Glas: Herstellung und alles was du darüber wissen solltest

Glas kennen wir alle und kommen auch fast täglich damit in Kontakt, egal ob es sich um ein Glas für Limonade oder das Fenster handelt, das man zum Lüften öffnet. Wir stellen dir die genialsten Glasprodukte vor und erklären dir auch, wie sie hergestellt werden. Wer besonders wissbegierig ist, kommt fachlich ebenfalls auf seine Kosten, da wir auch auf die Herstellung von Borosilikatglas eingehen werden. Die Tabellen und Texte konnten wir dank eines Experten erstellen.

Ich denke, dass für dich damit einiges besser verständlich und nachvollziehbarer wird. Die einzelnen Fachausdrücke sind verlinkt oder werden im weiteren Text erklärt. Nur ein kurzes Beispiel: Mit Floatglas (Flachglas) ist stark vereinfacht das Fensterglas gemeint. Es wird in riesigen Wannen, die von Zinn umgeben sind, produziert. Hier gelangst du zur Übersicht!

Glas: Die Herstellung und Vieles was du darüber wissen solltest

Glaserzeugnisse, die wir Dir auf WirHD.de vorstellen.

• Teekannen aus Glas
  • Schöne Kannen für Tee aus Glas für mehr Genuss beim für alle, die Tee mögen.
• Wasserkaraffen aus Glas
  • Nicht nur für Sommertage das passende Gefäß aus Glas für Dich.

Wie viele Arten von Glas gibt es und wo kommt welches Glas zum Einsatz?

Nun, wenn wir von der chemischen Zusammensetzung ausgehen, gibt es 3 Arten. Das ist zum einen das Glas aus Kalknatron. Die kennst du sicherlich von den Einweggläsern. Als Zweites haben wir dann das Kristallglas, aus dem zum Beispiel hochwertige Schalen, (Wein)Gläser oder auch Vasen gemacht werden.

Und das wohl wichtigste Glas ist das sogenannte Borosilikatglas. Es kommt fast überall zum Einsatz, sei es in der Küche oder im Labor. Diese 3 Arten zusammen haben einen Anteil von ca. 95 % am Gesamtglasmarkt. Oft ist für uns alles so normal und selbstverständlich, auch deshalb, weil man es nicht anders kennt.

Glas das Universalmaterial

Mit Glas kommt man im täglich mehrfach in Kontakt. Sei es als Glas zum Trinken am Morgen und das Einwegglas im Einkaufsmarkt mit dem größten Anteil. Wusstest du, dass das Display deines Smartphones daraus besteht? Selbst in der Küche trifft man auf verschiedene Sorten von Glas oder zumindest auf solche, die verschieden eingefärbt sind.

Die Farben, die am häufigsten verwendet werden, sind grün (Grünglas) und braun (Braunglas). Diese Begriffe kennst du bestimmt durch die Mülltrennung bei den Flaschencontainern. Es gibt außerdem noch viele weitere Farben und Tönungen, die aber eher selten sind.

Die Farbe wird durch Beigabe von verschiedenen Metalloxiden in der Herstellung ermöglicht. So wird durch Kobalt die Farbe Blau erzeugt. Für grün wird Chrom verwendet. Diese Färbung schützt den Inhalt vor der UV-Strahlung, aber auch im Allgemeinen einfach nur vor Licht. Gute Beispiele dafür sind Olivenöl oder auch Bier.

Warum solltest du Glaswaren per Hand säubern?

Bei der Reinigung solltest du lieber auf Handwäsche zurückgreifen. Das hat verschiedene Gründe. Zum einen sind selbst die für den Geschirrspüler geeigneten Borosilikatgläser meist nur für max. 300 Waschgänge ausgelegt. Durch die Chemikalien in den Tabs entstehen dann ganz langsam diese Trübungen, die auch du sicher kennst.

Zum anderen liegt es auch einfach an der Beschaffenheit vom Glas. So ist Kristallglas besonders empfindlich. Denke einfach mal nur dabei an hochwertige Weingläser und dann die normalen, einfachen Trinkgläser. So im direkten Vergleich ist die Wand doch schon sehr viel dünner und hält auch selten sehr hohe oder hohe Temperaturen wie ein Teeglas aus.

Wenn du Tipps zur Reinigung deiner Karaffe erhalten möchtest, dann schaue in meinen Beitrag über die Wasserkaraffen Reinigung.

Auch durch ihre Länge von 30 cm und mehr ist nicht immer sichergestellt, dass deine Wasserkaraffe sauber wird. Das ist besonders wichtig, wenn du dein Wasser mit Früchten oder Kräutern aromatisierst. Vielleicht interessiert dich dann auch unser Beitrag Wasserkaraffe dazu.

Ein kleiner Wissenshappen für zwischendurch!

Glas wird auch als „unterkühlte Flüssigkeit“ bezeichnet. Beim Abkühlen der Schmelze während der Formgebung und Kühlung hat es nicht genug Zeit, sich auf einen thermodynamisch stabilen Zustand einzustellen.

Wie kannst du die Arten von Glas auseinanderhalten?

Es gibt zum einen die wissenschaftliche Methode. Die erkläre ich dir weiter unten im Text.

