Glasherstellung

1. Glas

Begriff: Glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt, welches beim AbkĂŒhlen einen erstarrten Zustand einnimmt, ohne dabei Kristalle zu bilden.

Der Ausdruck "Glas" dient heute in der Chemie vorwiegend zur Kennzeichnung eines bestimmten Zustandes, in dem nicht nur Quarz und die sogenannten Glassorten, sondern auch alle ĂŒbrigen Stoffe, bei denen bestimmte KoordinationsverhĂ€ltnisse vorliegen (z.B. Boroxid, Arsen(III)Oxid, ...). Diese Stoffe sind GlĂ€ser im weiteren Sinne.

Zur Geschichte des Glases: Wann und wer das Glas erfunden hat, ist bis heute nicht hundertprozentig festzustellen. Fest steht das das Glas höchstwahrscheinlich nicht erfunden wurde, sondern durch Zufall entdeckt wurde.

Schenkt man einer alten Legende Glauben, so wurde das Glas von den Phöniziern erfunden. Es wird gesagt, dass deren Seefahrer wollten eines Tages am sandigen Strand des Mittelmeeres eine warme Mahlzeit zubereiten. Aber sie fanden am Strand keine Steine um ihre Töpfe draufzustellen. Also holten sie Sodabrocken von ihrem Schiff und bauten damit eine Feuerstelle. In der Hitze des Feuers sei so zufĂ€llig aus Sand, Soda und Holzasche Glas entstanden. Diese Überlieferung lĂ€sst jedoch Zweifel an ihrer Wahrheit aufkommen. Zum Schmelzen des Gemisches sind eigentlich mindestens Temperaturen von mehr als 1000°C nötig, Temperaturen also die von einem normalen Holzfeuer eigentlich nie erzeugt werden könnten. Also ist dies wirklich nur eine Sage.

Wahrscheinlicher ist es, dass das Glas zufĂ€llig beim Herstellen von Glasuren fĂŒr Töpferwaren oder beim VerhĂŒtten entdeckt worden ist. Bei diesen VorgĂ€ngen ist es möglich das die erforderlichen Ausgangsstoffe und die hohen Temperaturen zusammengetroffen sind. Fest steht das es schon die alten Ägypter vor 7000 Jahren verstanden Glas herzustellen, wie Glasperlenfunde und Glasschmuck bei Ausgrabungen nachweislich belegen.

Eigenschaften des Glases: Glas hat eine außerordentliche kulturelle Bedeutung. Glasgeschirr (einschließlich glasierten Porzellans) zum Beispiel ist hygienisch und lĂ€sst sich auf Grund der glatten OberflĂ€che einfach reinigen. Weiterhin nimmt es keinen Geschmack an und ist geruchsfrei. Durch seine porenfreie OberflĂ€che ist es gasundurchlĂ€ssig. Bei der Glasgestaltung bieten sich viele kĂŒnstlerische Möglichkeiten an. Fast noch wichtiger ist das Glas jedoch als Baustoff. Aufgrund seiner LichtdurchlĂ€ssigkeit wird es ĂŒberall da eingesetzt wo gute SichtverhĂ€ltnisse erforderlich sind. Weiterhin begrĂŒndet sich die große Bedeutung von Glas auch darauf das sich die Eigenschaften bei der Herstellung weitgehend beeinflussen lassen. Es kann gefĂ€rbt, zu den unterschiedlichsten Formen verarbeitet werden und auch die BestĂ€ndigkeit gegenĂŒber anderen (chem.) Stoffen ist verĂ€nderbar. Es ist weitgehend bestĂ€ndig gegen alle möglichen chem. Stoffe und Lösungen. Ausnahmen bilden alkalische Lösungen, Fluor, Fluorwasserstoff und dessen wĂ€ssrige Lösungen. Bei geringen Belastungen verhĂ€lt sich Glas elastisch, erst bei grĂ¶ĂŸeren Belastungen spröde. Es ist weiterhin ein Isolator und auch seine WĂ€rmeleitfĂ€higkeit ist sehr gering. Diese Eigenschaften gelten fĂŒr festes Glas. Geschmolzenes Glas dagegen zeigt eine gewisse elektrische LeitfĂ€higkeit da beim Aufschmelzen Ionen frei werden. Diese Eigenschaften haben jedoch auch gewisse Nachteile. Bei raschen Temperaturwechsel zum Beispiel kommt es zu Spannungen im Glas, im Extremfall kommt es zum Bruch.

