header bouwen

 


 maak van deze website uw startpagina !

WorldwideBase
Alle wwbase pagina's

 

Glas

 
   
 











Glas, enerzijds naam voor een toestand van materie die uiterlijk enige overeenkomst vertoont met die van vaste stoffen, maar waarin de kristallijne ordening van vaste stoffen ontbreekt (zie § 1), anderzijds naam voor een bepaalde groep van dergelijke stoffen op basis van silicaten, gebruikt als vensterglas, spiegelglas, flessenglas, optisch glas, glasvezels en als materiaal voor allerlei gebruiks- en siervoorwerpen; tot deze groep behoort ook het kristalglas (dat dus niet kristallijn is).

Plexiglas is geen glas in deze zin, maar een merknaam voor de kunststof polymethylmethacrylaat, die o.a. in glasheldere vorm wordt geleverd, ook ter vervanging van optisch glas.

1. De glastoestand

Een glas is te definiëren als een fase waarin langeafstandsordening afwezig is (tussen naburige atomen kan wel een zekere ordening aanwezig zijn) en die gekenmerkt is door een zeer hoge viscositeit (zodanig hoog dat de stof voor alle in de praktijk in aanmerking komende omstandigheden als ‘vast’ kan worden beschouwd).

Bij het afkoelen van een vloeistof neemt het volume in het algemeen af. Bij een bepaalde, voor ieder systeem karakteristieke temperatuur (het stolpunt) zal de vloeistof meestal, indien de afkoeling voldoende langzaam geschiedt, stollen tot een kristallijne stof. Daarbij verandert het volume sprongsgewijs. Het ontstaan van kristallijne stof uit een vloeistof, dwz. het instellen van een langeafstandsordening, is echter vaak een langzaam verlopend proces. Het kan zijn dat de afkoeling met zodanige snelheid verloopt dat de vloeistof bij het passeren van de stoltemperatuur geen tijd heeft om te kristalliseren. Het systeem blijft dan vloeibaar en het afnemen van het volume blijft voortgaan volgens dezelfde uitzettingscoëfficiënt die karakteristiek was voor de vloeistof boven het stolpunt. Men spreekt van een onderkoelde vloeistof.

Bij voortgaande afkoeling neemt de viscositeit zodanig toe, dat uiteindelijk een toestand wordt bereikt waarin het systeem zich niet meer volledig kan aanpassen aan de afkoeling: de temperatuur, dus de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes, neemt nog wel af, maar het afnemen van het volume blijft achter en correspondeert dus met een toestand, behorende bij een hogere temperatuur dan het systeem in werkelijkheid heeft. Deze toestand noemt men glas. Het overgangsgebied tussen glas en onderkoelde vloeistof heet transformatiegebied (TG); het is duidelijk dat de ligging ervan afhankelijk is van de afkoelingssnelheid die het systeem onderging: naarmate deze hoger was, zal het systeem zich reeds bij een hogere temperatuur niet meer bij de temperatuurwijziging hebben kunnen aanpassen.

Glasvorming zal men dus voornamelijk aantreffen bij stoffen die moeilijk kristalliseren. Over het algemeen zullen dit stoffen zijn die reeds in de vloeibare toestand zijn opgebouwd uit ingewikkelde, onregelmatige bouwstenen, die moeilijk in een periodiek geordend rooster ingepast kunnen worden, bijv. de kunstharsen met hun vaak zeer grote moleculen, maar ook meervoudige alcoholen, waarvan de deeltjes via een bijzonder soort binding (waterstofbruggen) met elkaar tot een netwerk zijn verbonden. In de anorganische chemie kunnen enkele elementen (O, S, Se, Te), halogeniden (BeF2, ZrF4, ZnCl2) en sulfiden glasvormig verkregen worden.