Und jetzt eine einfache Variante, bei der du nur grob erkennen oder besser gesagt hören kannst, ob es sich um Kristall oder eine andere Sorte des Glases handelt.

Das klappt am einfachsten bei Gläsern. Dabei ist es egal, ob es ein Glas für Wasser oder Wein ist. Feuchte einen Finger an und streiche über den Rand des Glases. Dabei wird ein Ton erzeugt. Je höher der Klang ist, umso eher kannst du von einem Glas aus Kristall oder sogar Bleikristall aus gehen. Wenn es jedoch sehr dumpf klingt, so ist es sehr wahrscheinlich ein Glas aus Kalknatron.

Durch Kristall kannst du auch nicht verzerrungsfrei durchschauen.

Und dann gibt es da noch die Möglichkeit mit dem Gewicht. Das Kristallglas ist deutlich schwerer als andere Sorten. Dagegen ist Borosilikatglas sehr viel leichter als die meisten anderen Arten.

Welche Arten von Glas kommen im Haushalt zum Einsatz?

Hier stelle ich dir die wichtigsten Sorten vor, die sehr oft im Haushalt und damit vor allem in der Küche zum Einsatz kommen. Zu unseren Favoriten gehört das sehr hitzebeständige Borosilikatglas. Im weiteren Verlauf dieses Textes erfährst du dazu mehr.

Kalknatron Glas

Das sind die „Wald und Wiesen“ Gläser, die jeder benutzt. Meistens macht sich keiner Gedanken darüber, was sie von anderen Sorten unterscheidet. Sie werden als Einmachglas für Obst, Gemüse, Wurst und anderes genommen. Oder auch als einfache Trinkgläser.

Durch Zugabe von bestimmten Metallarten wird ein anderer Farbton erzeugt. So wird durch Zugabe von Kupfer Braunglas erzeugt. Das kennst du durch die allseits bekannten Apothekergläser, Flaschen für hochwertige Öle oder Bier. Wie du siehst, ist es ein günstiges und einfaches Glas. Leider hält es keine hohen Temperaturen aus. Das hast du vielleicht schon mal erlebt, wenn du unbeabsichtigt kochendes Wasser eingefüllt hast. Innerhalb weniger Sekunden zerspringt das Glas.

Der Grund dafür liegt in seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit. Dabei erwärmt sich die innere Glasschicht schneller als die Außenwand. Das wiederum ist auf seine Zusammensetzung zurückzuführen. Ein normales Kalknatron Glas besteht zu 71 bis 75 % aus Siliziumdioxid, das ist Quarzsand und zu 12 bis 16 % aus Natriumoxid, was ein sehr ätzender Stoff ist.

Weiterhin werden 10 bis 15 % Kalk verwendet. Das ist das, was den Wasserhahn zusetzt oder gar verstopfen kann.

Kristallglas

Für Kristallgläser gibt weltweit keine einheitlichen Vorschriften. Aber in Deutschland sorgt das etwas sperrige klingende „Kristallglaskennzeichnungsgesetz“ dafür, dass du keine Imitate oder Fälschungen offiziell im Handel kaufen kannst. Fast immer bekommst du auch ein Echtheitszertifikat dazu.

Für in der BRD hergestellten Gläser schreibt der Gesetzgeber dazu:

Kristallglas ist ein Glas, das entweder

• Bleioxid (PbO), Bariumoxid (BaO), Kaliumoxid (K2O) oder Zinkoxid (ZnO) allein oder zusammen in Höhe von mindestens 10 vom Hundert enthält,
• eine Dichte von mindestens 2,45 hat und dessen auf den Natrium-D-Strahl bezogene Brechungszahl mindestens 1,520 beträgt

oder  

• Bleioxid (PbO), Bariumoxid (BaO) oder Kaliumoxid (K2O) allein oder zusammen in Höhe von mindestens 10 vom Hundert enthält,
• eine Dichte von mindestens 2,40 und eine Oberflächenhärte nach Vickers von 550 +- 20 hat.

So, jetzt aber genug trockene Materie und „Fachchinesisch“ für die meisten. Es ging mir hier erst einmal drum, dass du dir ungefähr vorstellen kannst, was Kristallgläser oder Bleikristallgläser so besonders macht!

Da wäre zum einen die Optik. Durch den Metall-Anteil bricht sich das Licht besonders schön. In den verschiedenen Farben man nennt dies auch Dispersion.

Dann wäre zum anderen auch noch das Gewicht. Das unterscheidet sich deutlich vom einfachen Haushaltsglas. Weingläser wurden und werden gern aus dem Material gefertigt. Vielleicht kennst du den Begriff „Römer“ dafür. Sie gibt es in vielen Farben. Damit sind sie ein echter Hingucker auf deinem festlich gedeckten Tisch.

Gläser aus Kristall kannst du auch an dem hohen und lang anhaltenden Klang erkennen. Durch seine relativ weiche Oberfläche ist es ideal für Schleifarbeiten. Verschnörkelte Verzierungen sind oft zu sehen. Auch hier sind Gläser für Wein oder auch Whisky schon etwas Besonderes. Mit einer passenden Karaffe dazu sind sie ein optisches Highlight und haben hohen dekorativen Wert.

