



Was Glas ist: Struktur und Zusammensetzung
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Vor der Flamme, das Material. Glas ist zugleich starr und zerbrechlich, aus Sand gemacht und aus Feuer geboren. Dieser erste Beitrag beginnt kleiner als das Material, mit den Atomen, aus denen Glas besteht, und warum sie sich verbinden, und betrachtet dann, was Glas eigentlich ist, die wichtigsten Glaszusammensetzungen und wie sie kombiniert werden.
Vor Glas: Atome und das Bedürfnis nach Gleichgewicht
In einem Atom
Alles, woraus Glas besteht, der Sand, die Soda, das Bor, die Metalle, die es färben, besteht aus Atomen. Ein Atom hat ein winziges, schweres Zentrum, den Kern, der aus zwei Arten von Teilchen besteht: Protonen, die eine positive Ladung tragen, und Neutronen, die keine tragen. Um den Kern bewegen sich Elektronen, die viel leichter und negativ geladen sind.
- Protonen bestimmen, was ein Element ist. Jedes Atom mit 8 Protonen ist Sauerstoff, jedes Atom mit 14 ist Silizium, 5 ist Bor, 27 ist Kobalt.
- Neutronen fügen Masse hinzu und helfen, den Kern zusammenzuhalten. Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Anzahl an Neutronen werden Isotope genannt; chemisch verhalten sie sich fast gleich.
- Elektronen bestimmen, wie sich ein Atom verhält: mit welchen anderen Atomen es sich verbindet, wie stark, und wie es mit Licht interagiert.
Ein neutrales Atom hat so viele Elektronen wie Protonen, sodass sich die Ladungen aufheben. Die Elektronen sind in Schalen um den Kern angeordnet, und nur die äußerste, die Valenzschale, nimmt an der Bindung teil.
Warum Atome sich verbinden
Atome sind am stabilsten, wenn ihre äußere Schale vollständig ist, was für die leichteren Elemente im Glas acht Elektronen bedeutet. Sehr wenige Atome werden so geboren. Die Edelgase, wie Neon und Argon, sind es, und deshalb reagieren sie kaum mit irgendetwas. Jedes andere Atom ist in gewisser Weise aus dem Gleichgewicht und findet Gleichgewicht, indem es Elektronen an seine Nachbarn abgibt, aufnimmt oder teilt. Dieser Austausch ist eine chemische Bindung.
- Teilen (kovalente Bindungen): zwei Atome tragen jeweils Elektronen zu einem gemeinsamen Paar bei, das beiden gehört. Silizium hat vier äußere Elektronen und Sauerstoff sechs; durch das Teilen halten sie sich fest umschlungen.
- Abgeben und Aufnehmen (Ionenbindungen): einige Atome lassen ihre äußeren Elektronen leicht los, wie Natrium, Kalium und Calcium; andere ziehen Elektronen an, vor allem Sauerstoff. Ein Atom, das Elektronen verloren hat, wird zu einem positiven Ion, eines, das sie gewonnen hat, zu einem negativen Ion, und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.
Die meisten echten Bindungen liegen irgendwo dazwischen. Die Bindung zwischen Silizium und Sauerstoff ist teilweise geteilt und teilweise ionisch, und sie ist eine der stärksten in den Mineralien der Erdkruste.
Von Atomen zu Glas
Diese Suche nach Gleichgewicht ist es, die Glas bildet. Jedes Siliziumatom bindet sich an vier Sauerstoffe, und jeder Sauerstoff kann zwei Siliziumatome überbrücken, sodass die Atome sich zu dem unten beschriebenen kontinuierlichen Netzwerk verbinden. Natrium und Calcium, die als Flussmittel hinzugefügt werden, geben ihre äußeren Elektronen an den Sauerstoff ab und werden zu positiven Ionen: Sie brechen einige der Sauerstoffbrücken und setzen sich in die Lücken, gehalten von Anziehung statt von geteilten Elektronen. Weniger Brücken bedeuten ein Netzwerk, das bei einer niedrigeren Temperatur weich wird. Bor, mit drei äußeren Elektronen, schließt sich auf seine eigene Weise an das Netzwerk an und bildet Einheiten einer anderen Form.
