Üveg

Az üveg általános értelemben amorf szilárd anyag, amelynek egyes tulajdonságai a folyadékokra jellemzőek. Az üveg olyan keverék anyag, amely lehűlés közben kristályosodás nélkül jut mechanikailag szilárd állapotba. Ez a cikk alapvetően a szűkebb értelemben és a köznyelvben „üvegnek” nevezett kvarcüvegről és annak változatairól szól, és nem tárgyalja a különböző egyéb üvegfajtákat, például a vulkáni kőzetek tömegének nagyobb részét adó kőzetüvegeket.

A vulkáni üvegek legismertebb fajtája az obszidián.Helmut Scheffer, Glastechnik – Band 1 Werkstoff Glas. S. 198 f. Emellett létrejönnek tektitek meteoritbecsapódáskor,Helmut Scheffer, Glastechnik – Band 1 Werkstoff Glas. S. 204 ff. fulguritok villámcsapáskor,Helmut Scheffer, Glastechnik – Band 1 Werkstoff Glas. S. 208 f. trinititek atombomba robbanásakor, és a köfelsit friktionit hegyomláskor.Th. Erismann, H. Heuberger, Ekkehard Preuss: Der Bimsstein von Köfels (Tirol), ein Bergsturz-“Friktionit”. In: Mineralogy and Petrology. Bd. 24, Nr. 1–2, Springer, Wien März 1977, ISSN 0930-0708, S. 67–119, doi:10.1007/BF01081746. Ezek az üvegek főként a homok megolvadásával alakulnak ki, de a kristályrács a lökéshullámok hatására olvadás nélkül is tönkremehet – így jön létre például a földpátból a maszkelinit. Szol-gél folyamatokkal is előállíthatók üvegek; így készülnek az aerogélek.

A kvarcüveg technológiai szempontból folyadék; viszkozitása mintegy 1040 Pa·s. Mintegy -féle üveget ismerünk, amelyek közül 7–800-at használunk a gyakorlati életben – ezek a kereskedelemben is kaphatók. Összetételük és ezzel tulajdonságaik eltérőek. Szerkezetük a folyadékokéhoz hasonlóan véletlenszerű; az olvadt ömledékből rögzül a megszilárdulás pillanatában. A folyadék- és az üvegállapot között az a különbség, hogy a megszilárdult üvegszerkezetben (üvegállapotban) az atomok hőmozgása gátolt.

Alapanyagai

thumb|jobbra|Kvarchomok

Mivel a tiszta kvarchomokot sokáig nem tudták megolvasztani (a kvarc olvadáspontja 1700 °C körül van), nátriumot és/vagy káliumot tartalmazó, úgynevezett folyósító anyagokat kevertek hozzá. Az alkáliákat változatos nyersanyagokból (pl. sziksó, sótűrő növények, tengerparti cserjék és tengeri algák hamuja, fahamu) biztosították. Ezekkel ugyan le tudták vinni az olvadáspontot 1000–1200 °C közé, de ezzel jelentősen csökkent az üveg kémiai stabilitása, mivel az alkáliák jól oldódnak a vízben. A kémiai stabilizálás érdekében harmadik összetevőként mészkövet adtak a keverékhez; olvasztás közben ebből a szén-dioxid elillant.

