Glas: Vastestof of Vloeistof?
Je weet het misschien niet, maar glas is een superboeiend materiaal. Het gedraagt zich als een vaste stof, maar als je goed kijkt is het eigenlijk een vloeistof.
Hoe dit komt is zo’n beetje het mysterie binnen de natuurkunde. Liesbeth Janssen (TU Eindhoven) is er bijna achter hoe het zit.
Tevens heeft zij ontdekt hoe deze kennis kan helpen om ziektes als kanker beter te begrijpen. MEER WEERGEVEN
a. HET FABRICAGE PROCEDE
Er hangt iets geheimzinning, magisch, alchemistisch wanneer glas ontstaat in een oven.
Uit een mengeling van mineralen verschijnt een transparante vloeistof die afkoelt en hard wordt om een edel materiaal te vormen met fonkelende en wisselende effecten.
Gewaardeerd door de oude Egyptenaren, vermeld in de Heilige Schrift in de Vde eeuw vóór Jezus Christus, beschreven door Plinius de Oude twee eeuwen vóór Christus, is glas één van de oudste materialen door de mens gefabriceerd. De vorming die verkregen wordt uit poederkorrels verwarmd tot hoge temperatuur bevat echter nog schaduwzones. Slechts in 2012 is een team van onderzoekers onder leiding van de Franse Emmanuelle Gouillard (CNRS/Saint-Gobain) erin geslaagd de glasvorming in real time en aan de binnenkant van de materie te visualiseren dankzij tomografie X, een krachtige 3-D beeldvormingtechniek.
Het fabricageprocédé van glas bestaat hoofdzakelijk uit drie fases::
- De aanmaak van het eigenlijke glas, uitgaande van drie natuurlijke en overvloedige basisgrondstoffen op Aarde : oxides van silicium, natrium en calcium. Het smelten gebeurt bij ongeveer 1500°C en het zuiveren bij ongeveer 1400°C. Bij het zuiveren worden de gassen die zich later als luchtbellen zouden manifesteren, uit het glas verdreven.
- De bewerking, d.w.z. de vormgeving van de glasproducten, vaak voorafgegaan door een conditioneringsproces, waarbij het glas in een bewerkbare toestand wordt gebracht.
- Het harden dient om de inwendige spanning te verminderen zodat het glas bruikbaar wordt.
De belangrijkste grondstoffen waaraan men tot 80 %, naargelang de toepassingen, gerecycleerd glasafval (glasscherven) toevoegt, worden in drie categorieën opgedeeld:
- De glasvormende oxides zijn de basiselementen die het glas zijn glasachtige structuur geven. Silicium, onder de vorm van zand, wordt het meest gebruikt.
- De toeslagstoffen zorgen ervoor dat de glasvormende oxides bij aanvaardbare temperaturen kunnen worden gesmolten. Onder de smeltmiddelen die de overgang van silicium naar een glasachtige toestand in de hand werken, behoren de alkaliën die hoofdzakelijk in de vorm van natrium- of kaliumcarbonaat worden toegepast.
- De stabiliserende elementen moeten zorgen voor een beperktere kwaliteitsvermindering in de tijd, door atmosferische invloeden. Zij bestaan overwegend uit kalk, magnesium en aluminiumoxide.
Aan deze grondstoffen worden namelijk toegevoegd:
- De zuiveringsmiddelen vergemakkelijken de afvoer van de gassen afkomstig van de scheikundige reacties. Door via opwarming een betrekkelijk grote hoeveelheid gassen te doen vrij komen, waardoor de luchtbellen naar het oppervlak worden gedreven, wat het homogeniseren van het glas in de hand werkt. Hiervoor wordt hoofdzakelijk gebruik gemaakt van natriumsulfaat en natrium- en kaliumnitraat.
- De kleurmiddelen brengen de nodige elementen aan om het glas te kleuren : zwavel, oxides van mangaan, ijzer, nikkel, kobalt, chroom, koper… Voor de fabricage van helder glas moeten zij worden verwijderd of moet de kleur die zij voortbrengen worden gecompenseerd. Het gebruik van bepaalde zandsoorten voor de fabricage van helder glas wordt bijvoorbeeld beperkt door het ijzergehalte, daar dit de eindproducten groenachtig kleurt.
- De troebelingsmiddelen worden gebruikt wanneer glas niet doorzichtig hoeft te zijn : hoofdzakelijk fluor en fosfaten.
