Lasin ominaisuuksia

Lasin ominaisuudet ja käyttäytyminen ovat monimutkaisia. Syvällisempää ja yksityiskohtaisempaa tietoa kaipaava voi tutustua esimerkiksi lähteissä mainittuihin teksteihin.

 

Kiteiset ja amorfiset aineet

Kiinteillä aineilla on yleensä säännöllinen atomi- tai molekyylirakenne, eli ne ovat kiteisiä. Kiinteän aineen rakenne voi kuitenkin olla myös epäsäännöllinen ja kiteytymätön, eli amorfinen. Vaikka koostumus olisi sama, kiteytyneen ja kiteytymättömän aineen ominaisuudet eroavat toistaan.

 

Kiteinen piidioksidi ja kiteytymätön kvartsilasi

Kiteisen piidioksidin (kvartsi) ja amorfisen kvartsilasin koostumus on samanlainen, mutta rakenne on erilainen.

 

Amorfisilla aineilla ei ole tarkkaa sulamispistettä, vaan ne pehmenevät vähitellen lämpötilan noustessa. Tunnetuin amorfinen aine on lasi, mutta myös jotkut muovit ovat amorfisia. 

Lasi on arkisuudestaan huolimatta varsin poikkeuksellinen aine. Se on yksi harvoista kiinteistä aineista, jonka valo läpäisee. Lasin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vaihtelevat paljon sen koostumuksen, valmistusmenetelmän ja sulatusolosuhteiden mukaan.

Yleisesti ottaen tavallinen lasi on:

  • Epäorgaanista.
  • Kemiallisesti kestävää, poikkeuksena fluoriyhdisteet, joita lasi kestää huonosti.
  • Sähköä eristävää, mutta sulana sähköä johtavaa.
  • Valoa läpäisevää ja taittavaa. Valo voi myös hajaantua (sironta) tai imeytyä lasiin (absorbtio). Tämä tulee esiin lasin läpinäkyvyyden vaihteluna ja väreinä.
  • Hyvä lämmöneriste.
  • Huonosti nopeita lämpötilanvaihteluita kestävää, poikkeuksena tietyt lasit, kuten borosilikaatti.
  • Kovaa, eli sitä voi naarmuttaa vain erittäin kovilla aineilla, kuten timantilla tai piikarbidilla.
  • Haurasta, eikä se kestä iskuja.
  • Tiivistä.
  • Hyvin puristusjännitystä kestävää, mutta vetojännitystä lasi kestää huonosti.

Tavallisen soodalasin tiheys (paino suhteessa tilavuuteen) on noin 2,5 kg/dm3. Eri lasityyppien tiheys vaihtelee, esimerkiksi täyskristalli on painavampaa, noin 3 kg/dm3. 

Lasien, esimerkiksi sulatuslasien tiheys vaihtelee hieman värin mukaan.

 

Kuuman lasin ominaisuuksia

Kuuman lasin ominaisuudet eroavat jäähtyneen, kiinteän lasin ominaisuuksista. Lasin käyttäytymiseen vaikuttavat sen koostumuksen lisäksi lämpötila, lasin määrä, painovoima sekä aika. Kun lasia kuumennetaan uudelleen, sen ominaisuudet voivat muuttua. Muutokset ovat sitä suurempia, mitä korkeampi lämpötila on.

 

Lasin muutos kiinteästä muovautuvaksi

Lasilla ei ole selkeää sulamispistettä kuten esimerkiksi metallilla. Sen sijaan lasin muutos kiinteän ja sulan olomuodon välillä tapahtuu vähitellen lämpötilan mukaisesti. ks. muutoslämpötila.

Huoneenlämmössä lasi on kiinteää, kovaa ja haurasta, vaikka se onkin nestefaasissa. Aineen rakenneosat – atomit ja molekyylit – ovat sitoutuneet paikoilleen, eivätkä lasin sisäiset, tai siihen kohdistuvat ulkoiset jännitykset pääse tasoittumaan. Sen sijaan ne voivat rikkoa lasin. 

