Werkstoff Glas: Alter Werkstoff mit großer Zukunft

206 Pages·2014·4.916 MB·German

by  Helmut A. Schaeffer, Roland Langfeld (auth.)

TECHNIK IM FOKUS
DATEN FAKTEN HINTERGRÜNDE
Helmut A. Schaeffer
Roland Langfeld
Werkstoff Glas
Alter Werkstoff mit großer Zukunft
Technik im Fokus
(cid:2)
Helmut A. Schaeffer Roland Langfeld
Werkstoff Glas
Alter Werkstoff mit großer Zukunft
HelmutA.Schaeffer RolandLangfeld
Berlin,Deutschland FrankfurtamMain,Deutschland
ISSN2194-0770
ISBN978-3-642-37230-8 ISBN978-3-642-37231-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-37231-5
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Vorwort
KaumeinMaterialfasziniertunsso sehrwiederWerkstoffGlas. Seine
LichtdurchlässigkeitschätzenwirbeiVerglasungenvonGebäuden,seine
chemischeBeständigkeitbeiFlaschenundGläsern.Undwirerfreuenuns
an der Vielzahl der künstlerischen Glasobjekte aus Vergangenheit und
Gegenwart,diedienahezuunendlichenMöglichkeitenderFormgebung
undBearbeitungvorAugenführen.
Dabeiistunsnichtbewusst,dasserstderEinsatzdesWerkstoffsGlas
die Funktion von technischen Geräten und Systemen ermöglicht: op-
tische Gläser in Objektiven von Kameras und Endoskopen, Glaswolle
fürdieSchall-undWärmedämmung,dünnesFlachglasfürBildschirme,
LaptopsundSmartphonessowieGlasfasernfürdieTelekommunikation.
Diese vielfältigen Anwendungenbenötigen unterschiedlich zusammen-
gesetzteGläserundstellensomitimmerneueHerausforderungenandie
ForschungundtechnischeUmsetzung.
Mit dem vorliegenden Buch zeichnen die Autoren den langen Weg
desGlasesbeginnendmitdenfrühenhistorischenKunstobjektenbiszu
den innovativen Anwendungen nach. Glaskomposition und Glaseigen-
schaften, die Prozessabläufe beim Schmelzen von Glas sowie Formge-
bungsverfahren sind Themen des Buches, die dem interessierten Leser
dieunerschöpflicheWeltdesGlaseserschließen.
BerlinundFrankfurtamMain,Juli2013 HelmutA.Schaeffer
RolandLangfeld
V
Inhaltsverzeichnis
1 WasistGlas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 GeschichtedesGlases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 FrüheHerstellungvonGlas. . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 GlasderAntike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 VenedigunddieeuropäischeGlaskunst . . . . . 6
1.2.4 ErstetechnischeAnwendungenvonGlas . . . . 9
1.2.5 AutomatisierungenderHerstellung . . . . . . . . 10
1.2.6 Glas-Innovationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Glasstruktur–IstGlaseineFlüssigkeit? . . . . . . . . . 15
1.3.1 StrukturelleBeschreibungdesGlaszustandes . . 17
1.4 Visko-elastischesVerhaltenvonGlas . . . . . . . . . . . 23
1.5 KeimbildungundKristallisation . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6 ZusammensetzungundEigenschaftenvonGläsern . . . 28
1.6.1 Netzwerkbildner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.2 Netzwerkwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6.3 Zwischenoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.6.4 BeispielefürGlaszusammensetzungen . . . . . . 30
1.6.5 WirkungvonFarboxiden . . . . . . . . . . . . . . 34
1.6.6 KolloidaleFärbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2 GlasundseinevielfältigenAnwendungen . . . . . . . . . . 41
2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 GlasfürVerpackung,LaborundPharmazie . . . . . . . 42
2.2.1 PhysikalischeundchemischeEigenschaften . . 42
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
2.2.2 Glas-VerpackungfürGetränkeundLebensmittel 48
2.2.3 GläserfürLaborundIndustrie . . . . . . . . . . . 50
2.2.4 GläserfürPharmazieundMedizin . . . . . . . . 54
2.3 Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2 TransmissionundAbsorptiondesLichtes . . . . 57
2.3.3 LichtbrechungundDispersion . . . . . . . . . . . 60
2.3.4 QualitätsmerkmaleoptischerGläser . . . . . . . 63
2.3.5 BrechzahlundAbbe-Zahl . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.6 OptischeSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.7 Lichtleitfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.8 AktiveGläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.9 SubstratefüroptischeAnwendungen
mithöchsterFormkonstanz . . . . . . . . . . . . . 73
2.4 ArchitekturundAutomobilbau . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.4.2 Glasspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.4.3 Wärmeschutz-undSonnenschutzgläser . . . . . 78
2.4.4 EntspiegelteGläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.4.5 GläsermitelektrischleitfähigenBeschichtungen 82
2.4.6 GläsermitvariablerLichtdurchlässigkeit . . . . 84
2.4.7 SelbstreinigendesGlas . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.4.8 Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.5 ElektrotechnikundElektronik . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.5.1 AnwendungvonGlasinElektrotechnik
undElektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.5.2 PhysikalischeGrundlagen. . . . . . . . . . . . . . 98
2.5.3 Einschmelzgläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.5.4 GläserzumLötenundPassivieren. . . . . . . . . 104
