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Glas

amorpher Feststoff
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Unter Glas (soviel wie "glasa", germanisch für Bernstein; das Glänzende oder Schimmernde) versteht man einen amorphen Feststoff.

Datei:Bristol Blue Glas.jpg
Eine kleine Auswahl von Bristol-Blue-Glas aus Bristol, England

Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine röntgenamorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und mit einer entsprechend hohen Geschwindigkeit abgekühlt werden.

Glas entsteht, wenn eine Schmelze so schnell abkühlt, dass sich im wesentlichen keine kristalline Struktur ausbilden kann. Das bedeutet, dass sich bei der Entstehung von festem Glas aus einer Schmelze die Geschwindigkeiten der Kristallkeimbildung und die des Kristallwachstums so zueinander verhalten müssen, dass sich zwar Kristallkeime bilden können, aber aufgrund des Erstarrens der Schmelze für das eigentliche Kristallwachstum nicht genügend Zeit vorhanden ist.

Im engeren Sinne versteht man unter Glas aber vor allem unterkühlte (erstarrte) anorganische Schmelzen auf der Basis von Siliziumdioxid das heißt vor allem aus (Quarzsand) und Zusatzstoffen wie Soda(Na2CO3)und früher auch Potasche (Kaliumkarbonat), Manganoxid und Metalloxiden. Durch die Beimengung dieser Zusätze lassen sich die Eigenschaften des Glases beeinflussen.

Daraus ergibt sich eine Abgrenzung zum Kunststoff, der zwar die oben genannten Definition erfüllen kann, aber im Grunde aus Kohlenwasserstoffverbindungen besteht und organischen (siehe auch organische Chemie) Ursprungs ist, er darf darum nicht als Glas im engeren Sinn bezeichnet werden.

Viele Glassorten sind klar bzw. durchsichtig, das bedeutet, dass sie für sichtbares Licht durchlässig sind. Im Allgemeinen sind es solche Gläser die mit dem Begriff als erstes in Verbindung gebracht werden. Extrem klares Glas kann so transparent sein, dass infrarotes Licht über viele Kilometer durch Glas in Form von Glasfaserkabeln geschickt werden kann. Viele Glassorten sind allerdings undurchlässig für UV-Strahlung.

Glas läßt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit erstellt werden können.

Glas ist also oft durchsichtig/klar kann aber auch opak sein und alle anderen Färbungen aufweisen, es ist meist hart, chemisch weitgehend träge und biologisch inaktiv, es kann bestimmte Wellenlängen absorbieren (Filterglas), außerdem können sehr glatte und undurchlässige Glasoberflächen hergestellt werden. Im Allgemeinen ist nur die Reaktion zwischen Glas und Flusssäure industriell von Bedeutung.

Glasfärbung und Entfärbung

Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu beeinflussen. Für die Glasfärbung, bzw. für die Entfärbung von Gläsern, die durch Verunreinigungen ihrer Rohstoffe verfärbt sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man für die Entfärbung Färbemittel, die die komplimentär Farbe der Verfärbung produzieren.

Eisenoxide: Färben je nach Wertigkeit des Eisenions grün-blaugrün oder gelb und in Verbindung mit Braunstein gelb sowie braun-schwarz. Kupferoxide: zweiwertiges Kupfer färbt blau, einwertiges färbt rot, daraus ergibt sich das sogenannte Kupferrubinglas. Chromoxid: Wird in Verbindung mit Kupferoxid für die Grünfärbung verwendet. Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelbfärbung mit grüner Floureszens, solche Gläser wurden vor allem in der Zeit des Jugendstil hergestellt. Kobaltoxid: färbt intensiv blau und wird auch für die Entfärbung verwendet. Nickeloxid: violett, rötlich auch für die Graufärbung und zur Entfärbung Selen: färbt rosa und rot, die rosa Färbung wird als "Rosalin" bezeichnet, während die rote als Selenrubin bezeichnet wird. Silber: ergibt feines Silbergelb Gold: Wird erst in Königswasser aufgelöst und färbt rot, ergibt das sogenannte Goldrubin, eine der feinsten und teuersten Glasfärbungen.

