PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN VON FLACHGLAS
PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN VON FLACHGLAS
Definition und Zusammensetzung
Das Glas, das wir heute als Baumaterial verwenden, wird auf Grund seiner Zusammensetzung Kalk-Natron-Silikatglas genannt. Bei der Herstellung werden die Rohstoffe erhitzt. Durch den nachfolgenden Kühlprozess haben die Ionen und Moleküle keine Möglichkeit, sich zu ordnen. Silizium und Sauerstoff können sich nicht zu Kristallen zusammenschließen, der ungeordnete Molekülzustand wird „eingefroren”. Glas besteht daher aus einem unregelmäßig räumlich verketteten Netzwerk aus Silizium (Si) und Sauerstoff (0) in dessen Lücken Kationen eingelagert sind. Wird Glas auf etwa 1000 °C erhitzt und diese Temperatur eine gewisse Zeit gehalten, beginnt eine so genannte Entglasung. Dabei entstehen Siliziumkristalle, die von der eigentlichen Glasmasse abgesondert werden. Dieser Vorgang führt zu milchig opakem Glas.
Glas ist kein Festkörper im chemisch-physikalischen Sinne, eher eine erstarrte Flüssigkeit. Die Moleküle sind ungeordnet und bilden kein Kristallgitter. Oft wird dieser Umstand als Grund für die Transparenz des Stoffes genannt. Daneben gibt es aber noch weitere Theorien. Eine führt zum Beispiel die Transparenz auf die Tatsache zurück, dass Siliziumoxid eine sehr stabile Verbindung ist, die keine freien Elektronen aufweist, die mit der Lichtstrahlung wechselwirken können.
Vereinfachte schematische Darstellung der Strukturen von Floatglas (links) und kristallinem SiO2
Da Glas aus verschiedenen Verbindungen besteht, gibt es keine chemische Formel für die Berechnung der physikalischen Eigenschaften. Glas hat keinen Schmelzpunkt, wie das von anderen Stoffen, etwa von Wasser bekannt ist, das oberhalb von 0 °C flüssig ist und unterhalb von 0 °C zu Eis kristallisiert. Bei Erwärmung geht Glas kontinuierlich von einem festen (hochviskosen) in einen flüssigen (niedrigviskosen) Zustand über. Der Temperaturbereich zwischen festem, sprödem und plastisch viskosem Zustand wird oft als Transformationsbereich bezeichnet. Dieser liegt bei Floatglas zwischen 520 – 550 °C. Als grobe Vereinfachung kann daraus der Mittelwert 535 °C abgeleitet werden, der als Transformationspunkt oder Transformationstemperatur (Tg) bezeichnet wird.
Schematische Darstellung der Eigenschaftsänderungen (fest/flüssig) bei kristallinen und glasigen Substanzen
Der Umstand, dass Glas zu Recht als eingefrorene Flüssigkeit bezeichnet wird, führt oft zur Meinung, Glas würde auch im erstarrten Zustand stetig, wenn auch nur sehr langsam fließen. Eine senkrecht stehende Glasscheibe würde nach einem genügend großen Zeitraum (nach Jahrzehnten oder Jahrhunderten) am unteren Ende messbar dicker werden. Dem ist aber nicht so. Es gilt heute als wissenschaftlich erwiesen, dass ein Glaskörper bei Gebrauchstemperaturen seine Form durch die eigene Schwergewichtsbelastung nicht verändert, es sei denn es handelt sich um eine Durchbiegung im statischen Sinn.
Im Vergleich zu vielen Kristallen, hat Glas eine amorphe Isotropie, d. h. die Eigenschaften sind unabhängig davon, in welcher Richtung sie gemessen werden.
Zuammensetzung von Kalk-Natron-Glas
Mechanische Eigenschaften
Zug- und Druckfestigkeit
Die silikatische Grundmasse verleiht dem Glas Härte und Festigkeit, aber auch die bekannte und unerwünschte Sprödigkeit. Eine Eigenschaft, der man in jedem Anwendungsfall gebührende Beachtung schenken muss. Glas kennt, im Gegensatz etwa zu Metallen, keinen plastischen Bereich. Es ist elastisch bis zur Bruchgrenze. Der Bruch erfolgt daher plötzlich, ohne vorherige sichtbare Anzeichen.
