Lauri Levanto Lasin uunisulatus Turhaa tietoa - Hauska tietää

Alkuun
Front Page Turvallisuus
Safety Suunnistus
English Menu Sanasto
Glossary Gallerioita
Galleries Etsi
Search

08.08.23

Lasin rakenne ja ominaisuudet

Lasin olemuksesta näyttää olevan enemmän teorioita kuin on teoreetikkoja niitä keksimässä. Kuitenkin tuntuu vallitsevan laaja yksimielisyys eräistä perusasioista.

Perusfysiikkaa

Tavallisesti ajatellaan että aineella on kolme olomuotoa: kiinteä, neste ja kaasu. Vesi voi olla jäätä, nestettä tai höyryä. Ero näiden välillä johtuu lämpötilasta. Kun jää lämpiää, se sulaa nesteeksi. Siihen lisätty lämpömäärä kasvattaa molekyylien lämpöliikkeen suuremmaksi kuin niiden sidosvoima kiinteässä kiteessä. Molekyylit pääsevät liikkumaan vapaasti toistensa ohi, neste virtaa. Nesteessä kuitenkin vielä on niin paljon sidosvoimaa että molekyylit pysyvät yhdessä toistensa lähellä. Tarvitaan vielä lisää lämpöenergiaa ennenkuin ne ovat täysin vapaita. Vesi muuttuu höyryksi.

Meitä kiinnostaa enemmän, mitä tapahtuu jäähtyessä. Juuri nolla-asteessa vesi on vielä virtaavaa. Hitusen sen alapuolella, se on kiinteää jäätä. Tällä rajalla veden molekyylit luovuttavat lämpöenergiaa ja liikahtavat sellaisiin paikkoihin, joissa sitoutunut energia on mahdollisimman pieni. Syntyy säännöllisiä jääkiteitä. Kaikki kiinteät aineet ovat kiteisiä.

Kuitenkin myös neljäs olomuoto on mahdollinen, lasimaisuus. Ajatellaan että veden voisi jäähdyttää salamannopeasti, niin että molekyylit eivät ehtisi liikahtaa paikkoihinsa kiteessä, mutta olisivat menettäneet jo kaiken liike-energiansa. Silloin se olisi amorfinen, kieytymätön, kiinteä aine. Eräänlaista lasia.

Lasinmuodostuksen edellytyksenä on siis hitaus. Hitautta edesauttaa viskositeetti, juoksevuuden vastakohta. Tahmea siirappi valuu hitaammin kuin vesi. Toinen hitautta aiheuttava tekijä voi olla molekyylirakenne. Monien muovien molekyyliketjut ovat pitkiä, ja niiden järjestäytymiseen kiteeksi tarvitaan enemmän aikaa kuin jäähdyttämiseen kiinteäksi. Luonnossakin esiintyy vahoja ja resiinejä (=pihkaa) joka käyttäytyy näin, saa lasimaisen olomuodon normaalilämmössä.

Kiteytyminen

Kun uudenvuoden tinaa sulattaa kauhassa, siitä muodostuu ensin pieni sula lammikko ja sitten yhtäkkiä koko tina hulahtaa nestemäiseksi. Kiteisillä aineilla on tarkka sulamispiste. Kaikki molekyylisidokset ovat yhtä tiukkoja, ja kun kestoraja ylitetään muuttuu kaikki aine nesteeksi samassa lämpötolassa. Amorfisessa eli lasimaisessa aineessa on epäjärjestystä ja sen takia siinä on tiukempia ja löyhempiä sidoksia. Siksi muutos kiinteäsät nesteeksi ja päinvastoin tapahtuu hitaammin laajemmalla lämpöalueella. Puhumme lasin muutosalueesta, ei sulamispisteestä.

Kvartsilla, SiO2, on tällainen ominaisuus. Se voi kiteytyä tai muodostaa lasia.

Molekyylirakenne

Kvartsissa eli piidioksidissa pii (jonka valenssi on neljä) sitoutuu neljään happiatomiin ja muodostaa tetran. Kun hapen valennsi on 2 kukin tetran neljästä kulmasta sitoutuu vuorostaan seuraavaan piiatomiin. Näin syntyy verkkomainen rakenne. Kiteisessä kvartsissa nämä tetrat muodstavat säännöllisen 3-ulotteisen verkon. Amorfisessa lasissa verkko ei ole asettunut säännölliseksi.

