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'''Glas''' (von germanisch ''glasa'' ?das Glänzende, Schimmernde?, auch für ?Bernstein?) ist ein Sammelbegriff für eine Gruppe amorpher Feststoffe. Die meisten Gläser bestehen hauptsächlich aus Siliciumdioxid, wie Trink- oder ; diese ? meist ? Silikat-Gläser haben wirtschaftlich die weitaus größte Bedeutung aller Gläser. Auch amorph erstarrte Metalle sind Gläser. Gläser aus organischen Materialien sind beispielsweise der natürliche Bernstein oder viele Kunststoffe wie Acrylglas. Durch sehr schnelles Abkühlen aus dem flüssigen oder gasförmigen Zustand kann nahezu jeder Stoff in ein (metastabiles) Glas überführt werden. Es gibt eine sehr große Anzahl von Gläsern verschiedener Zusammensetzungen, die aufgrund ihrer Eigenschaften von wirtschaftlichem oder wissenschaftlichem Interesse sind. Wegen der breiten Palette von Anwendungen für Gläser gibt es auch vielfältige Techniken zu deren Erzeugung und Formgebung. Viele dieser Techniken sind bereits sehr alt und werden ? von ihrem Grundprinzip her unverändert ? auch heute noch industriell umgesetzt.

Definition

Glas ist eine , das ist der Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600 °C.

Trotz des nicht definierten Schmelzpunkts sind Gläser . Allerdings werden sie in der Fachterminologie als ?nichtergodisch? bezeichnet. Das heißt, ihre Struktur befindet sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. Viele Kunststoffe, wie zum Beispiel Plexiglas, fallen wegen ihres amorphen Aufbaus und eines s ebenfalls in die Kategorie Gläser, obwohl sie eine völlig andere chemische Zusammensetzung aufweisen als Silikatgläser. Sie werden daher oft als organisches Glas bezeichnet.

Der Unterschied zwischen Gläsern und anderen amorphen Feststoffen liegt darin, dass Gläser beim Erhitzen im Bereich der in den flüssigen Zustand übergehen, während nicht glasartige amorphe Substanzen dabei kristallisieren.

Aus der Beobachtung der Eigenschaften der Gläser und ihrer Struktur wurden viele Versuche angestrengt, eine umfassende Definition für den Begriff Glas zu geben. Der anerkannte Glaswissenschaftler , das ebenfalls ein nichtkristalliner Festkörper ist, nicht als Glas aus. Die Beschränkung der ASTM-Definition auf anorganische Substanzen wurde von Scholze als bedenklich bewertet, da mittlerweile einige organische Gläser bekannt sind.

Nach der Grundform des Produkts und dem Produktionsverfahren:
Die Glasindustrie wird gewöhnlich in Hohlglas-, Flachglas- und Spezialglasherstellung gegliedert, auch wenn diese einfache Gliederung nicht alle Bereiche der Glasindustrie erfasst. Hohlglas bezeichnet in der Regel Behältnisse für Lebensmittel, wie beispielsweise Flaschen und Konservengläser. Diese Massenprodukte werden maschinell im Press-Blas- oder Blas-Blas-Prozess gefertigt. Glasbausteine und werden nur durch einen Pressvorgang geformt. Höherwertige Produkte wie , werden als sogenanntes Tableware bezeichnet und meist in einem aufwendigen mehrstufigen Prozess hergestellt. Im Gegensatz zu den Glasflaschen werden sie nicht mit Hilfe von IS-Maschinen, sondern sogenannten Rotationsblasmaschinen produziert. Für n ist ein besonderes Verfahren notwendig, welches sich besonders durch die hohen Produktionsgeschwindigkeiten der Ribbonmaschine auszeichnet. Rohrglas kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden, welche sich durch die unterschiedlichen Abmessungen des herzustellenden Halbzeugs unterscheiden. Flachglas wird je nach Produktionsverfahren Floatglas oder Walzglas genannt. Das Grundprodukt ist eine Glasscheibe. Endprodukte sind z. B. Automobilglas, Spiegel, Temperglas oder Verbundglas, welche auf verschiedenste Weise nachbearbeitet wurden. Anwendungen in Form von Fasern umfassen Lichtwellenleiter, Glaswolle und sowie Textilglas. Mundgeblasene Gläser existieren praktisch nur noch im Kunstgewerbe sowie bei kostspieligen Vasen und Weingläsern.

