Боросиликатное стекло — это тип стекла , в котором основными стеклообразующими компонентами являются кремнезем и триоксид бора . Боросиликатные стекла известны тем, что имеют очень низкие коэффициенты теплового расширения (≈3 × 10 -6 К -1 при 20 ° C), что делает их более устойчивыми к тепловому удару , чем любое другое обычное стекло. Такое стекло подвергается меньшим термическим нагрузкам и может выдерживать перепады температур без разрушения около 165 ° C (300 ° F). [1] Он обычно используется для изготовления бутылок и колб для реагентов , а также освещения, электроники и посуды.
Боросиликатное стекло продается под различными торговыми марками, включая Borosil , Duran , Pyrex , Glassco, Supertek, Suprax, Simax, Bellco, Marinex (Бразилия), BSA 60, BSC 51 (от NIPRO), Heatex, Endural, Schott , Refmex , Kimax. , Gemstone Well, United Scientific и MG (Индия).
Одноцокольные самозажигающиеся лампы изолированы слюдяным диском и заключены в газоразрядную трубку из боросиликатного стекла (дуговую трубку) и металлический цоколь. [2] [3] К ним относятся натриевые лампы , которые обычно используются в уличном освещении. [4] [5] [2] [3]
Боросиликатное стекло плавится при температуре около 1650 ° C (3000 ° F; 1920 К).
Боросиликатное стекло было впервые разработано немецким стеклоделом Отто Шоттом в конце 19 века в Йене . Таким образом, это раннее боросиликатное стекло стало известно как йенское стекло . После того, как компания Corning Glass Works представила Pyrex в 1915 году, это название стало синонимом боросиликатного стекла в англоязычном мире (с 1940-х годов значительная часть стекла, выпускаемого под брендом Pyrex, также изготавливалась из натриево-известкового стекла ). Боросиликатное стекло — это название семейства стекол, в которое входят различные представители, предназначенные для совершенно разных целей. Наиболее распространенным сегодня является боросиликатное стекло 3,3 или 5,0x, такое как Duran, Corning33, Corning51-V (прозрачное), Corning51-L (янтарное), NIPRO BSA 60 компании International Cookware и BSC 51.
Боросиликатное стекло создается путем объединения и плавления оксида бора , кварцевого песка, кальцинированной соды [6] и оксида алюминия. Поскольку боросиликатное стекло плавится при более высокой температуре, чем обычное силикатное стекло , для промышленного производства потребовались некоторые новые технологии.
Помимо кварца , карбоната натрия и оксида алюминия , традиционно используемых в производстве стекла , бор используется в производстве боросиликатного стекла. Состав боросиликатного стекла с низким расширением, такого как упомянутые выше лабораторные стекла, состоит примерно из 80% кремнезема , 13% оксида бора , 4% оксида натрия или оксида калия и 2–3% оксида алюминия . Хотя его сложнее производить, чем традиционное стекло, из-за его высокой температуры плавления, его производство экономично. Его превосходная долговечность, химическая и термостойкость находят применение в химическом лабораторном оборудовании, посуде, освещении и в некоторых видах окон.
Производственный процесс зависит от геометрии изделия и может быть разделен на различные методы, такие как плавание , волочение труб или формование .
Распространенный тип боросиликатного стекла, используемого для изготовления лабораторной посуды, имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (3,3 × 10 -6 К -1 ), [7] примерно на одну треть меньше, чем у обычного натриево-известкового стекла. Это снижает напряжения в материале, вызванные перепадами температур, что делает боросиликатное стекло более подходящим типом стекла для определенных применений (см. ниже). Посуда из плавленого кварца в этом отношении еще лучше (имеет одну пятнадцатую теплового расширения натриево-известкового стекла); однако сложность работы с плавленым кварцем делает кварцевую посуду намного дороже, а боросиликатное стекло является дешевым компромиссом. Несмотря на то, что боросиликатное стекло более устойчиво к тепловому удару , чем другие типы стекла, оно все же может треснуть или разбиться при воздействии быстрых или неравномерных изменений температуры.