Einstellung der Glaseigenschaften

Wie bei der Glasfärbung werden die weiteren Glaseigenschaften: Lichtbrechung, Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Absorbtionsfähigkeit, Wärmeausdehnung etc. durch Zusatzstoffe manipuliert. Bleiglas funkelt stärker, weil es einen höheren Brechungsindex hat. Bor verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften. Barium erhöht ebenfalls den Brechungsindex Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert. Soda und Pottasche sind sogenannte Flußmittel, sie werden manchmal zugegeben, um den Schmelzpunkt zu erniedrigen, und Mangan kann unerwünschte Farben entfernen. Durch den Zusatz von Tonerde wird die Wasserlöslichkeit verringert.

Herstellung

Glas wird erschmolzen aus Sand (SiO2) und ist nach chemisch-physikalischer Definition ein Schmelzprodukt, welches abgekühlt und erstarrt ist, ohne zu kristallisieren (nach: Martin Heck, Chemisch-analytische Untersuchungen an frühmittelalterlichen Glasperlen, 2000, Diss. an der TU Darmstadt). Beim eigentlichen Schmelzprozess kommt es vor allem zu Lösungsreaktionen. Das bedeutet, dass es nach der Definition noch immer flüssig ist, nur fast unendlich verlangsamt. An alten Glasscheiben läßt sich unten eine leichte Verdickung nachweisen, was diese Aussage stützt. Allerdings müsste man ein solches Verhalten bei optischen Gläsern wie Prismen oder Linsen schon nach relativ kurzer Zeit feststellen können, außerdem finden sich für dieses Verhalten auch bei antiken römischen und agyptischen Gläsern nur wenige Hinweise, obwohl andere Eigenschaften wie metallisches Irisieren, Verfärbungen und Trübungen an denselben ohne weiteres festzustellen sind.

Um Glas zu erschmelzen, wird ein Netzwerkbildner (Sand), Netzwerkwandler wie Na2O, K2O etc., und Zwischenoxide, auch Stabilisatoren genannt, wie z.B. MgO, zusammen mit Schmelzbeschleunigern, sogenannten Flussmitteln (Pottasche, Soda) geschmolzen. Weger der Bildung des Netzwerkes spricht man bei Gläsern auch von einer Matrix. Sie setzt sich aus den diese Struktur bildenden Elementen Sauerstoff und aus Si4+, B3+ oder P5+ zusammen. Aufgespalten wird das Netzwerk durch Kationen wie Na+ oder Ca+; daneben existieren so genannte intermediäre Kationen wie Al3+, Zn2+ oder Pb2+, die sowohl bildende als auch Netzwerk wandelnde Eigenschaften haben (Heck 2000, 4). Zwischenoxide, die auch Stabilisatoren genannt werden, bewirken eine Erniedrigung der Viskosität, das Glas wird also "länger", und kann auch bei niedrigen Temperaturen noch bearbeitet werden. MgO ist ein gängiger Stabilisator, da er schon in den Rohstoffen (z.B. als Begleiter des Kalks) vorkommen kann. Die Menge des Natrium und/oder Calcium ist entscheidend für die Länge der Netzwerkstruktur.

Die Zumischung eines Flussmittels ist erforderlich, da reiner Quarz (SiO2) erst bei einer Temperatur von ca. 1700°C schmilzt. Von der Antike bis zum 8. Jahrhundert, also auch während des Frühmittelalters wurde als Flussmittel Soda aus sogenannten Sodaseen beigemischt. Erst danach, als sich die Waldglashütten durchsetzten, wurde das vor allem im Norden schwer zu beschaffende Soda durch Pottasche (Pflanzenasche) ersetzt. Pottasche wurde wie Soda den Glasrohstoffen (Gemenge) als Flussmittel/Schmelzbeschleuniger beigegeben, wobei allerdings über 90% des gewaltigen Holzverbrauches der Waldglas-Hütten für die Pottascheproduktion verwendet wurden. Darum mussten diese Glashütten alle Jahre ihren Standort wechseln.