Kun lasia kuumennetaan riittävästi, se pehmenee, muuttuu ensin viskoelastiseksi ja sitten sitkaan nestemäiseksi (visköösiksi). Tällöin aineen rakenneosat pääsevät liikkumaan, ja lasia voi muovata. Myös lasin sisäiset tai siihen kohdistuvat ulkoiset jännitykset voivat poistua.

Mitä korkeampi lämpötila on, sitä notkeampaa lasi on. Lämpötilan laskiessa muutos on päinvastainen, lasi jähmeytyy, kunnes se on lopulta kiinteää.

 

Lasin viskositeetti

Viskositeetti mittaa materiaalin kykyä vastustaa virtausta eli kuinka "paksua" tai "juoksevaa" se on. Vedellä on hyvin pieni viskositeetti, kun taas esimerkiksi juoksevalla hunajalla viskositeetti on huomattavasti suurempi.

Riittävän korkeassa lämpötilassa lasista tulee visköösi materiaali. Viskositeetti on sidoksissa lämpötilaan:

  • Korkeassa lämpötilassa viskositeetti on pieni ja lasi juoksevampaa.
  • Matalassa lämpötilassa puolestaan viskositeetti on suuri ja lasi jähmeämpää.

Lasin koostumus vaikuttaa myös viskositeettiin, joten eri laseilla – ja jopa eri väreillä – viskositeetti voi olla erilainen.

Käytännön työssä viskositeetti vaikuttaa merkittävästi siihen, millä ja missä lämpötiloissa sulaa lasia voi muokata. Viskositeettiarvoja käytetään myös lasin valmistuksessa määrittelemään esimerkiksi lasille sopivat työ- tai  jäähdytyslämpötilat. Viskositeetti vaikuttaa lasien yhteensopivuuteen.

 

Lasin viskositeetin avulla määriteltäviä arvoja ja vaiheita

Joissain lähteissä viskositeettiarvot voivat poiketa alla olevasta taulukosta, sillä lasinvalmistuksessa voidaan käyttää eri standardeja. Tärkeintä onkin ymmärtää viskositeetin suhteellisuus ja sen merkitys lasin käyttäytymiselle – harva tarvitsee tarkkoja viskositeettiarvoja työssään.

Viskositeetti
Pa.s

 

101

Lasin sulatus raaka-aineista
Melting Point
Yleensä noin 1400–1600 °C
(lasisulan selkiytys ja homogenisointi)

103–104

Työlämpötila
Working Point
1000–1200 °C (teollinen valmistus, lasinpuhallus) 1000 °C:n alapuolella lasin viskositeetti kasvaa jyrkästi
ISO 7884-5

Uunitekniikoissa käytetään matalampia työlämpötiloja.

106,6

Pehmenemispiste (Littleton), SP
Littleton Softening Point

  • Maksimilämpötila silloin, kun lasille sulatetaan emalia tai hienoa lasimuskaa, eikä esineen muodon haluta muuttuvan.
  • Alin lämpötila taivutettaessa lasia vapaasti tai yhteensulatuksissa.
  • Soodalasin tyypillinen SP on hieman alle 700 °C.

Standarditesti: Lasi taipuu omasta painostaan.
ISO 7884-3, ASTM C338-24

108–1010

Pehmenemislämpötila (dilatometrinen), Td
Dilatometric Softing Temperature
Standarditesti: lasi taipuu kuormitettuna.

1011–1012,3

Lasimuutoslämpötila, Tg
Glass Transition Temperature
ISO 7884-8

1012, 1012,4

Ylempi jäähdytysraja, AP
Annealing Point (Tempering Point)

  • Soodalasin tyypillinen AP on hieman yli 500 °C.
  • Lasin jännitysten poisto tehdään AP:n ja StP:n väliltä valitussa lämpötilassa. Tätä seuraa hidas jäähdytys.