Borosilikatglas

Die Erfindung von Borosilikatglas durch Friedrich Otto Schott (1851 bis 1935) im Jahr 1887 war ein Meilenstein. Es erlaubte die Herstellung von Gläsern, die wechselnde Temperaturen aushalten können und zudem über eine gute chemische Beständigkeit verfügen. Das ist bei einfachen Gläsern nicht oder nur zum Teil vorhanden.

Aber es sind die verwendeten Materialien und der besondere Schmelzprozess, die Borosilikatglas teurer machen als andere Gläser (wie z. B. die aus Kalknatron).

Borosilikatglas gilt damit als das Universalglas schlechthin durch seine besonders gute Fähigkeit, Wärme zu leiten. In Fachkreisen ist es auch als „Boro 33“ bekannt. Borosilikatglas 33 ist ein Oberbegriff für Borosilikatgläser mit einem Ausdehnungskoeffizienten (1) von ca. 3,3E-6/K.  

Glas ist aus der Küche nicht mehr wegzudenken

Deshalb wird es für nahezu alle denkbaren Zwecke genommen. Im Haushalt kennst du es vielleicht als Teekanne, Backblech oder Auflaufform. Natürlich dürfen wir hier nicht die Wasserkaraffe vergessen. Zudem wird es auch als Fensterglas verwendet. Beim Glas-Keramik-Herd, den du umgangssprachlich auch als Ceran Herd kennst, besteht die oberste Schicht ebenfalls aus diesem Universalglas.

Auch durch seine hohe Beständigkeit gegenüber Säuren wird es auch sehr oft für Kolben, Reagenzgläser oder sogar technische Ausrüstungen und Geräte in Laboren genommen.

Aber auch für die Verpackung und Lagerung von radioaktiven Stoffen oder als zusätzliche Schutzschicht bei Spaceshuttles wird es verwendet. Somit ist es doch schon außergewöhnlich und etwas Besonderes.

Und das verdeutlicht, wie wichtig die Erfindung für unseren Lebensalltag mittlerweile geworden ist. Zudem erfolgte im Laufe der vielen Jahre eine stetige Weiterentwicklung und die Eigenschaften des Materials wurden immer weiter verbessert. Diese Erfindung war schon ein Meilenstein in der Geschichte, das kann man guten Gewissens sagen.

Geschirr und anderes aus Borosilikatglas

Geschirr und anderes Zubehör in der Küche aus dieser Glasart sind bekannt und auch weit verbreitet. Vielleicht hast du als ein typisches Beispiel schon eine Form für Aufläufe im Gebrauch?

Borosilikatglas ist dünn und haltbar, Mikrowellen- und spülmaschinenfest. Es wird ebenso für Messbecher verwendet. Diese sind mit Siebdruckmarkierungen versehen, die abgestufte Messungen ermöglichen.

Borosilikatglas wird zudem oft auch für hochwertige Gefäße für Getränke verwendet. Teekannen oder Karaffen aus diesem Material kennen viele. Dazu kannst du dir in unseren Beiträgen Wasserkaraffen – Teekannen Infos holen, die ich dir bereits oben verlinkt habe.

Technische Fakten zum Material

Borosilikatglas 33 ist ein Oberbegriff für Borosilikatgläser mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ca. 3,3E-6/K. Das ist die momentan bestmögliche Version. Ein Patent unter dem Titel „Borosilikatglas 33“ gibt es nicht. Dieses Glas wird aber immer mit dem Namen Otto Schott als Erfinder verbunden sein.

Glasforscher haben vor Jahrzehnten herausgefunden, dass bei Alkali-Borosilikatglas ein Minimum der thermischen Ausdehnung vorhanden ist. Bei vielen technischen Zusammensetzungen hat sich gezeigt, dass dieses in der Nähe von ca. 13 % B2O3 liegt, abhängig von den übrigen Bestandteilen und deren Prozentgehalt.

Damit gibt es ein Alleinstellungsmerkmal mit relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten (¹) bei einer gleichzeitig noch relativ guten Schmelzbarkeit – somit eine großartige Entdeckung.

Derartige Zusammensetzungen haben dazu eine sehr gute chemische Beständigkeit.

Nicht-Erdalkali-Borosilicatglas (Borosilikatglas 3.3)

Der Gehalt von B2O3 für Borosilikatglas beträgt typischerweise 12 bis 13 % und der Anteil von SiO2 über 80 %. Die hohe chemische Beständigkeit und geringe Wärmeausdehnung (3,3 × 10-  6 K – 1) als die niedrigste aller handelsüblichen Gläser für großtechnische Anwendungen, machen dieses Glas zu einem Multitalent.

Hochwertige Flachgläser aus Borosilikat werden in einer Vielzahl von Industriebereichen hauptsächlich für technische Anwendungen eingesetzt. Wenn entweder für eine

• Gute Wärmebeständigkeit,
• hervorragende chemische Beständigkeit oder
• hohe Lichtdurchlässigkeit in Kombination mit einer makellosen Oberflächenqualität erfordert, ist es optimal.

Weitere typische Gebiete für die verschiedenen Formen von Borosilikatglas sind Behälter und Röhren und sogar Rohrleitungen etc. speziell für die chemische Industrie.

Bestandteile von Borosilikatglas

Oft liegen derartige typische Anteile vor, so wie ich sie nachfolgend aufgeführt habe. Es gibt je nach Hersteller viele Möglichkeiten, wie sie verwendet werden. Diese Liste erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein.

