Materialkunde: Glas, Kunststoffe und Stahl – Eigenschaften & Anwendungen

Glas

Glas ist ein seit vielen Jahren verwendetes Material. Es ist eine anorganische, amorphe und isotrope Substanz (in alle Richtungen gleich organisiert) mit einer vollständig desorganisierten Molekularstruktur. Sein Zustand ist temperaturabhängig; es verhält sich wie eine extrem zähe Flüssigkeit. Es ist transparent oder transluzent, wasserdicht, hart und spröde. Es besitzt eine sehr hohe chemische Beständigkeit, wird jedoch von Flusssäure angegriffen.

Eigenschaften von Glas

Physikalische Eigenschaften

• Dichte:
  • Normalglas: 2,5 kg/dm³
  • Bleiglas: 4,5 kg/dm³

Thermische Eigenschaften

• Thermische Ausdehnung: Geringe Ausdehnung.
• Wärmeleitfähigkeit: Sehr gering. Der Wärmestrom, der in einer Stunde durch eine 1 m² große und 1 m dicke Glaswand bei einem Temperaturunterschied von 1 °C zwischen den beiden Seiten tritt, beträgt 1 kcal/(m·h·°C).
• Wärmedurchgang: Die Wärmemenge, die durch eine Glaswand dringt (abhängig von Dicke und Oberflächentemperatur).
• Brandverhalten: Nicht brennbar.

Optische Eigenschaften

• Lichtdurchlässigkeit: Fähigkeit, Licht durch die Masse zu lassen, abhängig vom Einfallswinkel des Lichts.
• Färbung / Solarfaktor: Verhältnis zwischen der gesamten einfallenden Energie und der durch das Glas hindurchgelassenen Energie.
• Treibhauseffekt: Energie, die von Objekten oder Personen in einem Raum absorbiert wird. Wenn diese Wärme als langwellige Strahlung abgestrahlt wird, können „dichte“ (geringe Durchlässigkeit) Gläser diese innere Energie (Strahlung der Wellenlänge > 5 µm) nicht entweichen lassen, wodurch sich die Wärme im Raum ansammelt.

Mechanische Eigenschaften

• Härte: 6,5-7 auf der Mohs-Skala. Sehr hoch.
• Sprödigkeit: Sehr zerbrechlich. Um die Sprödigkeit zu reduzieren, wird Glühen angewendet.
• Druckfestigkeit: Sehr hoch, ca. 10.000 N/m².
• Zugfestigkeit:
  • Normalglas: 400 kg/cm²
  • Geglühtes Glas: 400-500 kg/cm²
  • Gehärtetes Glas (ESG): 1200-2000 kg/cm²

Chemische Beständigkeit

• Sehr hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Angriffen, außer Flusssäure.

Handelsformen von Glas

Monolayer-Glas (Einfachglas)

• Floatglas: Flache Glasscheiben mit variablen Abmessungen (3-6 m) und Dicken von 2-19 mm.
• Hartglas (ESG): Sicherheitsglas, das bei Bruch in kleine, stumpfe Stücke zerfällt. Es wird bei ca. 700 °C geschmolzen und schnell abgekühlt, wodurch innere Spannungen entstehen, die es sehr widerstandsfähig machen.
• Drahtglas: Kann gewellt, poliert oder gegossen sein.
• Formglas: Während der Herstellung ist Glas formbar. Es kann mit Mustern oder Gravuren versehen werden. Diese Art von Glas kann auch für Schallschutz verwendet werden.
• Beschichtetes Glas: Eine Schicht wird aufgesprüht.
• Reflektierendes Glas: Reduziert die thermische Emission.
• Spiegelglas: Eliminiert Reflexionen, gute akustische Eigenschaften.

Verbundglas und Mehrscheiben-Isolierglas

• Verbundglas (VSG): Besteht aus abwechselnden Schichten von Flachglas und Kunststoff (z.B. Polyvinylbutyral). Kann transparent oder farbig sein. Bei Bruch zerfällt es nicht in einzelne Scherben.
• Doppelglas (Isolierglas): Besteht aus zwei oder mehr Glasscheiben mit einer Luft- oder Gasfüllung dazwischen.
• Sonnenschutzglas: Kann durchgefärbt sein oder eine spezielle Beschichtung aufweisen.

Glasfaser

• Fasern und Filamente, die durch Zentrifugieren hergestellt werden. Die Fasern sind ungeordnet.
• Kann als Gewebe oder als Dämmmaterial im Bauwesen verwendet werden.
• Eigenschaften: Feuerfest, resistent gegen äußere Einflüsse.
• Wird oft mit Polyesterharz für gewellte Platten verwendet.

Sonstige Glasarten

• Elektrochromes Glas
• Extraklares Strukturglas
• Feuerfestes Glas

Kunststoffe

Kunststoffe sind organische, synthetische Makromoleküle, die durch Polymerisation hergestellt werden. Dieser Prozess beinhaltet die Umwandlung von Kunstharzen und Naturkautschuk (wobei die überwiegende Mehrheit aus Erdöl gewonnen wird).

