DIE HERSTELLUNG VON GLAS
Glaserkunde

Gemenge

Für die Herstellung von Kalk-Natron-Glas, das ca. 90 % der produzierten Glasmenge ausmacht, werden folgende Rohstoffe eingesetzt:

Quarzsand als fast reiner SiO2-Träger zur Netzwerkbildung. Wichtig ist, dass der Sand einen geringen (<0,05 %) Anteil an Fe2O3 besitzt, da sonst bei Weißglas störende Grünfärbungen auftreten.

Soda (Na2CO3) dient als Natriumoxydträger, das Netzwerkwandler und als Flussmittel dient und den Schmelzpunkt des SiO2 senkt. In der Schmelze wird Kohlensäure frei und löst sich als Gas aus dem Glas. Natrium kann auch als Nitrat oder Sulfat der Schmelze zugeführt werden.

Pottasche (K2CO3) liefert Kalimoxid für die Schmelze, das wie Natriumoxid als Netzwerkwandler und Flussmittel dient.

Feldspat (NaAlSi2O8) trägt neben SiO2 und Na2O Tonerde (Al2O3) in das Gemenge ein. Diese führt zu einer Erhöhung der Glashärte.

Kalk dient als Netzwerkwandler und erhöht die Festigkeit der Gläser. Reines CaO hat einen zu hohen Schmelzpunkt, so dass CaCO3 eingesetzt wird. Bei der Schmelze wandelt es sich zu Kohlendioxid und Kalziumoxid. CaO erhöht in mäßiger Zugabe (10-15%) die Härte.

Dolomit ist ein Träger für CaO und MgO. Magnesiumoxid hat ähnliche Eigenschaften wie Kalziumoxid auf die Schmelze.

Altglas oder Eigenscherben aus dem Produktionsbruch werden ebenfalls dem Gemenge wiederaufgegeben. Altglas aus dem Glasrecycling allerdings nur in der Behälterglasindustrie, wo ihr Anteil bis über 90 % betragen kann. Neben eingespartem Rohstoff macht sich dies im geringeren Energieverbrauch bemerkbar, da Scherben leichter schmelzen als das Gemenge. Probleme bei beim Altglasrecycling sind eine schlechte Farbtrennung, Fremdbestandteile wie Metalle, Keramik oder Spezialgläser. Die Fremdstoffe verursachen Glasfehler durch nicht vollständiges Aufschmelzen und Schäden in der Glasschmelzwanne, da sich Metalle in den feuerfesten Boden einfressen.

Für Spezialgläser kommen auch Mennige, Borax, Bariumkarbonat und andere seltene Erden zum Einsatz.

Schmelze

Die Glasschmelze besteht aus verschiedenen Phasen: Den Beginn macht die Rauhschmelze mit dem Erschmelzen des Gemenges. Dies umfasst die Rauschmelze und die Homogenisierung. Nach dem Erschmelzen der festen Bestandteile kommt die Läuterung, in der die Gase in der Schmelze ausgetrieben werden. Daran schließt sich das Abstehen des Glases an, in der das Material zur weiteren Formgebung abgekühlt wird.

Bei chargenweise arbeitenden Tageswannen und Hafenöfen geschehen alle diese Schritte nacheinander in demselben Becken. Dieses historische Produktionsverfahren findet heute nur noch bei kunsthandwerklicher Produktion und speziellen, optischen Gläsern in geringen Mengen statt. Im industriellen Maßstab finden ausschließlich kontinuierlich arbeitende Öfen Verwendung. Hier ist die Abfolge obiger Schritte nicht zeitlich, sondern räumlich getrennt. Die Menge der Glasentnahme entspricht der des zugeführten Gemenges.

Das Gemenge wird mit einer Einlegemaschine der Schmelzwanne aufgegeben. Bei Temperaturen von ca. 1480 °C schmelzen die verschiedenen Bestandteile langsam. Die Bewegung der Konvektion im Glasbad erzeugt Homogenität. Diese kann durch ein Bubbling, der Eindüsung von Luft oder Gasen in die Schmelze, unterstützt werden.

Im Läuterbereich, der dem Schmelzbereich unmittelbar folgt und häufiger auch durch einen Wall in der Schmelze von diesem getrennt ist, werden in der Schmelze verbliebende Blasen ausgetrieben. Durch die hohe Zähigkeit der Schmelze geschieht dies nur sehr allmählich und es sind ebenso hohe Temperaturen erforderlich wie im Schmelzbereich. Da die Läuterung bestimmend für die Glasqualität ist, gibt es vielfältige Maßnahmen um diese zu unterstützen.

Der Läuterbereich schließt sich die baulich klar getrennte Arbeitswanne an. Da für die Formgebung niedrigere Temperaturen als zur Schmelze und Läuterung nötig sind, muss das Glas vorher abstehen. Daher spricht man auch von Abstehwanne. Der Kanal, der Schmelzwanne und Arbeitswanne verbindet, heißt Durchfluss und arbeitet nach dem Siphonprinzip. Bei Flachglaswannen sind Schmelz- und Arbeitswanne nur durch eine Einschnürung getrennt, da ein Durchfluss eine optische Unruhe im Fertigprodukt entstehen ließe.

