Glas

Unter Glas (soviel wie "glasa", germanisch für Bernstein; das Glänzende oder Schimmernde) versteht man einen amorphen Feststoff. Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine röntgenamorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als eingefrorene 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 erstarrte anorganische Schmelzen auf der Basis von Siliziumdioxid (SiO₂) das heißt vor allem aus Quarzsand und Zusatzstoffen wie Soda (Natriumcarbonat, Na₂CO₃) und früher auch Pottasche (Kaliumcarbonat, K₂CO₃), 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 beziehungsweise 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 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 Fluorwasserstoffsäure industriell von Bedeutung.

Herstellung

Glas wird aus Quarzsand (SiO₂) erschmolzen. Bei der Abkühlung der meisten Schmelzen tritt bei der Liquidustemperatur die Kristallisation ein, und erst nach vollständiger Kristallisation verringert sich die Temperatur weiter. Die Glasschmelze hingegen wird bei der Abkühlung unter die Liquidustemperatur zu einer unterkühlten Flüssigkeit, bei der es zu einer Strukturierung der Atome kommt, jedoch nicht zu einer Kristallisation. Dies macht sich dadurch bemerkbar, dass sich die Viskosität mit sinkender Temperatur immer weiter erhöht. Erst bei Unterschreitung der Transformationstemperatur erstarrt die Schmelze und wird zu einer eingefrorenen, unterkühlten Flüssigkeit, dem Glas.

Um Glas zu erschmelzen, wird ein Netzwerkbildner (Quarzsand), Netzwerkwandler wie Na₂O, K₂O etc., und Zwischenoxide, auch Stabilisatoren genannt, wie beispielsweise MgO, zusammen mit Schmelzbeschleunigern, so genannten Flussmitteln (Pottasche, Soda) geschmolzen. Wegen 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.

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 (beispielsweise 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 etwa 1700 °C schmilzt. Von der Antike bis zum 8. Jahrhundert, also auch während des Frühmittelalters wurde als Flussmittel Soda aus so genannten 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 vor allem Gläser die gepresst, geblasen, gesaugt, gesponnen oder gewalzt werden.

Hohlgläser werden in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestellt.
Glasfasern werden durch Spinnen im so genannten TEL-Verfahren produziert.
Flachglas wurde früher 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 2 mm nicht unterschritten werden. Bei den meisten Isolierglasherstellern und Flachglasveredelungsunternehmen hat sich eine "Standard"-Größe von 321,0 x 600,0 cm durchgesetzt ("große Bandmasse"). Die Anlieferung dieser riesigen Scheiben erfolgt in Stössen von 2,5 und 5 Tonnen durch sog. Innenlader.
Einscheibensicherheitsglas (ESG) ist thermisch oder chemisch vorgespanntes Glas. Bei thermisch vorgespanntem Glas wird das Glas auf etwa 600 Grad Celsius erhitzt und dann durch Anblasen mit kalter Luft rasch abgekühlt. Dadurch, das der Kern sich langsamer abkühlt, entsteht eine Spannung im Glas. Einscheibensicherheitsglas kann nicht mehr bearbeitet werden. Wenn das Spannungsfeld unterbrochen wird, so zerfällt das Glas in kleine Krümel. Besonders empfindlich sind die Kanten der Gläser. Durch die Vorspannung im Glas ist das Glas wesentlich widerstandsfähiger gegen Biege-/Bruchbelastungen.
Teilvorgespanntes Glas (TVG) ist ebenfalls thermisch vorgespanntes Glas. Die Vorspannung ist jedoch nicht so hoch wie bei Einscheibensicherheitsglas und deshalb ist das Bruchverhalten anders. Die Scheibe ist ebenfalls härter als normales Floatglas und bricht mit langen Rissen, die von der Störstelle bis zum Rand des Glases verlaufen.

Verbundsicherheitsglas (VSG) besteht aus abwechselnden Schichten von Glas und Kunstofffolie (Polyvinylbutyral, PVB), bei Bruch sollen die Glassplitter oder -scherben 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. Verbundsicherheitsglas kann aus Kombinationen von verschiedenen Glastypen (Float, ESG, TVG) bestehen.
Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit hergestellt werden können.

Datei:Bristol Blue Glas.jpg

Bristol-Blue-Glas aus Bristol, England

Glasfärbung und Entfärbung

Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu beeinflussen. Für die Glasfärbung, beziehungsweise 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 komplimentäre 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 so genannte Kupferrubinglas.
Chromoxid: Wird in Verbindung mit Kupferoxid für die Grünfärbung verwendet.
Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelb- oder Grünfärbung (sog. "Annagelb" oder "Annagrün"-Glas) mit grüner Fluoreszenz unter dem UV-Licht. Solche Gläser wurden vor allem in der Zeit des Jugendstils hergestellt. In England und Amerika ist diese Glassorte auch als "uranium glass" oder "vaseline glass" bekannt.
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 so genannte Goldrubin, eine der feinsten und teuersten Glasfärbungen.

