Gläser können ganz verschiedene Eigenschaften haben, je nachdem, mit welchen Zusätzen man sie modifiziert. Ein neues Verfahren vereinfacht es nun, Glaseigenschaften zu analysieren: Es ist bis zu fünfmal schneller als bisherige Methoden und kommt mit nur 20 % des Materials aus. Auf der Messe Glasstec in Düsseldorf stellten die Forscher das Verfahren vor.
Ob in Wohnungen, im Auto oder in industriellen Prozessen – Glas ist ein universeller Werkstoff. Seine Eigenschaften sind so außergewöhnlich, dass es oft keine Alternative zu diesem Material gibt. So etwa in der Hochtemperaturbrennstoffzelle, in der abwechselnd Lagen aus Keramiken und Metallen miteinander gefügt werden: Soll kein explosiver Wasserstoff entweichen, müssen Metall und Keramik fest miteinander verbunden werden, die Nahtstelle muss komplett dicht sein. Das schafft nur Glas, in diesem Fall auch als Lotglas bezeichnet. Doch wie verhält sich der Werkstoff bei hohen Temperaturen? Wie stark dehnt er sich aus? Bislang wird das mit einer Schubstange untersucht, die auf einen Zylinder aus dem Glas drückt. Erwärmt sich das Glas, dehnt es sich aus und schiebt die Schubstange zurück. Wird es allerdings flüssig, klebt es an der Schubstange und macht sie unbrauchbar. Auch wenn es darum geht, Gläser mit neuen Eigenschaften zu entwickeln, brauchen Wissenschaftler verlässliche, schnelle und einfache Methoden, um die Eigenschaften des Materials zu untersuchen.
Forscher vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Wertheim haben jetzt eine thermooptische Messanlage entwickelt, mit der sich Gläser umfassend charakterisieren lassen. Nach Dr. Andreas Diegeler, Leiter des Zentrums für Geräte- und Anlagenentwicklung am ISC, lassen sich mit dieser Anlage erstmalig alle Glaseigenschaften gleichzeitig untersuchen – und das im Labormaßstab, also mit wenig Probenmaterial. Die Anlage besteht aus einem Ofen, in den eine CMOS-Kamera hineinschaut. Diese Kamera ermöglicht es den Forschern, das Glas während des gesamten Wärmeprozesses zu beobachten.
Kernstück für die Charakterisierung ist das Maximum-Bubble-Pressure-Modul, mit dem die Wissenschaftler die Viskosität und die Oberflächenspannung des Glases in geschmolzenem Zustand messen können. Das Prinzip, das sich hinter diesem Begriff verbirgt: Das Glas wird in einem Tiegel aus Quarzglas erhitzt. Da das Quarzglas mit rund 1600 °C einen höheren Schmelzpunkt hat als anderes Glas, bleibt der Quarzglas-
tiegel fest, während das zu untersuchende Glas darin langsam schmilzt. Eine Quarzglaskapillare – also ein kleines Röhrchen mit einem Innendurchmesser von 1 mm bis 3 mm – wird vollautomatisch durch ein Loch im Ofendach in die Glasschmelze getaucht. Ebenfalls vollautomatisch wird durch das Röhrchen eine definierte Menge Gas in die Glasschmelze geblasen. Die Kapillare im geschmolzenen Glas ähnelt einem Strohhalm in einem Wasserglas: wird Luft durch den Strohhalm geblasen, entstehen Blasen im Wasser. Macht man das gleiche mit Joghurt, sieht man weniger Blasen. In ähnlicher Weise können die Forscher durch die Art der Blasenentwicklung auf die Viskosität, also die Zähflüssigkeit des Glases schließen, aber auch die Oberflächenspannung der Glasschmelze bestimmen. Mit dem thermooptischen Messprinzip können sie zudem weitere wesentliche Glaseigenschaften festlegen, etwa die Wärmedehnung unter anwendungsnahen Bedingungen.
Das Verfahren bietet viele Vorteile. Zum einen spart es Zeit. Mit der thermooptischen Anlage lässt sich Glas mindestens fünfmal schneller charakterisieren als bisher. Denn wo bislang fünf Proben hergestellt und einzeln analysiert werden mussten, um fünf charakteristische Viskositätspunkte des Glases zu untersuchen, reicht nun eine Probe, die in nur einer Heizfahrt untersucht wird. Zudem hilft das Verfahren, Ressourcen zu sparen. Da statt fünf Proben nur eine gebraucht wird, spart man, natürlich in kleinem Maßstab, 80 % des Materials. Die Anlage leistet aber nicht nur bei Glas gute Dienste. Sie ist für jegliche Art von Schmelzen einsetzbar, sei es Stahl oder Schlacke. Eine weitere interessante Alternative: Statt wie für die Untersuchungen Gas in das Glas zu blasen, das nicht mit dem Glas reagiert, kann man auch Gas einbringen, das chemisch mit dem Werkstoff reagiert und so seine Eigenschaften verändert. Dies könnte ein alternativer Weg sein, um neue Gläser zu entwickeln.
Als Materialforschungsinstitut entwickelt das Fraunhofer ISC innovative nichtmetallische Werkstoffe für die Produkte von morgen. Das Institut stellt dabei bewusst volkswirtschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen, wie sie die Zukunft prägen werden, ins Zentrum seiner Arbeit: Energie, Umwelt und Gesundheit. In der gesamten Wertschöpfungskette – beginnend bei der Herstellung von Werkstoffen über deren Verarbeitung bis zum Produkt selbst – gilt es die Energie- und Ressourceneffizienz zu steigern. Der Lösungsweg ist die stetige Verbesserung von Herstellprozessen und die Entwicklung neuer, multifunktionaler Materialien. Die Vorteile der Nanotechnologie werden verantwortungsbewusst genutzt, um das Spektrum der Eigenschaften und Funktionen von Werkstoffen zu erweitern. Über eine herausragende Materialkompetenz verfügt das Fraunhofer ISC bei anorganisch-organischen Hybridpolymere, die am Institut erfunden und weiterentwickelt wurden. Sie werden in vielen kommerziellen Produkten eingesetzt, zum Beispiel in funktionalen Beschichtungen für Brillengläser, als Dentalwerkstoffe oder für Anwendungen in der Mikrooptik und Mikroelektronik.
Neue Produktwelten eröffnen alle Werkstoffe aus dem Fraunhofer ISC: Keramische Verstärkungsfasern für den Hochtemperatureinsatz, biodegradierbare Faservliese für medizinische Zwecke, neue adaptive Werkstoffe in flüssiger und fester Form für intelligente Bauteile sowie Spezialgläser und -keramiken für technische Anwendungen.
- Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, www.isc.fraunhofer.de
