El vidrio de borosilicato tiene buena estabilidad térmica y química y ha sido ampliamente utilizado en vidrio de instrumentos, vidrio de recipientes, etc.; con el desarrollo del proceso de fusión de vidrio y los materiales refractarios, el vidrio de borosilicato se utilizará en más campos.
El vidrio de borosilicato es un vidrio cuya composición básica es SiO2: B2O3, Na2O.
El rango de composición básica es:
ω(SiO2) = 70% ~ 80%, ω(B2O3) = 6% ~ 15%, ω(Na2O) = 4% ~ 10%, ω(Al2O3) = 0 ~ 5%, ω(BaO) = 0 ~ 2%, ω(CaO) = 0 ~ 2%.
Algunos componentes representativos típicos son los siguientes:
Donde Na2O proporciona oxígeno libre para transformar el triángulo de óxido de boro [BO3] en tetraedros de óxido de boro [BO4], y la estructura del boro se transforma de laminar a forma de estante, creando condiciones para que el B2O3 forme un vidrio uniforme y consistente con SiO2.
El B2O3 entra en la estructura del vidrio con [BO3] o [BO4], especialmente cuando forma una red estructural junto con [BO4] y [SiO4], lo que aumenta la integridad de la red y su compactación, por lo que el vidrio de borosilicato tiene muchas propiedades excelentes: como buena estabilidad térmica y química, buenas propiedades mecánicas y de proceso, excelentes propiedades ópticas, etc.
(1) Propiedades térmicas
El vidrio de borosilicato tiene excelentes propiedades térmicas debido a su alto contenido de SiO2 y B2O3, lo que hace que su integridad de red y densidad sean mejores que el vidrio de sílice-cal-soda ordinario. Por ejemplo, su coeficiente de expansión térmica es generalmente menor que 6 × 10⁻⁷ / ℃, mientras que el vidrio de sílice-cal-soda ordinario es de aproximadamente (9 ~ 100) × 10⁻⁷ / ℃; el choque térmico del vidrio de borosilicato Δ T generalmente es mayor que 150 ℃, conocido como vidrio duro o vidrio extraduro, el vidrio de sílice-cal-soda ordinario es inferior a 100 ℃. Por lo tanto, el vidrio de borosilicato tiene buena estabilidad térmica y puede usarse en utensilios y utensilios de cocina, protección contra incendios arquitectónica, etc.
(2) Propiedades ópticas
Las materias primas puras, la mezcla uniforme y la precisión en el procesamiento, combinadas con su excelente rendimiento, dan como resultado una alta transmisión de luz del vidrio de borosilicato. Una mejor transmitancia de luz, mayor planitud superficial y propiedades de fluorescencia más bajas permiten que el vidrio de borosilicato se utilice en electroforesis, óptica, fotónica y optoelectrónica. Dado que el sistema de borosilicato es más soluble para los óxidos de tierras raras que el sistema de silicato y tiene un rango relativamente amplio de formación de vidrio, el sistema de borosilicato de tierras raras se ha convertido en el sistema principal para que las personas estudien vidrios ópticos de tierras raras. Los estudios han demostrado [3] que se puede esperar que el sistema de vidrio de borosilicato que contiene lantano sea un sistema para desarrollar vidrios de alta densidad.
(3) Propiedades mecánicas
El vidrio de borosilicato no solo tiene una alta resistencia al choque térmico, sino también una alta dureza superficial que puede evitar rayones; al mismo tiempo, su densidad es aproximadamente un 12% más baja que la del vidrio de sílice-cal-soda ordinario (el vidrio de borosilicato generalmente es de 2,3 g/cm³, el vidrio de sílice-cal-soda generalmente es de 2,5 g/cm³). Estas ventajas significativas significan que el vidrio de borosilicato se utilizará para muchas aplicaciones importantes, como vidrio para construcción, especialmente para edificios de gran altura, lo que reducirá en gran medida el peso del edificio en general, lo que también está en línea con el desarrollo de la arquitectura moderna en la dirección de bajo peso y alta resistencia; también se puede usar como vidrio a prueba de balas y vidrio para vehículos blindados. Además, su alta resistencia, bajo peso y alta resistencia a la unión reducirán en gran medida el costo, el volumen y el peso si se utiliza en campos que requieren laminación y sándwich.