Kiteinen ja amorfinen piioksidi (kuva: MIT.edu)

Kun joukkoon lisätään suurikokoisempia natriumatomeja soodasta, epäsäännöllisyys kasvaa.

Soodalasin rakenne (kuva: New York Times) Keltaiset pallurat ovat natrium-atomeja.

Piioksidi sinänsä on verkostoa muodostava aine. Siitä yksinäänkin voi tehdä kvartsilasia. Kvartsilasi on erittäin kuumuutta kestvää. Kun sooda-kalkkilasi pehmenemisalue on n.470-580 B, se on kvartsilasilla 1500.1800 C. Puhdas kvartsilasi läpäisee hyvin UV-säteilyä.

Lyijy voi myös osallistua verkoston muodostamiseen. Silloin saadaan lyijykristallia. Lyijylasilla on suuri taitekerroin, ja se on pehmeämpää kuin sooda-kalkkilasi. Siksi sitä on helpompi hioa. Lyijylasi on suosittua valutöissä alhaisemman lämpöalueen ja suuremman juoksevuutensa takia. Voimakas valontaitto lisää sen houkuttelevuutta.

Boori on myös verkostoa muodostava aine, joka on tuttu borosilikaattilasista. Borsilikaatilasi kestää kuumuutta sooda-kalkkilasia paremmin samoin kemikaaleja. Taidelasina sitä käytetään lasihelmien tekoon. Kuumansiedon takia se on helmenteossa helpommin jäähdytettävää.

Muut oksidit muovaavat verkostoa ja sen mikana lasin ominaisuuksia. Näitä voi olla sooda N2O, potaska K₂O, Litium Li₂O, Kalsium CaO, Magnesium MgO ja lyijy PbO. Kun muovaavia aineksia lisätään, pii-happi sidosten määrä vähenee. Muovaavan aineksen lisääminen helpottaa lasin käsittelyä alentamalla sulamispistettä ja pienentämällä viskositettia. llian suuri muovaavien ainesten määrä voi heikentää verkkorakennetta niin paljon että jäähtyessä tapahtuu kiteytymistä eikä lasinmuodostusta. Sulatuslasien valmistuksessa tätä kontrolloidaan, ja ne vastustavat kiteytymistä eli devitrifioitumista tavallista sooda-kalkkilasia paremmin.

Pelkkä pii-sooda-lasi ei kestä vettä. Kalkin lisäämisellä saadaan lasi vettä kestäväksi.

Lasityypit

Taulukon arvot ovat ohjeellisa. Eri valmistajat soveltavat niitä tarkoituksensa mukaan.

tyyppi	SiO₂	Na₂O	K₂O	CaO	MgO	B₂O₃	Al₂O₃	muu	kuvaus
Sooda-kalkkilasi	72	14		9	4		1		ikkuna-,pullo- ja taidelasit
Kvartsilasi	99.5+								Suurta kuumuutta kestävät sovellukset Pieni lämpölaajenemine läpäisee UV-valoa
Borosilikaatti	80.5	3.8	0.5			12.9	2.2		lämpöä ja kemikaaaleja kestävä lasi, laboratoriolasi
optinen piilasi	54	1	8					37 PbO	voimakkaasti valoa taittava. Lyijykristalli on suunnilleen samanlaista
Pintakarkaistu lasi	56	16	2	2		2	19	4 TiO₂	lasivuoat

Lasin jäähtyminen

Kun lasi jäähtyy, sen viskositeetti kasvaa, kunnes muuntumisalueella lasi jähmettyy kiinteäksi. Lämpö voi poistua lasista vain pinnalta. Lasilla on huono lämmönjohtokyky. Pinta jäähtyy ensin ja kutistuu jäähtyessään. Muuntumisalueella se kuitenkin joustaa vielä. Muuntumisalueen alapuolella pintalasi on jo kiinteää, mutta sisällä voi olla vielä kuumaa lasia, joka jatkaa kutistumistaan. Paksuun lasiin syntyy silloin alipainetta sisälle, joka voi imaista sitkistyneen pinnan lommolle. Jännityksen estolla jäähdytetään lasi niin hitaasti että pinnan ja ytimen välille ei koskaan muodostu yli 5 C lämpöeroa. Tällöin lasiin ei jää lämpöjännityksiä.