Geschmolzene GlĂ€ser sind so zĂ€hflĂŒssig, dass sich die Ionen beim AbkĂŒhlen zwar noch zu kleinen geordneten Bereichen zusammenfĂŒgen, diese sich aber nicht zu einer Kristallanordnung zusammenfinden. Deshalb unterscheiden sich GlĂ€ser in vielerlei Hinsicht von kristallinen Stoffen; sie sind wie FlĂŒssigkeiten amorph (gestaltlos), haben statt einer Schmelztemperatur einen Erweichungsbereich, besitzen keine bevorzugte Spaltrichtung usw.

Verschiedene Eigenschaften wichtigster Glassorten:

Glasart

Zusammensetzung

Eigenschaften

Verwendung

Kalknatronglas

Sand: 71-75%

Soda: 12-16%

Kalk: 10-15%

weitgehen bestĂ€ndig gegen chem. EinflĂŒsse, nicht dauerhaft gegenĂŒber alkalischen Lösungen

GetrÀnkeflaschen, KonservenglÀser, TrinkglÀser, Fensterglas

Bleiglas

Sand: 54-65%

Bleioxid: 18-38%

Soda: 13-15%

starke Lichtbrechung, schleifbar, große Dichte

Vasen, Schalen, TrinkglÀser mit Schliff

Borosilicatglas (Jenaer Glas)

Sand: 70-80%

Boroxid: 7-13%

Soda: 5-10%

Aluoxid: 2-7%

hohe BestĂ€ndigkeit gegen Chemikalien und bei großen Temperaturunterschieden

Laborglas, Backformen, feuerfestes Geschirr

Glasherstellung: Hauptbestandteil des Glases ist Quarz, also Siliciumdioxid. Es kommt vor allem in Sand vor. Dort ist es jedoch mit vielen verschiedenen Stoffen verunreinigt. Der Sand wirkt hierbei als Glasbildner, er trĂ€gt also dazu bei die Verzweigungen des Glasnetzwerk aufzubauen. Zum Beispiel durch fĂ€rbende Oxide (besonders Eisenoxid welches dem Sand seine brĂ€unliche Farbe gibt). Diese wĂŒrden auch das spĂ€tere Glas fĂ€rben, also darf der Sand zur Glasherstellung nur 0,01 -0,03% Eisenoxid enthalten. Besonders rein dagegen liegt es in Bergkristallen vor. Das Quarz ist Hauptbestandteil fast aller GlĂ€ser. Es bestimmt die Grundeigenschaften und die Struktur des Glases.

Siliciumdioxid: - ist ein sehr harter Feststoff

- Dies liegt an seinem Aufbau. Siliciumatome und tetraedrisch herum angeordnete Sauerstoffatome bilden ein Kristallgitter, wobei die Sauerstoffatome wiederum mit Siliciumatomen verbunden sind. Es entsteht ein sehr regelmĂ€ĂŸiges Netzwerk, in dem alle Atome miteinander ĂŒber Atombindungen verbunden sind. Das Kristallgitter des Siliciumdioxids ist also dem eines Diamanten sehr Ă€hnlich.

Quarz hat eine hohe Schmelztemperatur von ca. 1700°C. Dies liegt daran das beim Schmelzen die starken Si-O-Bindungen aufgebrochen werden mĂŒssen. Beim AbkĂŒhlen wird die Schmelze zĂ€hflĂŒssig und erstarrt dann schließlich ohne zu kristallisieren. Es bildet sich Quarzglas. Ähnlich wie beim Quarz sind die Si-Atome im Quarzglas tetraedrisch von 4 Sauerstoffatomen umgeben. Diese Tetraeder sind jedoch nicht mehr wie im Quarz geordnet, sondern sind in der bei der FlĂŒssigkeit vorhanden gewesenen Unordnung geblieben. Quarzglas ist jedoch ein relativ teures, dafĂŒr aber auch qualitativ hochwertiges Glas. (sehr geringe WĂ€rmeausdehnung Ă  sehr geringe Gefahr des Zerspringens auch bei extremem Temperaturwechsel).