Das Produkt des Erschmelzens der reinen Glasmasse aus den Komponenten wird Fritte genannt, ein Begriff, der in vielen Bereichen, so auch in der Töpferei und der Küche, vorkommt. Auch gibt es oftmals keine scharfe Trennung zwischen Glasproduktion und Glasverarbeitung. Die Produktion des Glases (= Bildung der Netzwerkstruktur durch erschmelzen der Komponenten) führt zum Zwischenprodukt, der Fritte, einer unansehnlichen Masse, die nicht sofort von sich aus Aufschluß über ihre spätere Verwendung gibt. Das Produkt ist von dunkler, lichtundurchlässiger (= opaker) Färbung. Erst durch Beigabe von Braunstein, einem auch als Glasmacherseife bezeichneten Entfärbungsmittel, wird die Fritte entfärbt - wobei allerdings ein Grünstich zurück bleibt - und kann als Rohglas angesprochen werden.

In der Glasherstellung spricht man im engeren Sinn nur dann von einer Schmelze, wenn Glas wiederaufgeschmolzen wird, wie es zum Beispiel beim Recycling von Altglas geschieht. Allerdings wird bis jetzt Altglas nur als "Zusatz" zu den herkömmlichen Rohstoffen und nicht als alleiniger Rohstoff verwendet.

Nach dem Aufschmelzen des Gemenges/der Rohstoffe muss die Fritte geläutert, werden; darunter versteht man ihre Homogenisierung und das Austreiben von Blasen aus derselben. Dabei werden Rohstoffe zugesetzt, die Gase freisetzten. Diese Gasblasen reißen die übrigen Blasen im Glas mit und treiben sie aus.

Verarbeitung

Je nach Verwendungszeck kann Glas unterschiedlich verarbeitet werden, dabei unterscheidet man vorallem Gläser die

  • Gepresst
  • Geblasen
  • Gesaugt
  • Gesponnen oder
  • Gewalzt

werden. Hohlgläser werden in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestelt. Glasfasern werden durch Spinnen im sogenannten TEL-Verfahren produziert. Früher wurde Flachglas durch Walzen hergestellt, bis etwa um 1950 wurden dabei mitunter Hohlgläser aufgeschnitten und flachgewalzt. Heute wird der Großteil des Flachglases im Floatprozess erzeugt, dabei wird das noch flüssige Glas auf ein Zinnbad geleitet und erstarrt auf dessen Oberfläche. Die Berührungsfläche zwischen Glas und Zinnbad weist sehr gute Eigenschafte auf und muss nicht nachbehandelt werden. Auf diese Weise lassen sich Flachgläser mit einer Breite von mehreren Metern herstellen, allerdings kann eine Dicke von etwa 2mm nicht unterschritten werden.

Sicherheitsglas Sicherheitsglas besteht aus abwechselnden Schichten von Glas und Kunstofffolie, bei Bruch sollen die Glassplitter an der Folie haften. Sicherheitsglas mit einer Dicke von etwa 25 mm wird als Panzerglas bezeichnet und beispielsweise für Schaufenster, Vitrinen und Autofenster verwendet. Wird die Schichtdicke entsprechend gesteigert, spricht man von schußfestem Glas.

Natürliches und künstliches Glas

Natürliches Glas

Gibt es seit Bestehen der Erdkruste. Es läßt sich durch seine Form in 3 Arten unterteilen:

  • Obsidian (vulkanischen Ursprungs)
  • Tektite (entstehen durch Meteoriteneinschlag)
  • Fulgurite (entstehen bei Blitzeinschlag)

Neben diesen irdischen Gläsern wurden bei der Apollo 17 Mission orangefarbige Mondglasperlen vulkanischen Ursprungs gefunden. In Meteoriten wird oft Maskelynit gefunden. Maskelynit ist ein Glas mit der Zusammensetzung von Plagioklas, aus dem es auch durch Schockereignisse (Kollisionen, Impakt) erzeugt wird.

Künstliches Glas

Die Einteilung des Glases wird nach verschiedenen Gesichtspunkten getroffen. Glas ist heute ein Sammelbegriff für eine Vielzahl von Produkten, die nach ihren äußeren Merkmalen wie Lieferformen, Anwendungsbereichen, chemischer Zusammensetzung und den sich daraus ergebenden Eigenschaften eingeteilt werden können:

Äußere Merkmale:

  • Hohlglas: Flaschenglas, Verpackungsglas, Wirtschafts und Beleuchtungsglas etc.
  • Flachglas: Spiegelglas, Tafelglas, Sicherheitsglas etc.

