Ruotsia täytyy harrastaa aina kun ehtii. Tämä vuonna 1944 Tukholmassa painettu pieni kirjanen kertonee meille mitä on lasi. Kyse ei siis ole jäätelöstä.
Kehitys on toki voinut kehittyä näiden 70 vuoden aikana joten en voi väittää että tämä opus edustaisi tekniikan viimeistä sanaa. Kirjasen kieli on hiukkasen vanhahkoa ja arvokkaan tuntuista verbien monikkomuotoineen ja saattaa tuntua nykyaikaisesta lukijasta omituiselta. Vanhoja verbien monikkomuotoja on kuitenkin helppo oppia tulkitsemaan.
Vad är glas? - Med detta ord förknippa väl de flesta något sprött och genomskinligt. Dessa egenskaper äro emellertid ej typiska bara för glas - ett stycke stensalt (koksalt) är också "glasklart" och sprött. Var ligger då skillnaden?
Jo, dels kan stensaltet lättast klyvas i vissa riktningar, dels smälter saltet vid en viss temperatur, vilket är typiskt för en kristall, varmed menas en fast kropp, vars smådelar t.ex. atomerna äro inbördes ordnade i ett visst system, ett s.k. kristallgitter. Vid upphettning av en kristall tillföres energi, smådelarna bli allt oroligare och gittret brister plötsligt sönder vid en viss temperatur : ämnets smältpunkt är uppnådd.
I ett glas däremot äro smådelarna ej ordnade i ett sådant mönster - någon kristallform existerar ej och inte heller någon smältpunkt. Ett stycke glas som upphettas, mjuknar därför så småningom. Ett glas har således ett smält- eller rättare sagt ett mjukningsintervall, - en uppgift om att ett glas smälter vid 700° bör tas med reservation! Glas uppför sig alltså ungefär som en vätska, vilken vid lägre temperaturer är så seg (= har så hög viskositet), att den till det yttre verkar som en fast kropp.
Kort och gott och paradoxalt: Glas är en fast vätska.
Vi vända nu på satsen och fråga: Är en fast vätska alltså ett glas? Bör t.ex. det organiska Plexiglaset kalls ett glas? Detta är närmast en smakfråga. Det finns nämligen en väsentlig skillnad mellan "hyalina" (glasiga) organiska föreningar och det som "vanliga människor" mena med glas, i det den senare gruppen omfattar genom värme bildade (pyrogena) oorganiska produkter, medan de organiska "glasen" framställs genom en speciell hopkopplingsmetodik av molekyler - polymerisation - vid jämförelsevis låga temperaturer. Dessa produkter skola vi i det följande icke syssla med, varför vi kunna använda följande definition:
Glas är en underkyld smälta.
Att den moderna glasforskningen funnit brister även i denna definition, skola vi se i det följande kapitlet.
- - - Det berättas, att ett skepp, lastat med salpeter, strandade vid en sandig kust. Besättningen steg i land för att bereda sin måltid och använde därvid några salpeterstycken som underlag för kökkärlen, då några stenar ej kunde påträffas. Genom värmen smälte dessa stycken och förenade sig med sanden. På så sätt uppfanns glaset.
Detta är i korta drag berättelsen om glasets upptäckt enligt Plinius' Naturhistoria, men senare tiders forskare ha visat, att fenicierna - vilka det här var fråga om - ej kunna ta åt sig äran av att ha upptäckt glaset, då man i Egypten funnit glasföremål, som äro över 9000 år gamla. Man visste således redan då att glaset var en pyrogen produkt, som erhålles genom sammansmältning av lämpiga kemikalier, men de första fragmentariska försöken till en vetenskaplig förklaring av glasets natur finner man hos grekiska lärde.
Under medeltiden var den åsikten mycket utbrett, att glaset var en metall, emedan - för att tala med sjanjoren Gilgil - ett glas "stelnar vid avsvalning och smälter vid upphettning". Andra forskare, t.ex Albert Magnus, inrangerade glas och ädelstenar under samma kategori, och renässansforskaren Biriguccio kom sanningen ännu närmare : glas är ett med eldens hjälp konstgjord material.
I början av 1800-talet framträdde vår landsman Berzelius med sina epokgörande undersökningar, och vad var väl naturligare än att söka tillämpa hans förmler även på glasets kemi! J. Dumas ansåg helt enkelt, att glas utgjorde ett silikat eller en blandning av flera silikat, och år 1879 uppställde Weber sin s.k. normalglasformel, enligt vilken ett användbart glas bör innehålla en mol natrium- eller kalium-oxid och en mol kalciumoxid på sex moler kiselsyra. Denna formel kan man ännu påträffa i litteraturen, och den kan fortfarande sägas ha ett visst praktisk värde för glassmältaren.