Es ist auch der Grund, warum Glas Farbe annimmt. Ein Metall wie Kobalt, Kupfer oder Eisen tritt als Ion in das Glas ein, nachdem es einige seiner Elektronen an den Sauerstoff abgegeben hat. Wie viele es abgegeben hat, ist sein Oxidationszustand, und die Elektronen, die es behält, sitzen auf bestimmten Energieniveaus. Wenn Licht hindurchgeht, absorbieren diese Elektronen die Farben, deren Energie der Lücke zwischen den Niveaus entspricht, und lassen den Rest durch. Ändern Sie die Anzahl der Elektronen mit einer Flamme, die reich an Sauerstoff oder reich an Brennstoff ist, und die Farbe ändert sich ebenfalls: Kupfer als Cu²⁺ ist türkis, während Kupfer, das zu neutralen Atomen reduziert wird, die sich zu winzigen Partikeln zusammenballen, rubinrot wird. Oxidation ist genau das: Elektronen, die von einem Atom zum anderen wandern. Farbe in Glas folgt diesem Metall für Metall.
Ein amorpher Feststoff
Struktur
Glas wird aus Sanden mit einem hohen Siliziumdioxidgehalt (SiO2) hergestellt, derselben Verbindung, die das Mineral Quarz bildet. Aber obwohl Glas aus derselben chemischen Verbindung wie Quarz hergestellt wird, ist seine innere Struktur sehr unterschiedlich:
Glas ist ein amorpher Feststoff.
Das bedeutet, dass es fest ist, aber seine Atome nicht in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind. Diese Struktur wird bestimmt, während die heiße Flüssigkeit abkühlt und erstarrt:
- Kristallisation: die Atome organisieren sich in ein regelmäßiges, sich wiederholendes Muster. Beispiele: Salz, Quarz, Diamant.
- Ungeordnete Erstarrung: die Atome bleiben verbunden, aber ohne ein regelmäßiges Muster. Dies geschieht, wenn die Abkühlung die Atome daran hindert, sich zu organisieren: Sie haben keine Zeit, sich neu anzuordnen, und bleiben in einer ungeordneten Struktur zurück. Die Bindungen existieren immer noch, nur ohne ein Muster. Beispiel: Glas.
Glas ist nicht einfach "schnell abgekühlter Quarz". Glasrezepte enthalten Zutaten, die die Kristallisation erschweren. Natrium und Calcium brechen das Siliziumdioxid-Netzwerk auf; Bor schließt sich an das Netzwerk an, baut es aber aus Einheiten einer anderen Form. So oder so verliert das Netzwerk seine Symmetrie, ein regelmäßiges Muster wird schwieriger zu bilden, und das Glas bleibt lieber amorph.
Wenn ein Stab aus Borosilikat in der Flamme erhitzt wird, brechen die Bindungen in diesem Netzwerk und bilden sich immer schneller neu, und das Glas fließt: Es wird zu einer dicken Flüssigkeit, die genauso ungeordnet ist wie der Feststoff. Während es abkühlt, verlangsamt sich die Bewegung, bis die Unordnung in der Zeit eingefroren ist, und es ist wieder ein amorpher Feststoff.
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Zusammensetzung
Die Hauptkomponente der meisten Gläser ist Siliziumdioxid. Wie wir oben gesehen haben, bindet sich jedes Siliziumatom an vier Sauerstoffatome und bildet eine kleine Pyramide, die als Tetraeder bezeichnet wird, und die Tetraeder teilen ihre Ecken, um ein dreidimensionales Netzwerk aufzubauen. Dieses Netzwerk ist extrem stark, weshalb reines Siliziumdioxid erst über etwa 1.700 °C (3.090 °F) schmilzt. Glasmacher fügen andere Oxide hinzu, in drei Familien:
- Netzwerkbildner bauen das Netzwerk auf: Siliziumdioxid (SiO2), Boroxid (B2O3), Phosphorpentoxid (P2O5).
- Netzwerkmodifikatoren brechen das Netzwerk teilweise auf und senken die Schmelztemperatur: Natrium (Na2O), Kalium (K2O), Calcium (CaO).
