Glas

Begriff, Glaszustand und Bedeutung

Glas ist ein Sammelbegriff für amorphe Feststoffe. „Amorph“ bedeutet, dass ihre Atome oder Moleküle keine regelmäßige, weitreichende Kristallordnung bilden. Meist entsteht Glas, indem eine Schmelze unterkühlt wird und im Bereich der Glasübergangstemperatur erstarrt, ohne zu kristallisieren. Die ungeordnete Struktur der Flüssigkeit bleibt dabei weitgehend erhalten. Glas ist isotrop: Seine Eigenschaften sind richtungsunabhängig. Es kann außerdem durch Sol-Gel-Prozesse oder Stoßwellen erzeugt werden.

Glas ist trotz seines ungeordneten Aufbaus ein Festkörper und keine extrem zähflüssige Flüssigkeit. Es fließt bei Raumtemperatur auch über Jahrhunderte nicht merklich. Verdickungen historischer Fensterscheiben stammen von früheren Herstellungsverfahren, nicht vom langsamen Herabfließen. Der Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff liegt bei vielen Glasarten um 600 °C. Glas gilt als nichtergodisch, weil sich seine Struktur nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befindet.

Im Alltag meint Glas meist transparente Silikatgläser aus Siliciumdioxid (SiO₂), etwa Fenster- und Trinkglas. Der physikalische Glasbegriff umfasst aber auch organische Gläser wie amorphe Kunststoffe und metallische Gläser. Natürliches Glas wie Bernstein kann ebenfalls organisch sein. Licht kann Glas durchdringen, wenn es im betreffenden Wellenlängenbereich weder stark abgelenkt noch absorbiert wird. 2023 nahm die UNESCO die „Kenntnisse, Handwerk und Fähigkeiten der handgefertigten Glasproduktion“ mehrerer Staaten in die Repräsentative Liste des immateriellen Kulturerbes der Menschheit auf.

Arten, Aufbau und Eigenschaften

Gläser lassen sich nach Entstehung, chemischer Zusammensetzung, Produktform und Verwendung einteilen. Natürliche Gläser sind beispielsweise vulkanischer Obsidian und Bims, durch Meteoriteneinschläge entstandene Tektite, durch Blitze erzeugte Fulgurite sowie Trinitit aus einer Atombombenexplosion. Stoßwellen können Kristallgitter in amorphe, sogenannte diaplektische Gläser umwandeln. Künstliche Gläser entstehen meist durch Schmelzen, dünne Schichten und Aerogele auch durch Sol-Gel-Prozesse.

Die meisten hergestellten Gläser sind silikatische Kalk-Natron-Gläser. Ihr Netzwerk besteht hauptsächlich aus SiO₂. Reines SiO₂ heißt Quarzglas und besitzt hohe chemische und thermische Beständigkeit sowie eine geringe Wärmeausdehnung. Weitere Gruppen sind Borat- und Phosphatgläser sowie Halogenid- und Chalkogenidgläser. Letztere sind weit über den sichtbaren Bereich hinaus transparent und werden in der Infrarotoptik eingesetzt. Daneben gibt es organische und metallische Gläser. Nach der Zahl der Hauptbestandteile unterscheidet man Ein-, Zwei- und Dreikomponentengläser; Kalk-Natron-Glas ist ein Dreikomponentenglas.

Die Netzwerkhypothese von W. H. Zachariasen aus dem Jahr 1932, 1933 experimentell durch B. E. Warren bekräftigt, erklärt den Aufbau: In Silikatglas liegen wie in Quarz SiO₄-Tetraeder vor, jedoch als regelloses Netzwerk. Es gibt eine Nahordnung innerhalb der Tetraeder, aber keine kristalline Fernordnung. Netzwerkbildner wie SiO₂, B₂O₃ und P₂O₅ bilden das Gerüst. Netzwerkwandler wie Natrium-, Kalium- und Calciumoxid brechen Bindungen auf und verändern unter anderem Schmelzbarkeit und Eigenschaften. Zwischenoxide wie Aluminiumoxid können das Netzwerk je nach Zusammensetzung stabilisieren oder schwächen.

