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Glasübergangstemperatur

Glasübergangstemperatur

Die Glasübergangs- oder Erweichungstemperatur (TG) ist die Temperatur, bei der bei einem Glas oder amorphen Kunststoff die größte Änderung der Verformungsfähigkeit auftritt. Dieser sog. Glasübergang trennt den unterhalb liegenden spröden energieelastischen Bereich (=Glasbereich) vom oberhalb liegenden weichen entropieelastischen Bereich (=gummielastischer Bereich). Durch die Aufnahme von Feuchte sinkt die Glasübergangstemperatur bei polymeren Werkstoffen ab. Kristalline Kunststoffe weisen im Gegensatz dazu eine Schmelztemperatur auf. Bei teilkristallinen Kunststoffen gibt es sowohl für die kristalline Phase die Schmelztemperatur als auch für die amorphe Phase die Glasübergangstemperatur.

Messung

Die Messung der Glasübergangstemperatur kann mit Hilfe der thermo-mechanischen Analyse (TMA) oder der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) erfolgen. Bei der TMA wird eine starke Änderung des E- und G-Moduls sowie ein ausgeprägtes Maximum der Dämpfung in einem engen Temperaturbereich beobachtet. Das DSC-Signal ändert sich dabei ebenfalls deutlich. Da die Glasübergangstemperatur von der Heiz- bzw. Kühlrate bei der Messung abhängt, wird für sie häufig ein Temperaturintervall angegeben. Im allgemeinen nimmt sie mit steigender Rate zu.

Einsatztemperatur von Kunststoffen

Die Art des Kunststoffes entscheidet darüber, ob er oberhalb oder unterhalb der Glasübergangstemperatur verwendet werden kann. Allgemein steigt die Glasübergangstemperatur mit der Vernetzungsdichte des Kunststoffes.
- Duroplaste: Einsatz unterhalb der Glasübergangstemperatur.
- Teilkristalline Thermoplaste: Der Einsatz über die Glasübergangstemperatur hinaus ist möglich. Die Schmelztemperatur bildet meistens die obere Einsatzgrenze.
- Amorphe Thermoplaste: Einsatz unterhalb der Glasübergangstemperatur.
- Elastomere: Einsatz überhalb der Glasübergangstemperatur. Die Zersetzungstemperatur bildet die obere Temperaturgrenze.

Auswirkungen

Für das Unglück des Space Shuttles Challenger wurde eine elastomere O-Ring-Dichtung verantwortlich gemacht, die unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur betrieben wurde, wo sie nur ungenügend elastisch war und folglich nicht dicht blieb. Austretender Treibstoff führte daraufhin zur Explosion der Raumfähre.

Weblinks

[http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/glas.htm Kunststoffe im Alltag (FU Berlin)] Kategorie:Schwellenwert (Temperatur) Kategorie:Kunststoff Kategorie:Glas ja:ガラス転移点

Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die vom Menschen als Wärme beziehungsweise Kälte empfunden wird. Hohe Temperaturen bezeichnet man als heiß, niedrige als kalt. Tatsächlich jedoch beschreibt die Temperatur die mittlere kinetische Energie pro Teilchen, sie ist eine makroskopische und damit phänomenologische Größe und verliert bei Betrachtungen auf Teilchenebene ihren Sinn.

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: # Wärmeleitung # Konvektion # Wärmestrahlung Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. Dies hat für das Temperaturempfinden einige Konsequenzen:
- Temperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut fühlen sich warm an, solche unterhalb empfinden wir als kalt
- Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, führen zu höheren Wärmeströmen und fühlen sich deshalb wärmer beziehungsweise kälter an, als Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, wie Holz oder Polystyrol
- Bei gleich kalter Außentemperatur ist die gefühlte Temperatur bei Wind durch den Windchill niedriger als bei Windstille
- Der Mensch kann Lufttemperatur von überlagerter Wärmestrahlung nicht unterscheiden, was auch ganz allgemein gilt und unter anderem dazu führt das Lufttemperaturen immer im Schatten gemessen werden
- Gleiche Temperatur wird von den beiden Händen als unterschiedlich wahrgenommen, wenn diese selbst unterschiedliche Oberflächentemperatur aufweisen Genaugenommen gilt dies nicht nur für das menschliche Empfinden, auch in vielen technischen Anwendungen ist nicht die Temperatur von Bedeutung, sondern der Wärmestrom. So hat die Atmosphäre der Erde oberhalb 1000 km Temperaturen von mehr als 1000 °C, dennoch verglühen deshalb keine Satelliten. Auf Grund der geringen Teilchendichte ist der Energieübertrag minimal.

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Die formalen Eigenschaften der Temperatur werden in der Thermodynamik behandelt und dort über die Entropie S und die innere Energie U definiert. Man bezeichnet die Temperatur hier als eine systemeigene, intensive Zustandsgröße. Im eindimensionalen Fall in x-Richtung kann man die Temperatur über folgende Gleichung definieren: :\frac = \frac Bei einer sehr großen Ansammlung von Teilchen und dem Vorliegen eines idealen Gases, kann man die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anwenden und in der Folge die Temperatur wie folgt definieren: : T := \frac Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- M - Molmasse
- R - universelle Gaskonstante
- \sqrt - quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit (hier zum Quadrat) Die Temperatur ist damit ein Maß für den durchschnittlichen ungerichteten, also zufälligen, Bewegungsenergieanteil (kinetische Energie) einer Ansammlung von Teilchen. Die Teilchen sind hierbei die Luftmoleküle bzw. die Moleküle oder Atome eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. In der statistischen Mechanik steht die Temperatur mit der Energie pro Freiheitsgrad in Zusammenhang. Im idealen Gas aus einatomigen Molekülen sind das drei Translationsfreiheitsgrade pro Molekül und bei mehratomigen Gasen können weitere Rotationsfreiheitsgrade hinzu kommen. Bei Gasen kann man diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchengeschwindigkeit nach obiger Beziehung sogar quantitativ angeben. Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2½ = 1,414. Zwei unterschiedliche Gase haben dann die gleiche Temperatur, wenn das Produkt aus der Molmasse des jeweiligen Gases und dem Quadrat der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit gleich groß ist. Im thermischen Gleichgewicht nimmt jeder Freiheitsgrad der Materie (Bewegung, potenzielle Energie, Schwingungen, elektronische Anregungen etc.) eine der Temperatur entsprechende Menge an Energie auf. Wieviel genau muss aus der kanonischen Verteilung (Boltzmannkonstante) berechnet werden und ist durch das Verhältnis von Energie zu Temperatur mal Boltzmannkonstante kB bestimmt. Bei der kontinuierlichen (klassischen) kinetischen Energie ist dies genau kBT/2. Die Boltzmannkonstante ergibt einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, welcher 11.606,7 Kelvin pro Elektronenvolt beträgt. Bei Raumtemperatur (300 Kelvin) ergibt dies 0,0258472 eV. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist abhängig von der Molekülmasse bzw. Molmasse. Dabei sind die schweren Teilchen jedoch auch langsamer. Bei idealen Gasen gleichen sich Massenerhöhung und Geschwindigkeitsernierdrigung gegenseitig aus, was zum Gesetz von Avogadro führt. Die thermische Energie ist jedoch wie die Temperatur selbst nur ein Mittelwert innerhalb eines Vielteilchensystems und ihr Zusammenhang mit der Teilchengeschwindigkeit lässt sich ebenfalls aus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung ableiten: : \overline = \frac m \overline Das thermische Gleichgewicht hat eine wichtige Eigenschaft, welche in der Thermodynamik zur Formulierung des Nullten Hauptsatzes führt. Wenn ein System A sich mit einem System B sowie B sich mit einem System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so befindet sich auch A mit C im thermischen Gleichgewicht. Das thermische Gleichgewicht ist damit transitiv, was es möglich macht die empirische Temperatur θ einzuführen. Diese ist so definiert, dass zwei Systeme genau dann die gleiche empirische Temperatur haben, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Messung der Temperatur

Messung durch Kontakt

Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe von Thermometern oder anderen wärmesensitiven Messgeräten. Bei Messungen mit massebehafteten Sensoren ist der Wärmeleitung besonders Rechnung zu tragen: Man muss genügend lange warten, bis diese Temperatur-Angleichung im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit eingetreten ist. Andererseits können dabei andere Einflüsse wirksam werden (z.B. Wärmestrahlung, eigener Atem). Die Messgenauigkeit wird bei den feinsten Methoden durch die Brownsche Molekularbewegung begrenzt, bei der Lufttemperatur aber meist durch lokale Turbulenzen. Die Temperaturerfassung durch Kontakt ist in vier Teilbereiche aufzuteilen: #die mechanische Erfassung mittels #
- Gas- oder Flüssigkeitsthermometer (z.B. traditionelle Quecksilber- oder Alkoholthermometer) #
- Bimetallthermometer #
- Temperaturmessfarben (auch thermochromatische Farben; Farbumschlag bei einer bestimmten Temperatur) #
- Seeger-Kegel (Formkörper, die ihre Festigkeit und dadurch ihre Kontur bei einer bestimmten Temperatur ändern) #die resistiven Temperaturaufnehmer (Widerstandsthermometer) #die Thermoelemente #die indirekte, erfahrungsgestützte Messung über tabellierte Stoffdaten (zum Beispiel umgekehrte Schmelzpunktbestimmung) Schmelzpunktbestimmung

Messung durch elektromagnetische Strahlung

Die Temperatur kann indirekt durch die Wärmestrahlung mit einem Pyrometer gemessen werden. Durch diese ist auch eine Thermografie möglich, also eine Farbanzeige oder Hell-Dunkel Darstellung der Temperatur von Flächen und Räumen wie im Bild zur Linken, welches einem Kaffeeautomaten zeigt. Gut erkennbar ist hierbei auch die thermische Spiegelung. Eine andere Art der Temperaturmessung durch elektromagnetische Strahlung auch anderer Wellenlängenbereiche bieten die Bolometer. Siehe hierzu auch Messgeräte, Messtechnik, Messung und Kategorie Temperaturmessung

Temperaturskalen und ihre Einheiten

SI-Einheit

Die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur (Formelzeichen: T) ist Kelvin (Einheitenzeichen: K). Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser, bei dem dessen feste, flüssige und gasförmige Phase koexistieren. Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt. Es ist üblich und nützlich Temperaturdifferenzen immer in Kelvin anzugeben.

