Glasart im Wareneingang erkennen: Dichte, Brechzahl und UV-Prüfung

Kalk-Natron-, Borosilikat-, Alkali-Alumosilikat- und Quarzglas sehen fast gleich aus. Dieser Artikel zeigt eine Schnellbestimmung mit archimedischer Dichte, Brechzahl und UV-Beobachtung, berechnet die nötige Messgenauigkeit zur Unterscheidung benachbarter Glasarten und erklärt, warum Kalk-Natron- und Alkali-Alumosilikatglas nur zusammen mit der Brechzahl zu trennen sind.

Auf dem Etikett der Lieferung steht „Borosilikat“ – stimmt das, wenn man es aufschneidet? Die vier gebräuchlichen Substratarten sind optisch praktisch nicht zu unterscheiden: Dicke Stücke sind transparent mit leicht grünlicher Kante, und nach dem Verchromen der Teilung ist noch weniger zu erkennen. Dichte, Brechzahl und UV-Absorption unterscheiden sich jedoch, und mit wenigen Messungen am Arbeitstisch lässt sich die Grundart prüfen. Die Schwierigkeit: Der Messfehler muss kleiner sein als der Abstand zwischen den Arten, und die Chargenverteilungen benachbarter Arten können sich selbst schon überlappen.

Abb. 1 – Chargenverteilungen (Punkte) der vier Glasarten in der Dichte-Brechzahl-Ebene mit Messbereich (grau): Die Probe ist nominell Kalk-Natron, tatsächlich aber ein Alkali-Alumosilikat mit erhöhter Dichte; sie lässt sich erst bestimmen, wenn die Brechzahlgenauigkeit ±0,0005 erreicht

Der „Fingerabdruck“ der vier Arten

Die Tabelle zeigt typische Werte (Beispiele, keiner Marke zugeordnet, herstellerabhängig):

Art	Dichte ρ (g/cm³)	Brechzahl n_d	UV-Absorptionskante (Größenordnung)
Quarzglas	ca. 2,20	ca. 1,458	unter 200–250 nm, 254 nm durchlässig
Borosilikat Typ 3.3	ca. 2,23	ca. 1,473	ca. 280–310 nm, bei 254 nm weitgehend undurchlässig
Alkali-Alumosilikat	2,4–2,5	ca. 1,50–1,51	ca. 280–340 nm, bei 254 nm undurchlässig
Kalk-Natron	ca. 2,50	ca. 1,52	ca. 310–340 nm (eisenhaltig), bei 254 nm undurchlässig

Quarz- und Borosilikatglas unterscheiden sich um 0,027 in der Dichte und 0,0145 in der Brechzahl – ein großer Abstand. Kalk-Natron und Alkali-Alumosilikat überlappen in der Dichte und unterscheiden sich um 0,014 in der Brechzahl; sie sind das am schwersten zu trennende Paar.

Archimedisches Verfahren: wie viele Stellen der Dichte

Die Probe wird an Luft gewogen (m_a) und in Wasser getaucht gewogen (m_w); dann gilt

ρ = ρ_w·m_a / (m_a − m_w)

mit ρ_w als Wasserdichte (bei 20 ℃ etwa 0,9982 g/cm³, bei 25 ℃ etwa 0,9971), anschließend Luftauftriebskorrektur von etwa 0,0012 g/cm³. Fehler kommen aus drei Quellen: Waagenablesung, Wassertemperatur und Oberflächenspannung am Aufhängedraht. Für eine Probe mit ρ = 2,5 g/cm³:

Waage 0,1 mg: Eine 20-g-Probe verdrängt 8 g Wasser, relativer Fehler etwa 10⁻⁵ – vernachlässigbar.
Wassertemperatur ±0,5 K: Die Wasserdichte ändert sich um 2,1×10⁻⁴ g/cm³ je K, Einfluss auf ρ etwa 0,0003 g/cm³.
Aufhängedraht: Ein Draht φ0,1 mm durch die Wasseroberfläche erfährt die Oberflächenspannungskraft F = π·d·γ ≈ 2,3×10⁻⁵ N, entsprechend etwa 2,3 mg – mit dem größten Einfluss bei kleinen Proben.

Probenmasse	2 g	5 g	10 g	20 g	50 g
δρ (g/cm³)	0,007	0,003	0,0015	0,0008	0,0004

Die Probe sollte daher mindestens 10 g wiegen, oder man verwendet einen dünneren Draht mit einer Spur Tensid, dazu temperiertes Wasser und Entfernen von Luftblasen.