Beim Abkühlen steigt die Viskosität stark. Am Glasübergang ändern sich der Ausdehnungskoeffizient sprunghaft und die spezifische Wärme Cₚ nimmt ab. Der formbare, hochviskose Zustand im Transformationsbereich ermöglicht das Glasblasen.

Typische Werte für Kalk-Natron-Glas sind 2500 kg/m³ Dichte, 0,80 W/(K·m) Wärmeleitfähigkeit und 9,0·10⁻⁶ 1/K Wärmeausdehnung. Die Zugfestigkeit beträgt etwa 30 MPa, die Druckfestigkeit 900 MPa und der Elastizitätsmodul 70.000 MPa. Der Brechungsindex verschiedener Gläser liegt zwischen 1,47 und 1,95. Die Bruchfestigkeit hängt stark von der Oberflächenqualität ab. Glas ist gegen viele Chemikalien beständig; Flusssäure greift jedoch SiO₂ an. Langfristige Verwitterung kann feine Risse und trübe Glaskorrosion verursachen. Kalk-Natron-Glas ist bei Raumtemperatur ein elektrischer Isolator, dessen Widerstand mit steigender Temperatur stark sinkt.

Rohstoffe, Schmelzen und Formen

Kalk-Natron-Glas stellt rund 90 % der weltweiten Glasproduktion. Seine Grundbestandteile sind SiO₂, Na₂O und CaO. Quarzsand liefert mehr als 70 % der Gemengemasse und bildet das Netzwerk; sein Fe₂O₃-Anteil sollte für Weißglas unter 0,05 % liegen, damit kein störender Grünstich entsteht. Soda liefert Natriumoxid als Netzwerkwandler und Flussmittel und senkt den Schmelzpunkt. Kalk liefert Calciumoxid und erhöht bei 10–15 % Zugabe Härte und chemische Beständigkeit. Feldspat bringt unter anderem Aluminiumoxid ein, Dolomit Calcium- und Magnesiumoxid. Weitere Rohstoffe sind Pottasche und für Spezialgläser beispielsweise Borax oder Metalle der Seltenen Erden.

Altglas spart Rohstoffe und Energie, weil es leichter schmilzt. Glasflaschen bestehen im Mittel zu rund 60 % aus Altglas, grüne Flaschen aus bis zu 95 % und Glaswolle aus bis zu 80 %. Schlecht getrennte Metalle, Keramik, Spezialgläser oder Farben können jedoch Fehler, unerwünschte Färbungen und Schäden an der Schmelzwanne verursachen.

Die Glasschmelze umfasst drei Schritte: Rauschmelze und Homogenisierung, Läuterung zum Austreiben von Gasen sowie Abkühlung auf Formgebungstemperatur, das „Abstehen“. Industrielle Öfen arbeiten kontinuierlich und trennen diese Schritte räumlich. Bei etwa 1400 °C oder mehr schmilzt das auf der Schmelze schwimmende Gemenge. Konvektion verteilt Wärme und Bestandteile. Läutermittel bilden Gasblasen, in die gelöste Gase diffundieren; die Blasen steigen auf. Danach gelangt das Glas in die Arbeitswanne und zum Entnahmepunkt.

Die Formgebung erfolgt durch Pressen, Blasen, Saugen, Schleudern, Spinnen, Walzen oder Ziehen. Hohlglas wie Flaschen wird vor allem mit IS-Maschinen im Blas-Blas- oder Press-Blas-Verfahren hergestellt. Flachglas entsteht hauptsächlich im Floatverfahren, bei dem die Schmelze in ein Floatbad fließt. Rohrglas wird kontinuierlich gezogen; Glaswollefasern entstehen durch Schleudern durch ein Sieb. Die Industrie unterscheidet vor allem Hohl-, Flach- und Spezialglas. Anwendungen reichen von Behältern und Fenstern über Automobilglas und Spiegel bis zu Lichtwellenleitern, Glaswolle und optischen Bauteilen.