Nicht-SI-Einheiten

Die empirische Temperatur (Formelzeichen: \vartheta; gelegentlich auch t), auch als Celsiustemperatur bezeichnet, da in Grad Celsius (Einheitenzeichen: °C) angegeben, ergibt sich damit aus der thermodynamischen Temperatur durch : \vartheta/^\circ\mathrm = T/\mathrm-273,\!15 . Temperaturdifferenzen können vom Prinzip her auch in Grad Celsius angegeben werden, das den gleichen Skalenabstand aufweist wie die Kelvin-Skala, dessen Nullpunkt sich aber auf den Gefrierpunkt von Wasser beim Normaldruck (mittlerer Luftdruck auf Meereshöhe) bezieht. Der so festgelegte Gefrierpunkt liegt gerade 0,01 K unterhalb der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. In den USA ist die Fahrenheit-Skala mit der Einheit Grad Fahrenheit (Einheitenzeichen: °F) immer noch sehr gebräuchlich. Die absolute Temperatur auf Fahrenheit-Basis wird mit Grad Rankine (Einheitenzeichen: °Ra) bezeichnet. Die Rankine-Skala hat den Nullpunkt wie die Kelvin-Skala beim absoluten Temperaturnullpunkt, im Gegensatz zu dieser jedoch die Skalenabstände der Fahrenheit-Skala.

Temperaturskalen

Eine Temperaturskala ist eine Methode der Angabe einer Temperatur in einer Skala und damit der Bestimmung der jeweiligen Messtemperatur in Bezug zu einem Vergleichswert. Zu ihrer Erstellung werden immer mindestens zwei Fixpunkte benötigt. Diese legt man bei bestimmten temperaturabhängigen Eigenschaftsänderungen von Stoffen oder auch anderen Messergebnissen fest. Die häufigsten Fixpunkte sind hierbei der absolute Temperaturnullpunkt, sowie der Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser. Ausgehend von diesen Fixpunkten wählt man einen Gradabstand für die Größe des Intervalls zwischen zwei Graden und kann auf diese Weise eine Maßeinheit für die Temperatur definieren. Es ist dabei jedoch wichtig, dass der Temperaturbereich zwischen den gewählten Fixpunkten einen konstanten Anstieg aufweist, da man ansonsten unterschiedlich große Gradabstände erhält, je nachdem ob die betrachtete Temperatur näher oder ferner von einem der Fixpunkte liegt. Die bekanntesten Temperaturskalen mit ihren verschiedenen Charakteristika sind in den folgenden Tabellen dargestellt. Die heute gültige Temperaturskala ist die "International Temperature Scale of 1990" (ITS-90). :¹ Einige Werte dieser Tabelle sind gerundet :² Übliche Körpertemperatur ist 36.8 °C ± 0.7 °C, oder 98.2 °F ± 1.3 °F Ein Programm zur automatischen Temperaturumrechnung ist in den Weblinks zu finden.

Ausgewählte Temperaturen

Spezifische Stoffwerte können den entsprechenden Artikel wie beispielsweise Siedepunkt und Schmelzpunkt entnommen werden. Ein Vergleich der Größenordnung von Temperaturen der Kelvin-Skala ist gesondert dargetellt.

Siehe auch


- Kategorie Schwellenwerte der Temperatur
- Absolute Temperatur
- Kritische Temperatur
- Curie-Temperatur
- Debye-Temperatur
- Boyle-Temperatur
- Dopplertemperatur
- Oberflächentemperatur
- Rekristallisationstemperatur
- Potenzielle Temperatur
- Virtuelle Temperatur
- Temperaturresistenz
- Tagesmitteltemperatur
- Wärmekapazität

Weblinks


- [http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/general/units.html#temp Temperatur-Umrechnung]
- [http://www.temp-web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=26 Informationen rund um die Temperatur]
- [http://www.its-90.com/ Website der ITS-90 (engl.)]
- [http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_temperatur_grad Umrechnungen zw. den Temperaturskalen Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine, Réaumur (Online)] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Temperaturmessung ja:温度 ko:온도 th:อุณหภูมิ

Glas

Unter Glas (von germanisch glasa „das Glänzende, Schimmernde“, auch für „Bernstein“) versteht man eine Schmelze, die ohne Kristallisation erstarrt ist, also einen amorphen Feststoff. Materialien, die man im Alltagsleben als Glas bezeichnet (zum Beispiel Trink- und Fenstergläser, Fernsehscheiben und Glühlampen) sind nur ein Ausschnitt aus der Vielfalt der Gläser.

Eigenschaften

Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine amorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und entsprechend schnell abgekühlt werden. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum Glas zwar Kristallkeime bilden, für den Kristallisationsprozess jedoch nicht genügend Zeit verbleibt. Das erstarrende Glas ist schnell zu fest, um noch eine Kristallbildung zu erlauben. Die Transformationstemperatur, also jener Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600° C. Trotz des nicht definierten Schmelzpunkts ist Glas ein Festkörper. Auch wenn es sich unter langzeitiger Krafteinwirkung verformte, dürfte man es nicht als flüssig bezeichnen. Die langsame Verformung unter einer konstanten Kraft tritt auch in kristallinen Festkörpern auf und wird als Kriechen bezeichnet. Berichte von fließenden Kirchenfenstern lassen sich nicht bestätigen und die Idee des flüssigen Glases scheint auf eine Falschübersetzung zurückzugehen. [http://tafkac.org/science/glass.flow/origins_of_claim.html (en)] Kriechen] Kriechen] Kohlenwasserstoffverbindungen wie Plexiglas sind kein Glas, sondern ein Kunststoff. Kunststoffe besitzen organische Verbindungen, selbst Silikone sind mit organischen Resten abgesättigt und als mehr oder weniger ausdifferenzierte Ketten strukturiert. Die im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutungstragende Eigenschaft von Glas ist die 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 man durch Zugabe von speziellen Materialien zur Schmelze die Durchlässigkeit blockieren. Zum Beispiel kann man optisch klare Gläser für Infrarotes Licht undurchdringbar machen, die Wärmestrahlung ist blockiert. Die bekannteste Steuerung der Durchlässigkeit ist die Färbung. Es können die verschiedensten Farben 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. 2,5 g/cm³. Die mechanischen Eigenschaften variieren sehr stark. Die Zerbrechlichkeit von Glas ist sprichwörtlich. Die Bruchfestigkeit wird stark von der Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Glas ist weitgehend resistent gegen Chemikalien. Eine Ausnahme ist Flusssäure, sie löst das Siliziumdioxid und wandelt es zu Hexafluorokieselsäure. Im Allgemeinen hat Glas einen hohen elektrischen Widerstand.

Zusammensetzung

Glas kann viele Komponente haben. Diese werden nach ihrer Funktion in Netzwerkbildner, Netzwerkwandler und Zwischenoxyde (auch Stabilisatoren genannt) unterschieden. Netzwerkbildner bilden das (unregelmäßige) Grundgerüst, zu Ihnen zählen zum Beispiel SiO₂, B₂O₃, P₂O₅ sowie als nichtoxydische Verbindungen As₂S₃und BeF₂. Netzwerkwandler werden in das vom Netzwerkbildner gebildete Gerüst eingebaut. Hierzu gehören die Oxide der Alkalien wie Na₂O und K₂O. Zwischenoxyide wie Al₂O₃, MgO, PbO etc. können als Netzwerkbildner und -wandler fungieren. Allerdings sind sie nicht alleine zur Glasbildung fähig.

Einstellung der Glaseigenschaften

weitere Zuschlagstoffe sind u.a.:
- andere Flussmittel zur Verminderung des Schmelzpunkts
  - Zinkoxid
  - Thallium
- zur Veränderung des Brechungsindex
  - Bariumoxid
  - Blei (absorbiert auch Strahlung)
- Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert.
- Boroxid verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften.
- Aluminiumoxid erhöht die Bruchfestigkeit
- Trübungsmittel
  - Zinndioxid
  - Calciumphosphat
  - Fluorid für Opalglas
  - Zirkonoxid Nachstehend eine Tabelle mit den ungefähren Zusammensetzungen verschiedener Gläser. Die Prozentangaben sind in Gewichtsprozent.

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 verursacht sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man zur Beseitigung von Farbstichen die komplementäre Farbe. Entfärbemittel werden Glasmacherseifen genannt. Glasmacherseifen
- 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 Eisenoxid oder allein für die Grünfärbung verwendet. Chromoxid
- Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelb- oder Grünfärbung (so genanntes "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
- Manganoxid (Braunstein) als Glasmacherseife zur Entfernung des Grünstichs
- Selenoxid: 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 rubinrot, eine der teuersten Glasfärbungen.

Einteilung der Gläser

Königswasser Nach Art der Genese: Neben künstlichen finden sich auch natürliche Gläser: Obsidian ist vulkanischen Ursprungs, Tektide entstehen durch Meteoriteneinschlag, Fulgurite entstehen bei Blitzeinschlag und Maskelynit, das in Meteroriten gefunden wird und extraterristischen Ursprungs ist. Diese Gläser entstehen aus dem schmelzen von Sanden oder durch Schockwellen. Ein Kristallgitter kann hierduch seine Struktur verlieren und ein amorpher Körper werden. Dies ist diaplektisches Glas. Nach Art des Chemismus: Neben Kalk-Natron-Glas, das dem gewöhnlichen Gebrauchsglas entspricht, gibt es Quarzglas aus reinem SiO₂, Bleiglas für z. B. feinen Kristallgläsern und Fernsehtrichter. Das Blei im Glas schirmt die elektromagnetische Strahlung ab. Wasserglas ist wasserlöslich. Borosilikatglas ist insbesondere chemisch resistent und wird bei Laborgeräten, Kochgeschirr aber auch optischen Gläser verwendet. Borphosphatglas (Bortrioxid, Phosphorpentoxid) und Alumosilikatgläser mit Al₂O₃ sind weitere Spezialgläser. Zu der Gruppe der nichtoxidischen Gläser gehören u. a. Fluoridgläser, z.B. ZrF₄ - BaF₂ - AlF₃ und Chalkogenidgläser mit z.B. AsTe₃ oder GeSe₂ in der Infrarotoptik. Als Sonderfall in dieser Einordnung muß man Glaskeramik begreifen. Es wird als Glas produziert, durch die Wärmenachbehandlung wird teilweise Rekristallisierung erzielt. So ist es strenggenommen kein Glas mehr, sondern ein Glas-Kritall Mischkörper. Glaskeramik besteht aus SiO₂, Al₂O₃ und Lithiumoxid. Nach der Grundform des Produkts und dem Produktionsverfahren: Die Glasindustrie wird gewöhnlich in Hohlglas-, Flachglas-, und Spezialglasherstellung gegliedert. Hohlglas bezeichnet Flaschen und Konservengläser. Diese Massenprodukte werden maschinell geblasen. Höherwertige Produkte werden gepreßt. Hierzu gehören Glasbausteine und Trinkgläser. Für Glühbirnen ist ein besonderes Produktionsverfahren notwendig, ebenso für Rohrglas. Flachglas wird je nach Produktionsverfahren Floatglas oder Walzglas genannt. Das Grundprodukt ist ein Glasscheibe. Endprodukte sind z. B. Automobilglas, Spiegel, Temperglas, Verbundglas. Faserglas umfaßt Glasfaserkabel, Glaswolle und findet auch Anwendung bei glasfaserverstärkter Kunststoffen. Optische Gläser sind Linsen für Mikroskope und Ferngläser. Mundgeblasene Gläser existieren praktisch nur noch im Kunstgewerbe, sowie bei kostspielien Vasen und Weingläser. Nach ihren hergebrachten Handelsnamen: Antikglas, Diatretglas, Flintglas (Bleiglas als optisches Glas), Hyalithglas (opakes Glas, im 19 Jh. benutzt für Tafel- und Pharmaglas), Kronglas (optisches Glas), Kryolithglas (opakes, weißes Fluoridglas) Nach ihren Markennamen als Gattungsbegriff: Ceran (Glaskeramik für z. B. Kochfelder), Jenaer Glas (hitztefestes Borosilikatglas) beide von Schott und Pyrex (Borosilikatglas) von Corning im angelsächsischem Sprachraum ein Synonym zu Jenaer Glas. siehe auch Liste_der_Gläser