Um Glas billiger herzustellen werden dem Sand noch einige andere Stoffe beigemengt. Dabei handelt es sich meist um Soda (Natriumcarbonat). Dieser Stoff dient dazu die ansonsten hohe Schmelztemperartur des Quarzes herabzusetzen. FrĂŒher wurde es aus sodahaltigen Seen in Ägypten gewonnen oder durch das Verbrennen sodahaltiger Pflanzen und anschließendem Auslaugen der Asche. Heute wird es großtechnisch aus Ammoniak, CO2 und Kochsalzlösung im SolvayVerfahren hergestellt. Dazu kommt außerdem gemahlener Kalkstein (CaCO3) der die HĂ€rte des Glases und auch seine chemische BestĂ€ndigkeit gegen vielerlei chem. Stoffe erhöht. Wird das Gemisch dann erhitzt so entweicht Kohlenstoffdioxid und es entstehen Silicate die Ă€hnlich wie Siliciumdioxid einen teilweise vernetzten Aufbau haben.

SiO2+NaCO3 Ă  CO2+Na2SiO3

SiO2+CaCO3 Ă  CO2+CaSiO3

Silicate: als Silicate bezeichnet man die verschiedenen Salze der SauerstoffsÀuren des Siliciums (KieselsÀuren). Diese haben zum Teil einen sehr komplizierten Aufbau. Die einfachste KieselsÀure ist die OrthokieselsÀure, H2SiO4.

Auch Silicate gehen beim AbkĂŒhlen in den Glaszustand ĂŒber. Das entstandene Glas ist ein Gemisch aus Natrium- und Calciumsilicat und wird Kalknatron- oder Normalglas genannt. Es ist die am hĂ€ufigsten verwendete Glasart, auch wenn sie qualitativ nicht mehr so hochwertig wie reines Quarzglas ist und bei großen Temperarturunterschieden eher zum Zerspringen neigt. Dies liegt in der Struktur des entstandenen Glases begrĂŒndet. In KalknatronglĂ€sern werden nicht mehr alle Si-O-Bindungen des Quarzes geknĂŒpft. Statt dessen gleichen NatriumIonen die negativen Ladungen unverknĂŒpfter Sauerstoffatome an den Ecken der SiO4-Tetraeder aus. Weiterhin werden je nach Verwendungszweck des entstehenden Glases noch andere ZusĂ€tze mit eingebracht. Zum Beispiel verschiedene Oxide um das Glas zu fĂ€rben. Beispielsweise fĂ€rbt Cobaltoxid das Glas blau, Gold fĂ€rbt es rubinrot. Bleioxid bewirkt eine höhere Lichtbrechung des spĂ€teren Glases. Das Glas nennt man dann wegen seiner hohen Lichtbrechung auch Bleikristallglas. Weiterhin setzt Bleioxid auch die Schmelztemperatur der Ausgangsstoffe herab.

Technische Herstellung und weitere Verarbeitung von Glas: Als Ausgangsstoffe dienen die oben genannten Stoffe die fein zermahlen eingebracht werden, dazu kommen ca. 20 - 60% alte Glasscherben. Der Zusatz von Glasscherben trĂ€gt zur Energie- und Rohstoffeinsparung bei. Deshalb wird bei dem an sich unvernĂŒnftigen Gebrauch von Einwegflaschen das Altglas gesammelt und wiederverwertet. (Altglasrecycling) Diese Masse wird dann mittels Gasfeuerung in großen Wannenöfen (diese können bis zu 40m lang und 6m breit sein) von oben her geschmolzen. Die erforderlichen Temperaturen liegen bei ca. 1000- 1600°C. In 24h können so bis zu 100-400Tonnen Glasschmelze gewonnen werden. Der Schmelzvorgang ist besonders wichtig fĂŒr die spĂ€tere Reinheit des Glases.

Danach wird das Glas bei einer Temperatur von ca. 900°C weiterverarbeitet. Dies geschieht heutzutage fast ausschließlich maschinell. Nur besondere Spezial- oder SchmuckglĂ€ser werden heute noch von Hand hergestellt.

