Glas
|
Glas is een niet-kristallijne vaste stof
Inhoud |
[bewerk] Glasovergang
Wanneer een vloeistof voldoende snel wordt afgekoeld, wordt er vaak de mogelijkheid om te kristalliseren aan ontnomen, doordat het materiaal de gelegenheid niet krijgt om groeikernen voor de kristalgroei te vormen. Bij een temperatuur die meestal veel lager ligt dan het kristallijne smeltpunt ondergaat het materiaal dan een ander soort stollingsproces: een glasovergang. Bij beide vormen van stolling (glaspunt en vriespunt) gaan veel vrijheidsgraden van beweging verloren en kunnen de atomen van het materiaal niet meer vrij bewegen, maar alleen nog om een evenwichtspunt trillen. Het verschil tussen de twee overgangen is dat bij het vriespunt ook een ordening van de structurele eenheden van de stof plaatsvindt, wat bij een glasovergang achterwege blijft. Onder het glaspunt is het systeem een amorfe vaste stof, erboven een onderkoelde vloeistof.
[bewerk] Soorten glas
De meest bekende vorm van glas, in gebruik voor ramen, (drink)glazen, vazen, e.d. is een mengsel van silicaten. Voor het produceren van drinkglazen / vazen /flessen e.d. zijn de volgende 3 methodes te gebruiken: 1)Blaas/Blaas, 2)Pers/Blaas en 3)Pers produktie. De belangrijkste grondstof daarvoor is kwarts of silica (SiO2) meestal gewonnen uit zand. Silica is een zuur oxide, dat met water kiezelzuur kan vormen.
[bewerk] Kwartsglas
In pure vorm kan van silica ook een glas gemaakt worden: kwartsglas. Dit materiaal is echter moeilijk te bewerken; het heeft bijvoorbeeld een hoog en vrij abrupt smeltpunt (boven 1100 oC). Kwartsglas wordt alleen voor speciale doeleinden toegepast, bijvoorbeeld in cuvetten die UV-licht doorlaten of voor ampullen die hoge temperaturen moeten kunnen doorstaan. Het is echter naar verhouding duur. De verwachting is dat dat binnenkort echter verandert omdat er een nieuwe manier is gevonden om kwartsglas te bewerken namelijk door middel van een sterke laser die relatief goedkoop is.
[bewerk] Bergkristal
Net als kwartsglas bestaande uit zuiver silica. Door de lange tijd die het kristalrooster heeft gekregen om zich te vormen, is het (quasi) perfect gekristalliseerd: het rooster bestaat uit regelmatige zeshoeken. Het is daarmee een kristallijne vaste stof en niet een glas. Van buitenaf is dat verschil niet goed te zien, maar in het Röntgendiffractie patroon is het verschil erg groot.
[bewerk] Commercieel glas
Wegens de hoge verwerkingstemperatuur (en de bijhorende hoge verwerkingskosten), voegt men bij commerciële glassoorten verzachters toe: metaaloxides als CaO en Na2O. De vermindering van het aantal dwarsverbindingen maakt het glas zachter en vermindert de glastemperatuur.
Gewoon glas bestaat uit slechts 70% SiO2, en veel zachtmakers (10% CaO, 15% Na2O) en wordt verwerkt op 700°C. Wegens zijn samenstelling noemt men het ook natronkalkglas. Het heeft een hoge thermische uitzetting, en is daardoor niet geschikt voor laboratoriumtoepassingen. Daar gebruikt men een glas met een bijzondere samenstelling (Pyrex) of het veel duurdere kwartsglas. De beide laatste materialen zijn goed tegen snelle temperatuursveranderingen opgewassen.