Produktionsprozess

Gemenge

Liste_der_Gläser Für die Herstellung von Kalk-Natron-Glas, das ca. 90% der produzierten Glasmenge ausmacht, werden folgende Rohstoffe eingesetzt: Quarzsand als fast reiner SiO2-Träger zur Netzwerkbildung. Wichtig ist, daß der Sand einen geringen (<0.05%) Anteil an Fe2O3 besitzt, da sonst bei Weißglas störende Grünfärbungen auftreten. Quarzsand Soda, Dolomit, Feldspat, Kalk (noch auszuführen) Altglas oder Eigenscherben aus dem Produktionsbruch werden ebenfalls dem Gemenge wiederaufgegeben. Altglas aus dem Glasrecycling allerdings nur in der Behälterglasindustrie, wo ihr Anteil bis über 90% betragen kann. Neben eingespartem Rohstoff macht sich dies im geringeren Energieverbrauch bemerkbar, da Scherben leichter schmelzen als das Gemenge.

Schmelze

Das Gemenge wird einer Glasschmelzwanne aufgegeben. Bei Temperaturen von ca. 1480 °C schmilzt es allmählich und wird durch Bewegungen im Glasbad homogenisiert. Bei kontinuierlich arbeitenden Öfen, die im industriellen Maßstab ausschließlich Verwendung finden, fließt das Glas weiter von der Schmelzwanne (mit Schmelz und Läuterbereich) über den Durchfluss (Hohlglas) bzw. die Einschnürung (Flachglas) in die Arbeitswanne. Bei geringeren Temperaturen beruhigt sich die Schmelze und fließt weiter zum Punkt der Glasentnahme. Bei der Produktion von Hohlglas sind dies die Speiser oder Feeder. Hier werden Tropfen in darunter stehende Glasmaschinen geleitet. Bei Flachglas fließt das Glas über die Lippe in das Floatbad.

Formgebung

Je nach Produkt wird Glas unterschiedlich geformt. Dabei unterscheidet man vor allem Gläser, die gepresst, geblasen, gedüst, gesponnen oder gewalzt werden.
- Hohlglas wird in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestellt. Hier dominiert die IS-Maschine, die im Blas-Blas-Verfahren arbeitet. Für höherwertige Tafelware kommen Press-Blas-Verfahren zum Einsatz, die Karusellförmig arbeiten.
- Glasfasern werden durch Spinnen im so genannten TEL-Verfahren produziert.
- Flachglas wird im Floatverfahren hergestellt oder gewalzt.
- Rohrglas

Kühlung

IS-Maschine

Veredelung


- durch chemische und physikalische Gasphasenabscheidung können feinste Metallbeschichtungen aufgebracht werden. Die meisten Fenster- und Autogläser werden mit für Infrarotlicht undurchlässigen Beschichtungen versehen. Die Wärmestrahlung wird hierdurch geblockt und Aufheizungen der Innenräume durch Sonneneinstrahlung gemindert, gleichzeitig die Wärmeverluste im Winter reduziert, ohne dabei die Durchsichtigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
- Eine andere Beschichtungstechnik verhindert die Verschmutzung und unterstützt die Selbstreinigung von Fensterglas. Eine äußere, hydrophile Beschichtung mit Titandioxyd verhindert die Tröpfchenbildung des Regenwassers, da es deren Oberflächenspannung herabsetzt. Regenwasser kann gleichmäßig an der Scheibe ablaufen und Schmutzpartikel mitziehen. Zusätzlich kann durch eine UV-Licht absorbierende Beschichtung die Entstehung aktiven Sauerstoffs ermöglicht werden, der organische Verbindungen zersetzt. [http://www.pilkington.com/resources/anwendungstext_msvarena.pdf Herstellerinformation (pdf)]
- Auch sind Verspiegelungen möglich
- Bei optischen Geräten werden reflektionsmindernde Schichten eingesetzt. Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit hergestellt werden können.
- Durch nachträgliches Sandstrahlen ein Milchglaseffekt zu erzielen, so dass das Glas nur noch durchscheinend aber nicht mehr durchsichtig ist
- Ein Farbauftrag ist im keramischen Siebdruck möglich.
- Durch exaktes Tempern eines auf Lithium-, Aluminium- und Siliciumoxid gefertigten Glases kann gezielt eine Rekristallisation herbeigeführt werden. Der Werkstoff ist nun kein Glas mehr, sondern eine Glaskeramik mit äußerst geringer Wärmedehnung. Diese findet Anwendung z. B. bei Kochfeldern und Spiegelteleskopen.

Geschichte der Glasherstellung

Frühzeit

Glaskeramik, Köln]] Natürlich vorkommendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung (Faustkeil) benutzt. das glass wurde zumindest zweimal erfunden einmal als silizium potasium gemenge wohl in mesapotamien wobei sand den silizium liferte und potasium aus pflanzenasche gewonnen wurde und ein zweites mal als silizium natron gemenge wohl in agypten wobei sand mit natron aus dem nord ägytischen natron see geschmolzen wurde. vor 1550 gab es zumindest in agypten kein glas.(a. kisa köln) Schon ab 1250 v. Chr. unterhielten die Ägypter u. a. in Quantir östlich des Nildeltas regelrechte Glasmanufakturen. Dort wurden Glasrohlinge in einem zweistufigen Prozess hergestellt. Ein Zwischenglas entstand, welches anschließend zertrümmert wurde. Aus den von Verunreinigungen des ersten Produktionsschrittes befreiten Scherben schmolzen die Ägypter Glasrohlinge von zehn Zentimeter Dicke, die durch Beimischung von Metalloxiden unterschiedlich eingefärbt werden konnten. Archäologische Funde deuten darauf hin, dass die einzelnen Produktionsstätten sich auf die Herstellung jeweils unterschiedlich eingefärbte Gläser spezialisiert hatten. So produzierten beispielsweise die Handwerker in Qintar hauptsächlich rotes Glas, welches sie durch Beimengung von Kupfer erhielten. Der Vertrieb der Rohlinge an weiterverarbeitende Glaswarenersteller oder Kunsthandwerker erfolgte über Händler. Laut der britischen Archäologin Caroline Jackson waren Glasgegenstände aufgrund des komplizierten Herstellungsverfahrens ein hohes Statussymbol, welches sich nur die ägyptische Elite leisten konnte. Aus der Bibliothek des assyrischen Königs Assurbanipal ist ein Glasrezept in Keilschrift überliefert, das um 650 v. Chr entstanden ist: 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen und 5 Teile Kreide. aus persien kommt im 4 jahrhundert v. Chr. erstmals klares farbloses glas. Die Römer stellten Diatretgläser her, meist glockenförmige, prunkvolle Trinkgefäße die bis heute wegen ihrer künstlerischen Qualität bewundert werden. Eines der berühmtesten römischen Gläser ist der im Besitz des Britischen Museums befindliche Lykurgosbecher[http://www.artfund.org/acq/artworkDetail4_5.asp?appref=3526] aus dem 4. Jahrhundert an dem eine dreidimensionale figurative Darstellung angebracht ist, die im Gegenlicht rot und im Auflicht opak-gelbgrün erscheint. Im ersten Jahrhundert v. Chr. wurde an der östlichen Mittelmeerküste die Glasmacherpfeie erfunden. Die ersten Pfeifen waren Tonröhren später benutzte man Metallrohre mit dehnen man grössere Gefässe herstellen konte. Durch die Glasbläserei wurde Glas zur Massenwahre im ganzen römischen Reich.

Mittelalter und Neuzeit

Britischen Museums Britischen Museums Um die Jahrtausendwende dominierte Venedig die Glasmarkt. Die Insel Murano war das Hauptzentrum der europäischen Glasindustrie. Venezianisches Glas war ein begehrtes Luxusgut. Kirchenglasfenster verbreiten sich in den Kathedralen. Entgegen der landläufigen Meinung gab es im Deutschland des Mittelalters nicht nur das „typische“ grüne Waldglas, sondern auch farblose Gläser, zum Teil allerdings mit leichtem Farbstich. Im 14. Jahrhundert erfanden italienische Glasmacher das Cristallo, ein farbloses Glas mit besonderem Glanz. In den Anfängen der Herstellung von durchsichtigem Glas wurde das Glas zu so genannten Butzenscheiben geschleudert. Zu Beginn hatten diese Scheiben etwa 10 bis 20 cm Durchmesser. Später wurden dazu gar 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 war und am äußeren Rand zunahm, wurden sie aus statischen Gründen mit dem schwereren Ende nach unten eingesetzt.
- 1688 Herstellen von grossen Glasspiegeln in Frankreich. Bernard Pierrot führte den Glasguß bei der Scheibenfertigung ein und bedeutete einen bedeutenden Produktivitätsfortschritt. Dies war die Keimzelle der Fa. Saint Gobain.
- 1764 Nutzung von Natriumsulfat zur Glasherstellung (Glaubersalz)
- 1764 Steinkohlenfeuerung in der Glashütte Minden / Westf.