Das könnte das Ergebnis einer „fiktiven chemischen Analyse“ sein:

Komponente/Oxid	Masse-% Beispiel und weiterer denkbarer Bereich	Quelle bzw. Rohstoff (Beispiel)
SiO2	80,4 (79….81,5)	Quarzsand
B2O3	12,8 ( 12,3…. 13,5)	Borax, Borsäure
Na2O	3,5 (3,2… 4,2)	Natriumoxid
K2O	0,5 (0…1	K2CO3
Al2O3	2,5 (2,2….3,0	Al(OH)3
CaO und MgO	0,1… 0,3	Verunreinigungen der Rohstoffe
Fe2O3	0,03….. 0,05	Verunreinigungen der Rohstoffe
GV (Glühverlust)	< 0,1

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Borosilikatglas ist dadurch gekennzeichnet, dass es

• In der ersten hydrolytischen Klasse nach DIN 12111 ist
• der ersten Säure klasse nach DIN 12116 und der zweiten Laugen klasse nach DIN 52322 angehört
• eine lineare Wärmeausdehnung zwischen 20 °C und 300 °C von 4,3 bis 5,0×10-6 K-1 hat
• eine Transformationstemperatur (²) von 535 bis 570 °C
• eine Verarbeitungstemperatur von 1140 bis 1220 °C und eine Röntgenabsorption bei 0,6 Å von <5,20 cm-1 besitzt
• aus Quarzsand (SiO₂),  Bortrioxid (B₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Natriumoxid (Na₂O), Calciumoxid (CaO),  Zirconiumoxid (ZrO₂), besteht, wobei Arsentrioxid (As₂O₃) und/oder (Antimon(III)-oxid) Sb₂O₃ und/oder (Natriumchlorid) NaCl als Läutermittel dienen.

So und jetzt das ganze nochmal übersetzt für nicht Akademiker

Borosilikatglas verändert kaum die Form bei 20° bis 300°c, je nach Zusammensetzung wird das Material bei 535°c bis 570°c gummiartig und ab 1140°c bis 1220°c zähflüssig bis flüssig. Zwischen den großen Temperaturunterschieden kann man den Aggregatzustand (ob es fest, gummiartig oder flüssig ist), nicht genau definieren da das Glas gleich zwei Zustände hat, wo man keine exakte Linie ziehen kann.

So ist das Material zwischen 570°c und 1140°c zwar schon formbar allerdings würde es bei einer schnellen Verformung zerspringen (wie Flummis, die man mit einem Hammer bearbeitet).

Ich habe ein bisschen hin und her überlegt und mich dann dazu entschlossen, dass ich so eine Art FAQ zu häufig gestellten Fragen mache.

Interessante Fragen und Infos zu Borosilikatglas und Glas im Allgemeinen

• Ist das Gewicht von Teekannen oder Teegläsern aus Borosilikatglas gegenüber anderen Glasarten unterschiedlich (schwerer oder leichter)?
• Gibt es Tipps oder Tricks, damit eine Teekanne aus Borosilikatglas eine besonders lange Nutzungsdauer haben kann?
• Was wären so die typischen Kosten für eine Charge, z. B. 100 Stück oder 1.000 Stück?

Glas-Fragen:

Ist das Gewicht von Teekannen oder Teegläsern aus Borosilikatglas gegenüber anderen Glasarten unterschiedlich (schwerer oder leichter)? 

• Die Dichte von Borosilikatglas 33 liegt bei ca.  2,25 – 2,40 g/cm**3,
• und die von einfachen Alkali-Erdalkali-Silikat-Gläsern bei ca. 2,5 – 2,6 g/cm3.
• Bei Bleisilikatgläsern liegt sie bei ca. 2,7 – 3,1 g/cm**3.

Richtig ist also, dass sich das Gewicht zum Teil unterscheidet. Borosilikatglas ist dabei ein Leichtgewicht.

Gibt es Tipps oder Tricks, damit eine Teekanne aus Borosilikatglas eine besonders lange Nutzungsdauer haben kann?

Kurz und knapp aufgelistet heißt das: Verwende auf keinen Fall Scheuermittel und aggressive Spülmittel zum Reinigen. Bei starker Verschmutzung solltest du es vorher einweichen. Stelle die Kanne nicht hart auf. Vermeide Stöße und setze den Rand nicht unnötig unter Spannung. Eine exakt nach den Regeln hergestellte Kanne aus Boro 33 sollte etwa 300 Gänge im Spüler aushalten, ohne offensichtlich „blind“ bzw. rauh zu werden. Darum prüfe vorher, ob der Hersteller „spülmaschinenfest“ oder nur „für den Geschirrspüler geeignet“ angibt. Aber: wer zählt schon die Waschgänge?

Fazit: Handwäsche und evtl. Einweichen ist schonender und in der Regel ausreichend.

Wenn du mehr wissen willst, dann lese bitte meinen Beitrag zur Reinigung einer Teekanne

Was wären so die typischen Kosten für eine Charge z. B. 100 Stück oder 1.000 Stück?