- Zwischenstoffe, wie Aluminiumoxid (Al2O3), stärken das Netzwerk und verbessern seine Beständigkeit gegen Wasser und Chemikalien.
Wo Modifikatoren das Netzwerk aufbrechen, hinterlassen sie eine offenere, unregelmäßigere Struktur, und diese Offenheit ist es, die es Glas ermöglicht, andere Elemente aufzunehmen, einschließlich der Metalle, die es färben. Glas ist also ein ungeordnetes Netzwerk, das Atome, Ionen oder Partikel in verschiedenen Formen "einfangen" kann. Das ermöglicht es:
- Metalle als Ionen zu lösen → transparente Farben
- winzige Metallpartikel zu bilden → intensive Farben
- winzige Kristalle zu bilden → Trübung
Wie jeder dieser Prozesse funktioniert, ist das Thema von Farbe in Glas.
Entglasung
Glas kann kristallisieren, wenn es zu lange heiß gehalten wird oder wenn es Verunreinigungen enthält, die als Keime für Kristalle wirken. Zeit plus Temperatur gibt den Atomen die Chance, sich neu zu organisieren: genau das Gegenteil von dem, was Glas macht. Dies wird Entglasung genannt, und kleine Kristalle bilden sich, meist auf der Oberfläche. Glasmacher nennen es Devit. Es zeigt sich als eine matte, bereifte Haut, die nicht glatt geschmolzen wird, und es schwächt das Glas.
An der Brennerflamme sind die üblichen Ursachen, zu lange an einer Stelle zu arbeiten, sie immer wieder neu zu erhitzen, und Schmutz oder Rückstände auf dem Stab. Sauberes Glas und effizientes Heizen sind die beste Vorbeugung. Einige Farben neigen eher zu Devit als andere.
Fest, flüssig oder etwas dazwischen?
Der Glasübergang
Ein Kristall wie Eis hat einen scharfen Schmelzpunkt: bei 0 °C ist es fest, einen Moment später ist es Wasser. Glas hat keinen einzelnen Schmelzpunkt. Während es von einem Schmelz abkühlt, wird es einfach immer steifer und steifer. Diese Steifheit ist seine Viskosität, sein Widerstand gegen das Fließen, und sie steigt um viele Größenordnungen zwischen dem fließenden Schmelz und dem starren Stab.
Glasbildende Schmelzen werden über den Punkt hinaus abgekühlt, an dem sie kristallisieren "sollten", ohne dies zu tun. Für eine Weile sind sie eine unterkühlte Flüssigkeit: immer noch in der Lage zu fließen und sich neu anzuordnen. Weiter abkühlen, und die Atome bewegen sich schließlich so langsam, dass ihre Anordnung fixiert ist. Der Temperaturbereich, in dem dies geschieht, ist der Glasübergang, geschrieben Tg. Darunter ist das Material ein Glas: ein Feststoff mit der eingefrorenen Unordnung einer Flüssigkeit.
Der Glasübergang ist ein Bereich statt einer scharfen Linie, und er verschiebt sich ein wenig mit der Geschwindigkeit, mit der das Glas abkühlt. Für Labor-Borosilikat liegt er bei etwa 525 °C. Er liegt nah am Ausglasungs-Bereich, wo ein fertiges Stück in einem Ofen gehalten wird, damit die während der Bearbeitung eingefrorenen Spannungen sich entspannen können, bevor es langsam auf Raumtemperatur abkühlt. Ausglasung wird in Finishing, Combining and Troubleshooting behandelt.
Der Mythos der fließenden Fenster
Eine bekannte Geschichte besagt, dass Glas "eigentlich eine Flüssigkeit" ist, und dass alte Kirchenfenster unten dicker sind, weil das Glas über die Jahrhunderte hinweg nach unten geflossen ist. Das ist nicht wahr.
- Bei Raumtemperatur liegt Glas weit unter seinem Glasübergang. Forscher bei Corning haben die Viskosität von mittelalterlichem Glas aus der Westminster Abbey gemessen und berechnet, dass es in einer Milliarde Jahren um etwa ein Nanometer fließen würde.