Industriealisierung und Automatisierung

Wichtige Ereignisse in der Entwicklung der Glasindustrie

Allgemein


- 1856 Erster Glasofen mit Regenerativfeuerung durch Friedrich Siemens
- 1867 Kontinuierlicher Wannenofen von Friedrich Siemens
- 1882 Ernst Abbé gründet mit Otto Schott in Jena Glaswerke für optische Spezialgläser

Flachglas

Otto Schott Um 1900 entwickelte der Amerikaner John H. Lubbers ein Verfahren zur Zylinderfertigung. Diese konnten einen Durchmesser von 80 cm erreichen und waren bis zu 8 m (!) hoch. Der Zylinder wurde aufgeschnitten und geplättet. Das Verfahren war jedoch sehr umständlich, insbesondere das Umlegen der Zylinder in die Horizontale bereitete Schwierigkeiten. Eine weitreichendes Patent sollte 1904 von Emile Fourcault folgen. Das nach ihm benannte Fourcault-Verfahren zur Ziehglasherstellung. Das Glas wird im kontinuierlich entnommen. Eine Schamottedüse liegt in der flüssigen Schmelze. Mit dem Hochziehen durch einen Kühlkanal auf ca. 8m Höhe kann es oben zugeschnitten werden. Die Glasdicke ist durch die Ziehgeschwindigkeit einstellbar. Es kam ab 1913 zum Einsatz und bedeutete eine große Verbesserung. Ein darauf aufbauendes Verfahren ließ der Amerikaner Irving Wightman Colburn 1905 patentieren. Das Glasband wurde zur besseren Handhabe in einen horizontalen Kühlkanal umgeleitet. Mit einer eigenen Fabrik wurde bis 1912 versucht das Verfahren zu beherrschen, blieb aber letzlich erfolglos, so daß Insolvenz angemeldet wurde. Das Patent ging an die Toledo Glass Company. 1917 kam das nunmehr so genannte Libbeys-Owens-Verfahren zur industriellen Anwendung. Die Vorteile gegenüber dem Fourcault-Verfahren lagen in der einfacheren Kühlung. Hingegen konnte bei jenem mehere Ziehmaschienen an einer Glasschmelzwanne arbeiten. Da der Kühlofen in der Länge beliebig lang sein konnte, erreichte dieses Verfahren ungefähr die doppelte Produktionsgeschwindigkeit. In der Folgezeit existierten beide Verfahren parallel. 1928 verbesserte die Plate Glass Company die Vorteile der Verfahren von Fourcault und Colburn; sie erzielte mit dem Pittsburg-Verfahren dadurch eine deutliche Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit. 1919 gelang Max Bicheroux der entscheidende Schritt bei der Gussglasherstellung. Die flüssige Glasmasse wurde dabei zwischen gekühlten Walzen zu einem Glasband geformt, im noch erwärmten Zustand zu Tafeln geschnitten und in Öfen abgekühlt. Mit diesem Verfahren erreichte man die heute noch üblichen Scheibengrössen von 3 x 6 m 1923 Pilkington und Ford: kontinuierliches Walzglas für Automobilglas. 1902 Patent v. William E. Heal auf das Floatverfahren, das auf eine Idee von Henry Bessemer zurückgeht 1959 Die Fa. Pilkington bewältigt als erste die technischen Problem der Floatglasfertigung. Dieses Prinzip revolutionierte die Flachglasfertigung und wurde in den 1970er Jahren allgemeiner Standard.

Hohlglas

Im frühen 19. Jahrhundert Jahren wurden neue mechanische Hilfsmittel zum Blasen der Gläser benutzt. Es wurden Formen benutzt, die ein Relief als Negativ schon aufwiesen. Durch den Blasdruck wird das Glas in die Hohlräume gedrückt und das Werkstück bekommt seine Form. Allerdings ist die Lungenkraft des Glasmachers nicht ausreichend hoch für tiefere Reliefs, so daß mechanische Hilfsmittel eingeführt wurden: Durch Luftpumpen wird genügend Druck erzielt. [http://glas-forschung.info/pageone/pdf/tech_press.pdf pdf] Floatglasfertigung Die erste halbautomatische Flaschenblasmaschine vom Briten Alexander Mein 1859 entwickelt. Ein Meilenstein war die 1903 von Michael Josef Owens eingeführte Owens-Maschine als erste vollautomatische Glasmaschine überhaupt. In einem in der Schmelze eingetauchtem Rohr wird ein Vakuum erzeugt und so die problematische Tropfengröße exakt dosiert. Der Arm schwenkt zurück und drückt den Tropfen die Form. Mit der Umkehrung des Vakuums in Preßluft wird der Tropfen in die Metallform geblasen und das Werkstück erhielt seine entgültige Gestalt. Mit dieser Technik war es möglich zu dieser Zeit enormen Menge von 4 Flaschen pro Minute zu produzieren. Diese Technik nennt man Saug-Blas-Verfahren. [http://www.asme.org/history/brochures/h086.pdf pdf (en) ] Michael Josef Owens In der Folgezeit wurden verschiedene konkurrierende Modelle entwickelt. Firmen wie O'Neil, Miller and Lynch fertigten ebenfalls vollautomatische Maschinen. Auch wurden verschiedene Verbesserung der Tropfenentnahme realisiert. Die Neuerung war, daß der Glastropfen nicht mehr von oben aus der Schmelze entnommen wurde, sondern die Schmelze durch ein Öffnung im Feeder (Speiser) fließt. Ein Stopfen wird von oben rhythmisch auf- und abbewegt und bestimmt die Durchflußmenge. Unterhalb des Feeders wird von einer rotierenden Schere in das zähe Glas in gewünschter verschiedene Tropfen zerteilt. 1924 wird die IS-Maschine von den Namensgebern Ingle und Smith patentiert, die erste indistruelle Anwendung folgt wenige Jahre später. Diese Maschine, die die Vorteile des Tropfen-Verfahrens erst richtig nützt arbeitet nach dem Blas-Blas-Verfahren. Ein Tropfen wird in eine Metallform geleitet und vorgeblasen. Der vorgeformte Tropfen wird in eine zweite Form gewenkt, wo das Werkstück fertiggeblasen wird. Erste Anwendungen des neuen Verfahrens folgten wenige Jahre später. Die erste Maschine von 1927 hatte 4 Stationen: Ein Feeder beschickte eine Maschine und diese konnte parallel 4 Flaschen fertigen. [http://www.emhartglass.com/aboutus/history.asp (en)] Das Prinzip des Blas-Blas-Verfahrens ist auch heute noch in der Massenfabrikation gültig. Allerding fand über die Jahre eine stetige Entwicklung zu größeren, schnelleren und genaueren Maschinen statt. [http://www.anthro.utah.edu/IMACs/472-Bottles.pdf pdf (en)] siehe auch: Industrielle Revolution, Technischer Fortschritt, Technikgeschichte

Glaskunst und Kunsthandwerk

Technikgeschichte siehe auch: Glasmalerei, Tiffany-Glaskunst, Glas auf Mallorca, Glasreich, Glasschleiferei, Glasmacher, Glasbläser,

Siehe auch

Kategorie:Glas Glasindustrie, Glashütte,

Weblinks


- [http://www.schwabenglas.de/file/glasabc_a.htm Glaslexikon]
- [http://www.gra-pa.at/projects/NeueBaustoffe/02-kap00.html Glas als Baustoff]
- [http://www.infoline-glas.de Infoline-Glas am Bau] - Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc. ! Kategorie:Stoffgemisch ja:ガラス ms:Kaca simple:Glass th:กระจก

Amorph

In der Physik ist amorphes Material ein Stoff, bei dem die Atome keine geordneten Strukturen, sondern ein unregelmäßiges Muster ausbilden und daher nur über eine Nahordnung, nicht aber über eine Fernordnung verfügen. Regelmäßig strukturierte Materialien heißen Kristalle. Bedingung für den amorphen Zustand ist, dass sich die Atome beim Abkühlen einer Schmelze nicht regelmäßig anordnen können, das heißt die Viskosität muss einen gewissen Wert überschreiten und es darf nicht zur Kristallisation kommen. Technisch können zum Beispiel amorphe Metallbänder durch schnelles Abkühlen hergestellt werden. Glas ist ein typisches amorphes Material. Es ist die amorphe Form von Siliziumdioxid (SiO2). Eine der kristallinen Formen heißt Quarz. Erzeugt wird Glas durch Beimengung von Stoffen, sog. Glasbildnern, die ein gleichmäßiges Kristallgitter verhindern. Da die Atome eine geringe Packungsdichte aufweisen, haben amorphe Stoffe eine geringere Dichte als kristalline Stoffe. Sie sind außerdem nicht so hart und weniger spröde. Amorphe Metalle werden mit Hilfe der Rascherstarrungstechnik in Form von dünnen Folien industriell hergestellt. Hauptanwendungsgebiet sind hierbei Magnetwerkstoffe, weichmagnetische Legierungen (Fe, Ni, Co) und Lötfolien. Kategorie:Mineralogie Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Weiche Materie ja:アモルファス

Verformung

Als Verformung oder Deformation eines Körpers bezeichnet man in der Kontinuumsmechanik die Änderung seiner Form infolge der Einwirkung einer äußeren Kraft, dies kann als Längenänderung oder als Winkeländerung erfolgen. Eine irreversible, also dauerhafte, Verformung nennt man plastische Verformung. Die dazu gehörige Eigenschaft eines Werkstoffes nennt man Plastizität bzw. Duktilität. Voraussetzung ist hierbei, dass ein Werkstoff umformbar ist, also eine geringe Sprödigkeit besitzt. Eine reversible, also eine umkehrbare oder nicht dauerhafte, Verformung nennt man dagegen elastische Verformung. Die dazu gehörige Werkstoffeigenschaft wird Elastizität genannt. Siehe auch: Stoffgesetz, Verformbarkeit, Umformverfahren Kategorie:Physik Kategorie:Werkstoffkunde

Glasübergang

Mit Glasübergang oder Glaszustand wird in der Physik, Chemie oder Werkstoffkunde ein Phänomen bezeichnet, das die Sonderstellung von Glas als amorphen Feststoff - zwischen Festkörper und Flüssigkeit - beschreibt.

Phasenübergang von flüssig nach fest

Glas hat eine Eigenschaft, die moderne Materialforscher vor bislang ungelöste Rätsel stellt: Es ist nämlich der Glaszustand an sich. Glas ist kein Festkörper im üblichen Sinne, es verhält sich anders als Metalle oder Kristalle, denn Glas ist nur scheinbar fest. Andererseits ist Glas aber auch keine Flüssigkeit, so wie Physiker sie kennen. Feste Körper entstehen normalerweise aus Flüssigkeiten, in dem diese bei der Erstarrungstemperatur (oder Schmelztemperatur) in eine kristalline Form übergehen. So gefriert Wasser bei 0 °C im allgemeinen zu Eis mit fester Kristallstruktur, deren Keimausbildung an Verunreinigungen voranschreitet. Ein solcher Phasenübergang von flüssig nach fest, der mit einer erheblichen Energieabgabe des Systems verbunden ist, wird jedoch bei Glas nicht beobachtet. Eine Glasschmelze geht, auch bei ganz langsamer Abkühlung, nicht in den kristallinen Zustand über, sondern verbleibt im flüssigen Zustand als eine Art unterkühlte Schmelze. Es wäre falsch, Glas nun als Flüssigkeit zu bezeichnen, auch wenn kein feststellbarer Übergang zum Festkörper stattgefunden hat. Die Bezeichnung „Glaszustand“ hat sich in der Physik und Chemie dafür eingebürgert.

