Im Inneren des Glases: Die vielseitige Rolle von Boraten in der Innovation

In unserem März-Artikel haben wir untersucht, wie Borsäure die Leistungsfähigkeit von Glas verbessert – als Flussmittel, zur Erhöhung der Zugfestigkeit sowie zur Verbesserung der thermischen Stabilität und des Brechungsindex. Den vollständigen Beitrag können Sie hier nachlesen:👉 Borsäure und ihre Anwendungen in der Glasindustrie

Heute gehen wir einen Schritt weiter und beleuchten, wie Borate in unterschiedlichen Glastypen – von Isolierfaser- über Borosilikat- bis hin zu optischem Glas – jeweils spezifische, aber unverzichtbare Funktionen erfüllen.

I. Kernfunktionen und Anwendungsbereiche von Boraten im Glas

In der Glasherstellung spielt Boroxid (B₂O₃) – eingebracht in Form von Boraten – eine unersetzliche oder nur sehr kostenintensiv substituierbare Rolle.Seine Hauptfunktionen umfassen:• Wirkt als Flussmittel und senkt die Verarbeitungstemperatur (insbesondere bei begrenztem Alkali-Einsatz)• Verleiht dem Glas eine geringe Wärmeausdehnung und verbessert die Temperaturwechselbeständigkeit• Erhöht die chemische Stabilität• Reduziert die elektrische Leitfähigkeit

Die Anwendungen von Boraten im Glas lassen sich grob in drei Hauptkategorien einteilen:Isolierfaser-Glas, Textilfaser-Glas und Borosilikatglas, ergänzt durch diverse Spezialglasarten.Durch präzise Steuerung des Boratgehalts und seiner Form lassen sich gezielt bestimmte Leistungsmerkmale erzielen.

II. Drei zentrale Glasarten und technische Details

(1) Isolierfaser-Glas (IFG, auch bekannt als Glaswolle)

Anwendung & Struktur:Hauptsächlich als Wärmedämmstoff im Bauwesen eingesetzt, daneben in der Industrie, im Automobilbau und in Haushaltsgeräten.Besteht aus ultrafeinen Fasern (~5 µm Durchmesser), die aus geschmolzenem Glas in Elektro- oder Gasöfen gesponnen werden.Die Dämmwirkung entsteht durch

Lufteinschluss und Reduzierung der Infrarotstrahlung.Leistungsfaktoren:• Faserdurchmesser (je kleiner, desto besser)• Rohdichte (je höher, desto besser)• Materialdicke (je dicker, desto besser)

Rolle der Borate & Parameter:Boratgehalt typischerweise 4–7 %, meist als Borax-Pentahydrat oder borhaltige Minerale (z. B. Ulexit).Funktionen:• Unterstützt den Schmelzprozess und verhindert Entglasung• Erhöht Wasserbeständigkeit und verhindert Faserbruch bzw. Binderabbau• Verbessert die Rückstellfähigkeit nach Kompression (Transportvorteil)• Steigert Infrarotabsorption (optimiert Wärmeverhalten und Produktivität)• Erhöht die Löslichkeit der Fasern in Lungenflüssigkeit (bessere Arbeitssicherheit)

Produktionsanforderungen:Gefertigt mit Cr/Ni-Superlegierungen bis 1050 °C;die Faserbildungsviskosität muss bei 1050 °C geeignet sein, die Liquidustemperatur ≤ 100 °C, um Kristallisation an den Düsen zu vermeiden.

(2) Textilfaser-Glas (Endlosfilament-Glas)

Produkttyp & Eigenschaften:Hauptsächlich E-Glas (Alumino-Borosilikat-Kalzium-Glas), mit geringem oder keinem Alkaligehalt (≤ 1,0–1,5 %) und Faserdurchmessern von 7–25 µm.Bietet hohe Zugfestigkeit und Dauerhaftigkeit. Trotz technischer Fortschritte bleiben Borate zentrale Flussmittel, die Schmelz- und Faserbildungstemperaturen senken, Viskosität regulieren und Faserbruch minimieren.

Boratformen:Einsatz von Colemanit, Borsäure oder Borax-Pentahydrat (unter Beachtung der Alkaligrenzen).Senkt Schmelzpunkte und Rohstoffkosten.

