HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die ASTM-Bezeichnung C162-56 (Standarddefinition von
Ausdrücken bezüglich Glas und Glasprodukten) definiert
Kristallglas als "ein farbloses Glas, sehr transparent, häufig für
Kunst und Geschirr verwendet". Jahrhundertelang glaubte man,
daß die Anwesenheit einer beträchtlichen Menge Bleioxid in der
Zusammensetzung des feinsten Kristallglasgeschirrs nötig sei.
Folglich enthalten viele der feinen
Kristallglasgeschirrzusammensetzungen 24-30 Gew.-% Bleioxid in ihren Formulierungen.
Einige Glaszusammensetzungen enthalten noch höhere Mengen.
Beispielsweise enthält von Corning Incorporated, Corning, New
York, unter dem Handelsnamen STEUBEN vertriebenes
Kristallglasgeschirr ungefähr 30 Gew.-% PbO. In Europa muß
Bleikristallglasgeschirr mindestens 24% Bleioxid enthalten. Es ist
allgemein bekannt, daß der Einschluß von Bleioxid in der
Basisglasformulierung dem Glas spezielle Qualitäten, wie
Brillianz, Klarheit, Schmelzbarkeit, Wohiklang (Resonanz), Gewicht
und Verarbeitbarkeit, verleiht. Anders gesagt, konnte Glas,
das diese Kombination von Eigenschaften zeigte, nicht mit
bleifreien Glaszusammensetzungen hergestellt werden.
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Eines der wünschenswerten Merkmale von feinem
Bleikristallglas ist der glockenähnliche Ton, der entsteht, wenn ein
Gegenstand aus diesem Glas, wie ein Eßteller, ein Pokal, eine
Vase, eine Schüssel usw., an seinem Rand mit einem Gegenstand,
wie einen Stift oder einem Teil eines Metalleßbestecks, z. B.
einem Messer, einer Gabel oder einem Löffel, angestoßen wird.
In der Glockentechnologie wird dieser Ton durch eine
"Schlag"note, gefolgt von einer nachhallenden, verlängerten
"Summ"note gekennzeichnet. Die Dauer des Summens (oder der
Resonanz) umfaßt einen bedeutenden Beitrag zur Gesamtschönheit
des ausgesendeten Tons. Man nahm an, daß die Anwesenheit von
Blei in der Glasformulierung für die lange Dauer des
nachhallenden Summens bei feinem Kristallglas verantwortlich ist, da
Geschirr aus herkömmlichem Soda-Kalk-Siliziumdioxid-Glas sehr
wenig Resonanz, wenn überhaupt, aussendet.
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Ein weiteres spürbares Kennzeichen von feinem
Kristallglas ist sein Gewicht. In anderen Worten zeigt das "Wiegen in
der Hand" eines Glasstückes seine Schwere an. Daher haben
Kristallgläser gewöhnlich Dichten von mindestens 2,7 Gramm/cm³,
wobei viele feine bleihaltige Kristallgläser Dichten von 2,8
Gramm/cm³ und mehr zeigen. STEUBEN -Glasgeschirr zeigt eine
Dichte von ungefähr 3 Gramm/cm³.
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Obwohl feines Kristallglas nicht die gleiche
Beständigkeit gegenüber chemischem Angriff zeigen muß wie Geschirr, das
für die Verwendung in wissenschaftlichen Laboratorien bestimmt
ist, darf es doch allermindestens keine trübe Oberfläche
entwickeln, wenn es länger der Umwelt ausgesetzt ist. Bei
bestimmten älteren, bleihaltigen Kristallgläsern verdarb die
Oberfläche so stark, daß Craquelierung und/oder Haarrißbildung
auftrat.
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Ein weiteres Merkmal von feinem Bleikristallgeschirr,
insbesondere wenn das Glas handgearbeitet werden soll, wie im
Falle des STEUBEN -Glasgeschirrs, ist der lange
Arbeitsbereich des Glases, bevor es zu viskos für das Formen wird. Ist
zu diesem Zeitpunkt das Stück nicht vollständig in eine
erwünschte Form geformt, wird es in einem Ofen wieder erhitzt,
bis es wieder bearbeitbar ist und weiter geformt werden kann.