Wie die zweidimensionalen Abbildungen des Quarzes und des Quarzglases zeigen, liegt der Unterschied in der Regelmäßigkeit des atomaren Aufbaus. Beim Quarz, welcher ein Kristall ist, liegt ein Gitteraufbau vor ? beim Quarzglas hingegen ein regelloses Netzwerk von aneinandergereihten SiO4-Tetraedern. Zur besseren Anschaulichkeit ist die vierte Oxidbindung, die aus der Zeichenebene hinaus ragen würde, nicht dargestellt. Die Bindungswinkel und Abstände im Glas sind nicht regelmäßig und die Tetraeder sind ebenfalls verzerrt. Der Vergleich zeigt, dass Glas ausschließlich über eine Nahordnung in Form der Tetraeder verfügt, jedoch keine kristalline Fernordnung aufweist. Diese fehlende Fernordnung hat die sehr schwierige Analyse der Glasstruktur zur Folge. Insbesondere die Analyse in mittlerer Reichweite, also die Verbindungen mehrerer Grundformen (hier den Tetraedern), ist Gegenstand der Forschung und wird zu den heutigen größten Problemen der Physik gezählt.

Das Material, das diese Grundstruktur des Glases bestimmt, heißt Netzwerkbildner. Neben dem erwähnten Siliciumoxid können auch andere Stoffe Netzwerkbildner sein, wie Bortrioxid und auch nichtoxidische wie Arsensulfid. Einkomponentengläser sind jedoch sehr selten. Das trifft auch auf reines Quarzglas zu, das als einziges Einkomponentenglas wirtschaftliche Bedeutung hat. Die Ursache hierfür sind die enorm hohen Temperaturen (über 2000 °C) welche zu dessen Erzeugung notwendig sind.

Netzwerkwandler werden in das vom Netzwerkbildner gebildete Gerüst eingebaut. Für gewöhnliches Gebrauchsglas ? Kalk-Alkali-Glas (gebräuchlicher ist allerdings der engere Terminus ''Kalk-Natron-Glas'') ? sind dies Natrium- bzw. Kaliumoxid und Calciumoxid. Diese Netzwerkwandler reißen die Netzwerkstruktur auf. Dabei werden Bindungen des Brückensauerstoffs in den Siliciumoxid-Tetraedern aufgebrochen. Anstelle der Atombindung mit dem Silicium geht der Sauerstoff eine deutlich schwächere Ionenbindung mit einem Alkaliion ein.

Zwischenoxide wie Aluminiumoxid können als Netzwerkbildner und -wandler fungieren, das heißt, sie können ein Glasnetzwerk verfestigen (stabilisieren) oder genau wie die Netzwerkwandler die Strukturen schwächen. Ihre jeweilige Wirkung in einem Glas ist stets abhängig von einer Reihe von Faktoren. Allerdings sind Zwischenoxide allein nicht zur Glasbildung fähig.

Übergang von der Schmelze zum festen Glas

Während bei kristallinen Materialien der Übergang von der Schmelze zum Kristall durch langsame Abkühlung erfolgt, ist dieser Vorgang bei Gläsern so rasch, dass sich keine Kristallstruktur bilden kann. Den Übergangsbereich von einer Schmelze zum Glas wird Transformations''bereich'' genannt.
Diese Abfolge von Transformationsbereich und Glasübergang ist charakteristisch für alle Gläser, auch solche, die wie Plexiglas aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Der amorphe, viskose Zustand der Schmelze im Transformationsbereich wird für die Bearbeitung von Glas durch ausgenutzt. Er erlaubt eine beliebige Verformung, ohne dass Oberflächenspannung und Gravitation das Werkstück sofort zerfließen lassen.

