Glasherstellung. Seminar zum Praktikum Modul ACIII

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1 Glasherstellung Seminar zum Praktikum Modul ACIII

2 Was ist ein Glas? Thermodynamisch unterkühlte Flüssigkeit ungeordnet / amorph keine Elementarzelle / Periodizität Nahordnung, keine Fernordnung unregelmäßige Dichteverteilung chemische Klassifizierung: metallisch / ionisch / kovalent

3 Chemische Klassifizierung metallisch / ionisch / kovalent random closed packing Kontinuierliche flexible Raumnetze z.b. SiO 2 Quarz-Glas Quarz-Kristall

4 Anwendungsbezogene Klassifizierung Hartgläser - Weichgläser Hartgläser besitzen höhere Schmelz-, Verarbeitungs- und Anwendungstemperaturen als die Weichgläser Hartgläser: Borosilikate Höhere Beständigkeit gegen chemischen Angriff Hohe Kühlpunkte Hohe Temperaturwechselbeständigkeit Weichgläser: Natron-Kalk-Gläser Bleigläser Nichtsilikatgläser Geringe Herstellungskosten Leichtigkeit des Erschmelzens und der Formgebung

5 Eigenschaften von Glas Optische Eigenschaften Durchlässigkeit Lichtbrechung Mechanische Eigenschaften Viskosität Netzwerkwandler Wärmeausdehnung Festigkeit Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitfähigkeit Chemische Eigenschaften Beständigkeit

6 Beispiele nach Zusammensetzung klassifiziert Oxidische Gläser Silikatische Gläser: Kieselglas Laborgeräte Natron-Kalk-Glas Fenster- und Verpackungsglas Nichtsilikatische Gläser: Boratglas optisches Glas Phosphatglas optisches Glas Wärmeschutzglas (Zusatz von Fe(II)-Ionen) Mischungen aus mehreren Grundgläsern: Borosilikatglas Duran Laborgeräte Nichtoxidische Gläser Salzartige Gläser: Nitratglas Fluoridglas Chalkogenidgläser optisches Glas (IR durchlässig) Metallische Gläser Kunststoffgläser PS PMMA Schutzbrillen

7 Darstellung Schnelles Abkühlen der Flüssigkeit/Schmelze Flüssigkeit unterkühlte Flüssigkeit Glas metastabil sehr viskos extreme Verlangsamung der molekularen Dynamik im Phasendiagramm schon Kristall Unscharfer Erweichungsbereich Scharfer Schmelzpunkt Anwendung: Handwärmer Glaspunkt (T g )

8 Keimbildungs- und Kristallwachstumsrate Gute Kristallisation Schlechte Kristallisation

9 Kovalente Gläser - Struktur zumeist aus eckenverknüpfte tetraedrischen Grundkörpern Netzwerkbildner: Material, dass die Grundstruktur des Glases bestimmt (z.b. SiO 2 ; B 2 O 3 ; P 2 O 5 ) Netzwerkwandler : reißen die Netzwerkstrukturen auf (z.b. ionische Oxide, Na 2 O, CaO) Je mehr Trennstellen / Netzwerkwandler desto niedriger die Erweichungstemperatur.

10 Charakterisierung: Q n - Nomenklatur Q n mit n = Anzahl der Bindungen die das Netzwerk bilden Beispiel: Silikatglas Phosphatgläser: Woraus? Welche Q n? Je mehr Na 2 O, desto mehr?

11 Auswertung Pulverdiffraktogramm 31 P-NMR: - flüssig nicht möglich (nicht löslich) - fest: 2 Möglichkeiten a) statisch; sehr breite Spektren b) hochauflösend; flüssigkeitsähnliche Spektren

12 Auswertung chemische Verschiebung entspricht Q n (Literatur!!) Integration (normiert) prozentualer Anteil Q n (Rechnung!) Tabelle + Plot: relative site concentration vs. mol% Na 2 O Extrapolation für mol% Na 2 O 0! relative site concentration mol% Na 2 O

13 Durchführung jede Gruppe bekommt einen Quarztiegel exakt abwiegen (nach Einteilung), gut homogenisieren (mörsern) Na 2 O P 2 O 5 Laborplatz 30 mol% 70 mol% 1, 2 35 mol% 65 mol% 3, 4 40 mol% 60 mol% 5, 6 45 mol% 55 mol% 7, 8 50 mol% 50 mol% 9, mol% 45 mol% 11, mol% 40 mol% 13, mol % 35 mol% 15, mol% 30 mol% 17, 18, 19

14 Berechnung des Ansatzes Massen: M(Na 2 O) = 61,98 g/mol M(P 2 O 5 ) = 141,935 g/mol M(Na 2 CO 3 ) = 105,99 g/mol M(ADP) = 115,03 g/mol

15 Berechnung des Ansatzes (Beispiel): 1) Verhältnis Na 2 O / P 2 O 5 = 85% / 15 % Anteil Na 2 O : x(na 2 O) = 0,85 mit M(Na 2 O) = 61,98 g/mol Anteil P 2 O 5 : x(p 2 O 5 ) = 0,15 M(P 2 O 5 ) = 141,935 g/mol M(Glas) = M(Na 2 O) * x(na 2 O) + M(P 2 O 5 ) * x(p 2 O 5 ) = 73,9733 g/mol Wir wollen aber nur 2g (m(glas)) synthetisieren n(glas) = 2g/M(Glas) n(glas) = 0,02704 mol 2) Ausgangsstoffe sind nicht Na 2 O und P 2 O 5 sondern Na 2 CO 3 und NH 4 H 2 PO 4 (ADP) a) Na 2 CO 3 Na 2 O + CO 2 m(na 2 CO 3 ) = n(glas) * x(na 2 O) * M(Na 2 CO 3 ) = 2,436g b) 2 NH 4 H 2 PO 4 P 2 O NH H 2 O m(adp) = n(glas) * x(p 2 O 5 ) * 2 * M(ADP) = 0,933g