Während dieses erneuten Erhitzens kann keine
Oberflächenkristallisation toleriert werden. Man hält eine Viskosität von
ungefähr 10&sup5; Poise (10&sup4; Pa.s) für die optimale Viskosität für
das Formen. Bei STEUBEN -Glasgeschirr entspricht dieser
Viskosität eine Temperatur von ungefähr 790ºC.
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Ein bekanntes, unvorteilhaftes Merkmal von feinem
Bleikristallglasgeschirr ist, daß es leicht zerkratzt werden kann.
Ein Maß der Kratzbeständigkeit eines Glases ist die Härte
seiner Oberfläche. Und die Oberflächenhärte von Gläsern, die hohe
Bleimengen enthalten, ist gleichbleibend niedrig. Außerdem
zeigt ein Glas mit einer härteren Oberfläche ein brillianteres
Aussehen als ein Glas geringerer Oberflächenhärte, wobei die
Brillianz die Gesamtschönheit des Glases verstärkt.
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Soll ein Glas als Tischgeschirr verwendet werden, muß es
beständig gegenüber dem Angriff durch Säuren und Alkalis in
Nahrungsmitteln sein, mit denen es in Kontakt kommen kann. Die
Giftigkeit von Blei ist seit mehreren Jahren bekannt. In den
letzten Jahren entstand eine Bewegung zur
Verringerung/Beseitigung von Blei aus jeglichem Koch- und
Tischgeschirr. Also hat die Federal Food and Drug Administration
(FDA) Obergrenzen für die Bleifreisetzung aufgestellt, die mit
Nahrungsmitteln in Kontakt tretende Oberflächen nicht
übersteigen dürfen. Die Gesetze einiger Staaten fordern das totale
Fehlen von Blei in mit Nahrungsmitteln in Kontakt tretenden
Oberflächen. Diese Umstände steigerten die Herstellung von
bleifreien Emaillen und Glasuren für die Verwendung bei der
Beschichtung und Dekoration von Nahrungsmittelserviergeschirr,
wie sie in den U.S.-Patenten 4084976 (Hinton), 4224074
(Nigrin), 4282035 (Nigrin), 4285731 (Nigrin) und 4590171
(Nigrin) offenbart sind. Die Eigenschaften dieser Gläser
entsprechen jedoch nicht den von feinem Kristallglas gezeigten.
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Obwohl die Freisetzung von Blei aus qualitativ
hochwertigem Kristallglas sehr niedrig ist, war aufgrund der
gegenwärtigen Bestrebung zur Beseitigung von Blei aus jeglichem, mit
Nahrungsmitteln in Kontakt kommendem Geschirr das Hauptziel
der vorliegenden Erfindung, bleifreie Glasformulierungen zu
erfinden, die alle ästhetischen, chemischen und physikalischen
Eigenschaften feiner Bleikristallgläser zeigen.
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Außerdem nimmt man an, daß bleihaltige Produkte
gefährliche Abfallstoffe darstellen, die daher spezielle und teure
Vernichtungsmittel erfordern. Während dies, im Gegensatz zur
Vernichtung von bleihaltigen Batterien und
Fernsehempfangsgeräten, kein Problem für den einzelnen darstellt, der
Bleikristallglasgeschirr besitzt, betrifft es hauptsächlich den
Glashersteller, der die Schlacke aus dem Herstellungsverfahren
vernichten muß. Also ist ein weiterer Vorteil der Beseitigung
von Blei aus der Glaszusammensetzung die Konsequenz, daß
Abfallprobleme minimiert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Wir haben dieses Ziel mit Silikatgläsern erreicht, die
rnindestens zwei der Alkalimetalloxide Li&sub2;O, Na&sub2;O und K&sub2;O in
fast äquimolaren Verhältnissen, BaO, SrO und ZnO enthalten. In
den bevorzugten Gläsern liegen alle drei Alkalimetalloxide im
wesentlichen in äquimolaren Verhältnissen vor. Der Einschluß
aller drei Alkalimetalloxide in im wesentlichen äquimolaren
Anteilen hat eine stark fördernde Wirkung auf den von dem Glas
gezeigten Wohlklang. Wir fanden, daß die folgenden
Zusammensetzungen, ausgedrückt als Gew.-% auf Oxidbasis, zur Erlangung
des erwünschten Ziels einsetzbar sind:
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wobei mindestens zwei der drei Alkalimetalloxide
eingeschlossen sind und in im wesentlichen äquimolaren Verhältnissen
vorliegen.