Среди характерных свойств этого семейства стекол можно выделить:
Температура размягчения (температура, при которой вязкость составляет примерно 10 7,6 пуаз ) для Pyrex типа 7740 составляет 820 °C (1510 °F). [8]
Боросиликатное стекло менее плотное (около 2,23 г/см 3 ), чем обычное натриево-известковое стекло, из-за низкой атомной массы бора. Его средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении (20–100 ° C) составляет 0,83 Дж / (г⋅К), что составляет примерно одну пятую от воды. [9]
Разность температур, которую боросиликатное стекло может выдержать перед разрушением, составляет около 330 ° F (180 ° C), тогда как натриево-известковое стекло может выдержать изменение температуры только примерно на 100 ° F (55 ° C). Вот почему типичная кухонная посуда, изготовленная из традиционного натриево-известкового стекла, разобьется, если поставить на лед сосуд с кипящей водой, а пирекс или другое боросиликатное лабораторное стекло - нет. [1]
Оптически боросиликатные стекла представляют собой краун-стекла с низкой дисперсией ( числа Аббе около 65) и относительно низкими показателями преломления (1,51–1,54 в видимом диапазоне).
Для целей классификации боросиликатное стекло можно условно разделить на следующие группы в зависимости от его оксидного состава (в массовых долях). Характерной чертой боросиликатных стекол является наличие значительных количеств кремнезема (SiO 2 ) и оксида бора (B 2 O 3 , >8%) в качестве сеткообразователей стекла. Количество оксида бора особым образом влияет на свойства стекла. Помимо сортов с высокой устойчивостью (B 2 O 3 максимум до 13%), есть и другие, которые – из-за другого способа включения оксида бора в структурную сетку – имеют лишь низкую химическую стойкость (B 2 Содержание O 3 более 15%). [10] Следовательно, мы различаем следующие подтипы.
Содержание B 2 O 3 в боросиликатном стекле обычно составляет 12–13 %, а содержание SiO 2 — более 80 %. Высокая химическая стойкость и низкое тепловое расширение (3,3 × 10 -6 К -1 ) – самое низкое из всех коммерческих стекол для крупномасштабного технического применения – делают это стекло универсальным материалом. Высококачественные боросиликатные плоские стекла используются в самых разных отраслях промышленности, в основном для технических применений, где требуется либо хорошая термостойкость, отличная химическая стойкость, либо высокая светопроницаемость в сочетании с первозданным качеством поверхности. Другие типичные области применения различных форм боросиликатного стекла включают стеклянные трубки, стеклянные трубопроводы , стеклянные контейнеры и т. д., особенно для химической промышленности.
Помимо примерно 75 % SiO 2 и 8–12 % B 2 O 3 , эти стекла содержат до 5 % щелочноземельных металлов и глинозема (Al 2 O 3 ). Это подтип немного более мягких стекол, термическое расширение которых находится в диапазоне (4,0–5,0) × 10 -6 К -1 . [11]
Его не следует путать с простыми боросиликатными стеклоглиноземными композитами. [12]
Стекла, содержащие 15–25 % B 2 O 3 , 65–70 % SiO 2 , а также меньшее количество щелочей и Al 2 O 3 в качестве дополнительных компонентов, имеют низкие температуры размягчения и малое тепловое расширение. Герметичность к металлам в диапазоне расширения вольфрама и молибдена, а также высокая электроизоляция являются их наиболее важными характеристиками. Повышенное содержание B 2 O 3 снижает химическую стойкость; в этом отношении высокоборатные боросиликатные стекла сильно отличаются от нещелочноземельных и щелочноземельных боросиликатных стекол. Среди них также боросиликатные стекла, пропускающие УФ-свет до 180 нм, сочетающие в себе лучшее от боросиликатного стекла и кварца. [10]
Боросиликатное стекло имеет широкий спектр применений: от посуды до лабораторного оборудования, а также в качестве компонента высококачественной продукции, такой как имплантируемые медицинские устройства и устройства, используемые при освоении космоса .