Erklärungsansätze

Glas befindet sich also immer in einem unmerklichen Zustand des Fließens. Die Moleküle sind in einem ungeordneten Stadium zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand geblieben. Und dieser Vorgang hat etwas damit zu tun, dass die Glasschmelze schon weit oberhalb ihres Schmelzpunktes bereits eine so hohe Zähflüssigkeit – Physiker sprechen hier von Viskosität – erreicht, dass die einzelnen Moleküle kein wohlgeordnetes Kristallgitter mehr bilden können. Es entsteht eine ungeordnete, so genannte amorphe Phase. Warum Glas sich so verhält, ist bisher ungeklärt. Forscher an vorderster Front haben festgestellt, dass Glas keine einheitliche Dichte hat, sondern Molekülinseln bildet, in denen sich eine große Menge der fest aneinander gebundenen Grundbausteine aus Silizium und Sauerstoff befinden. Diese Bereiche sind nur locker aneinander gebunden und lassen sich nicht zu einem Festkörper vernetzen. Man kann sie – ähnlich wie in einer Flüssigkeit – gegeneinander verschieben. Übrigens kann auch bei Metallen und einigen Legierungen durch ein sehr schnelles Abkühlen die Kristallisation unterdrückt werden. Sie liegen dann in einer so genannten amorphen Strukturen vor und werden als metallische Gläser bezeichnet.

Das Rätsel der „fließenden“ Kirchenfenster

Übrigens ist es nicht richtig, dass alte Kirchenfenster unten dicker als oben sind, ein oft angeführter Hinweis auf den flüssigen Charakter von Glas. Wie Nachforschungen ergaben, sind die kleinen Fensterteile tatsächlich auf einer Seite dicker, was wahrscheinlich mit dem damaligen Herstellungsprozess zusammenhängt. Allerdings sind die dicken Enden sowohl oben als auch unten eingebaut, was ein nachträgliches Fließen des Materials ausschließt. Genaue Untersuchungen zeigten außerdem, dass es auch eine nicht geringe Anzahl von Butzenscheiben gibt, die an anderen Stellen dicker sind. Die ungleiche Glasverteilung ist auf ihren speziellen Herstellungsprozess zurückzuführen. Sie wurden nämlich geschleudert wie Pizzateig und dann gezogen, wodurch sich eine charakteristische Wulst an der Außenseite bildete. Kaltes Glas fließt, aber nicht in den zeitlichen Dimensionen, die bei solchen Fenstern auftreten.

Neuere Forschungen

Amerikanischen Forschern des Argonne National Laboratory (ANL) ist es gelungen, erstmals ein Glas aus dichten, rein oktaedrischen Kristallen herzustellen und seine Struktur zu analysieren – etwas, nach dem die Chemiker seit Jahrzehnten suchten. Glas gilt als schwierig zu analysieren, da es eine ungeordnete Struktur und keine periodisch angeordneten Kristalle aufweist. Unter Druck verändert es zwar seine Struktur, diese springt jedoch elastisch wieder in seinen Ausgangszustand zurück, sobald der Druck nachlässt – und ist dann auch nicht mehr beobachtbar. Röntgen- und Neutronenstrahlen wurden eingesetzt, um diesen flüchtigen Kristallzustand einzufangen. Außerdem nutzten sie ein besonderes Glas, nämlich das weichere Germanium-Glas, das strukturell dem Siliziumglas analog ist, aber sich schon bei weitaus geringeren Drucken zur Oktaederform umwandelt. Germanium zeigt zudem im Neutronen- und Röntgendiffraktometer einen stärkeren Kontrast, und die Details seiner Struktur erscheinen daher deutlicher. Als eine ein Millimeter große Glasprobe mit dem rund 60.000 bis 100.000fachen des Luftdruck komprimiert wurde, entdeckten die Forscher einen bisher unbekannte Übergangszustand, bei dem sich fünf Sauerstoffatome um das Germaniumatom formieren, unmittelbar bevor sich die Oktaeder bildeten.

Weblinks


- [http://www.anl.gov/Media_Center/News/2004/IPNS041210.html ANL Pressemitteilung: Glass gives up secrets under pressure (englisch)] Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Glas

Glas

Unter Glas (von germanisch glasa „das Glänzende, Schimmernde“, auch für „Bernstein“) versteht man eine Schmelze, die ohne Kristallisation erstarrt ist, also einen amorphen Feststoff. Materialien, die man im Alltagsleben als Glas bezeichnet (zum Beispiel Trink- und Fenstergläser, Fernsehscheiben und Glühlampen) sind nur ein Ausschnitt aus der Vielfalt der Gläser.

Eigenschaften

Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine amorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und entsprechend schnell abgekühlt werden. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum Glas zwar Kristallkeime bilden, für den Kristallisationsprozess jedoch nicht genügend Zeit verbleibt. Das erstarrende Glas ist schnell zu fest, um noch eine Kristallbildung zu erlauben. Die Transformationstemperatur, also jener Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600° C. Trotz des nicht definierten Schmelzpunkts ist Glas ein Festkörper. Auch wenn es sich unter langzeitiger Krafteinwirkung verformte, dürfte man es nicht als flüssig bezeichnen. Die langsame Verformung unter einer konstanten Kraft tritt auch in kristallinen Festkörpern auf und wird als Kriechen bezeichnet. Berichte von fließenden Kirchenfenstern lassen sich nicht bestätigen und die Idee des flüssigen Glases scheint auf eine Falschübersetzung zurückzugehen. [http://tafkac.org/science/glass.flow/origins_of_claim.html (en)] Kriechen] Kriechen] Kohlenwasserstoffverbindungen wie Plexiglas sind kein Glas, sondern ein Kunststoff. Kunststoffe besitzen organische Verbindungen, selbst Silikone sind mit organischen Resten abgesättigt und als mehr oder weniger ausdifferenzierte Ketten strukturiert. Die im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutungstragende Eigenschaft von Glas ist die 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 man durch Zugabe von speziellen Materialien zur Schmelze die Durchlässigkeit blockieren. Zum Beispiel kann man optisch klare Gläser für Infrarotes Licht undurchdringbar machen, die Wärmestrahlung ist blockiert. Die bekannteste Steuerung der Durchlässigkeit ist die Färbung. Es können die verschiedensten Farben 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. 2,5 g/cm³. Die mechanischen Eigenschaften variieren sehr stark. Die Zerbrechlichkeit von Glas ist sprichwörtlich. Die Bruchfestigkeit wird stark von der Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Glas ist weitgehend resistent gegen Chemikalien. Eine Ausnahme ist Flusssäure, sie löst das Siliziumdioxid und wandelt es zu Hexafluorokieselsäure. Im Allgemeinen hat Glas einen hohen elektrischen Widerstand.

Zusammensetzung

Glas kann viele Komponente haben. Diese werden nach ihrer Funktion in Netzwerkbildner, Netzwerkwandler und Zwischenoxyde (auch Stabilisatoren genannt) unterschieden. Netzwerkbildner bilden das (unregelmäßige) Grundgerüst, zu Ihnen zählen zum Beispiel SiO₂, B₂O₃, P₂O₅ sowie als nichtoxydische Verbindungen As₂S₃und BeF₂. Netzwerkwandler werden in das vom Netzwerkbildner gebildete Gerüst eingebaut. Hierzu gehören die Oxide der Alkalien wie Na₂O und K₂O. Zwischenoxyide wie Al₂O₃, MgO, PbO etc. können als Netzwerkbildner und -wandler fungieren. Allerdings sind sie nicht alleine zur Glasbildung fähig.

Einstellung der Glaseigenschaften

weitere Zuschlagstoffe sind u.a.:
- andere Flussmittel zur Verminderung des Schmelzpunkts
  - Zinkoxid
  - Thallium
- zur Veränderung des Brechungsindex
  - Bariumoxid
  - Blei (absorbiert auch Strahlung)
- Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert.
- Boroxid verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften.
- Aluminiumoxid erhöht die Bruchfestigkeit
- Trübungsmittel
  - Zinndioxid
  - Calciumphosphat
  - Fluorid für Opalglas
  - Zirkonoxid Nachstehend eine Tabelle mit den ungefähren Zusammensetzungen verschiedener Gläser. Die Prozentangaben sind in Gewichtsprozent.

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 verursacht sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man zur Beseitigung von Farbstichen die komplementäre Farbe. Entfärbemittel werden Glasmacherseifen genannt. Glasmacherseifen
- 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 Eisenoxid oder allein für die Grünfärbung verwendet. Chromoxid
- Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelb- oder Grünfärbung (so genanntes "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
- Manganoxid (Braunstein) als Glasmacherseife zur Entfernung des Grünstichs
- Selenoxid: 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 rubinrot, eine der teuersten Glasfärbungen.