Dies muss der Händler beantworten, wenn es um Kleinmengen geht und das gewünschte Produkt schon mal produziert wurde. Ein ganz neues Produkt würde eine „normale“ Glasfabrik nur dann herstellen, wenn der Auftrag mindestens 50.000 Stück oder mehr umfassen würde.

Hohlglas wird z. B. mit einer Rotationsblasmaschine (¹⁴) im nachfolgenden RBM genannt oder einer Maschine speziell für Pressglas hergestellt. Dabei kann man annehmen, dass alle 2 – 3 Sekunden ein Erzeugnis kommt. Das bedeutet also z. B. 30 Stück pro Minute oder 1800 Teile pro Stunde usw.

Es geht auch schneller bei größeren Maschinen (RBM.) bei großen Erzeugnissen wird der Prozess langsamer laufen. Bei kleinen Produkten (z. B. Bechergläser für 100 ml oder kleiner) ist das dagegen 2 bis 3 Mal so schnell.

Wenn das gewünschte Produkt bereits hergestellt wurde, dann muss man es nur beim Händler bestellen. Wurde es noch nicht produziert, dann müsste man vorher alles dafür Notwendige wie etwa die Blasformen für die 12 oder mehr Stationen der RBM passend genau herstellen. Das allein kann 50.000 € oder mehr kosten.

Das sogenannte „Einfahren“ eines neuen Produkts mit Umrüstung der Formgebungswerkzeuge (ohne eine Änderung der Glaszusammensetzung) dauert 1 bis 2 Stunden, manchmal auch länger. Somit muss man damit rechnen, dass mindestens einige tausend Produkte in der Umstellphase Abfall sind.

Der Kostenfaktor

Sie verursachen also Kosten ohne Nutzen. Und das macht alles auch so teuer. Damit lohnen sich eigentlich nur hohe Stückzahlen. Denn nur dann kann der Verlust ausgeglichen werden.

Eine Bestellmenge von 10.000 Stück für ein neues Produkt ist somit für den Hersteller ein Verlustgeschäft. Er wird es nur annehmen, wenn er sich sehr sicher ist, dass ein weiterer Auftrag mit mindestens 10.000 Stück oder mehr nachkommt.

Die Glasproduktion läuft nur gewinnbringend, wenn man möglichst wochenlang das gleiche Produkt herstellen kann. Eine relativ „kleine“ Schmelzwanne liefert z. B. 20 Tonnen/Tag. Da kann man sich die Anzahl pro Tag gut ausrechnen, das sind mindestens 20.000 Stück oder mehr. Bei Getränkeflaschen u. ä. werden in großem Umfang IS-Maschinen verwendet, die (mit mehreren Stationen) z. B.  1 Mio. Stück pro Tag ausstoßen.

Man kann nicht ausschließen, dass es irgendwo auf der Welt uralte Anlagen gibt, wo auch Bestellungen von 10.000 Stück für ein neues Produkt angenommen werden. Dann kann es aber auch sein, dass die Beschäftigten unter prekären Bedingungen arbeiten.

Glasfragenkomplex Nr. 1

Warum haben nur teure Produkte eine Auskerbung an der Ausgießöffnung, d.h. Tülle oder Schnaupe?

• Ist das ein so großer Aufwand bei der Herstellung?

• Oder wird das bewusst so gemacht, dass man sich für ein teures Exemplar entscheiden muss, wenn man tropfenfrei ausgießen möchte?

Antworten zum Fragenkomplex Nr.1

Wenn man eine Auskerbung an der Ausgießöffnung anbringen will, dann braucht es eine weitere Verarbeitungsstation in der Produktionslinie, die genau das leistet. Das erhöht die Kosten. Diese zusätzliche Verarbeitungsstation muss exakt eingerichtet und eingestellt werden. Nur dann wird die Auskerbung auch genauso, damit der gewünschte Effekt eintritt. Ist das fehlerhaft, dann hat man einen Produktmangel erzeugt. Dieser verursacht weitere Kosten.

Fazit: Wer eine nützliche Auskerbung an der Ausgießöffnung haben will, der muss dafür bezahlen.

Glasfragenkomplex Nr. 2

• Kann man mit einfachen Mitteln herausfinden, um welche Glasart es sich handelt?
• Gibt es evtl. Geräte dafür, die man als Privatperson ohne hohe Kosten kaufen kann? Wenn ja, welche Tests kann man als Laie durchführen?
• Welche Expertentests gibt es?
• Muss man dazu das Glas zerstören?

Antworten zum Fragenkomplex Nr.2

Für dich als interessierte Privatperson sind die Prüfgeräte so teuer, dass du sicher darauf verzichtest. Genaueres dazu erfährst du jetzt:

Geräte für die chemische Analyse, z. B. eine Röntgenfluoreszenz Anlage (¹³) im nachfolgenden RFA genannt kosten zwischen 100 und 300 T€. Sie können die meisten Bestandteile analysieren. Beim Gehalt von Bor klappt das leider nur mäßig genau oder gar nicht.

Für Teilanalysen auf mehrere Elemente kann eine LIBS-Anlage (ungefähr: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) nützlich sein. Die ist je nach Ausrüstung ab ca. 50.000 € erhältlich. Einfache Geräte für jedermann gibt es also nicht. Bei Prüfung in der LIBS wird das Material nur minimal beschädigt. Für die RFA muss man (bei genauer Analyse) in der Regel erst eine Glastablette (gemäß Vorschrift) erstellen.