Практически вся современная лабораторная посуда изготавливается из боросиликатного стекла. Оно широко используется в этом применении благодаря своей химической и термической стойкости и хорошей оптической прозрачности, но стекло может реагировать с гидридом натрия при нагревании с образованием борогидрида натрия , обычного лабораторного восстановителя. Плавленый кварц также встречается в некотором лабораторном оборудовании, когда требуются его более высокая температура плавления и пропускание УФ-излучения (например, для облицовки трубчатых печей и УФ-кювет), но стоимость и производственные трудности, связанные с плавленым кварцем, делают его непрактичным вложением средств для большинства Лабораторное оборудование.
Кроме того, боросиликатные трубки используются в качестве сырья для производства упаковок для парентеральных препаратов, таких как флаконы и предварительно наполненные шприцы , а также ампул и стоматологических картриджей . Химическая стойкость боросиликатного стекла сводит к минимуму миграцию ионов натрия из стеклянной матрицы, что делает его хорошо подходящим для инъекционных лекарственных препаратов. Этот тип стекла обычно обозначается как USP/EP JP Type I.
Боросиликат широко используется в имплантируемых медицинских устройствах , таких как глазные протезы, искусственные тазобедренные суставы, костные цементы, стоматологические композитные материалы (белые пломбы) [13] и даже в грудных имплантатах .
Многие имплантируемые устройства обладают уникальными преимуществами герметизации из боросиликатного стекла. Приложения включают ветеринарные устройства слежения , нейростимуляторы для лечения эпилепсии, имплантируемые лекарственные насосы, кохлеарные имплантаты и физиологические датчики. [14]
В середине 20-го века трубки из боросиликатного стекла использовались для подачи охлаждающей жидкости (часто дистиллированной воды ) через мощное электронное оборудование на основе вакуумных ламп , такое как коммерческие передатчики вещания. Он также использовался в качестве материала оболочки для стеклянных передающих трубок, которые работали при высоких температурах.
Боросиликатные стекла также находят применение в полупроводниковой промышленности при разработке микроэлектромеханических систем (МЭМС) в составе стопок травленых кремниевых пластин , прикрепленных к травленому боросиликатному стеклу.
Посуда — еще одно распространенное применение боросиликатного стекла, включая формы для выпечки. Он используется для некоторых мерных стаканов и имеет маркировку, напечатанную трафаретной печатью, обеспечивающую градуированные измерения. Боросиликатное стекло иногда используется для изготовления высококачественной посуды для напитков, особенно в изделиях, предназначенных для горячих напитков. Предметы из боросиликатного стекла могут быть тонкими, но прочными или более толстыми для большей прочности, их можно использовать в микроволновой печи и мыть в посудомоечной машине. [15]
Во многих качественных фонарях в качестве линзы используется боросиликатное стекло. Это увеличивает светопропускание через линзу по сравнению с пластиком и стеклом более низкого качества.
В некоторых типах газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID), таких как ртутные и металлогалогенные лампы , в качестве материала внешней оболочки используется боросиликатное стекло.
Новые методы работы с лампой привели к созданию таких художественных применений, как современный стеклянный мрамор . Современный механизм студийного стекла отреагировал на цвет. Боросиликат обычно используется при выдувании стекла в технике ламповой обработки , и художники создают ряд изделий, таких как ювелирные изделия , кухонная утварь , скульптура , а также художественные стеклянные курительные трубки.
Производители освещения используют боросиликатное стекло в некоторых своих линзах.
В органических светодиодах (OLED) (для отображения и освещения) также используется боросиликатное стекло (BK7). Толщина стеклянных подложек BK7 для изготовления OLED обычно составляет менее 1 миллиметра. Благодаря своим оптическим и механическим характеристикам по отношению к стоимости BK7 является распространенной подложкой в органических светодиодах. Однако в зависимости от применения при изготовлении OLED также используются подложки из натриево-известкового стекла аналогичной толщины.
Во многих астрономических телескопах-рефлекторах используются компоненты стеклянных зеркал, изготовленные из боросиликатного стекла из-за его низкого коэффициента теплового расширения. Это делает возможным создание очень точных оптических поверхностей, которые очень мало меняются в зависимости от температуры, а также соответствующих стеклянных зеркальных компонентов, которые «отслеживают» изменения температуры и сохраняют характеристики оптической системы.
