Spaltung zu Wasserglas
Wasserglas;
Anmerkung: Die vierten
Valenzen des Si ragen jeweils nach oben oder unten aus der Zeichnungsebene heraus, da eine einfache und übersichtliche Darstellung nur zweidimensional möglich ist.
Wasserglas ist eine flüssige Substanz und hat deshalb nur wenig Ähnlichkeit mit festem Glas. Um wieder eine feste Substanz zu erhalten, aber auch zur Steuerung des Spaltungsprozesses, wird nun zusätzlich zu Sand und Soda die Substanz Kalk (Calciumkarbonat CaCO3) als Stabilisator beigemengt. Dadurch werden die gespaltenen Netzwerkverbindungen zwischen den Siliziummolekülen durch den Kalk wieder teilweise rückgängig gemacht. Nach der Erschmelzung dieser Substanzen in Abhängigkeit der Mengenzugabe des Kalkes entsteht wieder ein fester Stoff. Es handelt sich dabei um Kalk-Natronsilicatglas, das bei wesentlich niedrigeren Temperaturen ökonomischer hergestellt werden kann.
Kalk-Natronsilicatglas-Stabilisierungsprozess:
Kalk-Natronsilicatglas; Anmerkung: Die vierten Valenzen des Si ragen jeweils nach oben oder unten aus der Zeichnungsebene heraus, da eine einfache und übersichtliche Darstellung nur zweidimensional mög-lich ist.
Während des Erschmelzungsprozesses von Glas wandelt sich Natriumkarbonat in Natriumoxid und Calciumkarbonat in Calciumoxid um. Dadurch entsteht ein relativ hoher Anteil an Kohlen-dioxid (CO2), das als Gas freigesetzt wird. Im „Läuterungsprozess“ entweicht es aus der flüssigen Glasschmelze.
Zur Herstellung von Borosilicatglas wird anstelle des Sandes teilweise Natriumborat (Na2B2O4) als Netzwerkbildner verwendet. Bei Kalkkaliglas wird anstelle von Soda als Netzwerkwandler Kaliumkarbonat (K2CO3) oder auch das Doppelsalz Dolomit verwendet. Es können aber noch andere Stoffe als Netzwerkbildner fungieren, wie Bortrioxid oder nichtoxidische wie Arsensulfid.
Man kann bei Glas unterscheiden zwischen sogenannten „Hartgläsern“ wie Borosilicaten mit hohen Kühlpunkten, hoher Beständigkeit gegen chemische Angriffe, deutlich höherem Erweichungsverhalten und sehr hoher Temperaturwechselbeständigkeit und zwischen „Weichgläsern“ wie Kalk-Natronsilicatgläsern, Bleigläsern oder Nichtsilicatgläsern mit leichterer Erschmelzbarkeit und Formgebung, geringerer Temperaturwechselbeständigkeit und geringeren Herstellkosten. Diese Bezeichnungen haben allerdings nichts mit der eigentlichen Härte (Oberflächen-, Schleif-, Ritz-, Vickers- oder Mohshärte siehe Kapitel 2.3) von Glas zu tun.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Glas hauptsächlich aus einem Netzwerk von Siliziummolekülen, Natriumoxid und Calciumoxid besteht. Weitere Substanzen des Glasgemenges wie Nitrate, Sulfate oder organische Substrate dienen bei der Glasherstellung als Läuterungsmittel oder als Pigmente. Sie haben keinen entscheidenden Einfluss auf die Struktur des Glases.
1.2 Weitere Definitionen von Glas
Die American Society for Testing and Material (ASTM) definiert Glas gemäß seiner Struktur als ein anorganisches Schmelzprodukt, dessen Abkühlung sich ohne wesentliche Kristallisation vollzieht und das unterhalb des Transformationspunktes einen erstarrten Zustand einnimmt.
Bei normalen Temperaturen ist Glas eine feste Flüssigkeit mit extrem hoher Viskosität und somit ein Körper mit amorpher Struktur (nicht kristallin). Dieser glasig amorphe Zustand unterscheidet sich zum kristallinen Zustand dadurch, dass die Moleküle lediglich in einer Nahordnung gebunden sind. Es fehlt ein symmetrisches und periodisches Kristallgitter.
Für Ingenieurwissenschaftler ist Glas – einfach ausgedrückt – eine eingefrorene, unterkühlte Flüssigkeit.
Strukturmechanisch betrachtet ist Glas nichts anderes als eine thermodynamisch metastabile, eingefrorene Schmelze mit einer eingeprägten, inneren Energie.