Glasfragenkomplex Nr. 3

• Ich habe öfters die Aussage gefunden, dass Borosilikatglas bis zu 4x härter wäre als Haushaltsglas. Welche Glasart als Haushaltsglas kann damit gemeint sein?
• Und ist Borosilikatglas stabiler als ein Displayglas für ein Smartphone?

Antworten zum Fragenkomplex Nr.3

„Haushaltsglas“ ist ein Sammelbegriff für alles Mögliche. Meist wird es verwendet für das sogenannte Hohlglas, wie Kaffeekrüge und Konservenglas. Hochwertige Kaffeekannen werden in der Regel aus Borosilikatglas 33 hergestellt.

Für Konservenglas und Getränkeflaschen wählt man überwiegend eine möglichst billig herzustellende Alkali-Kalk-Glas-Mischung. Die Temperaturwechselbeständigkeit (⁷) spielt bei diesen Produkten nur eine geringe Rolle.

Chemische Zusammensetzung für Alkali-Kalk-Glas, angegeben als Bereich:

---

Komponente/Oxid	Masse-% Beispiel denkbarer Bereich	Quelle bzw. Rohstoff (Beispiel)
SiO2	65…75	Quarzsand
Al2O3	0,3…3	Al(OH)3
CaO und MgO	8…14	Kalk und Magnesium
Na2O + K2O	13…18

Der Ausdehnungskoeffizient ist hier 2 bis 3 Mal so groß wie bei Borosilikatglas 33. Die chemische Beständigkeit zudem auch erheblich schlechter.

Die Härte ist bei Displayglas für ein Smartphone bzw. Notebook u. a. Bildschirme mit ungeschützter Oberfläche („Touchdisplay“) wichtig, weil die Härte Kratzer möglichst klein halten soll. Somit sind sie nicht gleich sichtbar und stehen so eine längere Lebensdauer des Displays.

Teilweise ist es auch ein Werbeargument. Für die Bestimmung der Härte gibt es standardisierte Prüfverfahren. Das Display von hochwertigen Smartphones ist sicherlich überwiegend härter als Borosilikatglas 33.

Aber: Auch die Nachbehandlung nach der Formgebung (das korrekte Entspannen) hat einen Einfluss auf die mechanische Belastbarkeit und Bruchempfindlichkeit bei jeder Glasart.

Was passiert, wenn man beispielsweise bei einem Rohstoff zu viel oder zu wenig hinzufügt?

Komponente/Oxid	zu viel verursacht u.a.	zu wenig verursacht u.a.
SiO2	schlechte Schmelzbarkeit, Glasfehler	Ausdehungskoeffizient steigt, Schmelzbarkeit wird teilweise besser
Al2O3	schlechte Schmelzbarkeit, Glasfehler	chemische Beständigkeit wird schlechter
B2O3	Ausdehungskoeffizient steigt	Ausdehungskoeffizient steigt
Na2O , K2O	Schmelzbarkeit wird besser	Ausdehungskoeffizient steigt, chemische Beständigkeit wird schlechter

• Wenn man bruchsicheres Glas haben möchte, das einen Sturz aus 1 m Höhe aushält, muss es dazu dicker sein?
• Gibt es dazu evtl. Vergleichstests?
• Wie würde sich dann das Gewicht verändern?
• Würden sich die Herstellungskosten deutlich erhöhen oder in etwa gleich bleiben?

Für die Bruchsicherheit ist in erster Linie neben der Glaszusammensetzung und deren Homogenität über das gesamte Erzeugnis die regelgerechte „Temperung“ nach der Formgebung verantwortlich.

Bei der Abkühlung des gerade geformten Produkts ab z.B. 900 °C abwärts, kann man zunächst schnell abkühlen z.B. mit 20…50 K/min.
Wenn man den Entspannungsbereich des Glases erreicht („obere Kühltemperatur“ AP) (¹⁰), dann muss das sehr langsam geschehen. Damit sich die atomaren Bestandteile in der Glasmatrix entsprechend der anliegenden Temperatur neu gegeneinander ausrichten können.

Nur so kann man erreichen, das am Ende des „Kühlens“ ein spannungsarmes Produkt erreicht wird.
Dieses sehr langsame Abkühlen muss bis unter die „untere Kühltemperatur“ (SP) (¹¹) erfolgen mit Abkühlgeschwindigkeit typisch unter 1 K/min, immer abhängig von der Wanddicke.

Das Temperaturintervall hat eine Länge von ca. 80…100 K. abhängig von der Glasart. Wenn man die „untere Kühltemperatur“ unterschritten hat, dann darf man wieder schneller bis Umgebungstemperatur abkühlen.

Diese 100K-Intervall zwischen AP und SP liegt bei sehr vielen technischen Glaszusammensetzungen irgendwo zwischen 700 °C und 500 °C, abhängig von der Zusammensetzung.
Eine höhere Wanddicke verursacht natürlich mehr Masse und braucht mehr Zeit für den Temperaturausgleich und einen längeren Kühlprozess.

Eine Verdopplung der Wanddicke erfordert eine Vervierfachung der Zeit für den Durchlauf von oberer nach unterer Kühltemperatur.

