- -
- 100%
- +
Borosilikatgläser enthalten einen niedrigeren Anteil an Alkalien (Na2O) und Erdalkalien (CaO, MgO) und dafür ca. 7 bis 15 Gewichts-% Boroxid (B2O3). Dadurch erhalten sie eine geringere thermische Ausdehnung und somit eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit gegenüber Kalk-Natronsilikatgläsern.
Tabelle 3:Zusammensetzung verschiedenster Glasarten in Gewichtsprozent [49]
1) Die Zusammensetzung von Floatglas (Kalk-Natronsilikatglas) kann von Hersteller zu Hersteller geringfügig schwanken in Abhängigkeit des verwendeten Sandes, der Scherbenzugabe und sonstiger Gemengeeinstellungen.
1.4Färben von Glas
Die häufigste Möglichkeit, Glas mit Farbe herzustellen, ist die Einfärbung der Glasschmelze mit verschiedensten organischen Zusätzen. Dazu werden meist Metalloxide verwendet, die schon in der Antike zur Glasfärbung herangezogen wurden. Die natürliche Eigenfarbe von Floatglas ist ein leichter Grünton, der vom Eisenoxidanteil im Quarzsand herrührt. Die in folgender Tabelle aufgeführten Zusätze werden verwendet, um die Farbe des Glases entsprechend zu verändern. Neben der Durchfärbung von Glas gibt es noch die Anlauffärbung, die jedoch bei Flachglas keine Rolle spielt, sondern nur bei Hohlgläsern zum Einsatz kommt.
Tabelle 4:Färbemittel für Glas [14], [49], [61]
Färbemittel Farbe des Glases Arsenik Früher zum Entfärben verwendet Cadmiumselenid Rot bis Dunkelrot Cadmiumselenid/Cadmiumtellurid Dunkelrot Cadmiumsulfid Gelb Cadmiumsulfid/Cadmium-Selenit Mischkristall Orange Cadmiumsulfid/Zinksulfid Mischkristalle Hellgelb Ceroxid Gelb bis Braun Chromoxid Grün, Grüngelb bis Rotgelb Chromoxid und Eisenoxid Grün Cobalt(II, III)-oxid Blau intensiv, in Boratgläsern rosa Wird auch für die Entfärbung verwendet Cobaltaluminat Blau (Thénards Blau) Cobaltoxid Blau intensiv Wird auch für die Entfärbung verwendet Cobaltoxid und Nickeloxid Schwarzes, ultraviolettdurchlässiges Glas bei Zugabe zu Phosphatgläsern Eisen(II)-oxid Blaugrün Eisen(III)-oxid Gelbbraun Eisen(II)- und Eisen(III)-oxid Grün Eisenoxid und Mangan(IV)-oxid (Braunstein) Gelb, Braun-Schwarz Europium Rosa intensiv Gold Rubinrot (wird dazu erst in Königswasser aufgelöst) Indiumoxid Gelb bis Bernsteinorange Kupfer(I)-oxid Rot = Kupferrubinglas Kupfer(II)-oxid Blau Mangan(IV)-oxid (Braunstein = Glasmacherseife) Violett, Braun, Entfernung des Grünstichs Manganoxid und Eisen(III)-oxid Gelbbraun, Braun bis Gelb Neodym Rosa bis Purpur, Lila Neodymoxid Purpur, Rot-Violett Nickeloxid Violett, Rötlich, Grau Wird heute auch für die Entfärbung verwendet Praseodym Schwach Grün Samarium Gelb Selenoxid Rosa (Rosalin), Rot (Selenrubin) Selenverbindungen Verwendung zum Entfärben Silber Gelb, Silbergelb bis Gelbbraun Titanoxid Violett, verstärkt die Färbung anderer Ionen Uranoxid 1) Feine Gelbfärbung, Lindgrün, Feine Grünfärbung mit grüner Fluoreszenz (UV-Licht) Vanadiumpentoxid Grün Wolframoxid Gelb Zinnoxid Weiß durchsichtig1) Uranoxid wird nicht mehr zur Glaseinfärbung verwendet, da radioaktiv strahlend.