  • AP:n yläpuolella lasin muoto voi muuttua

Standarditesti: jännitykset häviävät 15 minuutissa.
ISO 7884-7, ASTM-C336

1013,5

Alempi jäähdytysraja, StP
Strain Point

  • Soodalasin StP on noin 40 °C matalampi kuin AP

  • StP:n alapuolella lasi on niin haurasta, että se voi rikkoontua.

Standarditesti: jännitykset häviävät 15 tunnissa.
ISO 7884-7, ASTM-C336

 

 

viskositeetti-lämpötilariippuvuus

Lähteet: Shelby 2005, ja https://glassproperties.com/viscosity/

SI-järjestelmässä dynaamisen viskositeetin (μ) yksikkö on pascalsekunti, Pas. (Pa s, Pa*s, Pa.s).
CGS-järjestelmässä yksikkö on poisi, P (englanniksi poise). Tätä käytetään erityisesti vanhemmassa kirjallisuudessa.
Yksiköt ovat saman suuruiset suhteessa 1 P = 0,1 Pas = 1 dPas (desipascalsekuntia), mutta arvoja muunnettaessa on huomioitava, että: log(viskositeetti Poisi) = log(viskositeetti Pa·s) + 1. Eli esimerkiksi 1014.5 Poisi = 1013.5 Pa.s. *
(* https://glassproperties.com/viscosity/Glass-Viscosity-Fixpoints.htm)

 

Pintajännitys

Pintajännitys on nesteen sisäinen voima, joka pyrkii minimoimaan nesteen pinta-alan. Pienin pinta-ala suhteessa tilavuuteen on pallolla, minkä vuoksi neste pyrkii pyöristymään pisaroiksi. Nesteen kanssa kosketuksissa olevan kiinteän aineen pintaenergia vaikuttaa siihen, vetäytyykö neste sen päällä pisaraksi, tai levittäytyykö se aineen pintaa pitkin.

Pintajännitys vaikuttaa monella tavalla sulan lasi käyttäytymiseen. Kuumennettaessa lasipalojen särmät pyöristyvät, ja epätasainen pinta – esimerkiksi hiomalla rikottu karhea pinta – liekkikiillottuu. Samoin lasilevyn päällä olevat lasimurut tasoittuvat sileäksi. Lasin pintajännitys ja muotin pintaenergia vaikuttavat siihen, kuinka hyvin lasi pystyy tunkeutumaan muotin yksityiskohtiin tai tarttumaan tiukasti sen pintaan kiinni.

lasin pyöristyminen pisaroiksi

Myös epämääräisen muotoiset lasisirut pyöristyvät sulaessaan säännöllisiksi lasipisaroiksi. Pisaroiden alapuoli jää tasaiseksi.

 

Lämpölaajeneminen

Kuten muutkin materiaalit, lasi laajenee lämmetessään ja palaa jäähtyessään entiseen mittaansa (lasin muodon muuttuminen sen pehmetessä on eri asia). Lämpölaajenemiseen vaikuttavat lasin koostumus sekä valmistus- tai uudelleenkuumennusprosessin kesto ja lämpötila.

Lasin lämpölaajeneminen on tasaista lasimuutoslämpötilaan saakka. Sen yläpuolella laajeneminen on tapahtuu nopeammin ja voimakkaammin.

Lämpölaajenemista kuvataan lämpölaajenemiskertoimella. Lasikompassissa käytetään sen englanninkielistä lyhennettä COE (Coefficient of Expansion). Saksankielinen lyhenne on AK (Ausdehnungskoeffizient).

Lämpölaajenemiskerroin ilmaisee, kuinka paljon testisauvan pituus muuttuu. kun lämpötila muuttuu yhden asteen (°C tai °K). Esimerkiksi yhden metrin mittainen sauva, jonka lämpölaajenemiskerroin on 90 x 10-7 1/K, pitenee 0,009 mm, kun sen lämpötila nousee yhden kelvin- tai celsiusasteen. Jos lämpötila nousee sata astetta, se pitenee 0,9 mm. Kertoimen loppuosa jätetään usein pois, joten COE 94 x 10-7 voidaan merkitä yksinkertaisemmin COE 94.