Kombinierte Bestimmung: wie genau muss es sein

Die Standardabweichungen der Chargenverteilungen beider Arten seien σ₁ und σ₂ (Beispielwerte: Quarz 0,003 / 0,0003, Borosilikat 0,004 / 0,001, Alkali-Alumosilikat 0,025 / 0,004, Kalk-Natron 0,010 / 0,002; der erste Wert für ρ, der zweite für n). Soll der Abstand Δ das 3-Fache der kombinierten Standardabweichung erreichen, ist die größte zulässige Messstandardabweichung

σ_m = √[(Δ/3)² − σ₁² − σ₂²]

Paar	Obergrenze σ_m Dichte	Obergrenze σ_m Brechzahl
Quarz / Borosilikat	0,0075 g/cm³	0,0047
Kalk-Natron / Alkali-Alumosilikat	keine Lösung (Chargen überlappen bereits)	0,0013

Quarz und Borosilikat lassen sich mit archimedischer Dichte auf ±0,003 trennen, und für die Brechzahl reicht das Brewster-Winkel-Verfahren fast aus: tanθ_B = n, δn = (1+n²)·δθ; bei ±0,1° Winkelablesung ist δn ≈ 0,0057, etwas über der Grenze 0,0047. Bei Kalk-Natron und Alkali-Alumosilikat genügt die Dichte allein nicht: Wegen der Chargenstreuung beträgt der z-Wert der beiden Dichteverteilungen nur 1,9. Die Brechzahl muss innerhalb ±0,0013 liegen; das Immersionsverfahren (Beispiel ±0,002) reicht nicht, erst ein Abbe-Refraktometer (Beispiel ±0,0005) ist zuverlässig (Abb. 3). Der kombinierte z-Wert beider Größen beträgt etwa 3,6; die Probe in Abb. 1 wird erst als Alkali-Alumosilikat eingestuft, wenn die Brechzahlgenauigkeit innerhalb ±0,0005 liegt.

Abb. 2 – Fehlerterme des archimedischen Verfahrens über der Probenmasse: Bei kleinen Proben ist der Drahtterm am größten

Die UV-Beobachtung dient als Ergänzung, nicht als quantitatives Kriterium. Unter einer 254-nm-Lampe (UV-Schutzbrille tragen) ist nur Quarzglas durchlässig, die anderen drei Arten nicht. Farbe und Stärke der Fluoreszenz von Quarzglas hängen von Schmelzverfahren und Verunreinigungen ab; daher mit bekannten Proben vergleichen und nicht als absolutes Kriterium verwenden. Die Zinnseite von zinnhaltigem Floatglas fluoresziert; siehe den Artikel zur Zinnseite in dieser Bibliothek.

Abb. 3 – Unsicherheit der Brechzahlverfahren und die zur Trennung benachbarter Arten nötige Obergrenze

Ablauf der Eingangsprüfung

Aussehen und 254-nm-UV: zuerst Quarzglas von den anderen drei Arten trennen.
Archimedische Dichte (Probe ≥ 10 g, Wassertemperatur ±0,5 K): 2,20 und 2,23 von der Gruppe ab 2,4 unterscheiden.
Refraktometer oder Immersion: Kalk-Natron von Alkali-Alumosilikat trennen; Genauigkeit besser als ±0,0013.
Bei verbleibenden Zweifeln Zusammensetzungsanalyse oder Ausdehnungskoeffizient heranziehen (siehe den eigenen Artikel in dieser Bibliothek).

Praxishinweise

Zuerst klären, welches Paar getrennt werden muss: Quarz/Borosilikat über Dichte plus Brechzahl; Kalk-Natron/Alkali-Alumosilikat erfordert eine Brechzahl innerhalb ±0,0013.
Proben für das archimedische Verfahren nicht unter 10 g; temperiertes Wasser, dünnen Draht mit Tensid verwenden und die Luftauftriebskorrektur durchführen.
Das Brewster-Winkel-Verfahren mit ±0,1° Winkelablesung liefert nur ±0,0057 in δn – für eine Grobprüfung geeignet, nicht für die Trennung der benachbarten Arten Kalk-Natron und Alkali-Alumosilikat.
Messwerte immer mit Unsicherheit angeben und mit der Chargenverteilung des Lieferanten vergleichen, statt nur zu prüfen, ob sie auf den Nennwert fallen.
Die UV-Lampe nur als Hilfsmittel nutzen; eine 254-nm-Lampe kann die Augen schädigen, Schutzbrille ist Pflicht.
Von jeder Charge Rückstellmuster aufbewahren und eine eigene Dichte-Brechzahl-Verteilung aufbauen; das ist zuverlässiger als Handbuchwerte.

Fazit

Die Glasart lässt sich durch Kombination von Dichte, Brechzahl und UV-Absorption prüfen. Quarz und Borosilikat liegen weit auseinander und lassen sich mit archimedischer Dichte auf ±0,003 g/cm³ trennen; Kalk-Natron und Alkali-Alumosilikat überlappen in der Dichte, daher muss die Brechzahlgenauigkeit besser als ±0,0013 sein. Die Verfahrenswahl nach diesem Budget ist zuverlässiger als „nach Gefühl und Markenname“.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0566). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com