Glas, ein anorganisches festes Material, das normalerweise transparent oder durchscheinend sowie hart, spröde und undurchlässig für die natürlichen Elemente ist. Glas wurde seit der Antike zu praktischen und dekorativen Objekten verarbeitet und ist immer noch sehr wichtig für Anwendungen, die so unterschiedlich sind wie Hochbau, Haushaltswaren und Telekommunikation. Es wird hergestellt, indem geschmolzene Bestandteile wie Quarzsand mit ausreichender Geschwindigkeit abgekühlt werden, um die Bildung sichtbarer Kristalle zu verhindern.
Konstruktion: Glas als Baustoff
Glas erfuhr im zweiten Industriezeitalter eine beträchtliche Entwicklung. Die Herstellung von klarem Flachglas wurde in perfektioniert
Es folgt eine kurze Behandlung von Glas. Glas wird in einer Reihe von Artikeln ausführlich behandelt. Glasmalerei und die ästhetischen Aspekte des Glasdesigns werden in Glasmalerei und Glaswaren beschrieben. Die Zusammensetzung, Eigenschaften und industrielle Produktion von Glas werden mit Industrieglas abgedeckt. Die physikalischen und atomaren Eigenschaften von Glas werden in amorphem Feststoff behandelt.
Die Glassorten unterscheiden sich stark in der chemischen Zusammensetzung und in den physikalischen Eigenschaften. Die meisten Sorten haben jedoch bestimmte Eigenschaften gemeinsam. Sie durchlaufen eine viskose Phase beim Abkühlen aus einem fließenden Zustand; Sie entwickeln Farbeffekte, wenn die Glasmischungen mit bestimmten Metalloxiden verschmolzen werden. sie sind, wenn sie kalt sind, schlechte Leiter sowohl der Elektrizität als auch der Wärme; Die meisten Typen können leicht durch einen Schlag oder Schock gebrochen werden und zeigen eine Conchoidalfraktur. und sie werden von gewöhnlichen Lösungsmitteln nur geringfügig beeinflusst, aber leicht von Flusssäure angegriffen.
Kommerzielle Glaszusammensetzung
Kommerzielle Gläser können in Soda-Kalk-Silica-Gläser und Spezialgläser unterteilt werden, wobei der größte Teil der produzierten Tonnage der früheren Klasse angehört. Solche Gläser bestehen aus drei Hauptmaterialien: Sand (Siliziumdioxid oder SiO 2), Kalkstein (Calciumcarbonat oder CaCO 3) und Natriumcarbonat (Na 2 CO 3). Quarzglas selbst ist ein ausgezeichnetes Glas, aber da der Schmelzpunkt von Sand (kristallines Siliciumdioxid) über 1.700 ° C (3.092 ° F) liegt und es sehr teuer ist, solch hohe Temperaturen zu erreichen, sind seine Verwendungen auf diejenigen beschränkt, bei denen Seine überlegenen Eigenschaften - chemische Inertheit und die Fähigkeit, plötzlichen Temperaturänderungen standzuhalten - sind so wichtig, dass die Kosten gerechtfertigt sind. Trotzdem ist die Herstellung von Quarzglas eine ziemlich große Industrie; Es wird in verschiedenen Qualitäten hergestellt, und wenn es für optische Zwecke bestimmt ist, wird als Rohstoff Bergkristall anstelle von Quarzsand verwendet.
Um den Schmelzpunkt von Siliciumdioxid zu verringern, muss ein Flussmittel hinzugefügt werden. Dies ist der Zweck des Natriumcarbonats (Soda), das das Flussmittel Natriumoxid zur Verfügung stellt. Durch Zugabe von etwa 25 Prozent des Natriumoxids zu Siliciumdioxid wird der Schmelzpunkt von 1.723 auf 850ºC (3.133 auf 1.562ºF) verringert. Solche Gläser sind jedoch leicht wasserlöslich (ihre Lösungen werden Wasserglas genannt). Die Zugabe von Kalk (Calciumoxid oder CaO), der vom Kalkstein geliefert wird, macht das Glas wieder unlöslich, aber zu viel macht ein Glas anfällig für Entglasung, dh die Ausfällung kristalliner Phasen in bestimmten Temperaturbereichen. Die optimale Zusammensetzung ist etwa 75 Prozent Siliciumdioxid, 10 Prozent Kalk und 15 Prozent Soda, aber selbst dies ist zu anfällig für Entglasung während bestimmter mechanischer Umformvorgänge, um zufriedenstellend zu sein.