1.5Glas in der Natur
Der Moldavit ist ein in der Natur vorkommendes Glas, somit ein natürliches Glas aus geschmolzenem Quarzsand, dessen grünliche Farbe vom Eisenoxid herrührt. Gläser aus vulkanischem Ursprung sind Bimsstein und Obsidian. Bei Blitzeinschlägen kann aufgrund der hohen Temperatur Fulgurit entstehen, durch Meteoriteneinschläge entstandene natürliche Gläser sind sogenannte Impaktgläser und Tektite. Bei Bergstürzen entstandene Gläser werden Köfelsit genannt. Selbst bei Atombombenexplosionen kann Glas entstehen, der Trinitit, allerdings kann man dabei nicht mehr von natürlichem Glas sprechen. Alle diese „natürlichen“ Gläser entstehen beim Schmelzen von Sand unter den verschiedensten Einflüssen der Natur.
1.6Weitere Glasarten
Es gibt inzwischen eine Vielzahl an weiteren Glasarten, die vor allem im technischen Bereich eingesetzt werden. Nachfolgend findet sich eine kleine Übersicht der häufiger eingesetzten Glasarten, die jedoch aufgrund der sehr schnell fortschreitenden Entwicklung keine Gewähr auf Vollständigkeit geben kann.
Tabelle 5:Diverse gebräuchliche Glasarten
Glasart Beschreibung Alkali-Blei-Silikatglas Hoher Bleianteil im Gegensatz zu Kalk-Natron-Silikatglas (> 10 % bis ca. 30 % PbO). Einsatz als Röntgenschutzglas, in Lampen, in Bildröhren. Alkali-Erdalkali-Silikatglas (Kalk-Natron-Silikatglas) Standardglas (Floatglas), Einsatz im Innenausbau, Hochbau, in Fahrzeugen und auch als Trinkgläser und Behälterglas (Hohlglas). Borosilikatglas Hoher Anteil an Borsäure (ca. 8 – 13 % B2O3). Erdalkalifreie Borosilikatgläser zeichnen sich durch hohe chemische Beständigkeit und sehr geringe Wärmeausdehnung aus. Sie werden universell in chemisch-technischen Apparaten, Laborgeräten, Rohrleitungen und auch für Hohlgläser eingesetzt. Erdalkalihaltige Borosilikatgläser sind etwas weicher und mit geringfügig höherer Wärmeausdehnung, zeichnen sich aber durch hohe chemische Resistenz aus. Erdalkali-Alumino-Silikatglas Hoher Anteil an Aluminiumoxid (ca. 15 – 26 %) und ohne Alkalioxid. Durch ihre hohe Transformations- und Erweichungstemperatur eignen sie sich besonders für Hochtemperatur-Thermometer, Displaygläser, Halogenlampen und Verbrennungsröhren.Teil 2Glas und die Glasoberfläche
2.1Technische Eigenschaften
Für Konstruktionen mit dem Werkstoff Glas und für die Weiterverarbeitung sind die mechanischen und thermischen Eigenschaften wichtig. Tabelle 6 gibt einen Überblick über die technischen Eigenschaften von Standardfloatglas und thermisch vorgespannten Gläsern (TVG und ESG).