Kun lasilla ei ole tarkkaa sulamispistettä, on yleinen uskomus että se on normaalilämmössäkin hyvin hitaasti juoksevaa. Tämä on myytti. Tarkasti ottaen lasi on meta-stabiilia. Aina joskus voi jokin atomi ulkoisen energian vaikutuksesta liikahtaa, mutta havaittavan valumisen syntymiseen tarvitaan miljoonia vuosia.

Värillinen lasi

Värilasin valmistuksessa voidaan käyttää vain värejä, jotka kestävät sulatuksen kuumuuden. Useimmat näistä ovat metallioksideja (oksidi on jo hapettunut, se ei voi palaa). Toinen värjäystekniikka perustuu mikroskooppiseen rakenteeseen. Oljyläikkä veden pinnalla heijastaa värejä, joita öljyssä itsessään ei ole. Ohut öljykalvo ikäänkuin resonoi valon kanssa ja siksi heijastaa enemmän jotain määrättyä aallonpituutta. Lasiin voidaan saada samanlainen rakenne. Kulta on keltaista, mutta nanometrien paksuisena se onkin punaista. Lisäämällä lasiin noita nanometriluokan kultahitusia, lasi värjäytyy punaiseksi, ns. kulta-rubiinilasi. Tällainen väri ei ole "yhtä todellista" kuin värillinen oksidi. Siki se muuntuu usein poltossa (ns. muuntovärit eli striker-lasit).

Esimerkkejä metallien väriominaisuuksista

border

väri	Metalli	kommentti
Vahva, syvä sininen	koboltti
sininen	kupari
vihreä	kromi	Aventuriinissa on myös metallisia kromihiukkasia
Vihreä	rauta	kirkas lasi näyttää usein hieman vihertävältä rautajäämien takia
lila	mangaani	käytetään usein kompensoimaan raudan aiheutamaa vihreyttä
punainen	kupari
punainen	kulta
Keltainen	kadmium	erittäin myrkyllien oksidina
keltainen	hopea	värjää hyvin pieninä pitoisuuksina. Mm hopeasaven polttaminen voi jättää uunilevyyn värjäävän jäljen
musta	>rauta

Onneksi voimme käyttää useimmiten valmiita värillisä laseja. Lasin värjääminen on konstikasta. Edellä on ollut puhetta siitä miten muovaavien ainesosien määrällä vaikutetaan lasin ominaisuuksiin kuten viskositeettiin, laajenemiskertoimeen (COE) ja pehmiäsmislämpöön. Kun tähän tarkoin valittuun seokseen lisätään värioksidia, muiden ainesten prosenttisouudet muuttuvat. Ongelmana on aina saada kaikki halutut ominaisuudet mahtumaan sataan prosenttiin.

Väreistä voi oppia lisää sivuilta BE väriluettelo1 ja BE väriluettelo2

Lasia voi kyllä itse pintavärjätä värillisillä lasijauheilla (friteillä) Katso Frittimaalaus tai emaleilla. Lasimaalaus onkin oma taiteenlajinsa.

Opaakki lasi

Opaakki lasi tehdään lisäämällä opsifoivaa ainetta, tavallisesti fluoridia tai fosforia lasiin. Tämä aiheuttaa kiteiden muodostumista lasin sisään, joka estää läpinäkyvyyden. Itse asiassa lasin sisällä tapahtuu devitrifioitumista. Siksi opaakit lasit ovat herkempiä devitrifioitumaan kuin transparentit. Se näkyy useimmiten että fuusauslämmössä opaakki lasi menttää pintakirkkauden, ikäänkuin sitä olisi etsattu.

Lähteet:
Mit_edu
New York Times
Bullseye Glasstips
Bullseye Torchtips
Lani McGregor (2)

Copyright 2007,2011 Lauri Levanto
;URL http://lauri.lsd.dk/lasi/

Tämän osion suunnistus