Glas

Die Glasfabrikation in grossem Stil setzte in Ägypten um 1370 v. Chr. ein. Hierbei wurde die Soda aus den Natronseen bei Alexandria in Tiegeln zusammen mit Quarzsand zu Glas verschmolzen. Alexandrien war im Altertum lange Zeit das Zentrum des mittelmeerländischen Glashandels. Auch die Sumerer im Bereich des heutigen Irak stellten schon um 4000-34000 v. Chr. glasierte Tonwaren und wahrscheinlich auch Gläser her.

Sichere Funde von Kobaltgläsern gehen hier auf das 17. Jahrh. v. Chr. zurück. In China wird in den Annalen der alten Han-Dynastie ein aus Übersee importierter Stoff namens liu-li erwähnt. Vermutlich handelt es sich hierbei um Glas, das von Alexandrien eingeführt wurde (siehe auch Han-Blau).

Von Ägypten kam die Kunst der Glasbereitung etwa um 800 v. Chr. zu den Phöneziern, von diesen zu den Griechen und Römern. Im Mittelalter waren besonders Byzanz und Venedig (13. Jahrh.) Zentren der Glaserkunst. In Deutschland erstanden in den böhmischen und bayrischen Wäldern schon im 10. Jahrh. n. Chr. viele Glashütten, in denen ein schwer schmelzbares, etwas grünliches Glas erschmolzen wurde. Später breitete sich die Glasschmelzkunst auch in den übrigen deutschen Mittelgebirgen (Schwarzwald, Thüringer Wald) aus. Viele Wald- und Ortsnamen erinnern noch heute an dieses alte Gewerbe, so z.B. Glaswald, Altglashütten, Glashalde, Glasendorf, Gläsendorf, Glasberg, Glashütte usw.
Diese alten Glaswerkstätten wurden hauptsächlich in waldreichen Gebirgsgegenden erstellt, weil man damals noch keine billigen Sodagewinnungsverfahren kannte und an Stelle der Soda die aus niedergebrannten Waldbäumen erhaltene Pottasche (K₂CO₃) zusammen mit Quarzsand und Kalk zu Glas schmolz. Da Holz nicht viel Pottasche liefert, blieb der Preis des Glases im Mittelalter ziemlich hoch. Man verwendete Glas damals fast nur in Kirchenfenstern, Schmuckgegenständen, Trinkgeräten oder Salben- bzw. Arzneiflaschen.

Im technischen Sinn versteht man unter Glas einen homogenen, nicht kristallisierten (amorphen), spröden Körper von hoher Durchsichtigkeit, geringer Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, grosser Widerstandsfähigkeit gegen Luft, Wasser und die meisten anderen Flüssigkeiten und guter Formbarkeit bei höheren Temperaturen. Die letztgenannte Eigenschaft ist durch ein allmähliches Erweichen beim Erhitzen (breites Schmelzintervall) und das Fehlen eines scharfen Schmelzpunktes bedingt.

In chemischer Hinsicht sind die Gläser auf feurig-flüssigem Wege entstandene und nachher abgekühlte Schmelzen aus Siliziumdioxid (SiO₂), Calciumoxid (CaO) und Natriumoxid (Na₂O). Spezialgläser können daneben auch grössere Mengen von Bortrioxid (B₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Bariumoxid (BaO), Kaliumoxid (K₂O), Bleioxid (PbO) oder auch geringere Beimengungen von färbenden Substanzen enthalten.

Im physik.-chem. Sinn hat man die Gläser lange Zeit einfach als unterkühlte Schmelze regellos durcheinandergemischt sind und die nur infolge ihrer sehr hohen Viskosität fest erscheinen. Spätere Untersuchungen haben jedoch dargetan, dass die Gläser nur innerhalb ihres "Erweichungsintervalls" als unterkühlte Flüssigkeit betrachtet werden dürfen. Innerhalb dieses Bereichs sind die Gläser plastisch bzw. zähflüssig. Bei weiterem Erhitzen gehen sie in echte, leichtbewegliche Flüssigkeiten über. Unterhalb des Erweichungsbereichs (unter dem "Transformationspunkt") sind die Gläser dagegen absolut starr, so dass sie beim Ritzen Sprünge geben und schwerlich mehr als Flüssigkeiten betrachtet werden können.