Tabelle 6:Eigenschaften von Glas
EigenschaftMaßeinheitEigenschaft FloatglasEigenschaft TVGEigenschaft ESGSpezifische Dichte ρ (bei 18 °C)[g/cm³]2,52,52,5Poisson-Zahl μ (EN 572-1)0,20,20,2Biegefestigkeit f (Messwert)[N/mm²]ca. 100ca. 120ca. 150Druckfestigkeit[N/mm²]700 – 900700 – 900700 – 900Oberflächenspannung[N/mm²]045 ± 10≥ 90 – 100Elastizitätsmodul E (EN 572-1) Youngmodul[N/mm²]7,0 × 1047,0 × 1047,0 × 104Mechanische Festigkeit fg,k, Mindestwert[N/mm²]45 (EN 572)70 (EN 1863)120 (EN 12150-1)Zulässige Biegezugspannung[N/mm²]122950Globaler Sicherheitsbeiwert45/12=γ=3,7570/29=γ=2,4120/50=γ=2,4Ritzhärtenach Mohs5 – 65 – 65 – 6Härte (Knoop) HK0,1/20GPa666Linearer Längenausdehnungskoeffizient (20 bis +300 °C) α[K-1]9,0 × 10-69,0 × 10-69,0 × 10-6Wärmeleitfähigkeit λ[W/mK]1,01,01,0Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ[W/mK]0,80,80,8Spezifische Wärmekapazität c (EN 572-1)[J/(kg K)]0,72 × 1030,72 × 1030,72 × 103Emissivität ε (korrigiert, EN 572-1)0,8370,8370,837maximale Gebrauchstemperatur kurzzeitig[°C]120200250maximale Gebrauchstemperatur dauerhaft[°C]80120250(EN 12150-1)Temperaturwechselbeständigkeit[K]ca. 40*ca. 100ca. 150 – 200Brechungsindex N im sichtbaren Bereich (380-780 nm, EN 572-1)1,51,51,5Lichttransmissionsgrad τV für 4 mm Dicke (EN 572-1, EN 410)0,870,870,87Gesamtenergietransmissionsgrad g für 4 mm Dicke0,800,800,80Schallgeschwindigkeit[m/s]500050005000Oberflächenvorspannung[N/mm2]040-5590-105Bearbeitung nach Herstellung; SchneidfähigkeitjaneinneinSpontanbruch möglichneinneinjaBruchbildRadiale Anrisse vom Bruchzentrum aus mit BruchinselnRadiale Anrisse vom Bruchzentrum aus, wenig BruchinselnNetzartiges Bruchbild vom Bruchzentrum aus, kleinkrümelig* Allgemein anerkannter Wert in Abhängigkeit von Art und Aussehen der Kante und deren Bearbeitung.
2.2Lichttechnische Eigenschaften von Glas
Die lichttechnischen Eigenschaften von Glas sind hauptsächlich abhängig von Glasart, Glasdicke, Einfärbung oder Entfärbung. Die nachfolgenden Tabellen zeigen diese Abhängigkeiten auf. Leichte Unterschiede von Floatwanne zu Floatwanne sind dabei herstellerbedingt durchaus möglich, da vor allem der Eisenoxidanteil je nach verwendetem Sand etwas variiert. Diese Unterschiede sind bei nahezu allen Floatwannen jedoch relativ gering. In der nachfolgenden Tabelle 7 sind vier deutlich unterschiedliche Glasarten beispielhaft für 4 mm Glasdicke dargestellt. Mit zunehmender Glasdicke verändern sich natürlich diese Werte, wie in der darauffolgenden Tabelle 8 für Floatglas (Kalk-Natronsilikatglas) dargestellt.
Tabelle 7:Lichttechnische Werte für verschiedene Glasarten einer Glasdicke
Die technischen Werte wurden mit dem Rechenprogramm Calumen III (SGG) 2019 ermittelt.
Da die lichttechnischen Werte natürlich von der Glasdicke abhängig sind, nachfolgend eine Tabelle, die für die verschiedenen Glasdicken diese Werte angibt.
Tabelle 8:Lichttechnische Werte in Abhängigkeit der Glasdicke für Floatglas (Kalk-Natronsilikatglas, Planiclear SGG)
Die technischen Werte wurden mit dem Rechenprogramm Calumen III (SGG) 2019 ermittelt und können je nach Hersteller und Eigenfarbe des Floatglases geringfügig variieren.
2.3Viskosität von Glas
Die Viskosität, eine für jeden Stoff charakteristische Konstante, ist bei Glas wie bei vielen anderen Stoffen auch von der chemischen Zusammensetzung und insbesondere von der Temperatur abhängig. Mit zunehmender Erwärmung werden zähflüssige Stoffe meist dünnflüssiger und erhalten eine niedrigere Viskosität. Die Viskosität wird mit dem griechischen Buchstaben η bezeichnet und in Pa⋅s (Pascal-Sekunden) angegeben. Die nachfolgende Tabelle 9 zeigt die Viskosität von Glas bei verschiedenen Temperaturen und im Vergleich mit einigen anderen Stoffen.