Vooral de fluorideglazen zijn in de belangstelling gekomen, vnl. door het feit dat ze infrarood licht doorlatend zijn. De voornaamste glasvormende stoffen zijn echter de oxiden B2O3, SiO2 en P2O5, al dan niet in combinatie met elkaar of met andere stoffen. Ook enkele andere oxiden (P2O3, GeO2 e.a.) kunnen aanleiding geven tot glasvorming. In glazen met meer componenten, zoals de natriumsilicaatglazen, treedt nog een complicatie op: er kan namelijk een zekere ontmenging van de componenten optreden, zodat in het glas gebiedjes van uiteenlopende samenstelling naast elkaar worden aangetroffen. In de meeste anorganische oxidische glazen komen, naast de glasvormende oxiden, nog stoffen voor die op zich zelf niet of slechts zeer moeilijk glas kunnen vormen, doch die de structuur van het glas sterk kunnen wijzigen.

Na lange tijd kan elk glasmengsel overgaan in de (uiteindelijk) stabiele gekristalliseerde fase, het ontglazen. Het ontglazingsproces is afhankelijk van de glassoort; het kan sterk versneld worden door bijv. een warmtebehandeling, toegepast om glaskeramische materialen te vervaardigen; daarbij worden producten eerst als glas in hun gewenste vorm en daarna tot kristallisatie gebracht (zie glaskeramiek).

Sinds ca. 1960 zijn technieken ontwikkeld waarbij het door zeer snelle afkoeling (ca. miljoen graden Celsius per seconde) mogelijk is gebleken ook metalen in een glastoestand te brengen. Metallisch glas is tot ongeveer de helft van de smelttemperatuur stabiel; daarboven gaat het snel in een kristallijne structuur over. Het heeft een aantal opmerkelijke eigenschappen; het kan bijv. een veel grotere schuifspanning opnemen dan silicaatglas en men heeft zelfs metallische glazen verkregen met een breukgrens hoger dan bij roestvast staal. Metallische glazen zijn aanmerkelijk beter bestand tegen corrosie dan overeenkomstige legeringen in kristallijne vorm; ze zijn goede elektrische geleiders, maar de soortelijke weerstand is aanmerkelijk groter dan bij kristallijne metalen. Ferromagnetische metallische glazen worden gekenmerkt door zeer lage coërcitiefkrachten, zodat ze zeer gemakkelijk kunnen worden gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd. Ook zijn metallische glazen ontwikkeld met extreem hoge magnetische permeabiliteit. Sinds de jaren zeventig worden enkele metallische glazen commercieel geproduceerd als kilometers lange draden en banden met een dikte van enkele honderdsten millimeters.

2. Glas als stof

De meeste glassoorten die als ‘glas’ in de handel zijn, bestaan uit een mengsel van drie groepen anorganische oxiden: a. een zuurvormend oxide, meestal SiO2, soms B2O3 of Al2O3; b. een oxide van een éénwaardig alkalimetaal, meestal Na2O of K2O; c. een oxide van een tweewaardig metaal, meestal CaO, PbO, MgO, BaO of ZnO. Het meest gebruikte glas is een natronkalkglas, waarvan de samenstelling meestal ligt bij Na2O.CaO.6SiO2 en dat verkregen wordt door het opsmelten van een mengsel van voornamelijk kwartszand, soda (of een ander natriumzout) en kalk. Vensterglas en flessenglas worden meestal uit dergelijk glas vervaardigd, hoewel vaak nog andere grondstoffen worden toegevoegd. In vensterglas wordt bijv. vaak een gedeelte van het calciumoxide vervangen door magnesiumoxide en wordt ook aluminiumoxide toegevoegd. Vervanging van soda door een kaliumzout (bijv. potas) geeft kaliumkalkglas (Boheems glas), dat moeilijker smelt en minder chemisch resistent is. Zuiver kwartsglas, dat voor meer dan 99,5% uit SiO2 bestaat, heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (0,5 × 10-6 per °C), maar een hoge verwekings- en smelttemperatuur (1400 resp. 1750 °C). Het is opgebouwd uit tetraëders van SiO4; in het centrum van iedere tetraëder bevindt zich een Si4+-ion en op de hoekpunten O2--ionen, waarbij ieder zuurstofion tot twee naburige tetraëders behoort (zuurstofbrug Si¾O¾Si). Aldus ontstaat een elektrisch neutraal doorlopend netwerk van totale samenstelling SiO2. Bouwt men nu Na2O in, waardoor natriumsilicaatglas ontstaat, dan worden de zuurstofbruggen tussen de Si4+-ionen afgebroken doordat de zuurstof van het natriumoxide posities zoekt vlak bij een Si4+-ion. Het netwerk verkrijgt hierdoor een overmaat aan zuurstof en een negatieve lading, die gecompenseerd wordt door Na+-ionen. Ten gevolge hiervan neemt de samenhang in het netwerk af: het glas wordt bij een lagere temperatuur vloeibaar en de thermische uitzetting neemt toe. Andere ionen, zoals Al3+, kunnen zowel in het netwerk (in de plaats van Si4+) als tussen de tetraëders (in de plaats van Na+) een plaats vinden.

