The science of glass toughening (in plain English)
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Toughened glass is a staple material in structural glazing. Learn the science behind it in our jargon-free blog.
Gehärtetes Glas ist überall. Aber wie bei vielen Materialien, die uns umgeben, wissen nicht viele von uns, wie es hergestellt wird.
Gehärtetes Glas wird so hergestellt, dass es großen Kräften standhält. Doch als es schließlich zerbricht, zerfällt es in viele kleine Stücke.
Aufgrund seiner Festigkeit und Haltbarkeit eignet es sich ideal für Architekturverglasungen: Türen, Treppen, Balustraden, Trennwände und mehr.
Dies alles ist dem Herstellungsprozess zu verdanken. Glas wird im Wesentlichen auf zwei Arten gehärtet: erstens durch Tempern in einem Ofen und zweitens durch einen Ionenaustausch, der durch ein chemisches Bad hervorgerufen wird.
In diesem Artikel erklären wir diese Prozesse in einfachem Englisch, damit Sie verstehen, wie gehärtetes Glas hergestellt wird. Zuerst: die Ofenmethode.
Die Ofenmethode
Bei dieser Methode wird Glas durch einen Prozess gehärtet, der als „Tempern“ bekannt ist. Zunächst wird das Glas in einen Ofen gegeben, der auf 600°C (1,112°F) erhitzt wird.
Sobald das Glas erhitzt ist, wird es aus dem Ofen genommen und durch unter Druck stehende kühle Luftstrahlen schnell abgekühlt. Dieser Schritt wird als „Abschrecken“ bezeichnet.
Das Abschrecken ist ein schneller Vorgang. Dadurch kühlen die dünnen Oberflächenschichten schnell ab und es entsteht hartes Glas. In diesem Stadium des Prozesses sind die äußeren Schichten hart und kühl, die Innenseite ist jedoch noch warm.
Mit der Zeit verliert auch das Innere an Wärme und wird hart. Aber es zieht sich nicht auf die gleiche Weise zusammen wie die äußeren Schichten. Dies wird durch die harten Außenschichten verhindert.
Das bedeutet, dass die äußeren Schichten komprimiert werden und die innere Schicht eine ausgleichende Spannung hat. Zusammengenommen sorgen diese Eigenschaften dafür, dass Glas extrem schwer zu zerbrechen ist.
Chemisches Vorspannen
Glas kann auch durch Eintauchen in ein chemisches Bad gehärtet werden.
Bei dieser Methode wird das Glas in ein Kaliumnitratbad gegeben und auf eine hohe Temperatur erhitzt – normalerweise über 400°C (752°F).
Dabei kommt es zu einem sogenannten „Ionenaustausch“. Dabei werden die Kaliumionen der Flüssigkeit und die Natriumionen des festen Glases ausgetauscht. Das Ergebnis ist eine gehärtete „Haut“, die das Glas so robust macht wie alte Stiefel.
Wie hat sich der Prozess im Laufe der Zeit verändert?
Das erste Glashärten wurde in 1874 von dem eindrucksvoll benannten Francois Barthelemy Alfred Royer de la Bastie durchgeführt, der kaum festes Glas in einem erhitzten Öl- oder Fettbad abschreckte. Dies war der Beginn des chemischen Vorspannverfahrens, das wir noch heute anwenden.
In 1877, Friedrich Siemens outdid de la Bastie by pressing glass into cool moulds and leaving them to harden – an early version of the quenching process used in today's processing facilities.
Die Tropfen von Prinz Rupert
Prinz Rupert vom Rhein (1619-1682) war ein vielbeschäftigter Mann. Er war nicht nur ein englisch-deutscher Armeeoffizier, Admiral, Wissenschaftler und Kolonialgouverneur, sondern führte im Jahr 1660 auch die Tropfen von Prinz Rupert in England ein.
Dabei handelt es sich um kaulquappenförmige Glasperlen, die eine bemerkenswerte Qualität aufweisen. Wenn man den Schwanz abschneidet, zerplatzt der Tropfen in Stücke. Doch der bauchige Kopf hält wiederholten Hammerschlägen stand.