Efter sekelskiftet började man tillämpa de nyförvärvade kunskaperna om naturens byggnadsstenar - atomer och molekyler - även vid utforskandet av glasets byggnad. Härvid gick man fram efter två linjer, antingen mera indirekt genom att studera sambandet mellan en viss egenskap beroende av temperaturen och glasets sammansättning, eller också sökte man direkt intränga i strukturen med de strålar av olika slag, som stodo vetenskapsmännen till buds.
Resultaten läto icke heller vänta på sig. Den definition som vi godtagit i inledningen präglades redan 1905 av Tammann, men strängt taget är även denna för allmänt hållen, ty ett flertal forskare upptäckte att flera egenskaper, såsom t.ex. längdutvidgningskoefficienten ökade diskontinuerligt (ojämnt) med temperaturen, vilket tyder på omvandlingar i den inre byggnaden (strukturen) av något slag. Denna knick i utvidgningkurvan sker alltid vid en och samma temperatur för ett och samma glas - förutsatt att försöksbetingelserna äro konstanta - varför denna s.k. transformationspunkt på sätt och vis motsvarar smältpunkten för ett kristalliserande ämne. Denna punkt har även stor betydelse vid tillverkning av i synnerhet tjockväggiga glasföremål, då man borttager alla spänningar genom att uppvärma glaset över transformationspunkten, då molekylernas rörlighet blir tillräckligt stor för att tillåta en spänningsutjämning.
Snart efter röntgenstrålarnas upptäckt år 1895 sökte man självfallet även avslöja glasets hemligheter med detta enastående medel att klarlägga strukturen. Resultatet blev emellertid ej entydigt. År 1930 uppställde Randall, Rooksby och Cooper på grundval av sina forskningar den s.k. kristallithypotesen, vilken innebär att ett glas är sammansätt av ett otal ytterst små kristaller - kristalliter - av storleksordningen 10 Å (= Ångstömenheten = en tiomilliondels mm). Dessa forskare visade härvid för första gången, att de primära byggandsstenarna i ett silikatglas utgöras av en kiselatom, symmetriskt omgiven av fyra syreatomer på avståndet 1,62 Å. Gruppen [SiO4] bildar alltså en tetraeder, d.v.s. en trekantig pyramid.
Dessa SiO4-grupper utgöra även enligt Zachariasens nätverksteori grundstenarna till glasets struktur, ehuru i detta fall grupperna hänga ihop hörn vid hörn under bildning av ett oregelbundet, tredimensionellt nätverk, som trasas sönder desto mer, ju fler metallatomer som tränga in i maskorna. Denna teori har experimentell understötts framför allt genom Warrens forskningar och torde numera - åtminstone i sina huvuddrag - vara allmänt antagen. En uppfattning om utseendet av ett dylikt "atomnät" torde läsaren få av fig. 1, som fölreställer atomgrupperingar hos rent kvartsglas, medan fig. 2 åskådliggör hur natrium- och kalciumatomerna bryta sönder nätmaskorna i ett natronkalkglas. Av fig. 3 framgår tydligt den regelbundna uppbyggnaden av atomerna i en kvarts-kristall.
Men Zachariasen gick ännu längre. Han ställde också upp de fordringar, som en oxid mäste uppfylla för att kunna bilda ett glas, och resultatet blev att följande oxider borde kunna vara i stånd därtill:
Trevärda oxider: bor (B), fosfor (P), antimon (Sb), arsenik (As).
Fyrvärda oxider: kisel (Si), germanium (Ge).
Femvärda oxider: fosfor (P), arsenik (As), antimon (Sb), vanadin (V), niob (Nb), tantal (Ta).
De kursiverade ämnenas oxider ha också kunnat erhållas i glasigt tillstånd, vilket ju är ett bra stöd för teorien!
I det följande komma vi att vid flera tillfällen falla tillbaka pä Zachariasens nätverksteori.
Som redan nämnts, erhåller man ett glas genom sammansmältning av vissa ämnen. Bland dessa äro följande tre kända sedan urminnens tider, nämligen sand, soda och kalksten, vilka fortfarande utgöra de tre hörnstenarna vid all glastillverkning, och detta av följande orsaker.