Einteilung der Gläser

Königswasser Nach Art der Genese: Neben künstlichen finden sich auch natürliche Gläser: Obsidian ist vulkanischen Ursprungs, Tektide entstehen durch Meteoriteneinschlag, Fulgurite entstehen bei Blitzeinschlag und Maskelynit, das in Meteroriten gefunden wird und extraterristischen Ursprungs ist. Diese Gläser entstehen aus dem schmelzen von Sanden oder durch Schockwellen. Ein Kristallgitter kann hierduch seine Struktur verlieren und ein amorpher Körper werden. Dies ist diaplektisches Glas. Nach Art des Chemismus: Neben Kalk-Natron-Glas, das dem gewöhnlichen Gebrauchsglas entspricht, gibt es Quarzglas aus reinem SiO₂, Bleiglas für z. B. feinen Kristallgläsern und Fernsehtrichter. Das Blei im Glas schirmt die elektromagnetische Strahlung ab. Wasserglas ist wasserlöslich. Borosilikatglas ist insbesondere chemisch resistent und wird bei Laborgeräten, Kochgeschirr aber auch optischen Gläser verwendet. Borphosphatglas (Bortrioxid, Phosphorpentoxid) und Alumosilikatgläser mit Al₂O₃ sind weitere Spezialgläser. Zu der Gruppe der nichtoxidischen Gläser gehören u. a. Fluoridgläser, z.B. ZrF₄ - BaF₂ - AlF₃ und Chalkogenidgläser mit z.B. AsTe₃ oder GeSe₂ in der Infrarotoptik. Als Sonderfall in dieser Einordnung muß man Glaskeramik begreifen. Es wird als Glas produziert, durch die Wärmenachbehandlung wird teilweise Rekristallisierung erzielt. So ist es strenggenommen kein Glas mehr, sondern ein Glas-Kritall Mischkörper. Glaskeramik besteht aus SiO₂, Al₂O₃ und Lithiumoxid. Nach der Grundform des Produkts und dem Produktionsverfahren: Die Glasindustrie wird gewöhnlich in Hohlglas-, Flachglas-, und Spezialglasherstellung gegliedert. Hohlglas bezeichnet Flaschen und Konservengläser. Diese Massenprodukte werden maschinell geblasen. Höherwertige Produkte werden gepreßt. Hierzu gehören Glasbausteine und Trinkgläser. Für Glühbirnen ist ein besonderes Produktionsverfahren notwendig, ebenso für Rohrglas. Flachglas wird je nach Produktionsverfahren Floatglas oder Walzglas genannt. Das Grundprodukt ist ein Glasscheibe. Endprodukte sind z. B. Automobilglas, Spiegel, Temperglas, Verbundglas. Faserglas umfaßt Glasfaserkabel, Glaswolle und findet auch Anwendung bei glasfaserverstärkter Kunststoffen. Optische Gläser sind Linsen für Mikroskope und Ferngläser. Mundgeblasene Gläser existieren praktisch nur noch im Kunstgewerbe, sowie bei kostspielien Vasen und Weingläser. Nach ihren hergebrachten Handelsnamen: Antikglas, Diatretglas, Flintglas (Bleiglas als optisches Glas), Hyalithglas (opakes Glas, im 19 Jh. benutzt für Tafel- und Pharmaglas), Kronglas (optisches Glas), Kryolithglas (opakes, weißes Fluoridglas) Nach ihren Markennamen als Gattungsbegriff: Ceran (Glaskeramik für z. B. Kochfelder), Jenaer Glas (hitztefestes Borosilikatglas) beide von Schott und Pyrex (Borosilikatglas) von Corning im angelsächsischem Sprachraum ein Synonym zu Jenaer Glas. siehe auch Liste_der_Gläser

Produktionsprozess

Gemenge

Liste_der_Gläser Für die Herstellung von Kalk-Natron-Glas, das ca. 90% der produzierten Glasmenge ausmacht, werden folgende Rohstoffe eingesetzt: Quarzsand als fast reiner SiO2-Träger zur Netzwerkbildung. Wichtig ist, daß der Sand einen geringen (<0.05%) Anteil an Fe2O3 besitzt, da sonst bei Weißglas störende Grünfärbungen auftreten. Quarzsand Soda, Dolomit, Feldspat, Kalk (noch auszuführen) Altglas oder Eigenscherben aus dem Produktionsbruch werden ebenfalls dem Gemenge wiederaufgegeben. Altglas aus dem Glasrecycling allerdings nur in der Behälterglasindustrie, wo ihr Anteil bis über 90% betragen kann. Neben eingespartem Rohstoff macht sich dies im geringeren Energieverbrauch bemerkbar, da Scherben leichter schmelzen als das Gemenge.

Schmelze

Das Gemenge wird einer Glasschmelzwanne aufgegeben. Bei Temperaturen von ca. 1480 °C schmilzt es allmählich und wird durch Bewegungen im Glasbad homogenisiert. Bei kontinuierlich arbeitenden Öfen, die im industriellen Maßstab ausschließlich Verwendung finden, fließt das Glas weiter von der Schmelzwanne (mit Schmelz und Läuterbereich) über den Durchfluss (Hohlglas) bzw. die Einschnürung (Flachglas) in die Arbeitswanne. Bei geringeren Temperaturen beruhigt sich die Schmelze und fließt weiter zum Punkt der Glasentnahme. Bei der Produktion von Hohlglas sind dies die Speiser oder Feeder. Hier werden Tropfen in darunter stehende Glasmaschinen geleitet. Bei Flachglas fließt das Glas über die Lippe in das Floatbad.

Formgebung

Je nach Produkt wird Glas unterschiedlich geformt. Dabei unterscheidet man vor allem Gläser, die gepresst, geblasen, gedüst, gesponnen oder gewalzt werden.
- Hohlglas wird in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestellt. Hier dominiert die IS-Maschine, die im Blas-Blas-Verfahren arbeitet. Für höherwertige Tafelware kommen Press-Blas-Verfahren zum Einsatz, die Karusellförmig arbeiten.
- Glasfasern werden durch Spinnen im so genannten TEL-Verfahren produziert.
- Flachglas wird im Floatverfahren hergestellt oder gewalzt.
- Rohrglas

Kühlung

IS-Maschine

Veredelung


- durch chemische und physikalische Gasphasenabscheidung können feinste Metallbeschichtungen aufgebracht werden. Die meisten Fenster- und Autogläser werden mit für Infrarotlicht undurchlässigen Beschichtungen versehen. Die Wärmestrahlung wird hierdurch geblockt und Aufheizungen der Innenräume durch Sonneneinstrahlung gemindert, gleichzeitig die Wärmeverluste im Winter reduziert, ohne dabei die Durchsichtigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
- Eine andere Beschichtungstechnik verhindert die Verschmutzung und unterstützt die Selbstreinigung von Fensterglas. Eine äußere, hydrophile Beschichtung mit Titandioxyd verhindert die Tröpfchenbildung des Regenwassers, da es deren Oberflächenspannung herabsetzt. Regenwasser kann gleichmäßig an der Scheibe ablaufen und Schmutzpartikel mitziehen. Zusätzlich kann durch eine UV-Licht absorbierende Beschichtung die Entstehung aktiven Sauerstoffs ermöglicht werden, der organische Verbindungen zersetzt. [http://www.pilkington.com/resources/anwendungstext_msvarena.pdf Herstellerinformation (pdf)]
- Auch sind Verspiegelungen möglich
- Bei optischen Geräten werden reflektionsmindernde Schichten eingesetzt. Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit hergestellt werden können.
- Durch nachträgliches Sandstrahlen ein Milchglaseffekt zu erzielen, so dass das Glas nur noch durchscheinend aber nicht mehr durchsichtig ist
- Ein Farbauftrag ist im keramischen Siebdruck möglich.
- Durch exaktes Tempern eines auf Lithium-, Aluminium- und Siliciumoxid gefertigten Glases kann gezielt eine Rekristallisation herbeigeführt werden. Der Werkstoff ist nun kein Glas mehr, sondern eine Glaskeramik mit äußerst geringer Wärmedehnung. Diese findet Anwendung z. B. bei Kochfeldern und Spiegelteleskopen.

Geschichte der Glasherstellung

Frühzeit

Glaskeramik, Köln]] Natürlich vorkommendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung (Faustkeil) benutzt. das glass wurde zumindest zweimal erfunden einmal als silizium potasium gemenge wohl in mesapotamien wobei sand den silizium liferte und potasium aus pflanzenasche gewonnen wurde und ein zweites mal als silizium natron gemenge wohl in agypten wobei sand mit natron aus dem nord ägytischen natron see geschmolzen wurde. vor 1550 gab es zumindest in agypten kein glas.(a. kisa köln) Schon ab 1250 v. Chr. unterhielten die Ägypter u. a. in Quantir östlich des Nildeltas regelrechte Glasmanufakturen. Dort wurden Glasrohlinge in einem zweistufigen Prozess hergestellt. Ein Zwischenglas entstand, welches anschließend zertrümmert wurde. Aus den von Verunreinigungen des ersten Produktionsschrittes befreiten Scherben schmolzen die Ägypter Glasrohlinge von zehn Zentimeter Dicke, die durch Beimischung von Metalloxiden unterschiedlich eingefärbt werden konnten. Archäologische Funde deuten darauf hin, dass die einzelnen Produktionsstätten sich auf die Herstellung jeweils unterschiedlich eingefärbte Gläser spezialisiert hatten. So produzierten beispielsweise die Handwerker in Qintar hauptsächlich rotes Glas, welches sie durch Beimengung von Kupfer erhielten. Der Vertrieb der Rohlinge an weiterverarbeitende Glaswarenersteller oder Kunsthandwerker erfolgte über Händler. Laut der britischen Archäologin Caroline Jackson waren Glasgegenstände aufgrund des komplizierten Herstellungsverfahrens ein hohes Statussymbol, welches sich nur die ägyptische Elite leisten konnte. Aus der Bibliothek des assyrischen Königs Assurbanipal ist ein Glasrezept in Keilschrift überliefert, das um 650 v. Chr entstanden ist: 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen und 5 Teile Kreide. aus persien kommt im 4 jahrhundert v. Chr. erstmals klares farbloses glas. Die Römer stellten Diatretgläser her, meist glockenförmige, prunkvolle Trinkgefäße die bis heute wegen ihrer künstlerischen Qualität bewundert werden. Eines der berühmtesten römischen Gläser ist der im Besitz des Britischen Museums befindliche Lykurgosbecher[http://www.artfund.org/acq/artworkDetail4_5.asp?appref=3526] aus dem 4. Jahrhundert an dem eine dreidimensionale figurative Darstellung angebracht ist, die im Gegenlicht rot und im Auflicht opak-gelbgrün erscheint. Im ersten Jahrhundert v. Chr. wurde an der östlichen Mittelmeerküste die Glasmacherpfeie erfunden. Die ersten Pfeifen waren Tonröhren später benutzte man Metallrohre mit dehnen man grössere Gefässe herstellen konte. Durch die Glasbläserei wurde Glas zur Massenwahre im ganzen römischen Reich.

Mittelalter und Neuzeit

Britischen Museums Britischen Museums Um die Jahrtausendwende dominierte Venedig die Glasmarkt. Die Insel Murano war das Hauptzentrum der europäischen Glasindustrie. Venezianisches Glas war ein begehrtes Luxusgut. Kirchenglasfenster verbreiten sich in den Kathedralen. Entgegen der landläufigen Meinung gab es im Deutschland des Mittelalters nicht nur das „typische“ grüne Waldglas, sondern auch farblose Gläser, zum Teil allerdings mit leichtem Farbstich. Im 14. Jahrhundert erfanden italienische Glasmacher das Cristallo, ein farbloses Glas mit besonderem Glanz. In den Anfängen der Herstellung von durchsichtigem Glas wurde das Glas zu so genannten Butzenscheiben geschleudert. Zu Beginn hatten diese Scheiben etwa 10 bis 20 cm Durchmesser. Später wurden dazu gar 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 war und am äußeren Rand zunahm, wurden sie aus statischen Gründen mit dem schwereren Ende nach unten eingesetzt.
- 1688 Herstellen von grossen Glasspiegeln in Frankreich. Bernard Pierrot führte den Glasguß bei der Scheibenfertigung ein und bedeutete einen bedeutenden Produktivitätsfortschritt. Dies war die Keimzelle der Fa. Saint Gobain.
- 1764 Nutzung von Natriumsulfat zur Glasherstellung (Glaubersalz)
- 1764 Steinkohlenfeuerung in der Glashütte Minden / Westf.