Anders als zum Beispiel beim Bergkristall besitzt Glas unterhalb des Transformationspunktes keine Möglichkeit mehr, einen geordneten kristallinen Zustand einzunehmen. Aus den vorgenannten Definitionen erkennt man, dass die Substanzen des flüssigen Glases beim Abkühlprozess bereits ab 600 °C einen erstarrten, d. h. unbeweglicheren Zustand einnehmen. Somit verharrt Glas also unter 600 °C im Aggregatzustand einer Flüssigkeit, die in diesem Ausnahmefall fest ist.
Die DIN EN 572-1 definiert Floatglas, das heute allgemein im Hochbau, Innenausbau und Automobilbau eingesetzt wird, folgendermaßen: Planes, durchsichtiges, klares oder gefärbtes Kalk-Natronsilicatglas mit parallelen und feuerpolierten Oberflächen, hergestellt durch kontinuier-liches Aufgießen und Fließen über ein Metallbad.
Einige Gemengesätze für Floatglas und für Spiegelglas zeigt die nachfolgende Tabelle 1. Daran sind die Veränderungen von der Spiegelglasproduktion aus Ziehwannen zur Floatglasproduktion erkennbar. Dieser angegebene Float-Gemengesatz variiert von Unternehmen zu Unternehmen (wie auch früher beim Spiegelglas) nach Art der verwendeten Rohstoffe. Zusätzlich werden je nach Anfall 25 % bis 60 % Scherben, vorwiegend aus der eigenen Produktion, zugesetzt. Das daraus erschmolzene Floatglas bzw. das seit den 80er Jahren bis heute verwendete Standardfloatglas hat die in Tabelle 2 angegebene Zusammensetzung (Gläser [4], Petzold [15], EN 571-1), die verfahrens- und rohstoffbedingt nur geringfügig schwankt.
Bei der Herstellung von eisenoxidarmen, „extraweißen“ Gläsern beträgt der Anteil von Eisenoxid nur noch ca. 0,005 % gegenüber ca. 0,05 bis 0,09 % bei Float- oder Spiegelglas.
Es ist auch möglich, Glas ohne Schmelzen im Sol-Gel-Prozess herzustellen, wie beispielsweise Silikat-Aerogele.
1.3 Zusammensetzung von Glas
Die verschiedenen Glasarten von reinem Quarzglas über Kalk-Natronsilicatglas, Borosilicatglas bis hin zu Bleikristallglas enthalten unterschiedlichste Zusammensetzungen wie die nachfolgenden Tabellen zeigen.
Tabelle 1: Typische Gemengesätze für Floatglas und Spiegelglas
Der Quarzsand dient als reiner SiO2-Träger zur Netzwerkbildung. Sein Anteil an Eisenoxid entscheidet über die Eigenfarbe des Glases, die leichte Grünfärbung. Die Korngröße des Sandes sollte möglichst zwischen 0,1 und 0,4 mm liegen. Flussmittel dienen dazu, den sehr hohen Schmelzpunkt des Quarzsandes von ≥1.700 °C zu reduzieren.
Soda oder Natriumkarbonat (Na2CO3) als Mineral Natrit dient als Netzwerkwandler und Natriumoxidträger und es sorgt als Flussmittel auch für einen niedrigeren Schmelzpunkt des SiO2. Dabei wird während des Schmelzvorganges CO2 als Gas frei, das aus der Schmelze entweichen muss, das Natrium geht während des Schmelzvorganges in das Glas ein.
Dolomit ist der Träger von CaO und MgO, dabei wirkt MgO ähnlich wie CaO, das bei mäßiger Zugabe von ca. 10 – 15 % die Härte und chemische Beständigkeit des Glases erhöht. Dolomit wird in Flachglas meist anstelle von Kalk eingesetzt, da in ihm CaCO3 und MgCO3 enthalten sind.
Kalk oder Calciumcarbonat (CaCO3) dient als Netzwerkwandler, in der Schmelze entsteht dadurch bei ca. 1000°C das Gas CO2, das aus der Schmelze entweicht und CaO, das in das Glas eingeht. Kalk kommt in der Natur als Kalkstein, Kalkspat, Kreide oder Marmor vor. Durch die Beimengung von Kalk wird die Härte und chemische Resistenz des Glases erhöht.
Feldspat (NaAlSi3O2) dient als Zuträger von Al2O3 (Tonerde) in das Gemenge, neben SiO2 und NaO2. Dadurch erhöht sich die chemische Beständigkeit gegenüber Wasser, Umwelteinflüssen und Nahrungsmitteln.
Sulfat in Form von Na2SO4