Die Verfahren zur Weiterverarbeitung der Glasschmelze sind vielseitig. Man kann sie gießen, walzen, ziehen, blasen, oder pressen.

Glasflaschen, TrinkglĂ€ser und andere oft benötigte Hohlglaskörper werden heutzutage meist vollautomatisch von Automaten geblasen oder auch in ihre spĂ€tere Form gepreßt. Derartige Automaten blasen bis zu 60000 Flaschen am Tag.

Aus der Glasschmelze können auch Fasern mit Durchmessern von wenigen Tausendstel Millimetern hergestellt werden. Diese Glasfasern finden als Glaswolle in der Bauindustrie zur WĂ€rme- bzw. Schallisolierung Verwendung. Sie werden weiterhin als Gewebe zur VerstĂ€rkung von Kunststoffteilen (z.B. im Fahrzeugbau, bei SportgerĂ€ten, Sturzhelmen,...) eingesetzt (Glasfieber). Als Lichtleiter ersetzen die dĂŒnnen, biegsamen GlasfaserbĂŒndel in der Nachrichtentechnik das weltweit immer knapper werdende Kupfer.

Eine erst seit relativ kurzer Zeit aufgekommene Verwendungsmöglichkeit von Glas ist die, es als Strahlenschutzglas zu nutzen. Diese Art von Glas hat einen sehr hohen Anteil an Blei und wird zum Schutz vor radioaktiver Strahlung genutzt. Zum Beispiel beim Abschirmen von Kernreaktoren oder Àhnlichen. Aber auch zum Transport hochradioaktiver AbfÀlle wird dieses Glas genutzt. Dabei werden die AbfÀlle in Glas eingegossen.

Eine weitere sehr bedeutende Rolle spielt Glas als Baustoff. Dabei handelt es sich meist um verschiedenste Arten von Flachglas. Das meiste Fensterglas wird heute nach dem sogenannten Floatverfahren hergestellt. Das Besondere an diesem Verfahren ist das das flĂŒssige Glas auf geschmolzenes Zinn geleitet wird. Auf diesem flĂŒssigen Zinn schwimmt das Glas dann in Form eines endlosen Bandes. Auf seinem Weg auf dem Zinn kĂŒhlt das Glas von 1200°C auf ca. 600°C ab. Das endgĂŒltige AbkĂŒhlen auf Raumtemperatur erfolgt dann in KĂŒhlöfen und auf einem offenem Rollengang. Am Ende wird das Glas zerschnitten und fĂŒr den Versand verpackt. Die gesamte Anlage ist Tag und Nacht in Betrieb. Dadurch ist es möglich das Glas immer von einer gleichbleibenden Dicke zu erzeugen und es hat eine hohe QualitĂ€t und kann dann weiter zu veredeltem Flachglas verarbeitet werden.

Bei veredeltem Flachglas handelt es sich um spezielle GlĂ€ser die erhöhten AnsprĂŒchen genĂŒgen mĂŒssen. Beispiele sind zum Beispiel Verbundglas. Dies ist Glas das aus mindestens 2 Scheiben Sicherheitsglas besteht, welche durch eine reißfeste Kunststoffolie miteinander verklebt sind. Bei der Zerstörung bleiben die BruchstĂŒcke an der Folie haften und außerdem bleibt die Scheibe durchsichtig. Verbundglas wird bei Windschutzscheiben, als Schutzglas bei Maschinen oder bei Fernsehbildröhren verwendet. Es kann weiterhin auch zu mehr als 25mm dicken Panzerglas oder durch EinfĂŒgen von HeizdrĂ€hten zu PKW-Heckscheiben weiterverarbeitet werden. Panzerglas besteht aus mindestens 4 Scheiben und ist ab 60mm durchschußfest.

SicherheitsglĂ€ser werden hergestellt um die Bruchgefahr und damit die Verletzungsgefahr bei FlachglĂ€sern zu verringern. Die GlĂ€ser werden dabei bei der Herstellung thermisch vorgespannt und gehĂ€rtet. Dabei wird die OberflĂ€che des Glases rasch erhitzt und sofort wieder abgekĂŒhlt. Das so entstandene Sicherheitsglas zerfĂ€llt bei Schlag oder Stoß in viele kleine BruchstĂŒcke ohne scharfe RĂ€nder.