Einstellung der Glaseigenschaften

Wie bei der Glasfärbung werden weitere Glaseigenschaften, wie Lichtbrechung, Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Absorbtionsfähigkeit, Wärmeausdehnung 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 so genannte Flussmittel, sie werden manchmal zugegeben, um den Schmelzpunkt zu erniedrigen
Mangan kann unerwünschte Farben entfernen. Durch den Zusatz von Tonerde wird die Wasserlöslichkeit verringert
Thallium ermöglicht die Herstellung von niedrigschmelzendem Glas (zwischen 125 und 150 °C)
Aluminiumoxid gibt dem Glas eine enorme Bruchfestigkeit: sie ist annähernd so groß wie die von purem Aluminiumoxid und übertrifft somit alle bekannten Gläser auf Siliziumoxid-Basis bei weitem (Nature, Vol. 430, S. 761, 2004).

Einteilung der Gläser

Natürliches 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 künstlicher Gläser 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.

Einteilung nach äußeren Merkmalen

Hohlglas: Flaschenglas, Verpackungsglas, Wirtschafts und Beleuchtungsglas
Flachglas: Spiegelglas, Tafelglas, Sicherheitsglas
Gußglas: (Glas mit strukturierter Oberfläche; mit oder ohne Einlage aus Drahtgeflecht)
Vollkörperglas

Einteilung nach Anwendungsbereichen

Gebrauchsglas: Vasen, Trinkgefäße, Schmuck
Bauglas: Scheiben, Türen, Fassadenbau, Sanitärbereich
Optik: Farbloses optisches Glas, Farb und Filterglas, Absorbtionsgläser
Chemie
Medizin
Informationstechnik

Einteilung nach chemischer 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.

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 Quarzsand auf geschmolzenem Blei geschmolzen wurde.

Datei:Glasherstellung mittelalter 2.jpg

Fertigung einer Glasscheibe

Die Germanen kannten vor ihrem Kontakt mit den Römern 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.

Datei:Glasherstellung mittelalter.jpg

Fertigung einer Glasscheibe

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 (zum Beispiel in Bierbrauereien) begann um die 1870er Jahre. Zu Beginn des 20. Jhdt. entwickelte der belgische Bergbauingenieur Emile Fourcault ein neuartiges Ziehverfahren für Tafelglas. Dieses ersetzte nicht nur sukzessive den Beruf des "Walzenmachers" (Glasbläser), sondern ermögliche auch die masch. Fertigung größerer Stückzahlen. Da die Ziehanlagen direkt mit einer Ziehwanne kombiniert waren, konnte kontinuierlich durchgearbeitet werden. Dieses Verfahren gelangte in Sulzbach/Saar erstmals in Deutschland zum Einsatz.

Beispiele für Erzeugnisse aus Glas

Ist Glas flüssig?

Manchmal wird behauptet, Glas weise einige Eigenschaften einer viskosen Flüssigkeit auf, die bei Raumtemperatur fließt, wenn auch sehr langsam. Als Beleg wird angeführt, an alten Glasscheiben ließe sich unten eine Verdickung nachweisen, die durch das Fließen verursacht werde. Es ist unklar, woher dieser Glaube kommt.

Als ein möglicher Ursprung kann die Technik angesehen werden, bei der Glasbläser geschmolzenes Glas durch Rotation zu einer runden, fast flachen und ebenen Scheibe geformt haben. Aufgrund der Zentrifugalkraft waren die Scheiben an den Kanten etwas dicker, und aus Stabilitätsgründen wurden sie nach dem Zurechtschneiden vorzugsweise mit der dickeren Seite nach unten in die Fenster eingesetzt. In der Tat sind vereinzelt Scheiben zu finden, die mit der dickeren Seite oben eingesetzt wurden.

Ob Glas tatsächlich flüssig ist, wurde sehr ausführlich in der Newsgroup alt.folklore.urban diskutiert, und der durch Zitate von Fachleuten unterstützte Konsens war, dass Glas bei Raumtemperatur nicht flüssig ist. Es ist aber elastisch und gibt auf Krafteinwirkung durchaus nach. Außerdem kann es je nach Anwendungsfall (wie bei Laborthermometern) durchaus auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen es tatsächlich zu einer unterkühlten Flüssigkeit (s. o.) wird, so dass sich die Genauigkeit des Thermometers nach langer Nutzungsdauer verringert.

Belege dafür, dass Glas nicht flüssig ist

Wenn mittelalterliches Glas wahrnehmbar zerflossen ist, müsste antikes römisches oder ägyptisches Glas proportional stärker zerflossen sein, aber dies wurde nicht beobachtet.
Wenn Glas so schnell zerfließt, dass nach Jahrhunderten mit bloßem Auge Veränderungen sichtbar sind, dann müssten Änderungen an optischen Teleskoplinsen nach einem Zeitraum von einigen Tagen durch Interferometrie feststellbar sein, aber diese Beobachtung konnte ebenfalls nicht gemacht werden. Es gibt etwa 100 Jahre alte, große optische Teleskope, die heute noch gute Bilder liefern. Würden die Glaslinsen mit der Zeit zerfließen, wären die Teleskope mittlerweile unbrauchbar.

Siehe auch

Glaskeramik, Glasmalerei, Antikglas, Bleiglas, Kronglas, Plexiglas, Glas auf Mallorca, Jenaer Glas, Glasschleiferei, Altglas, Glasmacher, Glasbläser

Weblinks

Martin Heck: Chemisch-Analytische Untersuchungen an frühmittelalterlichen Glasperlen (Dissertation)