Physikalische Eigenschaften

{| class="wikitable float-right"
!Eigenschaft
! Wert
! Einheit
|----
|Dichte eines ''Kalk-Natron-Glas''
| 2500
| kg/m³
|----
|Dichte eines ''Schwerflintglases (SF59)''
| 3,3·10?6
| 1/K
|----
|Thermische Ausdehnung ''Quarzglas''
| 0,57·10?6
| 1/K
|----
|Thermische Ausdehnung ''Zerodur''
| < 0,1·10?6
| 1/K
|----
|Zugfestigkeit
| 30
| MPa
|----
|Druckfestigkeit
| 900
| MPa
|----
|E-Modul
| 70.000
| MPa
|----
|
| 0,8
| kJ/(kg·K)
|----
|Transmission (Physik)
| 0?100
| %
|----
|Brechungsindex (siehe Optisches Glas)
| 1,5 bis 1,9
|

|----
|}

Die im allgemeinen Sprachgebrauch tragende Eigenschaft von Glas ist die optische Durchsichtigkeit. Die optischen Eigenschaften sind so vielfältig, wie die Anzahl der Gläser. Neben klaren Gläsern, die in einem breiten Band für Licht durchlässig sind, kann die Zugabe von speziellen Materialien zur Schmelze die Durchlässigkeit blockieren. Zum Beispiel werden damit optisch klare Gläser für infrarotes Licht undurchdringbar, die Wärmestrahlung ist blockiert. Die bekannteste Steuerung der Durchlässigkeit ist die Färbung. Die verschiedensten Farben können erzielt werden. Andererseits gibt es undurchsichtiges Glas, das schon aufgrund seiner Hauptkomponenten oder der Zugabe von Trübungsmitteln opak ist.

Gebrauchsglas hat eine Dichte von ca. 2500 kg/m³ ''(Kalk-Natron-Glas)''.

Wegen seiner Natur als unterkühlte Schmelze kann Glas auch in sehr begrenztem Umfang fließen. Dieser Effekt macht sich aber erst bei höheren Temperaturen bemerkbar. Die häufige Behauptung, dass Kirchenfenster unten dicker seien, weil das Glas im Laufe der Jahrhunderte durch die Schwerkraft nach unten geflossen sei, ist falsch, derartige Fließvorgänge hätten bei Raumtemperatur Jahrmillionen benötigt. Die Verdickung ist auf das damalige Produktionsverfahren (Zylinderblasen) zurückzuführen.

Produktionsprozesse

Gemenge

Das Kalk-Natron-Glas ist das vorherrschende Massenglas und macht circa 90 % des weltweit produzierten Glases aus. Dieser Rohstoff macht mit über 70 % massenmäßig den größten Teil des Gemenges aus, und ist eine der Hauptquellen für Verunreinigungen.

  • Pottasche (K2CO3) liefert Kaliumoxid für die Schmelze, das wie Natriumoxid als Netzwerkwandler und Flussmittel dient.
  • Feldspat (NaAlSi3O8) trägt neben SiO2 und Na2O auch Tonerde (Al2O3) in das Gemenge ein. Diese führt zu einer Erhöhung der chemischen Beständigkeit gegenüber Wasser, Nahrungsmitteln und Umwelteinflüssen.
  • Dolomit ist ein Träger für CaO und MgO. Magnesiumoxid wirkt auf die Schmelze ähnlich wie Calciumoxid. Ein zu hoher MgO-Gehalt im Glas kann jedoch die Liquidustemperatur unerwünscht erhöhen und zu Entglasungen führen. Die Menge des zugeführten Gemenges muss derjenigen der Glasentnahme entsprechen. Die notwendige Energie zum Erschmelzen des Glases kann durch fossile Brennstoffe oder elektrische Energie, mittels Stromdurchgang durch die Schmelze, erbracht werden.