Extremfall als Beispiel: Die tonnenschweren Linsen (Durchmesser 1 m oder gar mehr) für astronomische Teleskope brauchen viele Wochen für diesen Entspannungsprozess.
Die obere Entspannungstemperatur (Annealing-point AP)(¹⁰) hat die Viskosität von 10 12 PAs, die untere Entspannungstemperatur (Strain point SP) (¹¹) hat die Viskosität von 10 13,5 PAs.
Dafür gibt es standardisierte Messverfahren.

Bruchsicheres Glas

In den 80er Jahren wurde in der DDR eine Produktionsanlage gebaut, welche durch Ionenaustausch (¹²) (Na durch Kalium ersetzen) die Bruchsicherheit drastisch erhöhte. Solche Trinkgläser konnten ohne Bruch viele Male (im statistischen Durchschnitt) aus 1 m Höhe auf den Boden fallen ohne zu brechen.

Fazit: Ja es ist möglich Trinkgläser herzustellen die in Alltagssituationen nicht sofort kaputt gehen, aber es ist von der Industrie nicht bzw. nur bedingt gewollt. Wenn dich das genauer Interessiert wie die bruchsicheren Gläser damals hergestellt wurden, schaue einfach mal auf link nach, dort wird einfach und verständlich erklär wie sie hergestellt wurden mit genauen angaben zu Formeln und andere Parameter und warum es sie nicht mehr gibt

Und nun zum Schluss dieses Teils noch ein paar abschließende Worte und Kerngedanken:

Gedankenspiele mit Glas

Grundsätzlich kann man Glas mit bestimmten Eigenschaften herstellen. Aber der Teufel steckt im Detail. Wünsche gibt es viele, aber die sind meist nicht immer gleichzeitig und in jeder Beziehung erfüllbar. Somit sind oft Kompromisse notwendig.

Nur dann können die entscheidenden Forderungen realisiert werden und so manche wünschenswerten Eigenschaften dazu.

Man kann einen Werkstoff wie z.B. Glas für verschiedene Kriterien optimieren.
Wenn man eine Optimierung für z.B. Kaffeekrüge mit geringer Ausdehnung und guter chemischer Beständigkeit will, also eine hohe Produktqualität, dann dürfte Boro 33 als Werkstoff nahezu das Optimum sein.

Wenn man aber gleichzeitig noch den Preis optimieren will, dann muss man eben billiger herstellbare Gläser nehmen und Abstriche bei der Haltbarkeit machen.
Ebenso gelten für die Herstellung von Konservengläsern oder Getränkeflaschen andere Kriterien, nicht nur die eben genannten.

Hier nun habe ich wichtige Eckpunkte kurz zusammengefasst: dazu gehört die Herstellbarkeit in hoher Qualität siehe Boro 33. Ein stabiler Herstellungsprozess und preisgünstiger Rohstoffeinsatz sowie geringer Energieverbrauch ist das A und O.

Preiswerter ist z. B. Behälterglas. Das ist der etwas „sperrige“ Begriff für die Glaswaren, die du im normalen Alltag benutzt, sei es die Bierflasche oder das Trinkglas. Borosilikatglas zu produzieren ist teurer. Exakter weise gibt es keine allgemeine „Optimale Materialzusammensetzung“. Es steht immer die Frage optimal bezüglich welcher Kriterien?

Fachlich korrekt ausgedrückt heißt das:

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

Der ist höher bei einfachem Behälterglas (z. B. 8 E-6/K) und niedriger bei Borosilikatglas (z. B. 3,3 E-6/K) – damit ist Borosilikat besser, aber auch teurer.

Transformationstemperatur (Tg) und weitere Viskositätsparameter wie Littletonpunkt (LP) (³)  und Einsinkpunkt (EP) (⁴)

Das billigere Behälterglas hat einen niedrigeren Einsinkpunkt als Boro 3.3. Daher kann man viele billige Behältergläser bei ca. 1400 °C schmelzen, Boro 3.3 dagegen bei 600 – 1650 °C.

Je höher die erforderliche Schmelztemperatur in der Schmelzwanne, umso teurer wird der Prozess der Schmelze und Herstellung. Die Schmelze erfolgt bei Temperaturen, die höher als der Einsinkpunkt liegen. Erst dann ist die Schmelze für eine gute chemische und thermische Homogenisierung (⁵) flüssig genug.

Inhomogenes Glas hätte Schlieren und ggf. Knoten u. a. Mängel. Diese würden die Transparenz (Durchsichtigkeit) und den „Anblick“ so stören. Durch die in einem solchen Fall nur sehr geringe Qualität würde das in der Regel keiner kaufen. Zum Einsinkpunkt (EP) gehört eine Viskosität (⁶) von 1000 Pas (10.000 dPas).

Die Schmelze erfolgt bei einer weit geringeren Viskosität als 1000 Pas, ca.  Faktor 5 – 10 geringer. Sie ist aber abhängig von Konstruktion und Betriebsweise der Schmelzwanne.

Groborientierung: bei Bleiglas liegt die Schmelztemperatur um 1250 °C, bei Behältergläsern bei ca. 1400-1550 °C, bei SiO2-reichem Borosilikatglas (wie Boro 33) bei ca. 1600 – 1650 °C (kann immer deutlich verschieden sein, je nach der konkreten chemischen Zusammensetzung)

Was kann Glas im Gegensatz zu anderen Materialien?