[bewerk] Fabricage
Het meeste glas wordt gefabriceerd door aan het zure SiO2 basische verbindingen, zoals natrium- of kaliumhoudende carbonaten, toe te voegen. Ook zware metalen zoals lood (in kristalglas) worden toegepast. Glas is chemisch gezien dus een mengsel van silicaten Na-K-Ca-Mg-...-Si-O. Afhankelijk van de precieze samenstelling heeft het glas verschillende eigenschappen, bijvoorbeeld een ander smeltpunt, een andere brekingsindex, dispersie of een andere uitzettingscoëfficiënt. Omdat bij verwarming een glazen voorwerp door uitzetting kan springen, maakt men glas met een speciale samenstelling (Pyrex), waar dit soort problemen minimaal zijn. Voor toepassingen in de optica, met name voor speciaal gecorrigeerde objectieven, worden glassoorten met zeldzame aarden of fluoriet gebruikt die een extreem lage dispersie hebben.
[bewerk] Geblazen glas
Blazers laten een bol van glas verwarmen aan het einde van een riet (holle metalen buis), en blazen in dit riet om het glas te laten uitzetten en aldus een bolvormige element uit glas te bekomen. Naderhand rekt men deze bolvorm uit (tot een cilindervorm), en snijdt men die cilinder overlangs. Dan kan men de cilinder platdrukken, en heeft men een plat glasoppervlak.
[bewerk] Glastrekken
Men maakt een bad van gesmolten glas, plaatst een (rechte) staaf horizontaal in de vloeistof, en trekt deze staaf omhoog. Het glas is zo visceus dat deze de staaf zal meevolgen. Je krijgt op die manier snel een plat glasoppervlak, hoewel deze niet perfect is. Oude ramen zijn vaak nog opgebouwd uit platen glas verkregen door glastrekken, je kan dat zien doordat het doorschijnen niet perfect is.
[bewerk] Gietglas (Pilkington glas)
Deze methode werd in 1950 uitgevonden door Pilkington: men giet het gesmolten glas bovenop een bad van gesmolten tin. Het glas is lichter dan het tin, en drijft daar dan ook bovenop. Momenteel wordt zo'n 90% van alle glas met deze methode gemaakt. Gesmolten metalen geven een perfect vlak oppervlak en op deze manier is ook (de ene kant van) het glas perfect vlak. De gietglasmethode wordt vooral voor het maken van grote glasplaten, zoals vensterglas, gebruikt. Het kan toegepast worden in een continu gietproces: aan één kant wordt het vloeibare glas op het vloeibare tin gegoten, aan de andere kant wordt de gestolde glasplaat afgekoeld en in gewenste afmetingen gesneden. Men kan naar wens de dikte van de glasplaat variëren.
[bewerk] Bewerkingsmogelijkheden
[bewerk] Andere soorten glas
Silicaten zijn zeker niet de enige materialen die een glasovergang ondergaan. We hoeven maar in de moderne huiskamer om ons heen te kijken. Veel van de kunststoffen die we daar aantreffen worden ook in de glasvorm toegepast. De kristallijne vorm is bij polymere kunststoffen zelfs eerder uitzondering dan regel.
Het is zelfs mogelijk om metaal-glazen te maken. Daartoe moet de smelt echter wel zeer snel afgekoeld worden, omdat glasvorming vooral gemakkelijk optreedt wanneer de smelt visceus (stroperig) is en dat is bij metalen niet zo. De benodigde ultra-snelle afkoeling wordt bereikt door een dun straaltje gesmolten metaal op een trommel te schieten die snel ronddraait en van binnen uit sterk gekoeld wordt.
[bewerk] Eigenschappen van glazen
Een groot voordeel van glazen is dat het isotrope materialen zijn, die geen korrelgrenzen vertonen. De isotropie en de relatief gemakkelijke vormbaarheid van een glas maakt het mogelijk om 'glasheldere' doorzichtige voorwerpen te maken. Ook andere eigenschappen zoals sterkte en hardheid zijn vaak erg goed en bovendien te regelen door de samenstelling te veranderen. Een nadeel is dat glas erg breekbaar is. Voor polymere glazen is dat ook het geval, maar het is mogelijk om materialen te maken die zowel glasachtige delen en rubberachtige delen bevatten, waardoor men het beste van twee werelden kan verkrijgen, zowel de hardheid van het glas en de taaiheid van de rubber. Een goed voorbeeld daarvan is HIPS (High-Impact PolyStyreen).