- Die ungleichen Scheiben kommen von der Art, wie sie hergestellt wurden. Viel frühes Fensterglas wurde geblasen und zu einer flachen Scheibe gedreht, die in der Mitte dicker war als am Rand, sodass die aus ihr geschnittenen Scheiben in der Dicke variierten, und Glazier tendierten dazu, den schwereren Rand unten anzusetzen.
- Wenn Glas fließen würde, wäre altes römisches Glas schon vor langer Zeit seine Form verloren. Das ist nicht geschehen.
Glas wird am besten als amorpher Feststoff beschrieben: starr wie ein Feststoff, ungeordnet wie eine Flüssigkeit.
Glaszusammensetzungen und Kompatibilität
Glasstäbe und -röhren kommen in vielen Farben und Größen. Wenn Sie anfangen, beginnen Sie mit klaren oder einfarbigen Stäben, um die Grundtechniken zu lernen. Dies sind die wichtigsten Glaszusammensetzungen und wofür sie verwendet werden:
- Soda-Kalk-Glas (ungefähr 70–74% SiO2, mit Na2O und CaO). Das häufigste Glas: Flaschen, Gläser und Fenster. Billig und leicht zu schmelzen, aber es dehnt sich beim Erhitzen stark aus, sodass es bei plötzlichen Temperaturänderungen leicht reißt, und es ist weniger chemisch beständig als Borosilikat.
- Weichglas ist der Name der Lampenmacher für Soda-Kalk-Glas vom Typ, das für die Brennerflamme gemacht ist, wie die italienischen Stäbe, die als Effetre oder Moretti verkauft werden (COE etwa 104). Es wird bei niedrigeren Temperaturen bearbeitbar als Borosilikat (Effetres angegebene Arbeitstemperatur ist etwa 945 °C, 1.733 °F), und Metalle lösen sich leicht darin auf, sodass seine Farbskala sehr breit ist. Es ist anfällig für Thermoschock und muss langsam in die Flamme erwärmt werden. Wird oft für Perlen verwendet. Ofen-Fusing-Glas ist eine verwandte Familie, die in abgestimmten Bereichen wie COE 90 und COE 96 verkauft wird.
- Borosilikat (etwa 80% SiO2, 13% B2O3, 4% Na2O, 2% Al2O3). Boroxid ersetzt viel von der Soda und dem Kalk, was ein dichtes Netzwerk mit sehr niedriger thermischer Ausdehnung gibt, sodass es Thermoschock und chemischem Angriff widersteht. Wird für Laborgeräte, Ofenwaren, Skulpturen und Schmuck verwendet. Es ist das Glas aller Rain and Rivers Schmuckstücke.
- Bleiglas (SiO2 mit Bleioxid, PbO). Blei erhöht den Brechungsindex, sodass das Glas funkelt, und macht es leichter zu schneiden und zu gravieren. Dies ist das Glas der traditionellen "Kristall"-Weingläser: In der Europäischen Union muss "Bleikristall" mindestens 24% PbO enthalten. Wenn wir ein Glas "Kristall" nennen, bedeutet das nicht, dass es eine geordnete atomare Struktur hat; der Name ist historisch.
- Aluminosilikatglas (SiO2 mit einem hohen Anteil an Al2O3). Sehr stark und hitzebeständig. Die meisten Handy-Schutzgläser sind ein Alkali-Aluminosilikat, das chemisch gestärkt ist: in einem Bad aus geschmolzenem Kaliumsalz ersetzen größere Kaliumionen kleinere Natriumionen an der Oberfläche, was es in eine Kompression presst, die Rissen widersteht.
- Reines Siliziumdioxidglas, oder geschmolzenes Siliziumdioxid (nur SiO2). Die niedrigste Ausdehnung der gängigen Gläser, und extrem hitzebeständig. Wird in der Optik und Wissenschaft verwendet.
- Phosphatglas (aufgebaut auf P2O5 statt Siliziumdioxid). Mit Neodym dotiert, wird es in Hochleistungslasern verwendet.
- Fluorid- und Chalkogenidgläser (Fluoride, oder Schwefel, Selen und Tellur, statt Oxide). Wird für Infrarot verwendet: spezielle optische Fasern und Wärmebildlinsen.