Durch seine chemische Beständigkeit nicht nur gegenüber einfachem Wasser ist es vielseitig einsetzbar. Säuren und Laugen greifen das Glas nicht an. Ohne Glas könntest du Obst und Gemüse nur mit großem Aufwand haltbar machen. Konserven wären dann nur in der Dose erhältlich oder in Holzeimern oder Tongefäßen wie vor 100 Jahren.

Glas ist geeignet für die Reinigung in der Spülmaschine und erleichtert somit auch dadurch deinen Alltag. Du gewinnst dadurch mehr Freizeit. Seine optische Durchlässigkeit (Transmission) ist ein weiterer Pluspunkt. Es lässt das normal für uns sichtbare Licht genauso durch wie UV- oder IR-Licht. Das ist mit sehr hohen Anforderungen bei TFT-LCD-Glas verbunden.

Seine Temperaturwechselbeständigkeit wird durch den sogenannten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die Wanddicke und den „Kühlprozess“ bestimmt. Glas ist beständig gegen Kristallisation (⁹). Das nennt man Entglasungsfestigkeit (⁸).

Kurze Erklärungen zu den Ausdrücken in der Glasherstellung

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

Wärme dehnt die Körper, macht sie z.B. länger.

Körper mit großem thermischem Ausdehnungskoeffizienten dehnen sich stärker bei einer bestimmten Temperaturänderung aus als Körper mit kleinem thermischem Ausdehnungskoeffizienten. Zur Messung gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm).

Transformationstemperatur

beschreibt den Bereich des Übergangs der Glasschmelze in den Zustand der „unterkühlten Flüssigkeit“. Dieser Bereich hat eine Breite von ca. 50… 100 K. (Liegt bei vielen Gläsern zwischen 600 und 500 °C.)  dafür gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm).

Littletonpunkt

ist die Temperatur, bei der ein Glasstab beginnt, sich durch sein Eigengewicht mit einer bestimmten Geschwindigkeit selbst zu verformen. Dafür gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm).

Einsinkpunkt

im Bereich um diesen Viskositätswert kann der Glasmacher das Glas formen,  er kann es aufblasen oder in Form pressen. Dafür gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm).

Thermische Homogenisierung

ist nichts anderes als, wenn du einen Kuchen bäckst, du schmeißt viele Zutaten rein und rührst dann, solange bis es eine homogene Masse ergibt oder anderes gesagt bis sich alles Zutaten miteinander vermischt haben und du nicht mehr sagen kannst das war das Ei und das ist das Mehl.

Viskosität

ist kurz gesagt, wie flüssig etwas ist, je höher sie ist, desto dickflüssiger ist es im Umkehrschluss ist also desto niedriger die Viskosität umso dünnflüssiger ist es wie etwa Motoröl das je nach Jahreszeit mal langsam und mal schneller beim Ölwechsel rausläuft. Dafür gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm).

Temperaturwechselbeständigkeit

beschreibt wie oft man ein Glas einem bestimmten Temperaturwechsel (z.B. von 20 °C auf 100 °C) aussetzen kann bevor es zu Rissen oder Bruch kommt. Dafür gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm).

Entglasungsfestigkeit

beschreibt die Sicherheit vor unerwünschter Kristallisation im Glas (—->  Produktfehler).https://www.sicherheit365.info/

Ist von der Zusammensetzung abhängig.

Kristallisation

beschreibt den Prozess, bei dem das Ausgangsmaterial flüssig aber auch gasförmig sein kann und dann beim Abkühlen des Materials sich Kristalle bilden in etwa wie, wenn es schneit und  Eiskristalle gefunden werden.

Annealing Point

Unter andere auch als oberer Kühlpunkt bekannt bei dem das Glas langsam beginn sich zu verformen. Dafür gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm). Zwischen dem Annealing Point und dem Strain Point liegt der Temperaturbereich, in dem der Abbau innerer Spannungen im Glasprodukt nach der Formgebung erreicht werden kann.

Strain Point

Auch bekannt als unterer Kühlpunkt gibt kurioserweise den höchsten Wert, an dem das Glas noch theoretisch verwendbar ist, bevor es anfängt seine Struktur zu verändern er ist also  das Gegenstück zum oberen Kühlpunkt. Dafür gibt es standardisierte Prüfvorschriften (DIN;  EU-Norm).

Ionenaustausch

Austausch einer Ionensorte  z.B.  Natrium, durch andere, chemisch verwandte Ionen, im Falle Natrium z.B. Kalium

Röntgenfluoreszenz-Anlage

Kurz gesagt, bei der Röntgenfluoreszenzanalyse wird  Material mit Röntgenstrahlung (Kurzwellig) zum eigenen Aussenden von für dieses Material charakteristischer Röntgenstrahlung angeregt und diese wiederum auswertet.

Rotationsblasmaschine (RBM)

Bei diesen Maschinen fällt ein Tropfen zähflüssigen Glases in eine Form, wird durch Blasdruck und unter Nutzung seines Eigengewichts in die gewünschte Form gebracht. Dieser Vorgang erfolgt in mehreren Teilschritten.

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