(WT1-14) Glas – Herstellung, Entwicklung, Fehler

In diesem und dem nächsten Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker dir Glas, sowie dessen Geschichte, Herstellung und Anwendung.

Für ein optimales Verständnis helfen dir verschiedene Beispiele zu dem Thema.

„Der Werkstoff Glas ist selbst im kalten Zustand nicht kristallin und wird daher als erstarrte Flüssigkeit bezeichnet.“

Glas – Grundlegendes

Glas gibt es schon immer. Schon Ewigkeiten bevor der Mensch (vor 5000 Jahren) das erste von Menschhand erschaffene Glas produziert hat, haben Vulkane und Einschläge von Blitzen auf sandigen Flächen zur Entstehung von Glas (Obsidiane und Tektite) geführt. Denn Glas ist im Grundsatz nichts Anderes als unter sehr großer Hitze geschmolzener Quarzsand.

Früher musste Glas immer in Verbindung mit einer Keramik erzeugt werden. Aber um ca. 1500 vor Christi Geburt gelang es Glas ohne keramische Unterlage zu erzeugen. Diese Erzeugnisse sind jedoch kaum vergleichbar mit den Gläsern von heute.

Der eigentliche Herstellungsprozess hat sich bis heute kaum verändert.

Wow, was für ein Durchblick

Es ist kaum zu glauben aber die ersten Brillengläser wurden bereits vor 800 Jahren in Italien (Venedig) erzeugt.

Merk’s dir!

Glas ist ein spröder, anorganischer sowie silikatisch-oxidischer Werkstoff, der eine nicht-kristalline Struktur besitzt.

Auch der Zustand des Glases selber wird als Glas bezeichnet.

Glas – Rohstoffe

Vor ca. 2700 Jahren ließ der assyrische König Ashurbanipal von seinen Gelehrten die Zusammensetzung von Glas auf eine Tontafel kritzeln.

Das Rezept von damals:

60 Teile Sand, 180 Teile Asche, 5 Teile Kreide $\rightarrow$ fertig ist das Glas.

Mit der Zeit änderten sich ein wenig die Zutaten und die neue Zusammensetzung hieß:

Sand, Kalk, Soda und Pottasche

Trotzdem blieben die chemischen Inhaltsstoffe annähernd gleich. Dennoch haben wir für dich nachfolgend noch mal die wesentlichen Bestandteile von Glas aufgeführt:

Hauptbestandteile von Glas

Die nachfolgenden Elemente gehen hauptsächlich in die Glaserzeugung ein.

$\boxed{SiO_2 }$ – Sand sowie Quarziten – Diese dienen als Glasbildner oder Netzwerkbildner.

$\boxed{B_2 O_3 }$ – Borate

sowie

$\boxed{ Al_2 O_3 }$ – Kaoline

$\boxed{ Na_2 CO_3 }$ – Carbonate (Alkali- und Erdalkali-Rohstoffe) – Alkali-Rohstoffe dienen als Flussmittel und Erdalkali-Rohstoffe hingegen als Stabilisatoren.

sowie

$\boxed{ (Al, B, Si)_4O_8 }$ – Feldspate

Läuterungsmittel

Folgende Bestandteile erzeugen aus dem Gemenge einen glasartigen Stoff und zersetzen sich in der Schmelze.

$\boxed{ NO_3- }$ – Nitrate

$\boxed{ SO_4^2 - }$ – Sulfate

sowie

$\boxed{ H_2O_2 - }$ –Peroxide

$\boxed{CIO_3 - }$ – Chlorate

Färbungsmittel

Diese Bestandteile ermöglichen eine farbliche Änderung des Glases und lösen sich ebenfalls in der Schmelze auf.

$\boxed{CuO - }$

Kupferoxid, als Beispiel für Oxide von Elementen aus den Nebengruppen – also Metalloxide, die als

Trübungsmittel

Trübungsmittel sorgen für eine Trübung des Glases indem Sie mit den Bestandteilen in der Schmelze reagieren und dabei schwerlösliche Verbindungen eingehen.

$\boxed{ PbHAsO_4 }$ – Bleiarsenat ( Auscheidungen)

$\boxed{ SnO_2 }$ – Zinnoxid

Glas – 1. Herstellung des Glasgemenge

Glas wird damals wie heute bei einer Temperatur von annähernd 1400 °C aus einem Glasgemenge erzeugt. Bei der Herstellung entstehen Bläschen in Form eines Schaums, der jedoch durch Läutern entfernt werden. Danach ist das Glas weitestgehend frei von Bläschen und Einschlüssen.

Die genaue Temperatur jeder der einzelnen Phasen richtet sich nach den beigemengten Einsatzstoffen.

Merk’s dir!

Es gibt auf der Erde 90 zugängliche Elemente von denen knapp 60 % für die eine oder andere Variante der Glasherstellung genutzt werden.

Vorarbeit

Zuerst definiert der Techniker die Eigenschaften, die das spätere Glas aufweisen soll, genau und erstellt daraus eine Zutatenliste. Am wichtigsten ist hier der Quarzsand $SiO_2$ .

Hier muss er besonders darauf achten, dass keine Störstoffe oder Verunreinigungen bestehen. Ist dies doch der Fall so gilt es, dass diese mittels Waschung oder Korngrößensortierung entfernt werden.

Säuren werden erst dann eingesetzt, wenn es sich beispielsweise im optische Gläser handelt. Denn diese müssen besonders rein hergestellt werden.

Massengläser, wie einfache Trinkgefäße, werden lediglich mit chemischen oder physikalischen Verfahren entfärbt, um eventuelle Metalloxide zu entfernen.