Az üveggyártás jelenleg mintegy 90%-át kitevő nátronüveghez ezeket az alapanyagokat használják: Kvarchomok. Ennek anyaga, a szilícium-dioxid az üveg fő tömege. Fehérüvegben a vas-oxid (Fe2O3) nem lehet több 0,05%-nál, különben az üveget zöldre vagy barnára színezi — így színeződnek el az üvegpalackok. Nátrium-karbonát, Na2CO3, a kvarchomok olvadáspontjának csökkentésére, folyékonyabbá tételére, az üvegszerkezet kialakítására és a nátrium adagolására. Összeolvasztáskor a nátrium-karbonátból felszabadul és távozik az olvadékból a szén-dioxid. A nátriumot esetenként nátrium-nitrát vagy nátrium-szulfát formájában viszik az üvegbe. Kálium-karbonát, K2CO3, a nátrium-karbonáthoz hasonló célokra és kálium-oxid hozzáadására. Földpát alumínium-oxid hozzáadására és a kémiai ellenállás javítására. Mészkő az üveg szerkezetének kialakításához. A belőle visszamaradó kalcium-oxid növeli a kémiai ellenállóképességet és keményebbé teszi az üveget. Dolomit magnézium-oxid és kalcium-oxid hozzáadására. A magnézium-oxid a kalcium-oxidhoz hasonlóan hat, de a túl sok magnézium-oxid kellemetlenül megemelheti az olvadáspontot. Törtüveg: akár az olvadék 90%-át is elérheti. Lehet újrahasznosított vagy selejt üveg; legfeljebb 80%-a lehet üveggyapot.FMI Fachverband Mineralwolleindustrie e.V.: Egyre több üveget hasznosítanak újra üveglapokként, autóablakokként vagy üvegpalackként, ahol az újrahasznosított anyag aránya 30-60%-a lehet. Bizonyos esetekben ez az arány elérheti a 80%-ot. (letöltve 2010 szeptemberében) Ezzel nyersanyagot és energiát spórolnak, mivel a törtüveg könnyebben olvad, mint a keverék. Problémás lehet a színek, a speciális üvegek szétválogatása és az idegen anyagok, fémek, műanyagok, kerámiák bentmaradása. Az idegen anyagok tökéletlen olvadása üveghibát okozhat, emellett az olvasztómedencét is tönkretehetik, mert a fémek beépülnek a tűzálló alapanyagba.

Speciális üvegekhez használnak még ólom-dioxidot, bóraxot, bárium-karbonátot és ritkaföldfémeket.

Szerkezete

thumb|right|220px|Kevert alkáli alapüveg szerkezete (a nátriumot részben kálium helyettesíti)

Bár az üveget régóta használjuk, atomos felépítése és szerkezete máig sem teljesen ismert. William Houlder Zachariasen 1932-es, általánosan elfogadott elmélete szerint a kémiai kötések olyanok benne, mint a kristályos kvarcban, de molekulái nem rendeződtek kristályrácsba. A kötéstávolság és a kötések szöge is változó. Az elemi cellák szintjén még látszanak benne a SiO4 tetraéderek, de nagyobb méretekben már nem. Ezért is nehéz leírni szerkezetét, különösen a köztes tartományban, ahol se a statisztika, se a tetraéderek nem segítenek. A kötések változatosságának kutatása a fizika egyik alapkérdése.

Amikor az üveg lehűl, akkor lényegében nem alakul át a halmazállapota, hanem egy bizonyos hőmérséklet-tartományban megnő a viszkozitása és megkeményedik. A kristályos anyagoktól eltérően az üvegnek, mint amorf anyagnak nincs fagyáspontja. Az átalakulási tartomány hideg végén végbemenő termodinamikai átalakulás jellemző az üvegre. Itt megváltozik néhány fizikai tulajdonsága: a viszkozitás, a hőtágulási együttható és a fajhő. Ez az átalakulás nemcsak a kvarcüvegnél megy végbe, hanem minden üveges szerkezetű anyagban.

Története

Az üvegtárgyak sokáig alapvetően dísztárgyak (vagy azok részei) voltak. Ennek megfelelően az üvegművesség sokáig egységes szakma volt: az üveget ott formázták, díszítették, ahol gyártották. Az elkülönülés fokozatos volt, és útja a félkész termékek árusításán át vezetett (a muranói üvegesek millefiori rudakat exportáltak). A Habsburg-birodalomban a cseh kristályüveg gyártása (Csehországban) és csiszolása (német nyelvterületen) már jelentősen elkülönült, majd döntően az üveg iparszerű tömegtermelésével vált el egymástól, mivel ettől fogva az üvegtárgyak többsége hétköznapi használati tárgy lett, alárendelt díszítő funkcióval. Ezért az üveg története nagyjából a 19. század végéig írható le egységesen; onnantól külön kell beszélnünk az üveggyártásról és az üvegművészetről.

Külön kell említeni egyes speciális üvegfajtákat, amelyek gyártása már korábban elkülönült az üvegművesség fő vonalától. Ilyenek:

a fénytani üvegeket (flintüveg, koronaüveg stb.) az 1700-as évek óta gyártják speciális adalékokkal és eljárásokkal.

A kezdetek

Az üveggyártás kezdetéről több legenda is szól. Egyesek szerint az üveget a zsidók ismerték meg, amikor egy nagy erdőtűz után a hamu és a homok összeolvadásából keletkezett üvegszerű anyagot találtak. Idősebb Plinius szerint a föníciaiak fedezték fel egy szerencsés véletlen folytán, amikor a szódát szállító hajósok a vihar elől partra szálltak, és tüzet gyújtottak. Az edényeiket szódadarabokkal támasztották alá, és a szóda a parti homokkal üveggé olvadt. E legendákat régészeti leletek nem támasztják alá.