De eigenschappen van glas worden o.a. bepaald door de samenstelling. Zuiver natriumsilicaatglas wordt gemakkelijk aangetast door water (waterglas). Door toevoeging van calciumoxide wordt een product verkregen dat niet door water wordt aangetast. Over het algemeen is glas dat te veel éénwaardige oxiden bevat, enigszins oplosbaar; glas met veel tweewaardige oxiden kan gemakkelijker kristalliseren. Door toevoeging van loodoxide of bariumoxide wordt een hoge brekingsindex verkregen (kristalglas). Een glassoort met veel B2O3 en SiO2 (borosilicaatglas) wordt veelal gekenmerkt door een groot chemisch weerstandsvermogen en wordt o.a. toegepast bij laboratoriumglaswerk; dergelijke glazen zijn meestal tot een temperatuur van ca. 500 °C continu bruikbaar en kunnen ook snelle temperatuurwisselingen doorstaan. Bekende handelsnamen van borosilicaatglazen zijn Pyrex en Jena Duran. Toevoeging van Al2O3 verhoogt de thermische schokbestendigheid (aluminiumborosilicaatglas).

Ook door de fabricagetechniek worden de eigenschappen van een glas beïnvloed. Doordat bij het vormen van een glazen voorwerp niet alle deeltjes gelijktijdig de transformatietemperatuur bereiken, ontstaan er spanningen. Deze kunnen worden opgeheven door temperen: enige tijd verhitten tot een temperatuur in de buurt van de transformatietemperatuur. Vaak laat men bewust enige spanning bestaan ter verbetering van de mechanische eigenschappen. Bijv. kan men éénlaag-veiligheidsglas (merknamen: Securit-glas, hardglas) maken dat beter bestand is tegen stoot- en buigbelastingen dan gewoon vensterglas, door vlakglas te verwarmen tot een weke toestand en dan met lucht snel te koelen. Er ontstaan in het glas hoge spanningen die het onmogelijk maken het verder te bewerken. Indien dit glas stuk gaat, ontstaan geen scherven, maar korrels zonder scherpe kanten. Meerlaag-veiligheidsglas (triplexglas) bestaat uit twee glasplaten, aaneengekit door een zeer dunne laag van een glasheldere kunststof. Bij de autofabricage wordt voor de voorruit gelaagd glas gebruikt. Bij breuk blijft dergelijk glas doorzichtig; een kogel vormt bijv. een rond gat, terwijl de rest van het glas intact blijft. Bij grove beschadigingen versplintert de ruit niet, maar treedt scheurvorming op. Het zicht blijft echter gehandhaafd. Onder de naam veiligheidsglas zijn ook producten in de handel geheel op basis van een doorzichtige kunststof (bijv. polycarbonaat), waarvan de krasvastheid over het algemeen geringer is.