För det första måste glaset innehålla ett ämne, som uppbär glasets typiska egenskap: att kunna bilda en underkyld smälta, så att ingen kristallisation, avglasning, äger rum. Den nästan uteslutande använda glasbildaren är kiseldioxiden, SiO2 som ju förekommer i naturen i form av sand.
För det andra måste i flertalet fall tillsättas ett ämne, som gör glasmassan tillräckligt lättsmält, således ett flussmedel. Denna egenskap har just natriumoxiden, Na2O, vilken i allmänhet tillföres i form av soda (natriumkarbonat, Na2CO3).
För det tredje slutligen måste glasets kemiska motståndskraft vara tillfredställande, vilket åstadkommes genom en "stabilisator", vartill vanligen användes kalciumoxid, CaO, i form av kalksten, CaCO3.
Dessa tre egenskaper: avglasning - vilket regleras av glasbildaren - , viskositet - som är beroende på flussmedel, och kemisk motståndskraft - vilken bestämmes av en stabilisator, avgöra i första hand ett glas' användbarhet, men man kom ganska snart underfund med att glasets egenskaper så att säga kunde finregleras med vissa beståndsdelar. Största förtjänsten i detta hänseende tillkommer Otto Schott (1851 - 1935). Dessa tillfälliga beståndsdelar kunna lämpligen indelas med hänsyn till de egenskaper på vilka de ha största inflytandet.
Indelning av glaset beståndsdelar blir sålunda:
Redan å sid. 11 nämndes vilka oxider som enligt Zachariasens teori böra kunna räknas till kategorien glasbildare, och av dessa kunna följande oxider existera självständigt som glas:
B2O3, Al2O3, SiO2, GeO2, P2O5, As2O5, V2O5
Av dessa sju oxider ha blott tre stycken fått större betydelse för glastillverkning, nämligen B2O3, SiO2 och P2O5. Dessa äro samtliga "sura" oxider d.v.s. bilda i förening med metalloxider den negativa delen. Surheten stiger i ordningen SiO2, B2O3 och P2O5.
Kiselsyreanhydrid (oeg. kiselsyra) SiO2, är den utan jämförelse viktigaste beståndsdelen i nästan alla glas, och kan ensam smältas till kvartsglas.
Kiseldioxiden i kristalliserat tillstånd uppför sig mycket egendomligt vid upphettning, i det den omvandlas flera gånger, innan den slutligen vid ungefär 1700° övergår till kvartsglas. Vi ser av fig. 4, att det existerar tre huvudformer: kvarts, tridymit och cristobalit, vilka i sin tur finnas i olika modifikationer. Dessa ha för glasforskaren icke blott teoretisk intresse, i det t.ex. cristobalitens uppträdande i glasmassan kan avslöja en hel del om de termiska förhållandena vid glassmältningen.
Borsyreanhydrid (borsyra) B2O3 hänger så intensivt fast vid glastillståndet, att man först på senare tid lyckats erhålla ämnet i kristalliserad form. Utan tillsats av andra ämnen bildar borsyran ett kemiskt föga beständigt glas. Redan Kunckel upptäckte vid mitten av 1600-talet dess värdefulla egenskaper, ehuru först Schott tillfullo förstod att utnyttja borsyran i sina borosilikatglas, vilka trots sin lättsmälthet ha hög kemisk resistens och genomskinlighet i ultraviolett. Denna förening kan därför med lika stor rätta räknas under grupp 2 eller 3.
Borsyra (ej anhydriden) och borax äro de vanligaste råmaterialen.
Tillsättes borsyra till ett ursprungligen borsyrefritt glas, skall man finna, att de allra flesta egenskaperna till en början förändras lineärt med tillsatsen, men vid omkring 15% B2O3 börjar kurvan kröka sig och vända åt andra hållet.
Denna märkliga "borsyreanomali" har Dietzel förklarat sålunda:
Rent borsyreglas består i analogi med kvartsglaset av BO3-trianglar ordnade i ett oregelbundet nätverk. Denna packning är mindre hållfast än SiO4-tetraedern, varför också borsyreglas har en mycket hög utvidgningskoefficient (160·10-7 vid 200°). Vid tillsats av en basisk oxid, såsom Na2O, bildas även BO4-tetraedrar, emedan denna konfiguration så att säga tar större hänsyn till natriumatomernas strävan att bilda komplex med syreatomerna. Glaset blir emellertid snart "mättat" med Na2O, och den härav förorsakade störningen upphör, varefter BO3-trianglar åter kunna bildas. Det är sålunda den övergående tetraederbildningen, som förorsakar borsyreanomalien. Vid ytan av ett borsyreglas finnas endast BO3-komplex, varför en sådan egenskap som ytspänningen ej uppvisar någon anomali.