200-дюймовое зеркало телескопа Хейла изготовлено из боросиликатного стекла. [16]
Оптическим стеклом, наиболее часто используемым для изготовления линз инструментов, является Schott BK-7 (или его эквивалент от других производителей, например, китайское кроновое стекло K9 ), боросиликатное кроновое стекло очень тонкого изготовления . [17] Оно также обозначается как стекло 517642 в честь его показателя преломления 1,517 и числа Аббе 64,2 . Другие менее дорогие боросиликатные стекла, такие как Schott B270 или эквивалентные, используются для изготовления очковых линз типа « коронка ». Обычное дешевое боросиликатное стекло, например, используемое для изготовления кухонной посуды и даже зеркал-рефлекторов телескопов, не может использоваться для изготовления высококачественных линз из-за полос и включений , характерных для более низких сортов этого типа стекла. Максимальная рабочая температура составляет 268 °C (514 °F). Хотя он переходит в жидкость, начиная с температуры 288 ° C (550 ° F) (незадолго до того, как он раскаляется докрасна), он неработоспособен, пока не достигнет температуры более 538 ° C (1000 ° F). Это означает, что для промышленного производства этого стекла необходимо использовать кислородно-топливные горелки. Стеклодувы заимствовали технологию и приемы у сварщиков.
Боросиликатное стекло стало предпочтительным материалом для моделирования методом наплавления (FDM) или изготовления наплавленных нитей (FFF), рабочих пластин. [18] Низкий коэффициент расширения делает боросиликатное стекло при использовании в сочетании с пластинами и подушками резистивного нагрева идеальным материалом для подогреваемой строительной платформы, на которую пластиковые материалы экструдируются по одному слою за раз. Первоначальный слой конструкции должен быть помещен на практически плоскую, нагретую поверхность, чтобы минимизировать усадку некоторых строительных материалов ( АБС , поликарбонат , полиамид и т. д.) из-за охлаждения после нанесения. В зависимости от используемого материала рабочая пластина будет нагреваться от комнатной температуры до температуры от 50 °C до 130 °C для каждого построенного прототипа. Температура, а также различные покрытия ( каптоновая лента , малярная лента, лак для волос, клей-карандаш, суспензия ABS+ацетон и т. д.) гарантируют, что первый слой приклеится и останется приклеенным к пластине без деформации, так как первый и последующие слои охлаждают после экструзии. Впоследствии, после сборки, нагревательным элементам и пластине дают остыть. Результирующее остаточное напряжение, образующееся, когда пластик сжимается при охлаждении, в то время как стекло остается относительно неизменным по размерам из-за низкого коэффициента теплового расширения , обеспечивает удобное удаление пластика, в противном случае механически связанного, с рабочей пластины. В некоторых случаях детали самоотделяются, поскольку возникающие напряжения преодолевают адгезионную связь строительного материала с материалом покрытия и подлежащей пластиной.
Аквариумные обогреватели иногда изготавливают из боросиликатного стекла. Благодаря высокой термостойкости он выдерживает значительную разницу температур между водой и нихромовым нагревательным элементом . [ нужна цитата ]
Специальные стеклянные курительные трубки для каннабиса и табака могут быть изготовлены из боросиликатного стекла. Высокая термостойкость делает трубы более прочными. Некоторые организации по снижению вреда также выдают боросиликатные трубки, предназначенные для курения крэк-кокаина , поскольку термостойкость предотвращает растрескивание стекла, вызывающее порезы и ожоги, которые могут привести к распространению гепатита С. [19]
Большинство готовых стеклянных гитарных слайдов изготовлены из боросиликатного стекла. [ нужна цитата ]
Боросиликат также является предпочтительным материалом для солнечной тепловой технологии с вакуумными трубками из-за его высокой прочности и термостойкости. [ нужна цитата ]
Теплоизоляционные плитки на космическом корабле были покрыты боросиликатным стеклом. [20]
Боросиликатные стекла используются для иммобилизации и захоронения радиоактивных отходов . В большинстве стран высокоактивные отходы уже много лет включаются в щелочно-боросиликатные или фосфатные стекловидные формы отходов; витрификация – это устоявшаяся технология. [21] Витрификация является особенно привлекательным способом иммобилизации из-за высокой химической стойкости изделий из остеклованного стекла. Химическая стойкость стекла может позволить ему оставаться в агрессивной среде многие тысячи или даже миллионы лет.