Herstellung

Die Herstellung von Glas erfolgt in vier einzelnen Schritten.

Glasgemenge herstellen: Nachdem sich der Techniker überlegt hat welche Art von Glas er herstellen möchte, beginnt er die passenden Rohstoffe miteinander zu vermengen. Dieses Gemisch bezeichnet man dann als Gemenge.
Schmelzvorgang: Im zweiten Schritt schmilz man das Gemenge im Schmelzvorgang zu flüssigen Glas. Hier liegt die Prozesstemperatur je nach Gemenge bei 1300 °C – 1600°C.
Homogenisierungs- und Läuterphase: Liegt das flüssige Glas vor, so beginnt die Homogenisierungs- und Läuterphase, bei der es darum geht, eventuelle Störungen wie Blasen, Einschlüsse, sowie Störstoffe und Inhomogenitäten zu beseitigen.
Abstehen und Abkühlung: Sind alle Störungen aus 3. Entfernt kann im letzten Schritt das Abstehen und Abkühlen beginnen.

Jetzt habe ich den Durchblick!…

Das Wort Brille stammt von dem Mineral Beryll. Denn bevor es Linsen aus geschmolzenem Glas gab, wurden Stücke des Minerals zu Linsen geschliffen.

Glas – 2. Schmelzvorgang

In der nächsten Abbildung siehst du die einzelnen Schritte der Glasherstellung visualisiert:

Gläser - Herstellung - Herstellungsprozess — Gläser – Herstellung – Herstellungsprozess

Nicht mal eben schnell gemacht…

Der Gesamte Schmelzvorgang kann bis zu 24 Stunden andauern.

Dabei durchläuft das Material unterschiedliche Schmelzphasen, die dir nachfolgend dargestellt werden:

Glas – 3. Homogenisieren und Läutern

Das Homogenisieren und das Läutern der Schmelze laufen im Schmelzofen bei einer Temperatur von ca. 1550° C parallel ab. Obwohl Glas bereits ab 1200 °C weitestgehend flüssig vorliegt, wählt man die Temperatur bewusst so hoch, dass beide Teilprozesse reibungslos sowie effizient ablaufen.

Dabei zielt das

Homogenisieren

– auf eine gleichmäßige Verteilung der einzelnen Bestandteile ab. Denn von sich aus mischen sich die Bestandteile in der Schmelze nicht. Unterließe man eine Mischung, so wäre das Endprodukt unregelmäßig und somit nicht einsatzbereit. In der Schmelzwanne befinden sich Hindernisse in Flussrichtung, damit die Schmelze ordentlich durchmischt wird. In manschen Fällen setzt man ergänzend oder gänzlich auf mechanische Rührwerke aus feuerfestem Material.

sowie

Läutern

– auf eine Entfernung der verbliebenen Gasblasen in der Schmelze ab. Im Gegensatz zum Homogenisieren läuft das Läutern auch nach dem Verlassen des Schmelzofens weiter. Denn zuvor wurden der Schmelze Zusätze in Form von $Na_2SO_4$ hinzugefügt, die zur Abspaltung von $O_2$ und $SO_2$ bei den gasförmigen Reaktionsprodukten führen und auch während des Abstehens wirken. Die Auftriebskraft der Gasbläschen ist Grundlage des Läuterns.

Die zugehörige Reaktionsgleichung findest du nachfolgend:

$\boxed{ Na_2SO_4 \rightarrow Na_2O + SO_2 + \frac{1}{2}O_2 }$

Merk’s dir!

Zur Steigerung der Effizienz beider Prozesse wird in jüngster Zeit auch Luftdruck in Form von Luftdruckrührwerken in die Schmelze eingebracht.

Glas – 4. Abstehen und Abkühlen

Das Abstehen der Schmelze beendet die Schmelzvorgang des Glases. Dabei liegen noch immer Temperaturen bis zu 1200°C vor.

Durch das Absinken der Temperatur nimmt die Viskosität zu und verbliebene Gasblasen verschwinden.

Merk’s dir!

Bei der Abkühlung gilt zu beachten, dass keine Spannungen durch zu rasantes Abkühlen entstehen und es infolgedessen zu Rissen oder anderen Strukturänderungen kommt.

Missachtet der Techniker diese Vorgaben und passt auch in den anderen Teilphasen nicht auf, so kommt es vermehrt zu Glasfehlern, wie nachfolgend aufgeführt:

Glasfehler und deren Konsequenzen

Wer A sagt muss auch B sagen, oder wie in unserem Fall wer bei der Erzeugung von Glas nicht genau aufpasst und Fehler macht, der muss mit den Konsequenzen leben.

Glasfehler - Fehler bei der Glasherstellung — Glasfehler – Fehler bei der Glasherstellung

Beispiele: Glasfehler

Glasfehler sind

Blasen (Verbliebenes eingeschlossenes Gas)
Steinchen (feste Partikel, die nicht geschmolzen sind)

sowie

Schlieren (Homogenisieren war unzureichend – Es liegen Mischphasen vor)
Entmischungen (trotz erfolgreicher Homogenisierung, Fehlerbildung in der Abkühlphase )

Beispiele: Konsequenzen

Konsequenzen können dann sein:

Grenzflächen nicht ausgeprägt
Vorgegebene Eigenschaften nicht erfüllt

sowie

Mangelnde Transparenz
reduzierte Festigkeit

und

reduzierte Temperaturbeständigkeit
eingeschränkte chemische Beständigkeit.

Im kommenden Kurstext erklären wir dir, wofür Gläser im technischen Bereich verwendet werden.

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