Vycorglas wordt verkregen uit een borosilicaatglas met hoog silicaatgehalte (ca. 75%) dat een temperatuurbehandeling ondergaat (temperen bij 570 °C), waardoor een scheiding van twee fasen wordt teweeggebracht, waarna een van beide fasen wordt uitgeloogd met een sterk zuur. Het overblijvende, silicaatrijke, poreuze skelet (96% SiO2) kan door een goede warmtebehandeling bij ca. 1000 °C vormvast krimpen tot ca. 80% van het oorspronkelijke volume, waardoor een glas wordt verkregen dat veel eigenschappen van kwartsglas goed benadert, maar aanzienlijk goedkoper is. Het is bijv. evenals kwartsglas goed doorlatend voor ultraviolet met golflengten groter dan ca. 230 nm; gewoon vensterglas absorbeert UV en is alleen doorlatend voor straling boven golflengten van ca. 310 nm.

De kleur van glas wordt vnl. bepaald door speciaal toegevoegde metaaloxiden en door verontreinigingen. Zeer weinig ijzer(II)oxide in de grondstoffen veroorzaakt reeds een groene kleur van het glas. Aangezien ijzervrije grondstoffen moeilijk verkrijgbaar zijn, voegt men aan helder glas stoffen toe die een met het groen complementaire kleur vormen, zoals de combinatie caboltoxide met seleen.

Afhankelijk van de samenstelling ligt de brekingsindex van de meeste glassoorten tussen ca. 1, 5 en 1,8. De relatieve dichtheid van de glazen is afhankelijk van samenstelling en thermische voorbehandeling; zij ligt voor de meeste commerciële glazen bij ca. 2, 5. De thermische uitzettingscoëfficiënten lopen sterk uiteen: voor vensterglas ca. 8 × 10-6 per °C, voor pyrex 3 × 10-6 per °C en voor vycorglas 0,8 × 10-6 per °C. Gelijkheid van thermische uitzetting is een voorwaarde waaraan voldaan moet zijn, willen twee glazen aan elkaar gesmolten kunnen worden. In het algemeen is een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (gering alkaligehalte) gunstig voor thermische schokbestendigheid. De mechanische sterkte is voornamelijk afhankelijk van het oppervlak van het glas. Een vers glasmonster is zeer sterk, het verliest echter snel veel van zijn sterkte doordat het oppervlak kleine krasjes (haarscheurtjes) oploopt. Deze zullen bij belasting door spanningsconcentratie snel verder scheuren. Dit is tegen te gaan door het oppervlak van tevoren onder een passende drukspanning te brengen: voordat het glas bezwijkt, moet eerst de drukspanning overwonnen worden. Deze kan men aanbrengen hetzij door het glasoppervlak een andere samenstelling te geven (in de praktijk geschiedt dit veelal door ionenwisseling tijdens onderdompelen in een geschikte smelt), hetzij door een geschikte thermische behandeling (zie hierboven: éénlaag-veiligheidsglas).

Glas gedraagt zich als een thermische isolator (warmtegeleidingscoëfficiënt 0, 8 à 1,5 W/(m.K). Elektrisch is het in droge toestand bij kamertemperatuur een goede isolator; in vochtige lucht wordt het echter snel bedekt door een goed geleidende laag. Bij temperaturen hoger dan bijv. 200 à 300 °C gaat ook de elektrische geleiding van het glas zelf merkbaar worden, vooral in glazen die grote hoeveelheden alkali bevatten.

Glas reageert chemisch duidelijk merkbaar slechts met waterstoffluoride HF en alkalische smelten, langzamer met heet fosforzuur en kokende loogoplossingen. Bij nauwkeurig chemisch werk en het verpakken van pH-gevoelige stoffen, zoals bepaalde farmaceutische producten, dient men echter ook met de – zij het zeer geringe – reactiviteit van glas ten opzichte van water rekening te houden.