Von der Arbeitswanne fließt das Glas weiter zum Punkt der Entnahme. Bei der Produktion von Hohlglas sind dies die Speiser oder Feeder. Hier werden Tropfen in darunter stehende Glasmaschinen geleitet. Bei Flachglas fließt das Glas über die Lippe in das Floatbad.

Formgebung

Je nach Produkt wird Glas unterschiedlich geformt. Dabei unterscheidet man vor allem Gläser, die gepresst, geblasen, gedüst, gesponnen oder gewalzt werden.

Hohlglas wird in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestellt. Hier dominiert die IS-Maschine, die im Blas-Blas-Verfahren arbeitet. Für höherwertige Tafelware kommen Press-Blas-Verfahren zum Einsatz, die karusellförmig arbeiten.
Glasfasern werden durch Spinnen im so genannten TEL-Verfahren produziert.
Flachglas wird im Floatverfahren hergestellt, gezogen, gewalzt oder gegossen
Rohrglas

Kühlung
Entspannungskühlen

In jedem Glasgegenstand entstehen bei der Formgebung, mechanische Spannungen als Folge von Dehnungsunterschieden im Material. Diese Spannungen lassen sich mit optischen Spannungsprüfern messen (Spannungsdoppelbrechung). Die Spannungsanfäligkeit hängt vom Ausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Glases ab und muss thermisch ausgeglichen werden.

Für jedes Glas lässt sich zwischen der oberen Kühltemperatur (Viskosität von 1013 mPa s) und einer unteren Kühltemperatur (1018 mPa s), in der Regel zwischen 550 °C und 350 °C, ein Kühlbereich festlegen. Die Spannungen verringert man durch definiertes langsames Abkühlen im Kühlbereich, dem Tempern.

Die Zeit, in der ein Glasgegenstand den Kühlbereich durchlaufen kann, ist maßgeblich von der je nach Glasart zu überbückenden Temperatur, der Stärke (Dicke) des Gegenstands abhängig. Im Hohlglasbereich sind dies vielleicht 30 min, bei großen optischen Linsen mit 1 m Durchmesser und mehr, kann eine langsame Abkühlung von einem Jahr notwendig sein, um sichtbare Spannungen und somit Bildverzeichnungen der Linse zu vermeiden.

Die kontrollierte Temperatursenkung kann mit unterschiedlichen Öfen vorgenommen werden. Mann unterscheidet periodische Kühlöfen und kontinuierliche Kühlbahnen. Kühlöfen eignen sich nur für Sonderfertigungen und Kleinstchargen, da nach jeder Entnahme der Werkstücke der Ofen wieder auf Temperatur gebracht werden muß. Industriell werden Kühlbahnen genutzt. Hier wird die Produktion auf Stahlmatten (Hohlglas) bzw. Rollen (Flachglas) langsam durch abgestuft geheizte Ofensegmente transportiert.

Veredelung

  • Durch chemische und physikalische Gasphasenabscheidung können feinste Metallbeschichtungen aufgebracht werden. Die meisten Fenster- und Autogläser werden mit für Infrarotlicht undurchlässigen Beschichtungen versehen. Die Wärmestrahlung wird hierdurch reflektiert und Aufheizungen der Innenräume durch Sonneneinstrahlung gemindert. Gleichzeitig werden die Wärmeverluste im Winter reduziert, ohne dabei die Durchsichtigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
  • Eine andere Beschichtungstechnik verhindert die Verschmutzung und unterstützt die Selbstreinigung von Fensterglas. Eine äußere, hydrophile Beschichtung mit Titandioxid verhindert die Tröpfchenbildung des Regenwassers, da es deren Oberflächenspannung herabsetzt. Regenwasser kann gleichmäßig an der Scheibe ablaufen und Schmutzpartikel mitziehen. Zusätzlich kann durch eine UV-Licht absorbierende Beschichtung die Entstehung aktiven Sauerstoffs ermöglicht werden, der organische Verbindungen zersetzt.
  • Auch sind Verspiegelungen möglich
  • Bei optischen Geräten werden reflektionsmindernde Schichten eingesetzt. Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit hergestellt werden können.
  • Durch nachträgliches Sandstrahlen ein Milchglaseffekt zu erzielen, so dass das Glas nur noch durchscheinend aber nicht mehr durchsichtig ist
  • Ein Farbauftrag ist im keramischen Siebdruck möglich.
  • Durch exaktes Tempern eines aus Lithium-, Aluminium- und Siliziumoxid gefertigten Glases kann gezielt eine Rekristallisation herbeigeführt werden. Der Werkstoff ist nun kein Glas mehr, sondern eine Glaskeramik mit äußerst geringer Wärmedehnung. Diese findet Anwendung z. B. bei Kochfeldern und Spiegelteleskopen.