2.5.5 SubstratgläserfürdieElektronik. . . . . . . . . . 105
2.6 Lampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.6.2 Glühlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.6.3 Halogenglühlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.6.4 Gasentladungslampen . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.6.5 Halbleiter-Lichtquellen(LEDs) . . . . . . . . . . 112
2.7 Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Inhaltsverzeichnis IX
2.7.1 ThermischeIsolation . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.7.2 AnwendunginderSolartechnik:
SolarthermieundPhotovoltaik . . . . . . . . . . . 114
2.7.3 SpezialgläserfürdenEinsatz
indersolarthermischenStromerzeugung. . . . . 116
2.8 Telekommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2.9 AndereAnwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.9.1 AnwendungeninderNukleartechnik . . . . . . . 119
2.9.2 GlaskeramikimHaushaltundinderIndustrie . 122
2.9.3 Bioglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.9.4 Glasflakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
2.9.5 Mikro-Glaskugeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2.9.6 OptischeDatenspeicherung . . . . . . . . . . . . . 129
WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3 Herstellung–SchmelzenundFormgebungvonGlas . . . 131
3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2 GlasrohstoffeundRecyclingscherben . . . . . . . . . . . 131
3.3 Glasschmelzöfen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.3.1 Energiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.3.2 Flammenbeheizung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.3.3 Elektrobeheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.3.4 Umweltschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.4 Formgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.4.1 HerstellungvonFlachglas. . . . . . . . . . . . . . 143
3.4.2 HerstellungvonBehälterglas . . . . . . . . . . . . 148
3.4.3 HerstellungvonRohren . . . . . . . . . . . . . . . 156
3.4.4 HerstellungvonGlasfasern . . . . . . . . . . . . . 159
3.5 UnkonventionelleGlasherstellverfahren . . . . . . . . . 162
3.5.1 Flammenhydrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.5.2 Sinterverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.5.3 Sol-GelVerfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.5.4 BiogeneGläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
X Inhaltsverzeichnis
4 DieZukunftdesGlases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.2 Dünnstgläser:GlasvonderRolle. . . . . . . . . . . . . . 171
4.3 HochfestesGlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.4 EnergieeinsparungbeiderGlasherstellung . . . . . . . . 177
4.5 UmweltschutzundVerknappungvonRohstoffen . . . . 180
4.6 MetallischeGläser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.7 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5 Anhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.1 VerbändeundOrganisationen . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2 DeutscheUniversitätenundInstitutemitGlasbezug . . 190
5.3 AusgewählteMuseenrundumsGlas . . . . . . . . . . . 191
5.4 WissenswerteszumThemaGlas . . . . . . . . . . . . . . 191
5.5 Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Was ist Glas? 1
1.1 Einleitung
„Glas“ – ein Begriff, der uns vertraut ist, den wir im täglichen Leben
gebrauchen, ohne ihn sonderlich zu hinterfragen. Wir denken vorran-
gig an ein Trinkgefäß oder an kunstvoll gestaltete Objekte. Gleicher-
maßen bezeichnet „Glas“ aber auch eine Klasse von Materialien mit
ähnlichenEigenschaften.DiesesBuchistdemWerkstoff„Glas“gewid-
met:seinerHerstellung,seinenEigenschaftenundAnwendungensowie
den technischen Herausforderungenbei der Suche nach neuen Einsatz-
gebieten.
Glas ist ein Werkstoff wie etwa Keramik, Metalle oder Kunststoffe.
Glas erscheint glatt, scharfkantig brechend, oft durchsichtig und glän-
zend.ImVergleichzuMetall–duktil,undurchsichtig–sindGläsersprö-
deundmeisttransparent.MitihrerporenfreienOberflächeunterscheidet
sicheineGlasscheibeandererseitsvonderkörnigenundporösenStruk-
tureinerKeramik.DasdeutscheWort„Glas“istzurückzuführenaufden
germanischen Begriff „glasa“ – das Glänzende, Schimmernde. Und im
VergleichzueinemBergkristallmitseinerregelmäßigengeometrischen
StrukturbesitzenGläserkeineVorzugsstruktur.
Wirbefassenunszunächstmitdermehrals5000-jährigenGeschich-
te des Werkstoffs Glas von der Entdeckung der Glasherstellung über
dievielfältige Nutzung des Materials für Schmuck oder Gefäßebis hin
zudenmodernenSpezialgläsernmitihrenvielfältigenAnwendungenin
nahezu allen Bereichen des täglichen Lebens. Es folgt eine ausführli-
cheDarstellung der Einzigartigkeitdes WerkstoffsGlas. Sie beruhtauf
seinerStrukturalseingefroreneFlüssigkeit,diezudembesonderenvis-
H.A.SchaefferundR.Langfeld,WerkstoffGlas,TechnikimFokus, 1
DOI10.1007/978-3-642-37231-5_1,©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2014