Das weitaus am häufigsten fabrizierte "Normalglas" hat etwa die Zusammensetzung Na₂O, CaO, 6SiO₂. Es besteht aus rund 73 Gew.-% SiO₂, 15% Na₂O und 12% CaO. Die gewöhnlichen Gebrauchsgläser wie z.B. Fenstergläser entsprechen ungefähr dieser Zusammensetzung. Eine einfache, genaue chemische Formel ist nur beim reinen Quarzglas anzugeben. Alle anderen Gläser sind erstarrte Schmelzen von sehr wechselnder Zusammensetzung, bei denen der hohe Schmelzpunkt des reinen Quarzes (etwa 1700°) durch Beifügung anderer Stoffe (Na₂O, K₂0, CaO, B₂O₃, PbO u. dgl.) so weit gesenkt wird (Schmelzpunktserniedrigung bei Gemengen), dass ein in der Gasflamme verformbares Material entsteht.

Als Rohmaterial für gewöhnliches Normalglas verwendet man vor allem möglichst reinen Quarzsand (Korngrösse 0,2 bis 0,5 mm, der Fe₂O₃-Gehalt soll unter 0,1% bleiben), ferner Soda und möglichst reinen, gemahlenen Kalkstein, Marmormehl oder Kalkmergel. Die Soda wird oft z. Tl. durch das billigere Glaubersalz ersetzt. In diesem Fall ist noch ein Zusatz von Kohle notwendig, der beim nachherigen Glasschmelzen das Glaubersalz reduziert n. d. Gl.: Na₂SO₄+SiO₂+C=Na₂SiO₃+SO₂+CO.

Dem feinkörnigen Gemisch von Quarzsand, Soda (bzw. Glaubersalz) und Kalk werden noch etwa 20-30% zerkleinerte Glasscherben beigemischt, um auch diese Abfälle von neuem in brauchbares Glas zu verwandeln. Man füllt das Gemenge nach gründlicher, maschineller Durchmischung in Häfen von 600-1200 kg Inhalt oder in grossen Wannen von 0,8-1,5 m Tiefe, 3-6 m Breite und einer Länge von bis zu 30 m (Inhalt bis zu 700 t). Die Häfen werden zu 2-20 Stück in einen gehizten Ofenraum gestellt, in den Wannenöfen erfolgt die Schmelzung des fortlaufend zugeführten Gemenges durch seitlich angebrachte Brenner. Die Temperaturkontrolle erfolgt durch Segerkegel oder durch Pyrometer, die in den Ofengang gesteckt werden. Die Häfen und die Wannensteine werden aus feuerfestem gebranntem Ton hergestellt. Sie müssen feuerbeständig bis etwa 1600-1800° sein; ausserdem dürfen sie mit dem Glas nicht reagieren und dieses in geschmolzenem Zustand auch nicht durchtreten lassen.

Die Beheizung der Glasschmelze erfolgt meist mit Generatorgas. In den Häfen erschmilzt man fast alle farbigen Gläser, ferner Hohlgläser (Kristallglas, chem. Gerätegläser, mediz. Amp., Einmachgläser, Trinkgläser, Glühlampenkolben, Thermometergläser), einen Teil des Pressglases, Trübgläser und optische Gläser. Im Wannenofen stellt man z.B. Tafelglas und Flaschenglas her. Schon bei einer Hitze von 600-800° beginnt das in den Häfen oder Wannen erwärmte Gemenge aus Quarzsand, Soda und Kalk (nebst Zuschlägen) oberflächlich zu verbacken (Sinterung) . Hierbei setzen sich Kalk und Soda mit dem Quarz zu Silikaten um; Gleichung: CaCO₃+SiO₂=CaSiO₃+CO₂
bzw. Na₂CO₃+SiO₂=Na₂SiO₃+CO₂.

Wenn diese wärmeverbrauchende Reaktion beendet ist, erhitzt man weiter auf 1300 bis 1600°, wobei eine dünnflüssige, gleichmässige Schmelze entsteht. Damit das Kohlendioxid völlig aus der Schmelze entweichen kann und gleichzeitig eine gründliche Durchmischung des Glases erfolgt, wird oft "gebülwert", d.h. man bewegt ein an einem eisernen Haken befestigtes Stück Holz, eine Kartoffel oder eine Rübe am Boden der Glasschmelze hin und her. Hierbei entwickeln sich viele Dampfblasen und Verbrennungsgase, die die notwendige Durchmischung des Schmelzflusses bewirken. Eine Glasschmelzung dauert 12-30 Stunden. Das geschmolzene Glas wird durch Blasen, Pressen, Walzen oder Ziehen weiterverarbeitet. Beim Glasblasen bringt man an das Ende einer Glasröhre etwas geschmolzenes Glas und bläst sodann in die senkrecht gehaltene Röhre oben hinein, wodurch das Glas zu einer Hohlform aufgeblasen wird.