Zu den veredelten GlĂ€sern gehören auch die IsolierglĂ€ser Sie bestehen aus 2 oder mehr Scheiben, die einen Zwischenraum von 9 -12mm aufweisen. Darin befindet sich entweder Luft oder ein Gas. Die Luft oder das Gas trĂ€gt dazu bei das weniger WĂ€rme vom Innenraum nach außen gelangt.

Eine weitere Methode Fensterscheiben herzustellen ist es zu gießen. Es entsteht sogenanntes Gußglas. Es ist nicht durchsichtig und wird vor allem fĂŒr Badezimmer- bzw. Toilettenfenster verwendet. Bei diesem Verfahren fließt das Glas auf eine Bank aus feuerfesten Stein. Von dort aus gelangt es zwischen 2 Formwalzen. Je nach Abstand der Walzen wird das Glas mehr oder weniger dick. Soll die OberflĂ€che des Glases eine Musterung enthalten, verwendet man entsprechende Formwalzen mit entsprechender Musterung. Wenn Drahtglas hergestellt werden soll, liegt vor der Formwalze eine Rolle mit Drahtnetz. Dieser wird im Laufe der Verarbeitung leicht in die OberflĂ€che des Glases eingedrĂŒckt. Diese Art von Glas wird zum Beispiel in Bahnhofshallen, HaustĂŒren... verwendet.

FensterglÀser wurden nachweislich schon von den alten Römern hergestellt. Sie gossen das geschmolzene Glas in nasse Holzformen und breiteten die Schmelze darin aus. Nach dem Erstarren lösten sie die Scheiben vorsichtig aus der Form. Im Mittelalter wurden die Glasscheiben nicht mehr gegossen sondern mit dem Mund geblasen. Man blies zunÀchst einen Zylinder der dann der LÀnge nach aufgeschnitten, ausgebreitet und geglÀttet wurde. Noch bis zum Ende des vorigen Jahrhunderts wurden Glasscheiben nach diesem Verfahren hergestellt, erst dann wurden neue Verfahren erkannt.

Spezielle GlĂ€ser werden noch heute mit dem Mund geblasen. Dies geschieht mit Hilfe einer Form oder aber ganz frei ohne jegliche Hilfsmittel. Dazu nutzt der GlasblĂ€ser eine Glaspfeife mit deren Hilfe er aus einem Tropfen Schmelze in mehreren Arbeitsschritten das WerkstĂŒck herstellt. Die fertigen abgekĂŒhlten GlĂ€ser können dann noch weiterverarbeitet werden. Sie können zum Beispiel geschliffen werden (SchmuckglĂ€ser, ...).

Umweltfreundlichkeit von Glas: Glas ist ein umweltfreundlicher Werkstoff, da er nach dem Gebrauch durch Wiederverwertung (Recycling) nochmals genutzt werden kann. Dies ist zwar eine Möglichkeit Glas wiederzuverwerten und dadurch natĂŒrliche Ressourcen aber vor allem Energie zu sparen, dennoch sollte man sich z.B. bei GetrĂ€nken, die in Flaschen abgefĂŒllt sind, ĂŒberlegen, ob es nicht ökologisch sinnvoller wĂ€re, wenn statt Einwegflaschen Pfandflaschen Verwendung finden wĂŒrden.

Glas - ein Werkstoff der Vergangenheit und Zukunft: Glas wird seit mehr als 7000 Jahren von Menschen genutzt. Auch in Zukunft wird Glas nicht an Bedeutung verlieren, sondern eher noch wichtiger werden, da bisher kein alternativer Stoff mit den vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten und den hervorragenden Eigenschaften des Glases gefunden worden ist. Auch besteht nicht die Notwendigkeit zu derartigen Entdeckungen, da der Hauptbestandteil des Glases, Siliciumdioxid, in der Erdkruste als zweithĂ€ufigster Stoff vorkommt. In der sich rasant entwickelnden Informationstechnik oder Kommunikationstechnik ist Glas ĂŒberhaupt nicht mehr wegzudenken, da es dort als Werkstoff nahezu unersetzbar geworden ist.

2158 Worte in "deutsch"  als "hilfreich"  bewertet