Tabelle 9:Viskosität η verschiedener Stoffe
Stoff Temperatur Viskosität η [Pa s] Petroleum 20 °C 0,00065 Wasser 20 °C 0,001 Quecksilber 20 °C 0,00155 Farblack 20 °C ca. 0,1 Glycerin 20 °C 1,48 Speiseöl 20 °C 10 Honig 20 °C 103 = 1000 Glas 20 °C 1018 = 1.000.000.000.000.000.000 Glas unterer Kühlpunkt 1013,5 = 31.622.776.600.000 Glas oberer Kühlpunkt 1012 = 1.000.000.000.000 Glas Erweichungspunkt 106,6 = 3.981.072 Glas Einsinkpunkt 103 = 1000 Glas ca. 1.000 °C 1 – 102.3.1Brandverhalten
EN 572 Teil 9 sagt dazu unter 4.2.2.2: „Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas sind Produkte/Materialien, die nicht auf Brandverhalten geprüft werden müssen (z. B. Produkte/Materialien der Klasse A1* nach der Kommissionsentscheidung 96/603/EG im Zusammenhang mit der ergänzenden Entscheidung 2000/605/EG)“. Glas ist ein nicht brennbares Produkt/Material der Klasse A1.
2.4Oberflächenhärte
Die Härte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines anderen, härteren Körpers. Man unterscheidet die Eindruckhärte z. B. nach VICKERS oder KNOOP, die Abrieb- oder Schleifhärte, die Ritzhärte und die Vergleichshärte nach MOHS.
Die Härte des Glases ist für seine Verwendung nicht nur im Hochbau, Innenausbau und in der Automobilbranche sehr wichtig. Dabei ist unter Härte die Oberflächenhärte zu verstehen, also der Widerstand, der einem eindringenden Gegenstand (statischer Eindruck oder dynamischer Ritzversuch) oder dem Abrieb durch gleich harte oder härtere Materialien entgegengesetzt wird. Die Oberflächenhärte und damit die Abriebfestigkeit von Glas ist eine der positiven Eigenschaften, die sich beim Handling, aber vor allem bei der Säuberung der Gebrauchsgläser und -scheiben günstig bemerkbar macht. Da Glas in seiner Oberflächenhärte nach Mohs nur noch von sehr wenigen Materialien übertroffen wird, ist das Entstehen von Kratzern auf der Oberfläche bei richtigem Gebrauch absolut selten zu beobachten.
Die Oberflächenhärte von Glas liegt nach Mohs bei 5 bis 6, die Härte nach Knoop liegt nach EN 572-1 bei HK0,1/20 = 6 GPa. In Tabelle 10 sind die möglichen Mohs-Härtegrade von 1 bis 10 aufgeführt im Vergleich mit der Eindruckhärte nach Vickers. Die Mohs'sche Skala ist dabei so zu verstehen, dass die Materialien mit dem jeweils höheren Härtegrad alle Materialien mit einem niedrigeren Härtegrad ritzen können. Demnach kann Glas mit den Materialien Quarz, Topas, Korund und Diamant geritzt werden.
Zu den Glasarten mit großer Oberflächenhärte zählen reines Kieselglas, Borosilikatgläser und bariumoxidhaltige Gläser. Die Oxide CaO, ZnO, Al2O3 und Ba2O3 erhöhen die Härte des Glases.
Eine nicht unwesentliche Rolle spielen inzwischen Beschichtungen der Glasoberfläche zu physikalischen und optischen Zwecken. Die meisten im Hochbau eingesetzten Gläser weisen heute einseitige oder beidseitige Beschichtungen für den Schutz vor Sonneneinstrahlung, zur Wärmedämmung oder zur Schmutzabweisung auf. Diese Beschichtungen werden nach hardcoatings und softcoatings unterschieden. Softcoatings haben eine wesentlich weichere, empfindlichere Beschichtung und eignen sich deshalb nur zum Einsatz im SZR des Isolierglases. Hardcoatings können auch als Einfachverglasungen oder im Isolierglas mit Schicht auf Position 1 eingesetzt werden. Ihre Oberflächenhärte entspricht in etwa der von Glas, kann sogar geringfügig härter sein. Während bei Beschädigungen der normalen, unbeschichteten Glasoberfläche durch Kratzer diese nicht besonders stark sichtbar sind, werden Kratzer in stark reflektierenden Beschichtungen, wie es bei Sonnenschutzbeschichtungen der Fall ist, aber auch bei entspiegelten Oberflächen wesentlich deutlicher sichtbar, da sich an dieser Stelle das Reflektionsverhalten verändert. Deshalb werden auch kleinste Kratzer auf Sonnenschutz- oder Antireflexbeschichtungen wesentlich besser erkannt als auf normalen Glasoberflächen. Dies führt oft zu der falschen Meinung, dass hardcoating-Sonnenschutzbeschichtungen mit Schicht auf Position 1 anfälliger gegen mechanische Beschädigungen sind.