Beim Pressen füllt man das geschmolzene Glas aus dem Hafen oder der Wanne in eine eiserne Form und drückt einen entsprechend geformten Presstempel hinein. Auf diese Weise erhält man z.B. die billigen Glasteller, Biergläser, Glasdachziegel und Konservengläser.

Ein Normalglas (mittleres Alkali-Kalkglas) hat etwa die Dichte 2,45, die Mohshärte 5-7, eine Zugfestigkeit von 7-9 kg/mm² und eine spez. Wärme von rund 0,2. Kocht man ein Pulver von diesem Glas für längere Zeit mit Wasser, dem einige Tropfen Phenolphthalein beigegeben sind, so tritt schliesslich eine Rötung auf, die beweist dass aus dem Glas spurenweise Alkalien in Lösung gingen. Die Wärmeleitfähigkeit des Glases ist etwa 100mal geringer als bei Eisen. Daher kann man Glasstücke bei Glasschmelzarbeiten im Laboratorium ruhig in der Hand halten. Normalglas erweicht schon oberhalb 600° allmählich. Es kann innerhalb der Erweichungszone bequem verformt werden. Normalglas wird von Flusssäure und starken Laugen angegriffen, Wasser löst Spuren von Glas auf. Natronlauge kann Glas besonders in den ersten 10 Stunden der Einwirkung erheblich auslaugen.

Durch mehr oder weniger weitgehende Änderungen in der obigen Zusammensetzung erhält man ausser den Normalgläsern noch Hunderte von "Spezialgläsern" mit jeweils neuartigen Eigenschaften. Durch Erhöhung des Quarzgehalts werden die Gläser schwerer schmelzbar und unempfindlicher gegen Säuren und Laugen. Bei Verstärkung der basischen Bestandteile (Kalk, Soda, Pottasche u. dgl.) sinkt der Schmelzpunkt. Gleichzeitig nimmt aber auch die Empfindlichkeit gegen Chemikalien zu. Beim schwerer schmelzbaren Kaliglas (Kali-Kalkglas, Böhmisches Kristallglas) ist das Na durch K ersetzt und der SiO₂-Gehalt erhöht. Thüringer Glas enthält Na₂O und K₂O neben SiO₂ und CaO. Aus ihm werden billigere chemische Geräte hergestellt. Im Jenaer Glas ist Na₂O und CaO grossenteils ersetzt durch B₂O₃, Al₂O₃ und BaO (Alumo-Boro-Silikatgläser). Dies bedingt eine beträchtliche Erhöhung der chemischen Widerstandsfähigkeit und eine Verminderung des Ausdehnungskoeffizienten. Bei den stark lichtbrechenden, schweren Bleigläsern (10120, 39002-39454, 57000-57700) wird statt Kalk Bleioxid verwendet. Wenn man zu dem Gemenge aus Quarzsand, Kalk und Soda noch Fluorverbindungen wie Flussspat, Kryolith oder Natriumsilikofluorid gibt, so scheiden sich bei der Erstarrung der Schmelze kleine Kriställchen von Natriumfluorid und Calciumfluorid aus, die diesem zu Zylindern, Kugeln, Glocken und Glühlampenkolben verarbeiteten Glas eine weissliche Trübung geben.

Elektrisches leitfähiges Glas erhält man nach Rosenthal durch Fritten einer niedrig schmelzenden Glasmasse, Vermahlen mit Graphit und Zusammenschmelzen bei 800-900°, oder durch Zusatz von Wismutoxid, Antimonoxid oder Bleioxid zur Glasschmelze und mehrstündige Reduktion im Wasserstoffstrom bei 250-400° oder durch Aufbringen von äusserst dünnen Metall- bzw. Metalloxidschichten.

Farbige Gläser entstehen bei geringen Zusätzen von Eisenoxiden (Flaschenglas), Kobaltoxid (blaues Kobaltglas), Kupferoxid (blaugrün, bei Reduktionsmittelzusatz Rotfärbung, Kupferrubinglas), Natriumselenit (rot bis orange), Chromoxid oder Kaliumbichromat (grün bis gelb), Uransalzen (gelbgrün), Goldchlorid (Rubinglas, durch kolloidales Gold rubinrot gefärbt), Mangandioxid (violett).

Quelle: "Chemie Lexikon" (vierte Auflage, 1958) von Dr. Hermann Rompp