Kompatibilität
Jedes Glas dehnt sich aus, wenn es erhitzt wird, und zieht sich zusammen, wenn es abkühlt, und jede Zusammensetzung tut dies in einem anderen Maße. Wenn zwei Gläser, die zusammengefügt werden, unterschiedlich zusammenziehen, zieht eines am anderen: innerer Stress, und früher oder später ein Riss, manchmal an der Brennerflamme, manchmal Tage später.
Diese Bewegung wird als thermischer Ausdehnungskoeffizient, COE, gemessen. "COE 33" ist eine Abkürzung: das Glas wächst um 33 × 10−7 seiner Länge für jeden Grad Celsius (gemessen zwischen 20 und 300 °C). Datenblätter schreiben denselben Wert als 3,3 × 10−6 pro Kelvin. Je niedriger die Zahl, desto weniger bewegt sich das Glas und desto besser überlebt es plötzliche Temperaturänderungen.
| Glas | Typischer COE (× 10−7/°C) | Wo Sie es treffen |
|---|---|---|
| Geschmolzenes Siliziumdioxid | etwa 5 | Optik, Laborgeräte |
| Borosilikat | 32–33 | Laborglas, Ofenwaren, Brennerflammen-Skulpturen und Schmuck |
| Fenster- und Flaschenglas | etwa 85–90 | Alltägliches Soda-Kalk-Glas |
| Fusing-Glas | 90 oder 96 | Ofen-geformtes Glas |
| Italienisches Weichglas (Effetre/Moretti) | etwa 104 | Lampenmacher-Perlen |
Die praktischen "Regeln" folgen daraus:
- Mischen Sie niemals Gläser aus verschiedenen COE-Familien. Boro und Weichglas werden nicht zusammenbleiben, und auch COE 90 und COE 96 Fusing-Glas nicht. Obwohl dies eine "Regel" ist, ist meine Praxis sehr experimentell, und ich genieße es, Glas zu kapseln, um zu sehen, was passiert.
- Innerhalb einer Familie, verwenden Sie Stäbe, Farben, Fritten und Stringer, die für dieses System verkauft werden. Für Borosilikat bedeutet das, Farben zu verwenden, die dafür gemacht sind, mit COE 33 Klar kompatibel zu sein.
- Eine passende Zahl ist ein starker Leitfaden, keine Garantie: Gläser unterscheiden sich auch in der Viskosität, sodass selbst zwei Gläser, die als derselbe COE verkauft werden, gelegentlich nicht übereinstimmen können. "Getestet kompatible" Bereiche wurden vom Hersteller geprüft.
Wie man Kompatibilität testet
- Der Stringer (Pull)-Test. Schmelzen Sie die Spitzen von zwei Stäben nebeneinander zusammen, ziehen Sie das verbundene Glas zu einem dünnen Faden und lassen Sie es abkühlen. Wenn der Faden gerade bleibt, stimmen die Gläser überein. Wenn er sich biegt, nicht: je stärker die Biegung, desto größer der Missmatch.
- Der Polarisator. Verbinden Sie ein kleines Teststück mit klarem Glas Ihres Systems, glassen Sie es aus, und schauen Sie es zwischen zwei gekreuzten Polarisationsfiltern mit Licht dahinter an. Stress zeigt sich als helle Halos um die Verbindung; ein kompatibles, gut ausgeglastes Stück sieht ruhig aus. Der gleiche Test sagt Ihnen, ob ein fertiges Stück richtig ausgeglast wurde.
Borosilikat verstehen
Borosilikat ist ein Favorit unter professionellen Lampenmachern für komplizierte, robuste Stücke. Seine Geschichte, von Otto Schotts Labor in Jena bis in das Studio, wird in A History of Glass and Lampworking erzählt.