Die Oberflächenreflexion von normalem, unbeschichtetem Floatglas für Lichtstrahlung liegt bei 3,5 bis 4,0 % je Oberfläche. Damit ergibt sich eine Reflexion von 7 bis 8 % bei Floatglas, die bei entspiegelten Scheiben auf 0,5 bis 1 % je Oberfläche und somit auf ca. 1 bis 2 % reduziert wird.
Demgegenüber reflektieren Sonnenschutzbeschichtungen ca. 15 bis 60 % und Spionspiegel liegen bei einer Lichtreflexion von ca. 75 bis 95 %. Bei verletzter Beschichtung (z.B. durch Kratzer oder Scheuerstellen) werden die Werte an dieser Stelle gravierend verändert und damit sind die Verletzungen sehr deutlich erkennbar.
Mit steigender Temperatur nimmt die Härte von Glas allerdings ab, da durch den Temperaturanstieg die Bindefestigkeit und die Viskosität abnehmen. Solche Messungen wurden für Kieselglas und für Kalknatronglas von Westbrook [50] durchgeführt. Die Abnahme der Härte von -200°C bis +800°C ist allerdings keine lineare Abnahme. Unter den normalen Temperaturen von ca. -20 bis +50 °C findet allerdings keine deutlich messbare Abnahme der Härte statt. Dem gegenüber kann die Härte von Glas durch deutlich höheren SiO2-Gehalt gesteigert werden. Kieselglas weist hier den höchsten Wert auf. Auch Al2O3, CaO, MgO, ZnO und geringe Mengen B2O3 erhöhen die Härte, während Alkalioxide, PbO und größere Mengen B2O3 zu einer Verringerung führen.
Tabelle 10:Härtegrade nach Mohs
Härtegrad nach Mohs Material Härte nach Vickers (HV) [MPa] Ritzbarkeit 1 Talk, Kalk, Speckstein 30 mit Fingernagel ritzbar 2 Gips, Steinsalz 350 3 Kalkspat (Kalzit) 1.000 mit Taschenmesser ritzbar 4 Flussspat (Fluorit) 2.000 5 Apatit 5.400 5,3* Alkali-Kalk-Silikatglas Kalk-Natronsilikatglas 5.500 kann Glas ritzen 5,6* Borosilikatglas 6.500 6* Kieselglas 8.000 6 Feldspat (Orthoklas) 8.000 7 Quarz 12.000 7,5 Zirkon (ZrSiO2) 8 Topas 14.000 8,5 Chrysoberyll 9 Korund (Al2O3, Schmirgel) 20.000 10 Diamant 100.000Angaben aus Petzold [15], Ergänzungen des Autors und *-Berechnung
In den letzten Jahren ist der Einsatz von ESG (Einscheiben-Sicherheits-Glas) und TVG (Teilvorgespanntes Glas) stark gestiegen. Dabei wird normales Glas in ESG-Öfen auf den Transformationspunkt erwärmt und anschließend sehr schnell und stark abgekühlt, um die für ESG typische Verteilung von Zug- und Druckspannung zu erreichen. Bei TVG erfolgt die Abkühlung langsamer, die Spannungen im Glas sind demzufolge niedriger. Bei diesem Herstellungsprozess wird die Glaszusammensetzung nicht verändert. Deshalb kann durch dieses Verfahren der thermischen Vorspannung auch keine Veränderung der Oberflächenhärte erfolgen. Man kann davon ausgehen, dass alle heute im Hoch- und Innenausbau eingesetzten Gläser die gleiche Oberflächenhärte haben und keine signifikanten Unterschiede aufweisen, sofern die Zusammensetzung des Floatglases nicht verändert wurde.