Eigenschaften von Kunststoffen

• Dichte: Sehr leicht, ähnlich der Dichte einiger Hölzer (1-2 kg/dm³).
• Druckfestigkeit: Variiert je nach Temperatur zwischen 500-3000 kg/cm².
• Zugfestigkeit: Abhängig von der Herstellung, variiert zwischen 300-600 kg/cm².
• Biegefestigkeit: Abhängig von Temperatur und Belastungsdauer, variiert von 5000-20000 kg/cm².
• Wärmedämmung: In der Regel gute thermische und akustische Isolatoren mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
• Schalldämmung: Abhängig von der Art des Kunststoffs und der Anwendung.
• Elektrische Isolierung: Gute elektrische Isolatoren.
• Wasseraufnahme: In der Regel sehr niedrig, daher für Rohrleitungen geeignet.
• Chemische Beständigkeit: Beständig gegenüber Säurekonzentrationen (temperaturabhängig). Oft widerstandsfähiger als Metalle.
• Brennbarkeit: Viele Kunststoffe (z.B. Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Nitrocellulose) sind brennbar und setzen bei der Verbrennung giftige Gase frei.
• Aussehen: Können unterschiedlichste Formen und Farben annehmen. Geringer Wartungsaufwand. Einige Kunststoffe können unter Sonneneinstrahlung ihre Farbe ändern.

Klassifikation von Kunststoffen

Thermoplaste

Kunststoffe, die durch Erwärmen geformt und wiederverwendet werden können. Sie erweichen beim Erhitzen und härten beim Abkühlen wieder aus.

• PVC (Polyvinylchlorid): Für Abflussrohre, Elektroinstallationen, Fliesen, Tischlerei, Isolationsbeschichtungen für elektrische Netze und Anstriche.
• PVA (Polyvinylacetat): Hochwertige Farben, Weißleim.
• PS (Polystyrol):
  • Expandiertes Polystyrol (EPS) und Extrudiertes Polystyrol (XPS): Wird als Dämmmaterial verwendet (z.B. in Form von Kugeln, für Fassaden, Fußbodenbeläge, Kassettendecken und Gewölbe).
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol): Ein harter, amorpher, undurchsichtiger und sehr widerstandsfähiger Kunststoff aus der Styrol-Familie.
• PMMA (Polymethylmethacrylat / Acrylglas): Vergilbt unter Sonneneinstrahlung. Wird für Glasplatten sowie gewellte und glatte synthetische Platten verwendet. Leicht zu schneiden.
• PA (Polyamide / Nylon): Hohe mechanische Festigkeit sowie hohe thermische und chemische Beständigkeit. Für Netze.
• PE (Polyethylen): Für Taschen, Verpackungsfolien, Drainagerohre, Folien.
• PP (Polypropylen): Für Rohre, Tüten, Tuben.
• PC (Polycarbonat): Für Farben, Lacke, Platten (z.B. für Mobiltelefone).

Duroplaste (Thermohärtende Kunststoffe)

Nach der Verarbeitung des Rohmaterials entsteht ein fester Körper, der nicht wiederhergestellt oder umgeformt werden kann.

• PF (Phenolharze): Für Platten, Anstriche.
• UF (Harnstoffharze): Für Klebstoffe, Lacke, Farben, Platten.
• MP (Melaminharze): Für Lacke, Farben, Platten.
• PPE (Polyesterharze): Für Beschichtungen, Lacke, Möbel, elektrische Isolation, Farben, Platten.
• PUR (Polyurethan): Für Hartschaum-Isolierung zwischen Stockwerken.
• Epoxidharze: Für Beschichtungen von Stellplätzen, Reparaturmörtel, fugenlose Bodenbeläge.
• SI (Silikone): Für Anstriche, Lacke, Dichtungsmaterialien.

Stahl

Handelsformen und Profile von Stahl

• Bandstahl: Dünnes Metallprofil mit einer Dicke von weniger als 4 mm und einer maximalen Breite von 20 cm.
• Flachstahl: Flaches, rechteckiges Profil, 4-10 mm dick und bis zu 20 cm breit.
• Eisenflachstange (Pasamanos): Eisenstange mit rechteckigem Querschnitt, deren Breite doppelt so groß ist wie die Dicke.
• Blech: Dünnes, flaches Profil mit einer Stärke von 0,6-20 mm, einer Breite von weniger als 60 cm und einer Länge von weniger als 12 m.
  • Typen: Glatt, gerippt (gewellt), gestanzt, gelocht.
• Rechteckstahl: Rechteckiger Querschnitt, dessen Breite größer als die doppelte Dicke ist.
• Vierkantstahl: Massiver Vierkantquerschnitt (z.B. 20x20 mm).
• Rundstahl:
  • Stabstahl: Rund, Durchmesser > 5 mm.
  • Draht: Rund, Durchmesser < 5 mm. Immer massiv.
• Laminierte Profile: T-Träger, IPE-Träger, HEB-Träger, IPN-Träger, HEM-Träger, UPN-Profile, L-Profile, LD-Profile.
• Spezialprofile: Omega-Profil, Pilzprofil, L-Profil, U-Profil.
• Stift: Geschmiedet. Besteht aus Schaft und Kopf. Eisenstifte unterscheiden sich von Stahlstiften durch ihren zylindrischen Schaft.
• Schraube: Besteht aus einem zylindrischen Teil mit einem durchgehenden spiralförmigen Gewinde.
• Niete: Zylindrisches Stück aus Weicheisen, das nach dem Einsetzen in eine Struktur verformt wird, um eine Verbindung herzustellen.
• Kabel: Eine Litze aus 1-3 mm starkem Stahl, meist hoher Qualität.
• Seil: Verbundkabel, kann flach oder rund sein, Durchmesser > 3 mm.
• Drahtseil: Verdrillte Drähte, Durchmesser < 3 mm.
• Stäbe: Stangen oder Profile mit Lochung.
• Zimmerei: Verschiedene Stahlteile.
• Stahlmatten (Elektro-MALLAZO): Bezeichnung (z.B. 15x30 EM (Stababstand in cm), 10-6,5 (Durchmesser der gewellten Stäbe in mm), B500T (Stahlsorte), 5x2 (Maschenweite), UNE 36092 96).