Een korte kijk op de eerste grondstof : de glasscherven
Stage “Houten ramen en deuren” – Voordracht van het VGI (Frans) – Van glas naar vensterglas
De levencyclus van glas
OVER HETZELFDE THEMA
- HET GLAS
- VAN ZAND TOT GLAS
- ISOLERENDE BEGLAZING
- ISOLATIE
- ARCHITECTUUR
- HOLGLAS
- ANDERE TOEPASSINGEN
Zand lijkt zo gewoon, je komt het overal tegen. Maar het is een belangrijke delfstof in Nederland. Je kunt er bijvoorbeeld glas van maken.
Zand kan gesmolten worden. Het wordt dan een doorzichtige massa. Het zand moet hiervoor een oven in die wel 1400 graden kan worden! En als het gesmolten zand dan als vloeibaar glas uit de oven komt, moet het zo snel mogelijk gevormd worden.
Via deze lange holle pijp blaas je de hete glasklodder op. Maar het is dan erg moeilijk om een perfecte vorm te krijgen. Om een ronde vorm te krijgen, gebruiken ze hulpmiddelen: mallen.
Je ziet aan de binnenkant al twee vormen zitten. Als je het hete glas hier inblaast, krijgt het glas precies dezelfde vorm als de mal. De mallen zijn van speciaal perenhout gemaakt. Dat hout neemt heel gemakkelijk vocht op. En als je het hout dan goed nat maakt, kan het niet gaan branden als je het hete glas erin blaast.
De meeste glazen worden niet meer met de hand gemaakt, maar in de fabriek. Dat is veel goedkoper. Hier kunnen grote machines wel duizend glazen per uur maken! Tegenwoordig gebruiken we ook glas uit de glasbak om nieuw glas te maken. Dat oude glas wordt vermalen en gemengd met zand. Dan kan het de oven in en komt er gekleurd glas uit.
Goed hergebruik dus!
c. Het maak proces: Van zand glas .
- Over kwarts en zand
- Het smeltpunt van kwarts verlagen
- Wat is glas?
- Variatie in grondstoffen
- Samenstelling glasproduct
De naam van het materiaal ‘glas’ is afkomstig van het Latijnse woord ‘glesum’.
Overigens heeft niet de mens het glas uitgevonden; glas komt ook zo in de natuur voor. Zelfs in de vroegste tijd gebruikte de mens al glas om eenvoudige gereedschappen van te maken.
We moeten terug tot 5000 jaar voor Christus om te ontdekken wanneer de mens al bezig was met het maken van glas; rond 2000 voor Christus zien we bij de Egyptenaren bijvoorbeeld al vazen, siervoorwerpen, geëmailleerde en keramische voorwerpen, speerpunten. Ook in Irak, Griekenland, China en Oost-Europa waren toen al dergelijke voorwerpen te vinden.
Vlakke plaatjes glas zien we pas veel later in Romeinse gebouwen.
Vanaf het allereerste begin van het maken van glas is waarschijnlijk een zandachtig materiaal gebruikt als basismateriaal. Het materiaal kwarts werd als zwerfblokken verzameld; pas na de zeventiende eeuw werd het uit de grond gehouwen, uitgegloeid met een houtgestookt vuur, afgekoeld en daarna vermalen tot zandkorrelig fijn materiaal. Het vermalen gebeurde door mankracht of met watermolens. Pas sinds een paar eeuwen kunnen we beschikken over het juiste samengestelde zand; daarmee kwam een einde aan de dure en ongezonde verwerking van kwarts.
Om kwarts of zand te kunnen gebruiken bij de fabricage van glas, moet het smeltpunt aanzienlijk worden verlaagd. Dit is lang een lastig probleem geweest. Achtereenvolgens zijn potas, glauberzout en soda gebruikt om het smeltpunt te verlagen.
Om het hoge smeltpunt van kwarts (zand) te verlagen werd gebruik gemaakt van potas (kaliumcarbonaat K2CO3). Potas verkreeg men door het verbranden van beuken- en eikenhout. Simpel zou het zijn als men daartoe bomen kapte en er blokken van zaagde, echter nog makkelijker was het om een gat te hakken in de boom en dan de hele boom in brand te steken, waarna de verdere verwerking van de ‘gemaakte’ as volgde. Bij de potas ging het in feite om de hierin aanwezige kaliumzouten.
De overgebleven as werd uitgeloogd en ingedampt; er resteerde dan een bruine zoutmassa, die aan het kwarts of zand werd toegevoegd.