På grund av dessa förhållanden brukar borsyrehalten i glas ej överstiga 10 - 15%. Rena boratglas ha dock funnit användning för vissa metallånglampor, emedan ett silikatglas lätt angripes under bildning av fritt kisel.
Fosforpentoxid P2O5. Redan på Kunckels tid kände man kalciumfosfatets förmåga att åstadkomma mjölkglas. Som egentlig glasbildare har detta ämne medvetet använts först av Schott i vissa optiska glas (fosfatkronglas), och Corning Glass Works i USA tog år 1928 ut ett patent på ett borsyrehaltigt kalciumfosfatglas (Corex) med exceptionellt hög genomskinlighet för ultravioletta strålar men med ringa kemisk motståndskraft. Fosfatglasens ringa absorption i ultraviolett ha uppmuntrat till vidare försök, och man kom snart underfund med, att tillsats av framför allt aluminium hade ett gynnsamt inflytande på fosfatglasens stabilitet, beroende pä bildningen av stabila AlPO8-komplex av samma typ som SiO4-tetraedrarna. Trots detta äro dessa glas i allmänhet mycket - ofta alltför mycket - lättsmälta.
Som råmaterial tjänstgör fosfat eller fri fosforsyra.
Som ovan nämnts, måste vid glassmältning i allmänhet ett flussmedel tillsättas för att kunna erhålla ett glas vid rimliga smälttemperaturer. Vi ha redan påpekat, att borsyran kan tjäna härtill, men de mest typiska flussmedlen äro alkalioxiderna, av vilka - helt naturligt - blott natron och kali fått större användning, speciellt då den förstnämnda föreningen. Litiumhaltiga glas kännetecknas på grund av denna metalls låga atomvikt av hög genomskinlighet för röntgenstrålar ("Lindemannglas"). På senare tid har litium med framgång införts i glas med låg utvidgningskoefficient, då man erhåller samma flussverkan med en mindre mängd Li2O än Na2O, varigenom alkalioxidernas ofördelaktiga inverkan på denna egenskap göra sig mindre gällande.
Alkalioxiderna måste således närmast betraktas som ett nödvändigt ont för glassmältaren, då de förutom sin flussverkan icke medför några speciella fördelar.
Med stigande halt av dessa oxider minskas den kemiska moståndskraften betydligt. På grund härav brukar maximihalten hålla sig kring 20%. Tillsatsen sker numera huvudsakligen i form av soda respektive pottaska. Någon gång användes natriumsulfat, vilken under förra världskriget användes som surrogat i vårt land och återigen måst tillgripas på grund av den minskade sodatillgången.
Skillnaden mellan dessa båda oxiders verkan, är bl.a. att kaliglas äro mera svårsmälta. Vidare har ett kaliglas mindre termisk utvigdningskoefficient och ger på det hela taget renare färger med olika färgämnen. I blyglas föredrar man pottaska framför soda, emedan man därvid erhåller ett renare glas, enligt Dietzel beroende på bildningen av färglösa järnkomplex. - Glas med två delar natron och en del kali ha visat sig särskilt lätta att bearbeta.
Kort sagt, ett kaliglas är i alla hänseenden "ädlare".
Såsom flussmedel kan även blyoxiden räknas. Denna förening är huvudbeståndsdel i de tunga och starkt ljusbrytande glas vi kalla kristallglas. För vissa optiska ändamål användas blyglas med över 80% PbO. Den specifika vikten kommer då att överstiga 6 (normala värdet är c:a 2,5). På grund an sin höga atomvikt har bly som beståndsdel i ett glas ett starkt förminskande inflytande på den elektriska ledningsförmågan. Av samma orsak absorberas röntgenstrålar särskilt effektivt av blyglas.
Blyhaltiga glas igenkännas mycket lätt på det metallglänsande beslag, som uppstår vid värmebehandling i reducerande atmosfär.
Som råmaterial användes uteslutande mönja, Pb3O4.
Den genom tillsats av flussmedlen minskade kemiska motståndskraft ökas åter till ett tillfredsställande värde genom tillsats av en stabilisator...