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In den bevorzugten Zusammensetzungen sind alle drei
Alkalimetalloxide eingeschlossen, die in im wesentlichen
äquimolaren Verhältnissen vorliegen, und die Gläser bestehen im
wesentlichen, ausgedrückt als Gew.-% auf Oxidbasis, aus:
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Bis zu insgesamt 5 Prozent kompatibler Metalloxide, wie
Al&sub2;O&sub3;, B&sub2;O&sub3;, Bi&sub2;O&sub3;, CaO, MgO, TiO&sub2; und ZrO&sub2; in Einzelmengen,
die 3 Prozent nicht übersteigen, können eingeschlossen werden,
um die physikalischen Eigenschaften und/oder die Schmelz- und
Bearbeitseigenschaften der Gläser zu verändern. Beispielsweise
werden Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; im Glasfachgebiet als nützliche
Hilfsstoffe bei der Verbesserung der Beständigkeit von Gläsern
gegenüber chemischem Angriff angesehen. Diese Oxide härten das
Glas jedoch, so daß ihre Zugabe beschränkt ist. Wo es
wünschenswert erscheint, können in den Glasansatz As&sub2;O&sub3; und/oder
Sb&sub2;O&sub3; aufgrund ihrer üblichen Läuterungswirkung in
herkömmlichen Mengen eingeschlossen werden. Gleichermaßen können, wenn
ein gefärbtes Glas erwünscht ist, herkömmliche
Glasfärbemittel, wie die Übergangsmetalloxide, in das Glas in üblichen
Mengen eingebracht werden.
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Die erfinderischen Gläser zeigen Dichten von mindestens
2,75 Gramm/cm³, wobei die bevorzugten Zusammensetzungen
Dichten von mindestens 2,85 Gramm/cm³ haben.
Stand der Technik
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Der Ausschluß von Blei hat auch in einem von der
Zubereitung und dem Servieren von Nahrungsmitteln verschiedenen
Fachgebiet, nämlich bei den Frontplatten für
Fernsehempfängerröhren, Aufmerksamkeit erlangt. So führt das Auftreffen von
Elektronen mit hoher Geschwindigkeit zusammen mit
Röntgenstrahlung auf PbO-haltige Glasfrontplatten zur Erzeugung einer
bräunlichen Verfärbung in diesen. Also sind
Glaszusammensetzungen entwickelt worden, die Röntgenstrahlungen absorbieren,
aber nicht dem Bräunungsphänomen unterliegen. Die folgenden
Patente veranschaulichen diese Gläser.
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U.S.-Patent Nr. 3464932 (Connelly et al.) offenbart
Gläser, die im wesentlichen, in Gew.-%, aus 0-10% Na&sub2;O und/oder
0-13% K&sub2;O, wobei Na&sub2;O+K&sub2;O insgesamt 4-20% darstellen, 40-70%
SiO&sub2; und einer wirksamen Menge bis zu 20% SrO bestehen, wobei
die summe von Na&sub2;O und/oder K&sub2;O+SrO+SiO&sub2; mindestens 70 Gew.-%
der Gesamtzusammensetzung umfaßt. Die Glaszusammensetzungen
können bis zu 20% BaO und/opder bis zu insgesamt 15%
CaO+MgO+ZnO und/oder bis zu 10% Al&sub2;O&sub3; und/oder ZrO&sub2; enthalten.
ZnO wird in dem Patent nirgends erwähnt.
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U.S.-Patent Nr. 3805107 (Boyd) beschreibt PbO-freie
Glaszusammensetzungen für Frontplatten von Fersehempfängerröhren,
die im wesentlichen, in Gew.-%, aus
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bestehen. Wiederum wird ZnO nirgends in dem Patent erwähnt.