Hauptanwendungen:• Automobilkomponenten (Motorhauben, Karosserieteile)• Konsumgüter (Haushaltsgeräte, Sportartikel)• Bauwesen (Duschkabinen, Bodenbeläge)• Industrieanlagen (Rohre, Tanks)• Elektrotechnik & Elektronik (Leiterplatten, Steckverbinder)• Schiffbau, Luft- & Raumfahrt, Dachabdichtungen, PVC-Böden, Gipskartonplatten, Filter, Betonverstärkungen

(3) Borosilikatglas (B₂O₃-Gehalt 5–20 %)

Mit hohem Borgehalt bietet dieses Glas hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit, chemische Resistenz und geringe Wärmeausdehnung.Es lässt sich in mehrere Hauptanwendungen unterteilen:

1. „PYREX®“-Typ Glas:

   Ca. 12,5 % B₂O₃; Ausdehnungskoeffizient 33 × 10⁻⁶/K. Mischung aus Borsäure und Borax-Pentahydrat.

   Verwendung: Kochgeschirr, Mikrowellengeschirr, Laborgeräte, Leuchtstoffröhren.

   Eigenschaften: Hohe Temperaturwechselbeständigkeit, chemische Stabilität, Festigkeit.

   
   

2. Neutrales / pharmazeutisches Glas:

   8–10 % B₂O₃; stabilisiert durch Al₂O₃, BaO, CaO und K₂O.

   Verhältnis 1:3 zur Bildung stabiler [BO₄]-Einheiten; sterilisierbar über 120 °C, geringe Alkalifreisetzung.

   Verwendung: Ampullen, Fläschchen, Kosmetikbehälter, Thermoskannen.

   
   

3. Beleuchtungsglas:

   Rund 8 % B₂O₃ für Scheinwerfer; bis zu 48 % in Natriumdampf-Lampen.

   Bietet hohe elektrische und chemische Beständigkeit sowie Hitzeschocktoleranz.

   
   

4. TFT-LCD-Glas:

   Alkalifreies Boro-Aluminosilikat mit ca. 10 % B₂O₃; optimierte Viskosität und Liquidus für Flachbildschirme (0,7 mm).

   
   

5. Dichtglas:

   Borosilikatglas für Glas-Glas- und Glas-Metall-Verbindungen (z. B. Lampen, Elektronik).

   Erfordert abgestimmte Erweichungstemperatur und thermische Ausdehnung.

   
   

6. Hitzebeständiges Glas:

   Wärmeausdehnungskoeffizient 33–45 × 10⁻⁷/°C; verwendet für Laborgeräte und feuerbeständige Baugläser.

   
   

III. Weitere Glasarten auf Boratbasis

1. Optisches Glas:

   0–40 % B₂O₃ (Seltenerd-Boratgläser); individuell anpassbarer Brechungsindex.

   Einsatz in Linsen, Prismen, Masken und IC-Lithographie.

   
   

2. Glas-Mikrosphären:

   • Massiv: Refraktionsindex 1,5–2,5 (z. B. Straßenreflektoren).

   • Hohl: Leicht, druckfest, wärme- und schalldämmend; Füllstoff in Verbundmaterialien.

   
   

3. Glaskeramiken:

   Durch kontrollierte Kristallisation hergestellt, nicht porös und anpassbar.

   8,5 % B₂O₃ verbessert Bearbeitbarkeit; neue B–Al–Ca/Sr/Ba-Systeme (< 1000 °C) bieten niedrige Ausdehnung, hohe Festigkeit und elektrische Leistungsfähigkeit.

   
   

4. Kunstglas:

   Modifiziertes Natrium-Kalzium-Silikat mit Boratzusatz zur besseren Formbarkeit.

   
   

5. Natrium-Kalzium-Silikatglas:

80 % der weltweiten Glasproduktion; Borate (0,3–1,5 %) nur in hochwertigen Behältern für höhere Korrosionsbeständigkeit und Schmelzeffizienz.

6. Vycor-Glas:

90 % SiO₂, extrem geringe Ausdehnung (0,8 × 10⁻⁶/°C), hohe chemische und thermische Stabilität.Anwendungen: Quarz-Pyrex-Verbindungen, Biotechnologie, Raumfahrt, Lampen.

7. Weltraumschutzglas:

   Cäsium-Borosilikatglas für Satelliten-Solarzellen, schützt vor Weltraumstrahlung.

   
   

8. Neue Spezialgläser:

   Fotochrome, photosensitive, Laser- und leitfähige Gläser; angetrieben durch Anforderungen der Automobil- und Bauindustrie (Energieeffizienz, Isolierung).

   Optische Gläser dominieren in TV-, Medizin- und Glasfasertechnik.