Hohe thermische Beständigkeit
Borosilikat hat einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (COE 33), etwa ein Drittel von dem von Weichglas, was es widerstandsfähig gegen Thermoschock macht. Es kann in und aus die Flamme gehen, mit dicken und dünnen Bereichen nebeneinander, ohne sofort zu reißen, sodass Sie an größeren oder komplexeren Stücken arbeiten können. Es braucht auch mehr Hitze, um geformt zu werden. Labor-Borosilikat-Datenblätter geben diese Referenzpunkte:
| Punkt | Temperatur | Was es bedeutet |
|---|---|---|
| Arbeitspunkt | etwa 1.260 °C (2.300 °F) | Weich genug zum Formen und Blasen |
| Erweichungspunkt | etwa 825 °C (1.515 °F) | Beginnt unter seinem eigenen Gewicht zu durchhängen |
| Ausglasungspunkt | etwa 560 °C (1.040 °F) | Innerer Stress entspannt sich innerhalb von Minuten |
| Glasübergang | etwa 525 °C (980 °F) | Darunter ist die Struktur eingefroren |
Gefärbte Stäbe variieren leicht, also folgen Sie dem Ausglasungsplan, den Ihr Glaslieferant empfiehlt. Boro wird normalerweise an einer Brennerflamme gearbeitet, die mit Brenngas und Sauerstoff betrieben wird, was seine eigenen Sicherheitsanforderungen mit sich bringt: siehe The Studio.
Mit Präzision arbeiten
Da Borosilikatglas wiederholtem Erhitzen standhält und im heißen Zustand steifer ist als Weichglas, behalten dünne Glasstücke ihre Form, wo man sie platziert. Es arbeitet langsamer, belohnt daher Geduld und eine präzise Brennerführung. Dies eignet sich für dünne, filigrane Strukturen wie gedrehte Stäbe und zarte Hohlformen sowie für Schmuck, der jeden Tag getragen werden muss.
Warum Borosilikatglas für Schmuck geeignet ist
- Widerstand gegen thermischen Schock. Ein Anhänger kann von einer warmen Hand in kalte Luft gelangen, ohne zu brechen.
- Chemische Beständigkeit. Es ist beständig gegen Wasser, Schweiß, Seife und die meisten alltäglichen Chemikalien, sodass seine Oberfläche klar und strahlend bleibt.
- Festigkeit in dünnen Formen. Bei ordnungsgemäßer Auslagerung entstehen feine, leichte Stücke, die für ihre Größe robust sind. Es ist aber dennoch Glas: Ein Sturz auf Stein kann es zerbrechen lassen. Es verlangt nach Sorgfalt.
Farben und Fritten
Beim Kombinieren von Gläsern oder Hinzufügen von Farbe sollte stets der COE berücksichtigt werden, um Spannungsrisse zu vermeiden. Borosilikatglas funktioniert nur mit Farben und Fritten, die dafür entwickelt wurden. Wählen Sie daher Materialien für COE 33 und testen Sie unbekannte Farben, bevor Sie sie in einem fertigen Stück verwenden.
Nun, da wir wissen, was Glas ist, führt der nächste Beitrag seiner langen Geschichte weiter, von den ersten Perlen Mesopotamiens bis hin zur Brennerarbeit: Eine Geschichte des Glases und der Brennerarbeit.
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01What kind of solid is glass?
Its atoms are bonded together but not arranged in a repeating pattern: the disorder of a liquid, frozen in place.
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02What is the main component of most glass?
Silica forms a network of linked tetrahedra. It is the same compound that forms quartz, arranged without order.
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03Why do glassmakers add network modifiers such as sodium and calcium?
Pure silica only melts above about 1,700 °C. Modifiers open up the network so the glass melts and works at lower temperatures.
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04What is devitrification?
Too much time at heat, or dirt on the rod, lets crystals start to grow. Glassworkers call it devit.
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05Why are some old church windows thicker at the bottom?
At room temperature glass is far below its glass transition. Medieval glass would flow about a nanometre in a billion years.
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06What is the typical COE of borosilicate glass?
COE 33 means it grows 33 × 10⁻⁷ of its length per °C: about a third of soft glass, which is why it resists thermal shock.
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07What happens when two glasses with very different COE are fused?
One glass pulls against the other as it shrinks. Annealing cannot fix a mismatch in expansion.
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08What is "soft glass" in lampworking?
Soft glass works at lower temperatures and has a wide colour range, but it expands far more than borosilicate.
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09In the stringer pull test, what does a curved thread tell you?
A straight thread means the glasses agree. The stronger the curve, the bigger the mismatch.
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10Which pair of qualities makes borosilicate well suited to jewelry?
It survives temperature changes and resists water, sweat and soap. It is still glass, though: she asks for care.
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