Mittaus tapahtuu tarkoilla mittalaitteilla, dilatometrien, avulla yleensä 20–300 °C lämpötilavälillä. Koska lasin lämpölaajeneminen muuttuu tätä väliä korkeammissa lämpötiloissa, COE-arvo ei anna täydellistä kuvaa lämpölaajenemisen vaikutuksesta – esimerkiksi jäähdytyksen aikana.

Lämpölaajeneminen voidaan myös laskea raaka-aineiden perusteella. Tämä antaa lasille kuitenkin vain teoreettisen arvon.

Eri lasityypeillä on merkittäviä eroja lämpölaajenemisessa. Soodalasin laajeneminen on varsin suurta, borosilikaattilasin lämpölaajeneminen on hyvin pientä.

Esimerkejä tyypillisistä arvoista

COE
92   Soodalasi
86   Täyskristalli
33   Borosilikaatti
5     Kvartsilasi

Lasityyppien sisällä on vaihtelua, esimerkiksi seuraavat ovat soodalaseja:

COE
104   Effetre (Moretti), "Muranon lasi"
99    Tavallinen suupuhallettu talouslasi *
96    Oceanside Compatible (entinen System96)
93    Kirkas pullolasi *
90    Bullseye Fusible
90    Kirkas float-lasi (Pilkinton) **

* Huom, vain esimerkki, ei kaikki vastaava lasi.
Sulatuslasien COE on keskiarvo, yksittäiset värit voivat poiketa siitä hieman.

Lämpölaajenemisella on useita käytännön vaikutuksia. COE kertoo esimerkiksi lasin lämpöshokinkestävyydestä: kun lämpölaajeneminen on pientä, lasin tilavuus ja mitat muuttuvat vain hieman, joten jännityksiäkin syntyy vähemmän. Lasien lämpölaajenemisella on iso merkitys lasien yhteensopimiseen.

 

Kiteytyminen

Kaikki aineet pyrkivät vähemmän energiaa vaativaan olomuotoon, käytännössä säännölliseen kiderakenteeseen. Siksi lasikin pyrkii sopivissa olosuhteissa kiteytymään.

Lasin kiteytyminen voi alkaa muutoslämpötilan yläpuolella. Korkein lämpötila, jossa lasisula voi kiteytyä, on likviduslämpötila. Se on tavallisilla laseilla 800–1100 °C. Sen yläpuolella lasi on täysin sulaa. Kiteytymisen syntyyn vaikuttaa myös lasin koostumus, lämpötila ja erityisesti se, kuinka kauan lasia pidetään kiteytymiselle altistavassa lämpötilassa.

Usein, ja erityisesti lasin uunitekniikoissa, kiteytyminen vaikuttaa ensisijaisesti lasin pintaan, mutta voi pahimmillaan vaikeuttaa lasipalojen sulamista yhteen tai muotin täyttymistä. Kiteytymisen estämiseksi lasi pyritään kuumentamaan ja jäähdyttämään jäähdytys- ja työlämpötilan välillä mahdollisimman nopeasti. Uunitekniikoihin tarkoitettujen lasien koostumusta on vuosien varrella kehitetty vähemmän kiteytymisherkäksi. Yhteensulatuksessa käytetään toisinaan pinnalle levitettävää, kiteytymisen estävää apuainetta.

Lasipalan pinta on täysin himmeä.

Vihreän lasin pinta on kiteytynyt täysin mataksi.

Lasimassaan voi syntyä kiteitä myös kauttaaltaan. Myös osa lasiväreistä perustuu kiteiden kasvuun.

Lasikeraamit ovat kontrolloidusti (osin) kiteytettyä lasia. Kiteytetyn lasikeraamin ominaisuudet ovat erilaiset kuin alkuperäisen lasin. Lasikeraameilla on yleensä erittäin pieni lämpölaajenemiskerroin ja hyvä lämmön ja lämpöshokin kesto. Lasikeraameilla on paljon teknisiä käyttökohteita, mutta niistä valmistetaan myös esimerkiksi uuniastioita.