Anwendungsbereiche:

  • Gebrauchsglas: Vasen, Trinkgefäße, Schmuck etc.
  • Bauglas: Scheiben, Türen, Fassadenbau, Sanitär etc.
  • Spezielle Verwendung:

Optik: Farbloses optisches Glas, Farb und Filterglas, Absorbtionsgläser Chemie Medizin Informationstechnik etc.

  • Unterteilung nach Glasart (chem. Zusammensetzung)
Die hier beschriebenen Gläser sind, mit Ausnahme einiger Spezialgläser, Silikatgläser. Sie bekommen ihren Namen vom Quarzsand beziehungsweise der dort verbundenen Hauptkomponente Siliziumdioxid. Die chemische Zusammensetzung basiert auf dem gewünschten Verwendungszweck und wird dementsprechend modifiziert. Trotz der Feinheiten und Anforderungen an das Glas selbst bestehen die meisten Flachgläser auch heute noch aus Quarzsand, Kalk und Soda.


  • Herstellungsverfahren
  • Typen
    • Hohlglas
    • Flachglas
    • Vollkörperglas

Geschichte des Glases

Natürlich vorkommmendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung Faustkeil benutzt. Dokumentiert wurde die Glasherstellung durch den Menschen zum ersten Mal in Ägypten um 2000 v. Chr., wo Glasscheiben hergestellt wurden, in dem Sand auf geschmolzenem Blei geschmolzen wurde.

Die Germanen kannten vor ihrem Kontakt mit den Römer keinerlei Glas, weder Schmuckglas, noch Hohlglas oder Flachglas. Als die Germanen das Glas erstmals in der Form von Schmuck und Glasperlen kennenlernten, wurde es mit ihrem heimischen Wort für Bernstein, "glasa" (das Glänzende oder Schimmernde) benannt. Die Bezeichnung des Bernsteins als glaesum bei dem Volk der Aesti ist aus Tacitus Germania (98) bekannt.

Die Römer erfanden viele Arten von Glas, aber lange Zeit war Glas undurchsichtig, bis im 14. Jahrhundert italienienische Glasmacher das "Cristallo" erfanden, ein farbloses und durchsichtiges Glas. In den Anfängen der Herstellung von durchsichtigem Glas wurde das Glas zu Butzenscheiben geschleudert. Dazu wurden einige Kilo geschmolzenes Glas am Ende einer Stange schnell gedreht, so dass sich eine Scheibe mit bis zu 1,50 Meter Durchmesser bildete. Daraus wurden dann Glasscheiben geschnitten. Weil die Dicke dieser Scheiben sehr unterschiedlich ist und am äußeren Rand zunimmt, kann es dazu kommen, dass alte Glasscheiben am unteren Ende dicker als am oberen sind.

Um 1688 wurde die Methode des Glasgießens erfunden, wodurch Glas stärkere Verbreitung fand. Ab 1827 konnte Glas durch neue Maschinen als Massenware für billige Artikel produziert werden. Die industrielle Flaschenabfüllung (z.B. in Bierbrauereien) begann um die 1870er Jahre.

Siehe auch: Antikglas, Bleiglas, Kristallglas, Kronglas, Quarzglas, Rubinglas, Plexiglas (Kunststoff!)

Glaskeramik wird meist ebenfalls auf der Basis von Siliziumdioxid hergestellt. Gezielte Zusammensetzungen/Rezepturen und eine an die Glasherstellung angeschlossene exakt gesteuerte Temperaturbehandlung sorgen dafür, dass ein gewollter Kristallisationsprozess einsetzt, der aber nicht abgeschlossen wird. Resultat ist ein glasähnliches Produkt mit neuen Eigenschaften oder Eigenschaftskombinaionen. Für die Spiegel großer Teleskope und für Kochfelder wird zum Beispiel ein Material verwendet, das bei Temperaturveränderungen zwischen -50 °C und 300 °C praktisch keine Formänderung wie Wärmedehnungen zeigt. Hierdurch werden Spannungen vermieden, die bei normalen Gläsern oder Keramiken oft zu sogenannten Spannungsbrüchen führen.

Glaserzeugnisse (alphabetisch geordnet)

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