Kühlung, Veredelung und Kontrolle

Beim Formen entstehen durch Zwangsverformung und Temperaturunterschiede mechanische Spannungen. Sie lassen sich unter polarisiertem Licht durch Spannungsdoppelbrechung sichtbar machen. Beim Tempern wird Glas kontrolliert langsam abgekühlt, damit sich Spannungen abbauen. Die obere Kühltemperatur ist durch eine Viskosität von 10¹² Pa·s, die untere durch 10¹³,⁵ Pa·s definiert. Für viele Handelsgläser liegt der Kühlbereich zwischen 590 °C und 450 °C. Hohlglas benötigt meist 30 bis 100 Minuten; optische Linsen mit mindestens 1 m Durchmesser können ein Jahr langsame Abkühlung erfordern. Industriell dienen dazu kontinuierliche Kühlbahnen.

Beim thermischen Vorspannen, etwa für Einscheiben-Sicherheitsglas, wird Glas dagegen oberhalb der Transformationstemperatur rasch abgekühlt. Dadurch bleiben Zugspannungen im Inneren und Druckspannungen an der Oberfläche bestehen, was Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit erhöht.

Oberflächen lassen sich beschichten, abtragen oder chemisch verändern. Metallbeschichtungen können Infrarotstrahlung reflektieren und dadurch sommerliche Erwärmung sowie winterliche Wärmeverluste vermindern. Dielektrische Schichten ermöglichen Verspiegelung oder Entspiegelung. Sandstrahlen oder Flusssäure rauen Glas milchig auf; Säurepolieren entfernt geschädigte Oberflächenschichten und kann die Festigkeit erhöhen. Entalkalisierung verbessert die chemische Beständigkeit. Bei Flaschen verringern Heiß- und Kaltendvergütungen den Reibungskoeffizienten und damit Kratzer.

Zur Qualitätskontrolle gehören optische Online-Prüfungen auf Maße, Risse, Rückstände und Verunreinigungen, chemische Analysen mittels ICP-OES, Untersuchungen des Fe²⁺-Gehalts und Redoxzustands, tägliche Spannungsprüfungen sowie bei Bedarf Bruchanalysen mit REM-EDX.

Farbe und gezielte Eigenschaftsänderung

Glas wird durch drei Hauptmechanismen gefärbt: Ionenfärbung, kolloidale Färbung und Anlauffärbung. Bei der Ionenfärbung absorbieren Metallionen bestimmte Wellenlängen; das verbleibende Licht erscheint farbig. Die Wirkung hängt von Ion, Konzentration, Koordination und Glasstruktur ab. Cobalt(II)-oxid erzeugt beispielsweise in Silikat- und Phosphatglas unterschiedliche Blautöne.

Bei der Anlauffärbung entsteht zunächst farbloses Glas. Eine spätere Wärmebehandlung lässt mikroskopische Chalkogenidkristalle, häufig aus Cadmiumsulfid oder Cadmiumselenid, wachsen und verschiebt die UV-Kante in den sichtbaren Bereich. Solche Gläser dienen wegen ihrer scharfen Farbkante als Filter. Bei kolloidaler Färbung scheiden sich nach einer Wärmebehandlung Metalltröpfchen aus. Ihre Absorption und Rayleigh-Streuung erzeugen die Farbe; Größe und Verteilung der Kolloide bestimmen die Wirkung.

Wichtige Färbemittel sind Eisenoxide für grün-blaugrüne, gelbe oder unter passenden Bedingungen braun-schwarze Töne, Kupferoxide für Blau oder Rot, Chrom(III)-oxid für Grün, Selenoxid für Rosa und Rot sowie Gold für Rubinrot. Mangan(IV)-oxid, die „Glasmacherseife“, kann den Grünstich durch Absorption der Komplementärfarbe ausgleichen. Uranoxid lieferte gelbe oder grüne, unter UV-Licht fluoreszierende Jugendstilgläser, wird heute wegen seiner Radioaktivität aber nicht mehr verwendet.