    Das Gemenge wird der Schmelzwanne mit einer Einlegemaschine am Einlegevorbau, dem Doghouse, aufgegeben. Da das Gemenge eine geringere Dichte als die Glasschmelze besitzt, schwimmt dieses auf der Schmelze und bildet den sogenannten Gemengeteppich. Bei Temperaturen von ca. 1400 °C und mehr schmelzen die verschiedenen Bestandteile langsam auf. Einige der Gemengebestandteile können zusammen , die Eindüsung von Luft oder Gasen in die Schmelze, unterstützt werden.

    Für jedes Glas lässt sich ein Kühlbereich festlegen, welcher von der sogenannten ''oberen'' und ''unteren Kühltemperatur'' begrenzt wird. Die Lage dieser Temperaturen definiert sich nach der Viskosität, so ist die obere Kühltemperatur diejenige Temperatur bei der das Glas eine Viskosität von 1012 Pa·s besitzt. Bei der unteren Kühltemperatur liegt eine Viskosität 1013,5 Pa·s vor. In der Regel erstreckt sich der Kühlbereich, für die meisten kommerziell genutzten Gläser, zwischen 590 °C und 450 °C. Die Spannungen werden durch Tempern verringert, also durch definiertes langsames Abkühlen, da bei den hier vorherrschenden Viskositäten eine Spannungsrelaxation gerade noch möglich ist und bleibende Spannungen im Glaskörper vermieden werden.

    Die Zeit, in der ein Glasgegenstand den Kühlbereich durchlaufen kann, hängt maßgeblich von der je nach Glasart zu überbrückenden Temperatur und der Stärke (Dicke) des Gegenstands ab. Im Hohlglasbereich sind dies zwischen 30 und 100 Minuten, bei großen optischen Linsen mit 1 m Durchmesser und mehr kann eine langsame Abkühlung von einem Jahr notwendig sein, um sichtbare Spannungen und somit Bildverzeichnungen der Linse zu vermeiden. Die Kühlrate ist bei optischen Gläsern, nach der chemischen Zusammensetzung, der zweite wichtige Parameter zur Einstellung von Brechungsindex bzw. Dispersion und deshalb generell von besonderer Bedeutung im Produktionsprozess.

    Es gibt zwei Arten von en. In der Praxis geschieht jedoch zumeist keine klare Abgrenzung zwischen diesen beiden Fällen, so wird beispielsweise das kontinuierlich betriebene Kühlaggregat in der Flachglasindustrie häufig als Rollenkühlofen bezeichnet.

    Industrialisierung und Automatisierung

    Die Industrialisierung und Automatisierung der Glaserzeugung setzte schrittweise im 19. Jahrhundert ein. Zunächst wurden einzelne Verfahrensabschnitte optimiert. So wurden 1847 durch Joseph Magoun Metallformen in der Hohlglasproduktion eingeführt, welche die bis dahin hauptsächlich genutzten Holzformen ersetzten.

    Ein Patent zur verbesserten Flachglasproduktion sollte 1902 von folgen. Das nach ihm benannte ''Fourcault-Verfahren'' zur Ziehglasherstellung. Das Glas wird dabei kontinuierlich als Glastafel durch eine Düse aus der Schmelze senkrecht nach oben gezogen. Das Flachglas wurde somit ohne Umweg über einen Zylinder erzeugt. Nach dem Hochziehen durch einen senkrechten Kühlkanal auf ca. 8 m Höhe kann gekühltes Flachglas am oberen Ende zugeschnitten werden. Durch Variation der Ziehgeschwindigkeit konnte die Glasdicke eingestellt werden. Das Fourcault-Verfahren kam ab 1913 zum Einsatz und bedeutete eine große Verbesserung.

    In Frankreich wurde 1929 von L. Sanches-Vello ein vertikales Ziehverfahren ausgearbeitet. Dabei handelt es sich um ein senkrechtes Rohrziehverfahren. Die Schmelze wird durch eine Düse im Boden der Schmelzwanne nach unten gezogen und kurz darauf in die Horizontale umgeleitet.

    Für die Produktion von Rohrglas existieren eine Reihe weiterer Verfahren, die aber alle nach sehr ähnlichen Prinzipien arbeiten.