3. Glasfabricage

Bij de glasfabricage dienen de te smelten grondstoffen goed gemengd te worden om een homogene smelt te verkrijgen. Een belangrijke grondstof vormen glasscherven, doordat deze snel een vloeibare fase vormen; 20–30% is gebruikelijk, echter bij de flessenfabricage kan het aanzienlijk meer zijn (recycling via de ‘glasbak’), hetgeen een energiebesparing oplevert. In plaats van de alkalimetaal- en metaaloxiden gebruikt men als grondstoffen vaak verbindingen zoals carbonaten die bij verhitting worden omgezet in oxiden en gasvormige producten, of verbindingen zoals nitraten die bij ontleding sterk oxiderend werken en daardoor bijv. organische verontreinigingen kunnen verwijderen.

Een glastank ( ‘wan’) bestaat uit een smeltruimte, waarin het glas bij een temperatuur van 1400 à 1700 °C gesmolten, gehomogeniseerd en van gasbellen bevrijd ( ‘gelouterd’) wordt, en een werkruimte, waaraan afhankelijk van de glassoort bij een temperatuur van 1100 à 1200 °C delen van de smelt onttrokken worden voor de verdere verwerking tot glazen voorwerpen. Het louteringsproces bevordert men door het toevoegen van bestanddelen die veel gas ontwikkelen. Dit gas komt terecht in de reeds aanwezige gasbellen die uit het grondstoffenmengsel ( ‘gemeng’) zelf afkomstig zijn, waardoor deze groeien en vervolgens sneller door de opwaartse druk het oppervlak kunnen bereiken.

3.1 Glasblazen

De verwerking vond tot ca. 1900 nog overwegend met de hand plaats: de glasblazer onttrok met behulp van een holle, stalen pijp een bepaalde hoeveelheid ( ‘post’) aan de smelt, verbrak de glasdraad die post en smelt nog verbond, walste de post aan het einde van de pijp tot een massief omwentelingslichaam en blies de post op tot bijv. een holle bol. Tegenwoordig is dit proces vergaand gemechaniseerd. Holle vormen werden aanvankelijk vervaardigd met behulp van de in 1903 ontwikkelde machine van Owens, waarbij het glas uit een met de werkruimte in verbinding staande roterende cilinder in bijv. een flessenvorm wordt omhooggezogen. Moderne machines werken met een zgn. feeder, waarmee een hoeveelheid smelt via een opening in de bodem van de werkruimte door een periodiek op en neer bewegende plunjer naar beneden geperst wordt. Van de naar beneden glijdende massa wordt een nauwkeurig berekende hoeveelheid afgeknipt, die in een eronder klaarstaande matrijs valt, waarin zij vervolgens automatisch tot de gewenste vorm wordt opgeblazen of geperst. Aldus worden bijv. ook de glazen delen van televisiebuizen vervaardigd.

Doorgaans gebruikt men afzonderlijk verwarmde koelovens, waarin het glas zo langzaam mogelijk moet afkoelen tot ca. 300 °C om het optreden van inwendige spanningen te voorkomen. Voor sommige optische glazen worden zelfs afkoeltijden van enkele weken aangehouden.

3.2 Procedés

De vervaardiging van vlakglas (vensterglas) heeft zich ontwikkeld tot een gespecialiseerde tak van de glasfabricage. Tot in de 20ste eeuw werd mondgeblazen vensterglas gemaakt door cilinders te blazen (tot 2 m lang bij een diameter van 0, 5 m) die worden opengesneden en gestrekt.