Die Druckfestigkeit von Glas ist sehr hoch. Sie übertrifft diejenige von anderen Baumaterialien bei weitem. Daher stellt sie bei der praktischen Anwendung von Glas am Bau kaum Probleme dar. Entscheidend ist die Zugfestigkeit, insbesondere die Biegezugfestigkeit. Es ist bekannt, dass Glasfasern eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweisen. Es besteht jedoch ein großer Unterschied zwischen der Tragfähigkeit einer Glasfaser und einer Glasscheibe. Die Tragfestigkeit der Glasscheibe hängt praktisch nicht mehr vom Zusammenhalt in der chemischen Struktur ab, sondern von anderen Einflüssen. Glas ist in Wirklichkeit kein völlig kompakter Körper, sondern verfügt über zahlreiche Diskontinuitäten, als Oberflächenfehler in Form von Mikrorissen und Kerbstellen. Letztendlich bestimmen diese die praktische Festigkeit. Bemerkenswert ist zudem, dass die Festigkeit mit der Belastungsdauer abnimmt, daher gelten in der Praxis oft unterschiedliche zulässige Spannungen, je nach Art der Belastungsdauer. Eine typische Kurzzeitbelastung ist z. B. Windlast, während Schneelasten längerfristig einwirken.
Weg-/Kraftdiagramm von Glas, Stahl und Holz im Vergleich. Quelle: Beratungsbüro für warme Kante und Glas, Ingrid Meyer-Quel
Vergleich der Festigkeiten verschiedener Werkstoffe (ca. Werte)
* Rechenwert gemäß Zulassung
Elastizitätsmodul
Materialrohdichte
Gewicht
Merkgröße für den Alltag:
1 m2 Glas wiegt pro mm Dicke 2,5 kg.
1 m2 Floatglas mit 6 mm Dicke
wiegt 6 x 2,5 kg = 15 kg.
Oberflächenhärte
Im Vergleich zu anderen Werkstoffen, etwa Holz, Metalle und Kunststoffe, besitzt Glas eine sehr harte Oberfläche.
Ritzhärte nach Mohs (HM)
Kratzer sind ab einer Tiefe von etwa 100 nm (0,0001 mm) sichtbar, ab etwa 2000 nm (0,002 mm) spürbar. Bei beschichteten Gläsern sind Kratzer bereits ab einer Tiefe von ca. 10 nm sichtbar!
Thermische Eigenschaften
Wärmeausdehnungskoeffizient
Verglichen mit anderen Werkstoffen besitzt Glas eine geringe Wärmeausdehnung, die zudem von der Zusammensetzung abhängt. Glaskeramik z. B. weist praktisch keine Wärmeausdehnung auf. Daher entfallen Spannungen, die sich aus unterschiedlich 2. erwärmten Zonen ergeben können. Der Ausdehnungskoeffizient von 9,0 x 10–6/K bedeutet, dass sich eine 1 Meter lange Floatglasscheibe bei einer Erwärmung um 100 °K um 0,9 mm ausdehnt. Für Aluminium läge der analoge Wert bei 2,4 mm.
Wärmeleitfähigkeit
Im Vergleich zu Metallen, ist die Fähigkeit von Glas, Wärme zu leiten, zwar sehr gering, gegenüber gebräuchlichen Isolationsmaterialien jedoch hoch. Sie spielt aber in der praktischen Anwendung am Bau nur eine unbedeutende Rolle, da die außerordentlich gute Wärmedämmung von Isoliergläsern insbesondere auf der Wirkung von Wärmedämmbeschichtungen beruht.
Wärmeleitkoeffizient
Temperaturwechselbeständigkeit
Unter Temperaturwechselbeständigkeit versteht man die Fähigkeit, einem schroffen Temperaturwechsel zu widerstehen. Sie wird in Kelvin angegeben und stellt ein Maß für die Wahrscheinlichkeit eines so genannten Thermoschocks dar, d. h. eines Bruches infolge thermischer Überbelastung. Je höher die Temperaturwechselbeständigkeit eines Glases ist, desto geringer ist die Gefahr für einen Thermoschock. Ein direkter Schluss aus der Temperaturwechselbeständigkeit auf maximal zulässige Oberflächentemperaturen einer Verglasung ist jedoch nicht möglich, da insbesondere die Temperaturverteilung im Bauteil maßgebend ist.