Dies ist nur aufgrund der Wissenschaft hinter dem Herstellungsprozess möglich – eine Wissenschaft, die mit der heutigen Glashärtung vergleichbar ist.
Prince Ruperts Tropfen werden hergestellt, indem geschmolzene Glastropfen in kaltes Wasser getropft werden. Durch diese schnelle Abkühlung entsteht ein robuster Glaskolben, der einer enormen Kraft standhalten kann – bis zu 67,740 kg.
Diese Glasperlen sind eine Kuriosität. Aber sie sagen uns etwas über die Art und Weise, wie Glas extrem widerstandsfähig gemacht werden kann – etwas, das seitdem verwendet wird, um unsere Sicherheit in allen möglichen Umgebungen zu erhöhen.
Was ist ein Heat-Soak-Test?
Wenn Glas in einem Ofen gehärtet wird, ist es anfällig für sogenannte „Nickelsulfideinschlüsse“. Dabei handelt es sich um mikroskopisch kleine Einschlüsse, die mit der Zeit an Größe zunehmen und zu spontanen Brüchen führen können.
Um dies zu verhindern, führen Glasverarbeiter und -hersteller eine Methode namens Heat-Soak-Test durch. Hierbei werden Glasscheiben auf eine Temperatur zwischen 250°C und 290°C (482°F und 554°F) erhitzt. Wenn ein Blech Nickelsulfideinschlüsse enthält, besteht die Gefahr, dass es zerspringt und daher aus dem Verkehr gezogen wird.
Heat-Soak-Tests sind nicht unfehlbar. Es ist dennoch möglich, dass ein Einschluss den Test besteht und in sehr seltenen Fällen zu einem spontanen Zerbrechen führt. Achten Sie jedoch beim Kauf von gehärtetem Glas darauf, dass Sie sich für einen Verarbeiter, Hersteller oder Lieferanten entscheiden, der Wärmelagerungstests als Teil seines Pakets anbietet.
Kann gehärtetes Glas geschnitten werden?
Gehärtetes Glas ist speziell so konstruiert, dass es zerbricht, wenn die im Glas herrschenden Spannungen gebrochen werden. Das bedeutet, dass es nach Abschluss des Härtungsprozesses nicht mehr geschnitten, gebohrt oder geformt werden kann. Das Glas muss vor dem Brennen nach Kundenwunsch zugeschnitten werden.
Was ist der Unterschied zwischen gehärtetem Glas und Verbundglas?
Sowohl gehärtetes Glas als auch Verbundglas sind Arten von Sicherheitsglas. Allerdings werden sie unterschiedlich hergestellt.
Verbundglas besteht aus zwei oder mehr Glasscheiben – oft vorgespannt – mit einer dazwischen liegenden Kunststoffzwischenschicht. Das heißt, wenn Sie auf eine Verbundglasscheibe stoßen, zerspringt diese nicht. Stattdessen entsteht ein charakteristisches Spinnennetz-Bruchmuster.
Wenn Sie viel Kraft aufwenden, können Sie Verbundglas zerbrechen, es zerspringt jedoch nie. Stattdessen zerfällt es in große Stücke, die von der Zwischenschicht an Ort und Stelle gehalten werden.
Sowohl gehärtetes Glas als auch Verbundglas werden in der Architekturverglasung verwendet, allerdings für unterschiedliche Zwecke. Bestimmte Arten von Verbundglas sind stärker und daher die erste Wahl für Türen, Fenster und andere Elemente, die praktisch undurchdringlich sein müssen.
Final thoughts
Gehärtetes Glas ist aufgrund seiner Haltbarkeit und Festigkeit ein Grundbestandteil der Architekturverglasung. Wir hoffen, dass dieser Artikel ein wenig Licht auf die Herstellung und die Wissenschaft hinter seinen Eigenschaften geworfen hat.
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