Industriealisierung und Automatisierung

Wichtige Ereignisse in der Entwicklung der Glasindustrie

Allgemein


- 1856 Erster Glasofen mit Regenerativfeuerung durch Friedrich Siemens
- 1867 Kontinuierlicher Wannenofen von Friedrich Siemens
- 1882 Ernst Abbé gründet mit Otto Schott in Jena Glaswerke für optische Spezialgläser

Flachglas

Otto Schott Um 1900 entwickelte der Amerikaner John H. Lubbers ein Verfahren zur Zylinderfertigung. Diese konnten einen Durchmesser von 80 cm erreichen und waren bis zu 8 m (!) hoch. Der Zylinder wurde aufgeschnitten und geplättet. Das Verfahren war jedoch sehr umständlich, insbesondere das Umlegen der Zylinder in die Horizontale bereitete Schwierigkeiten. Eine weitreichendes Patent sollte 1904 von Emile Fourcault folgen. Das nach ihm benannte Fourcault-Verfahren zur Ziehglasherstellung. Das Glas wird im kontinuierlich entnommen. Eine Schamottedüse liegt in der flüssigen Schmelze. Mit dem Hochziehen durch einen Kühlkanal auf ca. 8m Höhe kann es oben zugeschnitten werden. Die Glasdicke ist durch die Ziehgeschwindigkeit einstellbar. Es kam ab 1913 zum Einsatz und bedeutete eine große Verbesserung. Ein darauf aufbauendes Verfahren ließ der Amerikaner Irving Wightman Colburn 1905 patentieren. Das Glasband wurde zur besseren Handhabe in einen horizontalen Kühlkanal umgeleitet. Mit einer eigenen Fabrik wurde bis 1912 versucht das Verfahren zu beherrschen, blieb aber letzlich erfolglos, so daß Insolvenz angemeldet wurde. Das Patent ging an die Toledo Glass Company. 1917 kam das nunmehr so genannte Libbeys-Owens-Verfahren zur industriellen Anwendung. Die Vorteile gegenüber dem Fourcault-Verfahren lagen in der einfacheren Kühlung. Hingegen konnte bei jenem mehere Ziehmaschienen an einer Glasschmelzwanne arbeiten. Da der Kühlofen in der Länge beliebig lang sein konnte, erreichte dieses Verfahren ungefähr die doppelte Produktionsgeschwindigkeit. In der Folgezeit existierten beide Verfahren parallel. 1928 verbesserte die Plate Glass Company die Vorteile der Verfahren von Fourcault und Colburn; sie erzielte mit dem Pittsburg-Verfahren dadurch eine deutliche Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit. 1919 gelang Max Bicheroux der entscheidende Schritt bei der Gussglasherstellung. Die flüssige Glasmasse wurde dabei zwischen gekühlten Walzen zu einem Glasband geformt, im noch erwärmten Zustand zu Tafeln geschnitten und in Öfen abgekühlt. Mit diesem Verfahren erreichte man die heute noch üblichen Scheibengrössen von 3 x 6 m 1923 Pilkington und Ford: kontinuierliches Walzglas für Automobilglas. 1902 Patent v. William E. Heal auf das Floatverfahren, das auf eine Idee von Henry Bessemer zurückgeht 1959 Die Fa. Pilkington bewältigt als erste die technischen Problem der Floatglasfertigung. Dieses Prinzip revolutionierte die Flachglasfertigung und wurde in den 1970er Jahren allgemeiner Standard.

Hohlglas

Im frühen 19. Jahrhundert Jahren wurden neue mechanische Hilfsmittel zum Blasen der Gläser benutzt. Es wurden Formen benutzt, die ein Relief als Negativ schon aufwiesen. Durch den Blasdruck wird das Glas in die Hohlräume gedrückt und das Werkstück bekommt seine Form. Allerdings ist die Lungenkraft des Glasmachers nicht ausreichend hoch für tiefere Reliefs, so daß mechanische Hilfsmittel eingeführt wurden: Durch Luftpumpen wird genügend Druck erzielt. [http://glas-forschung.info/pageone/pdf/tech_press.pdf pdf] Floatglasfertigung Die erste halbautomatische Flaschenblasmaschine vom Briten Alexander Mein 1859 entwickelt. Ein Meilenstein war die 1903 von Michael Josef Owens eingeführte Owens-Maschine als erste vollautomatische Glasmaschine überhaupt. In einem in der Schmelze eingetauchtem Rohr wird ein Vakuum erzeugt und so die problematische Tropfengröße exakt dosiert. Der Arm schwenkt zurück und drückt den Tropfen die Form. Mit der Umkehrung des Vakuums in Preßluft wird der Tropfen in die Metallform geblasen und das Werkstück erhielt seine entgültige Gestalt. Mit dieser Technik war es möglich zu dieser Zeit enormen Menge von 4 Flaschen pro Minute zu produzieren. Diese Technik nennt man Saug-Blas-Verfahren. [http://www.asme.org/history/brochures/h086.pdf pdf (en) ] Michael Josef Owens In der Folgezeit wurden verschiedene konkurrierende Modelle entwickelt. Firmen wie O'Neil, Miller and Lynch fertigten ebenfalls vollautomatische Maschinen. Auch wurden verschiedene Verbesserung der Tropfenentnahme realisiert. Die Neuerung war, daß der Glastropfen nicht mehr von oben aus der Schmelze entnommen wurde, sondern die Schmelze durch ein Öffnung im Feeder (Speiser) fließt. Ein Stopfen wird von oben rhythmisch auf- und abbewegt und bestimmt die Durchflußmenge. Unterhalb des Feeders wird von einer rotierenden Schere in das zähe Glas in gewünschter verschiedene Tropfen zerteilt. 1924 wird die IS-Maschine von den Namensgebern Ingle und Smith patentiert, die erste indistruelle Anwendung folgt wenige Jahre später. Diese Maschine, die die Vorteile des Tropfen-Verfahrens erst richtig nützt arbeitet nach dem Blas-Blas-Verfahren. Ein Tropfen wird in eine Metallform geleitet und vorgeblasen. Der vorgeformte Tropfen wird in eine zweite Form gewenkt, wo das Werkstück fertiggeblasen wird. Erste Anwendungen des neuen Verfahrens folgten wenige Jahre später. Die erste Maschine von 1927 hatte 4 Stationen: Ein Feeder beschickte eine Maschine und diese konnte parallel 4 Flaschen fertigen. [http://www.emhartglass.com/aboutus/history.asp (en)] Das Prinzip des Blas-Blas-Verfahrens ist auch heute noch in der Massenfabrikation gültig. Allerding fand über die Jahre eine stetige Entwicklung zu größeren, schnelleren und genaueren Maschinen statt. [http://www.anthro.utah.edu/IMACs/472-Bottles.pdf pdf (en)] siehe auch: Industrielle Revolution, Technischer Fortschritt, Technikgeschichte

Glaskunst und Kunsthandwerk

Technikgeschichte siehe auch: Glasmalerei, Tiffany-Glaskunst, Glas auf Mallorca, Glasreich, Glasschleiferei, Glasmacher, Glasbläser,

Siehe auch

Kategorie:Glas Glasindustrie, Glashütte,

Weblinks


- [http://www.schwabenglas.de/file/glasabc_a.htm Glaslexikon]
- [http://www.gra-pa.at/projects/NeueBaustoffe/02-kap00.html Glas als Baustoff]
- [http://www.infoline-glas.de Infoline-Glas am Bau] - Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc. ! Kategorie:Stoffgemisch ja:ガラス ms:Kaca simple:Glass th:กระจก

Flüssigkeit

Unter einer Flüssigkeit versteht man einen Stoff, welcher einer Formänderung so gut wie keinen, einer Volumenänderung hingegen einen recht großen Widerstand entgegensetzt. Flüssigkeiten sind also volumenbeständig und formunbeständig. Dieser Zustand wird flüssiger Aggregatzustand genannt. Der flüssige Zustand ist nicht allein stoffspezifisch, sondern hängt auch von äußeren Faktoren wie der Temperatur und dem Druck ab. Wechselt eine solche Flüssigkeit ihren Aggregatzustand, so spricht man von einer Phasenumwandlung, wobei der Begriff der Phase selbst einen Überbegriff zum Aggregatzustand darstellt. Mit den Gasen werden die Flüssigkeiten zu den Fluiden zusammengefasst.

Eigenschaften

Die temperaturabhängige Volumenausdehnung einer Flüssigkeit wird durch deren Volumenausdehnungskoeffizienten quantifiziert. Das Kompressionsmodul ist ein Maß für die adiabatische Volumenelastizität, das heißt für die „Zusammendrückbarkeit“ einer Flüssigkeit. Viele Eigenschaften von Flüssigkeiten lassen sich durch Molekulardynamik simulieren. In der Schwerelosigkeit beziehungsweise bei einer Abwesenheit äußerer Kräfte nehmen Flüssigkeiten aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine kugelförmige Gestalt an. Flüssigkeiten üben auf die Wand des Gefäßes in dem sie sich befinden einen hydrostatischen Druck aus, zum Beispiel den Wasserdruck. Ruhende Flüssigkeiten sind physikalisch hauptsächlich durch diesen Druck gekennzeichnet. Übt man von außen Druck auf Flüssigkeiten aus, so verteilt sich der Druck gleichmäßig in der ganzen Flüssigkeit. Je tiefer man einen Körper in eine Flüssigkeit taucht, desto größer wird der hydrostatische Druck auf den Körper. Dieser hängt allerdings nicht nur von der Tauchtiefe, sondern auch von der Dichte der Flüssigkeit ab. In strömenden Flüssigkeiten treten zusätzliche Größen auf, welche durch die Fluiddynamik beschrieben werden. Kategorie:Strömungslehre Kategorie:Thermodynamik Kategorie: Eigenschaft ja:液体 ko:액체 ms:Cecair simple:Liquid

Kristall

Ein Kristall ist ein anisotroper, homogener Körper, der aus einer dreidimensional und periodisch angeordneten Struktureinheit besteht. Man bezeichnet diese als Einheitszelle und dessen Anordnung als Kristallgitter. Festkörper ohne eine innere Ordnung wie Glase werden amorph genannt. Daneben gibt es noch Quasikristalle, die zwar wohlgeordnet sind, jedoch keine dreidimensionale Translationssymmetrie besitzen und aus mehreren unterschiedlichen Struktureinheiten aufgebaut sein können. Je nach Ausprägung unterscheidet man Kristalle in durch Grenzflächen geprägte Kristallite und unbeeinträchtigt ausgebildete Einkristalle. Anisotrope Flüssigkeiten, welche dadurch einige Charakteristika eines Kristalls aufweisen, bezeichnet man als Flüssigkristalle. Die Wissenschaft, welche die Eigenschaften und Formen von Kristallen erforscht, ist die Kristallographie.