Bij het door de Belg Fourcault in 1913 voor het eerst toegepaste machinale trekprocédé wordt gebruik gemaakt van een débiteuse, een op het glas drijvende balk van vuurvaste steen die in het midden is voorzien van een lange spleet. Als de débiteuse naar beneden wordt gedrukt, welt het glas door de spleet naar boven. Door middel van een metalen raam met aan de onderkant pennen waaraan het glas blijft kleven, wordt een eindloos glaslint door een verticale koelschacht door met asbest beklede rollen omhooggetrokken. Om insnoering van het lint te voorkomen, worden de boorden boven de débiteuse verankerd. Door met water gekoelde buizen wordt het glas afgekoeld tot 550 °C. Men spreekt van fourcaultglas. Bij een procédé van de Pittsburgh Plate Company (Verenigde Staten) ligt de débiteuse geheel onder het glasoppervlak. Doordat de oppervlaktelaag een grotere viscositeit heeft dan de laag eronder, blijft bij het indompelen het glas aan het raam kleven en worden bij het omhoogtrekken de bovenste lagen aan beide zijden meegenomen, waarbij de twee volkomen vlakke oppervlakken vanzelf met elkaar versmelten. De gebogen vorm van de débiteuse zorgt voor de verdeling van de glashoeveelheid over de breedte van het lint. Boordwalsen aan beide zijden van het glaslint voorkomen het insnoeren. Onder de boordwalsen bevindt zich een vork die zorgt dat er een gelijkmatige hoeveelheid glas naar de boordwalsen gaat. Met water gekoelde buizen zorgen voor afkoeling tot onder 550 °C. De koelschacht is 15 m hoog en heeft ca. 35 rollenparen. Het fabriceren van glas van verschillende dikte geschiedt door de treksnelheid te variëren. De rollenparen in de trekschacht dienen uitsluitend voor transport en walsen het glas niet. Omdat het vlakglas van dit procédé zonder aanraking van enig ander hulpmiddel wordt gevormd, heet dit pittsburghglas ook wel vuurgepolijst vlakglas. Het procédé van Libbey Owens (Verenigde Staten) is een horizontale trekmethode. Men verankert de boorden van het glaslint door ze, zoals bij het pittsburghprocédé (maar zonder débiteuse), te geleiden door boordwalsen. Het glaslint wordt op ca. 0,85 m hoogte omgebogen over een gladgepolijste, met lucht gekoelde, roestvast stalen wals en verder horizontaal over rollen getransporteerd. Het buigen wordt mogelijk gemaakt door het glas ter plaatse te verhitten met gasbranders. De koeling voor de buiging geschiedt ook hier door met water gekoelde pijpen.

Het afkoelen van het vlakglas na 550 °C is belangrijk voor de sterkte-eigenschappen. Een langere koeltijd geeft meer spanningsvrij, beter te verwerken (snijden) glas; een kortere koeltijd geeft harder, sterker glas.

Bij het uitgieten van vloeibaar glas tussen twee walsen worden in het twinprocédé beide zijden gelijktijdig geslepen. Het gegoten en geslepen vlakglas noemt men spiegelglas. Floatglas verkrijgt men volgens een sinds 1959 toegepaste methode, ontwikkeld door Pilkington in Groot-Brittannië, door het gesmolten glas uit te laten vloeien op gesmolten tin. Door de oppervlaktespanning neemt het dun-vloeibare glas een zeer gelijkmatige dikte aan; alle onregelmatigheden in het oppervlak worden geëgaliseerd door een samenspel van zwaartekracht en oppervlaktespanningen. In de afkoelingszone wordt het glaslint zeer gelijkmatig afgekoeld; men krijgt aldus zonder slijpen en polijsten vlakglas met een hoge kwaliteit, dat ook voor spiegels geschikt is. Tegenwoordig wordt vlakglas meestal op deze wijze gefabriceerd.

Figuurglas wordt vervaardigd volgens hetzelfde procédé als het oude spiegelglas. Vloeibaar glas wordt uitgegoten tussen twee walsen waarvan de onderste vlak is en de bovenste is voorzien van het te fabriceren patroon. Indien gewenst kan in het gegoten glas een gaas worden aangebracht, dat door extra walsenparen wordt ingedrukt en meegenomen (draadglas).

 
   

Nieuwe pagina 1

© copyright WorldwideBase 2005-2009