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U.S.-Patent Nr. 4089693 (La Grouw et al.) betrifft PbO-
freie Glaszusammensetzungen für Frontplatten von
Fernsehbildröhren, die im wesentlichen, in Gew.-%, aus
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bestehen. SrO wird nirgends erwähnt.
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U.S.-Patent Nr. 4277286 (Boyd et al.) betrifft PbO-freie
Glaszusammensetzungen für Frontplatten von Fernsehbildröhren,
die im wesentlichen, in Gew.-%, aus
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bestehen. Der bevorzugte BaO-Gehalt (14-16-%) ist höher als die
in den vorliegenden erfinderischen Zielgläsern eingesetzte
Obergrenze; ZrO&sub2; ist eher ein erforderlicher Bestandteil als
ein fakultativer Inhaltsstoff, und keines der in dem Patent
bereitgestellten Arbeitsbeispiele hatte eine Zusammensetzung
innerhalb der Bereiche der vorliegenden erfinderischen Gläser.
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U.S.-Patent Nr. 4734388 (Cameron et al.) betrifft PbO-
freie Glaszusammensetzungen für Frontplatten von
Fernsehbildröhren, die im wesentlichen, in Gew.%, aus
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bestehen. ZnO umfaßt keinen Teil der patentierten
Zusammensetzungen.
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U.S.-Patent Nr. 4830990 (Connelly) beschreibt PbO- und
ZnO-freie Glaszusammensetzungen für Frontplatten von
Projektionskathodenstrahlröhren, die im wesentlichen, in Gew.-%, aus
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bestehen. Von den Glaszusammensetzungen wird ausdrücklich aus
gesagt, daß sie frei von ZnO sind.
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U.S.-Patent Nr. 5108960 (Boek et al.) beschreibt PbO- und
Li&sub2;O-freie Glaszusammensetzungen für Frontplatten von
Kathodenstrahlröhren, die im wesentlichen, in Gew.-%, aus
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bestehen.
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Die Na&sub2;O-Konzentrationen sind gewöhnlich höher als die
bei den vorliegenden erfinderischen Gläsern erlaubte
Obergrenze, die bevorzugten ZnO-Mengen sind unter dem bei den
vorliegenden erfinderischen Gläsern erforderlichen Minimum, und
Li&sub2;O fehlt in den Glaszusammensetzungen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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TABELLE I beschreibt eine Gruppe von
Glaszusammensetzungen, ausgedrückt als Gew.-% auf Oxidbasis, die die Parameter
der Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung
verdeutlichen. Die tatsächlichen Ansatzinhaltsstoffe zur Herstellung
der Gläser können jegliche Stoffe, entweder Oxide oder andere
Verbindungen, umfassen, die, wenn sie zusammen geschmolzen
werden, in das erwünschte Oxid in den richtigen Anteilen
umgewandelt werden. Beispielsweise können BaCO&sub3; und Na&sub2;CO&sub3; die
Quelle für BaO bzw. Na&sub2;O bereitstellen. Sb&sub2;O&sub3; wurde aufgrund
seiner üblichen Funktion beim Glasschmelzen als ein
Läuterungsmittel eingeschlossen.
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Die Ansatzbestandteile wurden sehr gründlich gemischt, um
eine homogene Schmelze zu gewährleisten, und das Gemisch wurde
in Platintiegel gefüllt. Die Tiegel wurden in einen bei etwa
1450ºC arbeitenden Ofen gestellt, und die Ansätze wurden etwa
3 Stunden lang geschmolzen. Danach wurden die Schmelzen in
Stahiformen gegossen, um rechteckige Glasplatten mit den
Abmessungen von etwa 10 Inch X 4 Inch X 0,5 Inch ( 25,4 X 10,16
X 1,27 cm) herzustellen, und diese Platten wurden direkt in
einen bei etwa 500ºC arbeitenden Kühlofen gestellt.
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Während die vorgenannte Beschreibung nur
Laborschmelzund Formungspraktiken darstellt, läßt sich einsehen, daß die
mit den erfindungsgemäßen Gedanken übereinstimmenden, in
Tabelle I genannten Zusammensetzungen in viel größeren Mengen
unter Einsatz herkömmlicher kommerzieller Schmelzeinheiten und
Glasformtechniken geschmolzen und geformt werden können.