Chemische Eigenschaften
Floatglas weist eine hohe Resistenz gegenüber fast allen Chemikalien auf. Eine Ausnahme bildet Flusssäure (HF), die zum Glasätzen verwendet wird. Auch gegen viele wässrige Lösungen ist Glas jedoch nicht absolut stabil. Sowohl saure als auch insbesondere basische Lösungen können die Oberfläche angreifen.
Einwirkung von Säure
Es handelt sich um einen Ionenaustausch, bei dem z. B. Na+ und Ca2+-Ionen gegen H+ Ionen ersetzt werden, ohne dass das SiO2-Netzwerk angegriffen wird. Daher hinterlässt dieser Prozess keine sichtbaren Spuren. Ein ähnlicher Prozess wird sogar genutzt um Gläser zu veredeln, beim so genannten chemischen Vorspannen.
Einwirkung von Laugen
Bei diesem Prozess reagiert die Lauge mit dem SiO2-Netzwerk. Es entstehen lösliche Kieselsäuren, die Glasstruktur wird zerstört. Es bleiben sichtbare Verätzungen zurück, etwa wenn Zementmilch auf eine Verglasung gelangt. Schon nach kurzer Standzeit wird die Oberfläche angegriffen und es treten irreparable Schäden auf.
Glaskorrosion im Grenzbereich von Wasser und Luft
Gläser, die längere Zeit im Wasser stehen, können im Grenzbereich zwischen Wasser und Luft durch einen chemischen Prozess beschädigt werden. Durch das Herauslösen von Natriumionen kann in Verbindung mit Wasser Natronlauge entstehen. Bei einem ständigen Austausch des Wassers wird diese Lauge sofort stark verdünnt und ist damit ungefährlich. Im Übergang zwischen Wasser und Luft, wo das Wasser nur geringfügig ausgetauscht wird, oder bei einem Angriff von 36 stehendem Wasser findet keine Verdünnung statt und damit kann eine Oberflächenbeschädigung durch die entstehende Natronlauge stattfinden.
Strahlungsphysikalische Eigenschaften
Eine hervorragende Eigenschaft von Glas ist seine Durchlässigkeit für Sonnenstrahlung, insbesondere für Licht. Dieses Merkmal, verbunden mit seiner hohen Festigkeit, seiner harten Oberfläche und seiner außerordentlich hohen Beständigkeit macht Glas zu einem einzigartigen, praktisch nicht ersetzbaren, Baustoff.
Spektrale Unterteilung der Sonnenstrahlung
Spektrale Durchlässigkeit von Floatglas verschiedener Dicke
Weitere Eigenschaften
Schalldämmung
Auf Grund seiner Dichte eignet sich Glas ausgezeichnet zur Schalldämmung. Glas wird jedoch im Vergleich zu anderen Baustoffen (Backstein, Beton, Holz, usw.) in der Regel nur in sehr geringen Dicken eingebaut, damit relativiert sich diese Aussage. Optimale Schalldämmwerte erreicht man mit entsprechend aufgebauten Isolierglas- oder mit speziellen Verbundsicherheitsglaselementen, deren Elementdicken vergleichsweise immer noch sehr gering sind.
Schalldämmwerte von Gläsern und anderen Baustoffen
Beständigkeit
Glas ist einer der beständigsten Baustoffe, den man sich vorstellen kann.
Glas
- rostet nicht
- fault nicht
- wird nicht von Pilzen befallen
- verwittert nicht
- verfärbt sich nicht
- nimmt keine Feuchte auf
- gibt keine Feuchte ab
- quillt nicht
- schwindet nicht
- verwindet sich nicht
- widersteht Kälte und Wärme
- wird weder spröde noch weich
- ist UV- und lichtbeständig
- ist 100 % recycelbar
Zusammenfassung der wichtigsten technischen Kennwerte von Floatglas
PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN VON FLACHGLAS
- Definition und Zusammensetzung
- Mechanische Eigenschaften
- Thermische Eigenschaften
- Chemische Eigenschaften
- Strahlungsphysikalische Eigenschaften
- Weitere Eigenschaften
- Zusammenfassung der wichtigsten technischen Kennwerte von Floatglas