(4) Propiedades químicas
Además de su buena resistencia a los ácidos y álcalis, el vidrio de borosilicato tiene una resistencia a la hidrólisis bastante buena, dos grados más alta que el vidrio de sílice-cal-soda. Puede resistir el vapor de agua en el aire e incluso agua que contenga ácido líquido o álcali. A diferencia del vidrio de sílice-cal-soda, no está sujeto a una erosión significativa. Especialmente para las microgrietas en la superficie del vidrio, el vidrio de borosilicato no exhibe una mejor estabilidad al agua debido a la expansión de las grietas causada por la acción de las moléculas de agua en el aire húmedo, a diferencia del vidrio de sílice-cal-soda.
Como se mencionó anteriormente, debido a las muchas propiedades únicas y excelentes del vidrio de borosilicato, el sistema de vidrio ha sido ampliamente utilizado y desarrollado y se puede dividir por áreas de aplicación.
El vidrio de instrumentos fabrica recipientes químicos, biológicos, de laboratorio, tubos y dispositivos. El vidrio de instrumentos se ha utilizado ampliamente en investigación científica, cultura y educación, industria química, medicina y salud, producción industrial y astronáutica, láseres, ingeniería biológica, ingeniería nuclear y otros campos de alta tecnología.
Sus requisitos para el vidrio de instrumentos son buena estabilidad química, estabilidad térmica, alta resistencia mecánica, buen rendimiento de proceso, etc... Y el vidrio de borosilicato tiene exactamente estas propiedades.
Existen muchos tipos de vidrio de instrumentos. Su rendimiento, uso y proceso se pueden dividir en:
① Recipientes químicos: tales como vasos de precipitados, matraces, frascos con cuellos curvos, platos de evaporación, etc.
② Instrumentos físicos y químicos: matraces de microdestilación, tubos de microdestilación, tubos de fraccionamiento, tubos de ensayo, etc.
③ Productos de paredes gruesas: lámparas de alcohol, fuelles, desecadores, fregaderos, etc.
④ Mediciones: tubos de sedimentación,
cilindro medidor, taza medidora, bureta, etc.
⑤ Productos termométricos: como termómetros, densímetros, alcoholímetros, etc.
La cristalería es una rama importante de la industria del vidrio, básicamente perteneciente a los productos de vidrio prensado y soplado; su producción es la segunda después del vidrio plano y las botellas de vidrio y los tarros de vidrio ocupan el tercer lugar. Sus características son alta transparencia, color, brillo, buena estabilidad térmica y química y alta resistencia mecánica. Entre ellos, la cristalería requiere buena resistencia al choque térmico, generalmente superior a 150 ℃, para calentarse directamente con una llama abierta. El vidrio utilizado para la cristalería es principalmente vidrio de borosilicato y vidrio microcristalino, dos categorías. Se caracterizan por un bajo coeficiente de expansión térmica (generalmente por debajo de 4 × 10⁻⁶/℃) y alta resistencia al choque térmico (generalmente superior a 150 ℃). Además de la batería de cocina, también se utiliza para paneles de estufas eléctricas y calentadores de microondas, como la placa superior de la cocina con componentes de calefacción.
El vidrio farmacéutico es una rama importante de la industria del envase farmacéutico y una parte importante de toda la industria farmacéutica. El vidrio farmacéutico generalmente se refiere a la mayor estabilidad química del vidrio neutro. Requiere alta estabilidad química, buenas propiedades de sellado y mecánicas, como resistencia, principalmente vidrio de borosilicato. Varios tipos principales de vidrio farmacéutico son:
(1) Vidrio de ampolla. Se refiere a viales de vidrio de pared delgada para llenar inyecciones o polvos. Lo más importante sobre el vidrio de ampolla es su estabilidad química, y la composición básica de este vidrio es vidrio de borosilicato. La inyección de agua es principalmente vidrio de ampolla. La demanda anual actual del mercado nacional es de 29 mil millones y la tasa de crecimiento anual de las inyecciones farmacéuticas de China será del 5% y alcanzará los 37,5 mil millones en 2010. El 10%-15% de las inyecciones necesitan ampollas resistentes a ácidos fuertes y álcalis, y opacas a la luz.