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Mehrere im Handel erhältliche, im wesentlichen bleifreie
Kristallglaszusammensetzungen sind auch in Tabelle I
dargestellt. Ihre Analysen in Gew.-% sind unter den
Firmenbezeichnungen aufgeführt.
TABELLE I
Schott
Tiffany
Moser
Phillips
TABELLE I FORTSETZUNG)
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Tabelle II zeigt den Erweichungspunkt (S.P.), die obere
Entspannungstemperatur (A.P.) und die untere
Entspannungstemperatur (St.P.) in ºC, den linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten (Exp) über den Temperaturbereich von 25º-300ºC in X
10&supmin;&sup7;/ºC (Exp), die Dichte (Den) in Gramm/cm³ und den
Brechungsindex, bestimmt nach im Fachgebiet herkömmlichen Meßtechniken.
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Die chemische Beständigkeit der Gläser bei Kontakt mit
Säuren, definiert als Gewichtsverlust (W.L.A.), wurde
bestimmt, indem polierte Platten mit bekanntem Gewicht 24
Stunden lang in einem wäßrigen Bad aus 5 Gew.-%iger HCl bei 95ºC
getaucht wurden. Nach dem Entnehmen aus dem Bad und Trocknen
wurden die Platten erneut gewogen, und der Gewichtsverlust in
mg/cm² gemessen.
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Die chemische Beständigkeit des Glases, wenn es Basen
ausgesetzt ist, definiert als Gewichtsverlust (W.L.B.) wurde
bestimmt, indem Platten mit bekanntem Gewicht sechs Stunden
lang in einem wäßrigen Bad aus 5 Gew.-%iger NaOH bei 95ºC
getaucht wurden. Nach dem Entnehmen aus dem Bad und Trocknen
wurden die Platten erneut gewogen, und der Gewichtsverlust in
mg/cm² gemessen.
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Die Gläser wurden auch dem folgenden Verwitterungstest
unterzogen, dessen Ergebnisse in Tabelle III gezeigt sind. Bei
dem Test werden zwei Stücke von jedem Glas 98% relativer
Feuchtigkeit/50ºC während 12 Wochen ausgesetzt. Eines der
Stücke wurde alle zwei Wochen in deionisiertem Wasser
gewaschen. Das andere Stück wurde zweiwöchig begutachtet, aber
nicht vor dem Ende der 12 Wochen gewaschen. Das
Verwitterungsausmaß wurde von A (keine sichtbare Beschädigung) bis E
(übermäßiger Niederschlag) eingestuft. Da die Brillianz eines
Glas zum Teil eine Funktion der Oberflächenqualität ist, ist
eine ausgezeichnete Verwitterungsbeständigkeit ein wichtiges
Merkmal von feinem Glaskristall. In Tabelle III gelten die
folgenden Legenden:
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A = bei starker Beleuchtung ist nichts sichtbar
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B = leichter Niederschlag nur bei starker Beleuchtung sichtbar
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C = viel Niederschlag nur bei starker Beleuchtung sichtbar
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D = Niederschlag bei normaler Beleuchtung leicht zu erkennen
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E = übermäßiger Niederschlag; Test beendet
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Die von STEUBEN -Glasgeschirr gezeigten Eigenschaften
sind zu Vergleichszwecken in die Tabellen II und III
aufgenommen.
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In Tabelle III wurde der Test der ungewaschenen Proben
der Beispiele 6, 8 und 9 vor den vollen 12 Wochen beendet, da
ihre Verwitterungsbeständigkeit erkennbar sehr schlecht war.
Diese Proben wurden bei der Beendigung gewaschen, und dieser
Wert ist in der mit "Gewaschen" bezeichneten Spalte
aufgeführt.
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In Tabelle III wurde der Test der gewaschenen Proben der
Beispiele 6, 8 und 9 vor dem Ende der vollen 12 Wochen
beendet. Der von den Proben bei der Beendigung des Tests gezeigte
Verwitterungsbeständigkeitswert ist in der Spalte aufgeführt,
die das Auslaufen des Tests kennzeichnet.
