abstehprozesse werden erst in der Schmelze durchgeführt. Das Schmelzen und die Läuterung erfolgen bei Temperaturen von 1300 °C bis 1500 °C und sind mit einer Reihe physikalischer und chemischer Reaktionen verbunden. Durch die Temperatursenkung auf ca. 1000 °C wird beim Abstehprozess die Viskosität erhöht. Sie spielt die entscheidende Rolle bei weiteren Verarbeitungs- und Formgebungsverfahren von Glas.
Die bedeutendste Eigenschaft von Glas ist die Lichtdurchlässigkeit. Dabei ist sein optisches Verhalten so vielfältig wie die Anzahl der Glasarten. Klare Gläser sind für Licht durchlässig. Durch Zugabe spezieller Materialien zur Schmelze kann die Durchlässigkeit gezielt verändert werden. Zum Beispiel kann Glas für infrarotes Licht undurchdringbar gemacht werden und somit die Wärmestrahlung blockieren. Die bekannteste Steuerung der Durchlässigkeit ist die Färbung. Es können die verschiedensten Farben erzielt werden. Andererseits gibt es undurchsichtiges Glas, das schon aufgrund seiner Zusammensetzung opak ist. Ein weiterer optischer Parameter ist der Brechungsindex, der besonders beim Einsatz von Glas in der Optik bedeutungsvoll ist. Die Mehrheit der Gläser hat eine Dichte von ca. 2,5 g/cm³ und damit gehören sie zu den leichten Werkstoffen. Die mechanischen Eigenschaften von Glas sind sehr unterschiedlich. Seine Zerbrechlichkeit ist sprichwörtlich. Die Bruchfestigkeit wird entscheidend von der Qualität der Glasoberfläche bestimmt, da bereits geringste Oberflächenverletzungen (Risse und Kratzer) durch ihre Kerbwirkung die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Der Elastizitätsmodul der meisten Gläser liegt zwischen 55 und 90 GPa. In massiver Form hat Glas eine relativ geringe Zugfestigkeit von weniger als 120 MPa. Dagegen weisen Glasfasern eine wesentlich höhere Zugfestigkeit auf. Die Vickershärte von Glas ist mit 400 bis 800 HV hoch, ebenso wie seine Druckfestigkeit mit 600 bis 1200 MPa. Als hart oder weich werden Gläser im thermischen und nicht im mechanischen Sinne bezeichnet. Das heißt, dass ein weiches Glas bei einer niedrigeren Temperatur als ein hartes Glas erweicht. Kalknatron- und Bleigläser gelten als weich, die übrigen Arten als hart. Glas ist weitgehend resistent gegen viele Chemikalien mit Ausnahme von Fluor und seinen Verbindungen sowie konzentrierten Alkalien. Beim Angriff aggressiver Medien kommt es zuerst zu einer Auslaugung der Netzwerkwandler und nicht zur Auflösung des gesamten Netzwerkes. Erst bei weiterer Einwirkung eines solchen Mediums wird unter geeigneten Zuständen auch das SiO4-Netzwerk zerstört.
Bei Raumtemperatur hat Glas einen hohen elektrischen Widerstand (damit eine geringe elektrische Leitfähigkeit) und kann als Isolator dienen. Der Widerstand fällt allerdings mit steigender Temperatur stark ab, sofern es sich nicht um reines Quarzglas handelt.
Glas ist eines der vielseitigsten Materialien, das in sehr vielen Bereichen eingesetzt werden kann. Schätzungsweise werden heute etwa 800 unterschiedliche Glassorten hergestellt. Die Verwendung von Glas reicht von Fensterglas, Flaschen und Kochgeschirr bis zu Gläsern mit speziellen mechanischen, elektrischen, thermischen, chemischen, korrosiven und optischen Eigenschaften. Glasfasern dienen u.a. als Verstärkungsstoffe bei Verbundwerkstoffen. Die Produktpalette der Glasindustrie ist historisch gewachsen und sehr breit. Die Flachglasindustrie fertigt Flachgläser für Bauwirtschaft und Architektur, für den Automobil- und Fahrzeugbau sowie für die Möbelindustrie. Die Behälterglasindustrie stellt Glasverpackungen aller Art her. Die Produkte der Gebrauchs- und Spezialglashersteller finden besonders vielfältige Anwendung in vielen technischen, medizinischen, chemischen und anderen Bereichen. Die Wirtschaftsglasindustrie stellt Trinkgläser und andere Glaswaren für den Alltag und für die Gastronomie her. Die Mineralfaserindustrie produziert Dämmstoffe für den Bau (Glas- und Steinwolle) und fertigt Verstärkungsfasern für die Kunststoffindustrie sowie textile Glasfasern. In Abb.1 sind nur vier Beispiele dieser unzähligen Anwendungen von Glas dargestellt. Eine besonders schöne Glasart stellt Kristallglas dar. Darüber können Sie unter unserem Link: Ist Kristallglas wirklich kristallin? lesen.
Aus bestimmten Anwendungsbereichen, wie bei Verpackungen, wurde in den vergangenen Jahren das Glas durch andere Werkstoffe, besonders durch Kunststoffe, teilweise verdrängt. Anders sieht es bei optischen und technischen Gläsern aus, deren Einsatz stetig zunimmt.<<