Az első üvegszerű anyagok Nyugat-Ázsiában, illetve Mezopotámiában tűntek fel valamikor az i. e. 5-4. évezred táján, részben a kerámiakészítés melléktermékeiként, mint a porózus kerámiát vízhatlanná tevő mázak. Hasonló mázakkal idővel égetett agyag gyöngyöket is burkoltak. Bizonyosra vehető, hogy az első üvegeknek lehetett valami köze az ekkoriban kibontakozó fémművességhez. Az ércek olvasztása ugyanis több meleget igényelt, mint a cserépedények és mázaik égetése, és valószínű, hogy az eközben véletlenszerűen keletkezett üvegdarabkákat kezdték el idővel tudatosan használni, majd előállítani. Az első keverékek alapanyaga homok, mész és szóda volt, amit rézzel (olvasztott malachittal) színeztek. A kezdetleges olvasztás és a nyersanyagok szennyeződései miatt az üveget a tömeges légbuborékok és zárványok átlátszatlanná, opakká tették. Az első üveggyöngyök szíriai lelőhelyekről kerültek elő az i.e. 5. évezredből. Ez a mezopotámiai alapüveg két komponensből készült: kvarchomokból és sótűrő növények hamujából. Egy, az i.e. 18. században írt ékírásos szöveg említ egy harmadik összetevőt is, de hogy mit, azt nem sikerült azonosítani.Fórizs István: Üvegkészítés Magyarországon a kezdetektől a XVIII. századig. A Miskolci Egyetem Közleménye A sorozat, Bányászat, 74. kötet (2008) p. 113-136. Az első öblösüvegek ugyancsak Mezopotámiában kerültek elő az i.e. 12. századból.

Egyiptomban az üveg gyártását az újbirodalomban, I. Thotmesz fáraó szíriai hadjáratáról hozott ázsiai üvegmunkások a kor egyik legelterjedtebb technikájával, a homokmag körüli formálással kezdték meg. Ehhez homokos agyagból kiformálták az edény alakját, és ezt a formát vonták be az olvadékkal. A felszínből kidomborodó üvegszálak az üvegtárgyak felületének népszerű díszei voltak. A szálak többnyire színtelenek voltak, ritkábban sárga-opál árnyalatúak. A száldíszítés gyakran a kígyó tekergő mozgását utánozta. A vékony üvegszálakat fakéssel fésülték meg, így alakították ki az egyiptomi üvegek jellegzetes díszeit. Miután az üvegcse kihűlt, kiütötték belőle az agyagmagot. Ezzel az eljárással csak kisebb illatszer-, illetve balzsamtartókat tudtak készíteni; ezek gyakran voltak figurálisak (pl. hal alakúak). A legkorábbi, hitelesen datálható egyiptomi üvegtárgyak az i. e. 1470 körül készült, ún. III. Thotmesz-féle edények.

Ugyancsak Egyiptomban készítették az első síküvegeket, de ezek a kis lapkák még csak dobozok díszítésére voltak alkalmasak.

I. e. 500-ban Európában és a Közel-Keleten már épületekben is alkalmazták az üveget, jellemzően a falak kisebb réseinek kitöltésére, az ablaküveg kezdetleges formájaként. Ez a funkciója sokáig megmaradt; ilyen töredékeket találtak az i.sz. 79-ben elpusztult Pompeiiben is.

Kevert alkáli alapüveg

Sokáig, de meglehetősen kis területen gyártott típus volt az úgynevezett kevert alkáli alapüveg. Pontos összetevőit nem sikerült rekonstruálni; a kifejezésben szereplő „kevert” jelző arra utal, hogy nagyjából azonos mennyiségű káliumot és nátriumot tartalmaz. Egyes változatok kalciumtartalma annyira nagy, hogy azok masszájához valószínűleg adtak meszet is. Ilyen üvegeket a mai Írország, Franciaország és Olaszország területén állítottak elő az i. e. 14. századtól az i. sz. 2. századig (ritkán előfordult a középkorban és az újkorban is). Ilyen üvegeket készítettek például a kelták. Az alkáliákat gyaníthatóan valamilyen növény hamujából nyerték.

Az üvegfúvás és a reliefüveg

Źródło i licencja