TABELLE II
Schott
Tiffany
Moser
Phillips
TABELLE II (Fortsetzung)
STEUBEN
TABELLE III
Ungewaschene Proben
Beispiel
Zwei Wochen
Vier Wochen
Sechs Wochen
Acht Wochen
Zehn Wochen
Zwölf Wochen
Gewaschen
Schott
Tiffany
Moser
Phillips
Stehben
Test beendet
Gewaschene Proben
Beispiel
Zwei Wochen
Vier Wochen
Sechs Wochen
Acht Wochen
Zehn Wochen
Zwölf Wochen
Schott
Tiffany
Moser
Phillips
Steuben
Test beendet
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Die Beispiele 1-5 umfassen Gläser, die chemische und
physikalische Eigenschaften zeigen, die bei feinem
Kristallglasgeschirr ohne Blei erwünscht sind, wobei Beispiel 1 die am
stärksten bevorzugte Ausführungsform darstellt. Also zeigen
diese Gläser das "Gewichtige" , d. h. die hohe Dichte,
die zusammen mit einem vergleichsweise niedrigen
Erweichungspunkt und einer vergleichsweise niedrigen oberen
Entspannungstemperatur, vergleichsweise guter chemischer
Beständigkeit und ausgezeichneter Verwitterungsbeständigkeit erwünscht
ist. Es wird angenommen, daß diese beiden letzteren
Eigenschaf ten die Beispiele 2-5 besitzen, da ihre Zusammensetzungen
ähnlich Beispiel 1 sind.
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Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß die Beispiele 1-5 im
allgemeinen weicher und von höherer Dichte als gegenwärtig
vertriebenes bleifreies Kristallglasgeschirr ist. Das Merkmal,
das den größten Unterschied zwischen den Beispielen 1-5 und
dem im Handel vertriebenen bleifreien Kristallglasgeschirr
(und Beispielen 6-10 mit Zusammensetzungen außerhalb der
Bereiche, die sich als zur Erzeugung von Gläsern mit den
erwünschten Eigenschaften einsetzbar herausstellten) umfaßt, ist
jedoch ihre viel bessere Verwitterungsbeständigkeit, wie in
Tabelle III verdeutlicht wird.
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Wie oben beschrieben wurde, können Gläser, die innerhalb
der erfindungsgemäßen Zusammensetzungsintervalle liegen, in
großen kommerziellen Einheiten geschmolzen werden. In
Pilotläufen wurde Beispiel 1 nach Verfahren, die gewöhnlich mit
bleihaltigem Kristallglasgeschirr verwendet werden,
handgearbeitet, geschmolzen und graviert. Die Arbeiter berichteten,
daß das Glas sich mindestens genauso gut wie, wenn nicht
besser als bleihaltiges Kristallglasgeschirr verhielt und beim
erneuten Erhitzen nicht kristallisierte. Obwohl also die
Temperatur bei 10&sup5; Poise (10&sup4; Pa.s) ungefähr 60ºC höher als die
von STEUBEN -Glasgeschirr war, beeinträchtigte dieser Faktor
die Schmelz- und Formverfahren nicht. Vasen und Schüsseln, die
aus dem Glas handgefertigt wurden, zeigten einen nachhallenden
glockenähnlichen Ton, der mit dem von STEUBEN -Glasgeschirr
vergleichbar war. Gewöhnlich zeigen die vorliegenden
erfinderischen Gläser Viskositäten von ungefähr 10&sup5; Poise (10&sup4; Pa.s)
bei Temperaturen, die ungefähr 50º-125ºC höher als die von
STEUBEN -Glasgeschirr sind.
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Ein Vergleich der chemischen Beständigkeit und der
Verwitterungsbeständigkeit von Beispiel 1 mit STEUBEN
-Glasgeschirr ist ebenfalls von Interesse. Beispiel 1 berwies sich in
beiden Tests als etwas überlegen. Außerdem ist die
Oberflächenhärte von Beispiel 1 größer als die von STEUBEN
-Glasgeschirr, wie ein Knoop-Härtewert (100 Gramm Gewicht) von 498
für Beispiel 1 und 415 für STEUBEN -Glasgeschirr zeigen.