Трубки из боросиликатного стекла используются в специальных соплах сварочных горелок TIG вместо стандартных сопел из оксида алюминия . Это позволяет четко видеть дугу в ситуациях, когда видимость ограничена. [ нужна цитата ]
Боросиликатное стекло предлагается в несколько разном составе под разными торговыми названиями:
Первоначально считалось, что боросиликатное стекло не может быть сформировано в наночастицы , поскольку нестабильный предшественник оксида бора препятствовал успешному формированию этих форм. Однако в 2008 году группе исследователей из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне удалось сформировать боросиликатные наночастицы диаметром от 100 до 500 нанометров . Исследователи сформировали гель из тетраэтилортосиликата и триметоксибороксина. Когда этот гель подвергается воздействию воды в соответствующих условиях, происходит динамическая реакция, в результате которой образуются наночастицы. [22]
Боросиликат (или «боро», как его часто называют) широко используется в процессе выдувания стекла и ламповой обработки ; Стекольщик использует горелку для плавления и формования стекла, используя различные металлические и графитовые инструменты для придания ему формы. Боросиликат называют «твердым стеклом», и он имеет более высокую температуру плавления (приблизительно 3000 °F / 1648 °C), чем «мягкое стекло», которое мастера по изготовлению бисера предпочитают для выдувания стекла. Необработанное стекло, используемое в ламповой обработке, поставляется в виде стеклянных стержней для сплошных работ и стеклянных трубок для полых рабочих трубок и сосудов/контейнеров. Лампворк используется для изготовления сложных и нестандартных научных аппаратов; В большинстве крупных университетов есть мастерские по производству и ремонту стеклянной посуды. Для такого рода «научного стеклодувного дела» технические характеристики должны быть точными, а стеклодув должен обладать высокой квалификацией и уметь работать с точностью. Лэмпворк также считается искусством: обычно изготавливаются кубки, пресс-папье, трубки, подвески, композиции и статуэтки.
В 1968 году английский металлург Джон Бертон привез в Лос-Анджелес свое хобби — вручную смешивать оксиды металлов с боросиликатным стеклом. Бертон открыл стекольную мастерскую в колледже Пеппердайн под руководством преподавателя Маргарет Юд. Несколько учеников в классе, в том числе Сьюлен Фаулер, обнаружили, что определенная комбинация оксидов позволяет получить стекло, цвет которого меняется от янтарного к пурпурному и синему, в зависимости от температуры и пламени атмосферы. Фаулер поделился этой комбинацией с Полом Траутманом, который разработал первые рецепты цветного боросиликата для небольших партий. Затем в середине 1980-х годов он основал Northstar Glassworks, первую фабрику, занимавшуюся исключительно производством стержней и трубок из цветного боросиликатного стекла для использования художниками в пламени. Траутман также разработал методы и технологию изготовления цветного боро мелкими партиями, который используется рядом аналогичных компаний. [23]
В последние годы, с возрождением лэмпворкинга как техники изготовления стеклянных бусин ручной работы, боросиликат стал популярным материалом во многих студиях художников по стеклу. Боросиликат для изготовления бусин поставляется в виде тонких стержней, похожих на карандаш. Популярными производителями являются Glass Alchemy, Trautman Art Glass и Northstar, хотя доступны и другие бренды. Металлы, используемые для окраски боросиликатного стекла, особенно серебро, часто создают поразительно красивые и непредсказуемые результаты при плавлении в пламени кислородно-газовой горелки. Поскольку боросиликат более ударостойкий и прочный, чем мягкое стекло, он особенно подходит для изготовления трубок, а также для лепки фигур и создания крупных бус. Инструменты, используемые для изготовления бус из боросиликатного стекла, такие же, как и для изготовления бус из мягкого стекла.