Het effect van het gebruik van potas voor het smelten van kwarts of zand moet niet worden onderschat: 1000 m3 hout leverde maar 0,43 m3 potas op. De verhouding van de hoeveelheid hout als brandstof voor het smelten van de grondstoffen ten opzichte van de hoeveelheid hout nodig voor het vervaardigen van potas bedroeg 1:2,2. Het was dus absoluut nodig om over veel hout te beschikken.
De zeer gebrekkige transportmogelijkheden leidden ertoe dat vervoer van hout over twee kilometer al vrijwel onmogelijk was. Daarom koos men ervoor om niet het hout te vervoeren, maar om een paar kilometer verder een nieuwe potoven op te bouwen.
Overigens hadden de eigenaren van bossen geen problemen met deze vorm van roofbouw, want op deze wijze ontstond er nieuwe landbouwgrond, die meer opleverde dan de bossen.
Als alternatief voor potas uit beuken- en eikenhout werd ook wel gebruik gemaakt van planten; vooral planten uit zoutwatergebieden waren interessant.
Glauberzout
Een alternatief voor de omslachtige winning van potas kwam van Rudolf Glauber (1604-1670). Hij ontdekte het glauberzout (natriumsulfaat Na2SO4). Dit zout was oorspronkelijk bedoeld voor medicinale toepassingen. Het was een duur fabricageproces en glauberzout werd dan ook geen echte vervanging van potas.
De glasnijverheid had steeds dringender behoefte aan een vervanging van potas. Er was een sterk toenemende vraag naar vlakglas. Niet alleen omdat de vraag naar ruiten toenam, maar ook vanuit de veranderende architectuur, die vooral grotere ruiten wilde toepassen.
De verbeteringen in het fabricageproces van glas en de steeds groter wordende glasovens leidden tot het gebruik van gesmolten glas met een hogere viscositeit. Hierdoor was een hoger smeltpunt van het zand nodig en daardoor weer meer smeltpuntverlagend materiaal. Het duurde echter tot in de negentiende eeuw voordat er iets beters werd gevonden: soda.
Soda
De eerste soda waarvan gebruik werd gemaakt was natuursoda, die beschikbaar kwam bij de winning van keukenzout. De vindplaatsen van deze grondstof waren echter beperkt. Pas in 1790 bracht de arts Le Blanc de echte kunstsoda tot ontwikkeling. Door de Franse Revolutie had Le Blanc geen enkel commercieel gewin van deze uitvinding. Hij was hierdoor zo teleurgesteld dat hij zich van het leven benam. Toch waren er glasfabrieken die zelf soda maakten volgens de methode Le Blanc.
Het duurde tot 1885 voordat een volwaardige sodaproductie werd ontwikkeld door de Belg Ernest Solvay; hij groeide uit tot een wereldproducent en tot op de dag van vandaag wordt soda volgens het Solvay-procédé vervaardigd.
Deze productie van soda is een van de belangrijkste gebeurtenissen geweest in glasfabricage.
Bij deze ontwikkeling van de stoffen om het smeltpunt van kwarts en zand te verlagen speelt ook de manier van stoken een rol. De houtgestookte ovens werden geleidelijk vervangen door kolengestookte. Dat betekent dat er een einde kwam aan de roofbosbouw en dat de ovens niet meer op steeds wisselende plaatsen stonden. Bij het gebruik van kolen als brandsof voor de ovens was het handig om de oven zo dicht mogelijk bij een kolenmijn te hebben.
Wat is glas?
Op zo’n heldere materie als glas kunnen ingewikkelde definities worden losgelaten; de vraag ‘Wat is glas?’ is op heel verschillende manieren te beantwoorden.
Enkele omschrijvingen van glas:
- een samenstelling van verschillende chemische stoffen die de eigenschap hebben om glasvormig te zijn (silicium, boro-silicium, germanium, fosfor en arsenicum);
- een smeltproduct opgebouwd uit minerale grondstoffen, dat zonder kristalliseren afkoelt tot een vaste stof;
- glas zijn alle stoffen die qua structuur een vloeibaarheid lijken aan te geven, waarvan de viscositeit bij normale omgevingstemperatuur zo hoog is, dat men het als vaste stof beschouwt;
- glas is een vaste vloeistof.
Het basismateriaal van glas, het silicium, heeft een zodanige opbouw van de moleculen dat bij afkoeling geen kristallisatie optreedt. Hierdoor wordt het materiaal glasachtig. Het doorzichtig zijn van glas moet dan ook gezocht worden in de molecuul-structuur van het silicium.
Variatie in grondstoffen
In het smeltproduct (glas) wordt altijd als grondsto