Etymologie

Der Begriff Kristall stammt ursprünglich von dem griechischen Wort „krýstallos“ = Eis ab. Bei dem bereits im antiken Griechenland betriebenen Bergbau wurden wahrscheinlich Quarz-Kristalle entdeckt, die für nicht geschmolzenes Eis gehalten wurden. Daher stammt die Bezeichnung „Krystall“, die sich im Laufe der Zeit zu „Kristall“ gewandelt hat.

Klassifikation und Struktur

Alle möglichen Kristallgitter lassen sich im Rahmen der Gruppentheorie anhand ihrer Kristallklassen in 230 kristallographische Raumgruppen klassifizieren, welche ihrerseits auf den Punktgruppen und den Bravais-Gittern basieren (siehe auch Kristallsystem). Die Kristallstruktur ist jedoch nicht stoffspezifisch, das heißt eine Substanz bzw. ein Mineral kann je nach äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur etc.) unterschiedliche thermodynamisch stabile Raumgruppen besitzen, welche man als Modifikationen bezeichnet. Die Regelmäßigkeit im Inneren spiegelt sich mitunter auch in der makroskopischen Geometrie wieder. So sind zum Beispiel Eiskristalle sechseckig, während Kochsalzkristalle würfelförmig sind. Das äußere Aussehen eines Kristalls wird als Kristallhabitus oder Kristalltracht bezeichnet. Die Kristallflächen bzw. Gitterebenen werden durch Millersche Indizes beschrieben. Die Untersuchung von Kristallstrukturen ist Aufgabenfeld der Kristallstrukturanalyse.

Gitterfehler

Ein realer Kristall enthält Gitterfehler, das heißt die dreidimensional-periodische Anordnung der Atome ist gestört. Man unterscheidet Punktfehler, Linienfehler, Flächenfehler und Volumenfehler. Punktfehler sind die einzigen Gitterfehler, die auch im thermodynamischen Gleichgewicht vorkommen. Im Regelfall liegt ein kristalliner Festkörper als Polykristall und nicht als Monokristall vor, das heißt der Körper besteht aus vielen kleinen Kristallen (Kristalliten), die durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Liegen verschiedene Kristallarten nebeneinander vor, so spricht man von Phasengrenzen.

Kristallisation

Ein Kristall entsteht, wenn die Temperatur einer Schmelze langsam genug unter den Schmelzpunkt sinkt und daraufhin die thermische Bewegung der einzelnen Atome einen so geringen Wert annimmt, dass die gegenseitigen Bindungen durch thermische Schwingungen nicht mehr aufgebrochen werden und die Atome sich so zu einem einheitlichen Gitter vereinigen können, welches durch eine Fernordnung geprägt ist. Das einheitliche Gitter hat eine geringere freie Enthalpie als das amorphe Glas, welches lediglich über eine Nahordnung verfügt. Man bezeichnet diesen Vorgang als Kristallisation. Ausgangspunkt für die Kristallbildung ist ein Kristallisationskeim, der bei sinkender Temperatur wächst. Existieren viele solcher Kristallkeime oder setzt die Kristallisation an mehreren Stellen gleichzeitig ein, so entsteht ein Polykristall. Sinkt die Temperatur der Schmelze so schnell, dass sich die Atome nicht periodisch anordnen können, so entsteht ein Glas. In vielen Fällen kommt es im Zuge der Kristallisation zu einem verwachsen zweier Kristalle gleicher Struktur und Zusammensetzung, welche man in Folge als Kristallzwilling bezeichnet. Unter einer Umkristallisation versteht man die Änderung einer Kristallstruktur, bedingt durch die Änderung äußerer Faktoren wie den Druck- und Temperaturbedingungen. Hierbei wechselt der kristalline Feststoff bzw. das Mineral seine Modifikation. Die künstliche Herstellung von Kristallen bezeichnet man als Kristallzucht.

Eigenschaften

Kristalle haben eine höhere Dichte als ihre amorphen Gegenstücke. Nichtmetallische anorganische Kristalle sind härter, aber auch spröder. Alle Metalle erstarren im Regelfall kristallin. Das Verhalten von Licht in Kristallen wird durch die Kristalloptik beschrieben. Wichtige hiermit verbundene Eigenschaften und Phänomene sind die optische Aktivität, die Polarisation, die Doppelbrechung und der Pleochroismus. Periodische dielektrische Strukturen, so genannte photonische Kristalle, zeigen neuartige optische Eigenschaften.

Formen und Beispiele

photonische Kristalle Viele Schmucksteine sind besonders schöne und große Kristalle der verschiedenen Mineralien. Der Bergkristall ist eine farblose Variante des Quarz-Kristalls, die violette Variante ist der Amethyst. Der Diamant ist eine kristalline Form des Kohlenstoff und das härteste natürlich vorkommende Mineral. Auch Silizium kristallisiert im Diamantgitter. Es ist wohl zur Zeit der Stoff, der am häufigsten in großen Mengen einkristallin verwendet wird (Halbleitertechnik). Im Gegensatz dazu weist Galliumarsenid (GaAs) die so genannte Zinkblende-Struktur auf.

Literatur


- Ashcroft, Neil W. (2001): Festkörperphysik. München, Wien: Oldenbourg. ISBN 3486248340
- Walter Borchardt-Ott (2002): Kristallographie. Springer. ISBN 3540439641
- Charles Kittel (2002): Einführung in die Festkörperphysik. Oldenbourg. ISBN 3486272195
- Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm (1998): Einführung in die Kristallographie. Oldenbourg. ISBN 3486273191
- Konrad Kopitzki, Peter Herzog (1989): Einführung in die Festkörperphysik. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart. ISBN 3519330830
- Ulrich Müller (2004): Anorganische Strukturchemie. Teubner. ISBN 3519335123
- Lesley Smart, Elaine Moore (1997): Einführung in die Festkörperchemie. Springer. ISBN 3540670661

Weblinks


- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Kristall Mineralienatlas - Kristall]
- [http://www.mineralien-basel.ch Alpine Mineralien - Kristall]
- [http://www.meinemineraliensammlung.de/victor/goldschmidt/ Atlas der Krystallformen von Victor M. Goldschmidt] Kategorie:Kristallographie Kategorie:Mineralogie Kategorie:Festkörperphysik ja:結晶

Phase (Thermodynamik)

In der Physikalischen Chemie, Thermodynamik und Materialwissenschaft bezeichnet man mit Phase die Eigenschaft der Materie, in einem größeren Volumen auf einen physikalischen oder chemischen Aspekt hin homogen zu sein. Gekennzeichnet sind Phasen immer durch einen Ordnungsparameter, der in diesem Gebiet einen innerhalb einer Größenordnung konstanten Wert besitzt. Zu diesen Eigenschaften der Materie gehören insbesondere die Dichte, die chemische Zusammensetzung und die Ordnung. Wichtige Phasen sind die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig, die sich in der Dichte und Ordnung unterscheiden.

Homogenität

Viele Stoffe scheinen auf den ersten Blick eine Phase zu sein, sind aber bei genauerer Betrachtung heterogen zusammengesetzt und bestehen aus mehreren Phasen.
: Ein Beispiel dafür ist Milch, die hauptsächlich aus einer Emulsion kleiner Fett-Tröpfchen in Wasser besteht. Sie stellt also ein zweiphasiges System mit einer Wasser- und einer Fettphase dar. Wenn zwei oder mehr Phasen nebeneinander vorliegen, bilden sich Phasengrenzflächen, an denen sich die Eigenschaften und damit der Ordnungsparameter abrupt ändern. Die Phasengrenzflächen zwischen unterschiedlichen Phasen sind ein spannendes Forschungsgebiet, da hier zum Beispiel chemische Reaktionen ablaufen können oder sich die Eigenschaften des Stoffes im Vergleich zum Inneren der Phase verändern.

Verhalten

Eine gegebene Phase ist nicht unter allen Bedingungen stabil, sie kann sich zum Beispiel in eine andere Phase umwandeln. Beispiele für solche Phasenübergänge sind zum Beispiel das Schmelzen oder Verdampfen, die durch Temperaturerhöhung ausgelöst werden.
Eine weitere Möglichkeit ist zum Beispiel der Zerfall einer Phase in mehrere Phasen, eine Entmischung. Ein Beispiel dafür ist saure Milch: die frühere Phase Milch ist nun zerfallen in die Phase "wässrige Flüssigkeit" und die Phase "weißer Niederschlag", ausgelöst durch den sinkenden pH-Wert. Unter manchen Bedingungen können mehrere Phasen gleichzeitig stabil sein, beispielsweise existieren bei 0 °C Wasser und Eis gleichzeitig, entlang der Dampfdruckkurve koexistieren Wasser und Dampf. Es können sogar mehr als zwei Phasen miteinander koexistieren, der Tripelpunkt ist ein Beispiel. Allgemein läßt sich mit der Gibbsschen Phasenregel die maximal mögliche Anzahl der koexistierenden Phasen berechnen. Um die gesamten möglichen Phasen eines Systems übersichtlich darzustellen, werden sie in ein Phasendiagramm eingetragen. Ein Beispiel-Phasendiagramm ist das Phasendiagramm von Wasser.

Schwierigkeit des Homogenitäts-Begriffs

Homogenität ist hier ein schwierig zu fassender Begriff: je nachdem, wie genau man den Stoff betrachtet, kann er als einphasig oder mehrphasig betrachtet werden. Dabei ist die betrachtete Längenskala relevant, wie in den folgenden beiden Beispielen gezeigt wird:
: Granit besteht eindeutig aus mehreren Bestandteilen, was schon mit bloßem Auge zu sehen ist. Für eine Betrachtung des gesamten Erdmantels hingegen erscheinen die Unregelmäßigkeiten als so klein, dass der Granit als einzelne Phase angesehen werden kann.
: Mizellen sind zwar extrem winzig, sie bestehen nur aus wenigen Molekülen, aber dennoch können sie als kondensierte Phase zu den Einzelmolekülen aufgefasst werden. In gewissem Umfang dürfen auch Inhomogenitäten auftreten: So sind beispielsweise die minimalen Unterschiede in Gasen aufgrund der Gravitation (Konzentrationsgradient, Schweredruck) oder die leichte Änderung der Zusammensetzung von Kristallen an ihren Oberflächen möglich. Dabei ist die Einführung einer neuen Phase nicht gerechtfertigt, da die Eigenschaften sich nicht abrupt sondern kontinuierlich verändern und daher keine Grenzfläche existiert. Kategorie:Thermodynamik Siehe auch Phase (Schwingung)

Dynamische Differenzkalorimetrie

Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DDK) (engl.: Differential Scanning Calorimetry – DSC) ist ein