Entfärbung erfolgt chemisch durch Änderung der Zusammensetzung oder des Redoxzustands sowie durch Zersetzung färbender Chalkogenide mit Oxidationsmitteln. Bei der physikalischen Entfärbung wird eine kleine Menge der Komplementärfarbe zugesetzt. Das Glas wirkt dadurch farblos, bei stärkerer Zugabe aber dunkler. Phototrope Gläser verändern ihre Färbung mit der Beleuchtung und werden etwa für selbsttönende Brillengläser verwendet; Elektrotropie erzeugt einen ähnlichen Effekt durch ein elektrisches Feld, beispielsweise bei verdunkelbaren Windschutzscheiben.

Zusammensetzung und Eigenschaften können mit empirischen Regressionsmodellen optimiert werden. Ein Modell zweiter Ordnung lautet: Glaseigenschaft = b₀ + ∑ᵢ₌₁ⁿ(bᵢCᵢ + ∑ₖ₌ᵢⁿ bᵢₖCᵢCₖ). C bezeichnet Konzentrationen der Komponenten, b die Modellkoeffizienten und n ihre Anzahl. Mehrere Eigenschaften und Produktionskosten lassen sich gleichzeitig mit der Methode der kleinsten Quadrate gewichtet optimieren.

Verwendung und Glaskunst

Glas wird unter anderem im Bauwesen, in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, im Fahrzeugbau, in Elektronik, Haushalt, Gastronomie, Medizin, Forschung, Chemie, Pharmazie, Kosmetik, Möbel-, Kunststoff- und Textilindustrie eingesetzt. Optische Gläser wie Quarz-, Kron-, Flint- und Borosilikatglas dienen Linsen, Prismen und Spiegeln. Zerodur besitzt einen äußerst geringen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 0,1·10⁻⁶ 1/K und eignet sich als Spiegelträger großer Teleskope.

Das ägyptische Glashandwerk ist seit Beginn der 18. Dynastie belegt. Anfangs entstanden Perlen, Amulette und Einlagen, später kerngeformte Gefäße. Türkise und dunkelblaue Gläser ahmten Lapislazuli und Türkis nach; die stark gefärbten, undurchsichtigen Gefäße bewahrten Kosmetika wie Salben, Öle und Augenschminke auf. Im Römischen Reich wurde Glas im 1. Jahrhundert für breite Bevölkerungsschichten erschwinglich. Neben alltäglichen Gefäßen entstanden Mosaik-, Kamee-, Goldfolien- und Diatretgläser. Der Lykurgosbecher aus dem 4. Jahrhundert erscheint im Gegenlicht rot und im Auflicht opak-gelbgrün.

Venedig begründete ab der Mitte des 15. Jahrhunderts mit dem besonders reinen cristallo seinen internationalen Ruf. Später prägten Faden-, Netz- und Eisglas sowie aufwendige transparente Formen die Produktion. Im 18. Jahrhundert gewannen stärkerwandige böhmische und schlesische Schnittgläser an Bedeutung. Biedermeierglas erreichte in den 1830er Jahren seinen Höhepunkt; nach 1840 verdrängte farbiges Glas zunehmend farbloses. Um 1900 nutzte der Jugendstil geschwungene Linien, florale Ornamente, Asymmetrie und vielfältige Farbeffekte. Bedeutende Hersteller und Gestalter waren Émile Gallé, die Daum Frères, Joh. Loetz Witwe und Louis Comfort Tiffany.

Beim Fusing werden Glasstücke bei 780–900 °C verbunden. Varianten sind Relief, Vollverschmelzung und Pâte de verre, bei der Glaspaste in einer Form schmilzt. Ein Brennvorgang dauert je nach Größe etwa 18 bis 22 Stunden. Häufig wird zunächst eine flache Platte hergestellt und anschließend über oder in einer Form gebogen. Alle verbundenen Gläser müssen denselben Ausdehnungskoeffizienten besitzen; außerdem müssen Erhitzung und Abkühlung genau gesteuert werden, sonst entstehen Spannungen und das Werkstück kann reißen. Fusing wird für Schmuck, Gefäße, Kunstwerke und große architektonische Glaselemente eingesetzt.