Bei der Herstellung von Flachglas werden üblicherweise 6 Prozent Kalk und 4 Prozent Magnesia (Magnesiumoxid oder MgO) verwendet, und in Flaschenglas sind häufig etwa 2 Prozent Aluminiumoxid (Aluminiumoxid oder Al 2 O 3) vorhanden. Es werden auch andere Materialien hinzugefügt, von denen einige eingesetzt werden, um das Raffinieren des Glases zu unterstützen (dh um die beim Schmelzen zurückgebliebenen Blasen zu entfernen), während andere hinzugefügt werden, um seine Farbe zu verbessern. Zum Beispiel enthält Sand immer Eisen als Verunreinigung, und obwohl das zur Herstellung von Flaschen verwendete Material speziell wegen seines geringen Eisengehalts ausgewählt ist, verleihen die kleinen Spuren von Verunreinigungen dem Behälter immer noch eine unerwünschte grüne Farbe; Durch die Verwendung von Selen und Kobaltoxid zusammen mit Spuren von Arsentrioxid und Natriumnitrat ist es möglich, die grüne Farbe zu neutralisieren und ein sogenanntes weißes (entfärbtes) Glas herzustellen.
Optisches und Hochtemperaturglas
Gläser mit sehr unterschiedlichen und oft viel teureren Zusammensetzungen werden hergestellt, wenn besondere physikalische und chemische Eigenschaften erforderlich sind. Beispielsweise ist in optischen Gläsern ein breiter Bereich von Zusammensetzungen erforderlich, um die Vielfalt des Brechungsindex und der Dispersion zu erhalten, die erforderlich sind, wenn der Linsenentwickler Mehrkomponentenlinsen herstellen soll, die frei von den verschiedenen Fehlern sind, die mit einer einzelnen Linse verbunden sind, wie beispielsweise chromatische Aberration. Hochreine, ultratransparente Oxidgläser wurden zur Verwendung in faseroptischen Telekommunikationssystemen entwickelt, bei denen Nachrichten als Lichtimpulse über Glasfasern übertragen werden.
Wenn gewöhnliches Glas einer plötzlichen Temperaturänderung ausgesetzt wird, werden darin Spannungen erzeugt, die es bruchempfindlich machen; Durch Verringern seines Wärmeausdehnungskoeffizienten ist es jedoch möglich, ihn weniger anfällig für Wärmeschock zu machen. Das Glas mit dem niedrigsten Ausdehnungskoeffizienten ist Quarzglas. Ein weiteres bekanntes Beispiel ist das zur Herstellung von Haushaltskochgeschirr verwendete Borosilikatglas, dessen Ausdehnungskoeffizient nur ein Drittel des typischen Soda-Kalk-Quarzglases beträgt. Um diese Reduktion zu bewirken, wird ein Großteil des als Flussmittel zugesetzten Natriumoxids durch Boroxid (B 2 O 3) und ein Teil des Kalks durch Aluminiumoxid ersetzt. Ein weiteres bekanntes Spezialglas ist das Bleikristallglas, das bei der Herstellung hochwertiger Geschirrteile verwendet wird. Durch Verwendung von Bleimonoxid (PbO) als Flussmittel ist es möglich, ein Glas mit einem hohen Brechungsindex und folglich dem gewünschten Glanz und der gewünschten Brillanz zu erhalten.
Hinzufügen von Farbe und besonderen Eigenschaften
Die zum Färben von Glas verwendeten Mittel sind im allgemeinen Metalloxide. Das gleiche Oxid kann mit verschiedenen Glasmischungen unterschiedliche Farben erzeugen, und verschiedene Oxide desselben Metalls können unterschiedliche Farben erzeugen. Das Purpurblau von Kobalt, das Chromgrün oder Gelb von Chrom, die dichroitische Kanarienfarbe von Uran und das Violett von Mangan sind konstant. Eisenoxid erzeugt je nach dem Glas, mit dem es gemischt wird, ein Olivgrün oder ein Hellblau. Eisenoxid ergibt eine gelbe Farbe, erfordert jedoch ein Oxidationsmittel, um eine Reduktion in den Eisenzustand zu verhindern. Blei ergibt eine hellgelbe Farbe. Silberoxid ergibt einen dauerhaften gelben Fleck. Fein verteilte Gemüsekohle, die einem Natronkalkglas zugesetzt wird, ergibt eine gelbe Farbe. Selenite und Selenate ergeben ein blassrosa oder rosagelb. Tellur scheint eine blassrosa Tönung zu geben. Nickel mit einem Kali-Bleiglas ergibt eine violette Farbe und eine braune Farbe mit einem Natronkalkglas. Kupfer ergibt ein Pfauenblau, das grün wird, wenn der Anteil des Kupferoxids erhöht wird.
Eine wichtige Materialklasse sind die Chalkogenidgläser, bei denen es sich um Selenide handelt, die Thallium, Arsen, Tellur und Antimon in verschiedenen Anteilen enthalten. Sie verhalten sich wie amorphe Halbleiter. Ihre photoleitenden Eigenschaften sind ebenfalls wertvoll.
Bestimmte metallische Gläser haben magnetische Eigenschaften; Ihre Eigenschaften wie einfache Herstellung, magnetische Weichheit und hoher elektrischer Widerstand machen sie in den Magnetkernen von elektrischen Leistungstransformatoren nützlich.
