Application et développement du verre borosilicate

I. Introduction

Le verre borosilicate possède une bonne stabilité thermique et chimique et est largement utilisé pour le verre d'instrumentation, le verre de récipients, etc. ; avec le développement du procédé de fusion du verre et des matériaux réfractaires, le verre borosilicate sera utilisé dans davantage de domaines.

Qu'est-ce que le verre borosilicate?

Le verre borosilicate est un verre dont la composition de base est SiO₂: B₂O₃, Na₂O.

La plage de composition de base :
ω(SiO₂) = 70 % ~ 80 %, ω(B₂O₃) = 6 % ~ 15 %, ω(Na₂O) = 4 % ~ 10 %, ω(Al₂O₃) = 0 ~ 5 %, ω(BaO) = 0 ~ 2 %, ω(CaO) = 0 ~ 2 %.

Quelques composants typiques représentatifs sont les suivants :

Où Na₂O fournit de l'oxygène libre pour transformer le triangle d'oxygène de bore [BO₃] en tétraèdres d'oxygène de bore [BO₄], et la structure du bore passe d'une forme lamellaire à une forme en treillis, créant les conditions pour que B₂O3 forme un verre uniforme et homogène avec SiO₂.

B₂O₃ entre dans la structure du verre avec [BO₃] ou [BO₄], en particulier lorsqu'il forme un réseau structural avec [BO₄] et [SiO₄] ensemble, ce qui augmente l'intégrité et la compacité du réseau ; le verre borosilicate possède donc de nombreuses propriétés excellentes : une bonne stabilité thermique et chimique, de bonnes propriétés mécaniques et de mise en œuvre, d'excellentes propriétés optiques, etc.

Avantages du verre borosilicate

(1) Propriétés thermiques

Le verre borosilicate possède d'excellentes propriétés thermiques grâce à sa teneur élevée en SiO2 et B2O3, ce qui rend l'intégrité et la densité de son réseau meilleures que celles du verre sodocalcique ordinaire. Par exemple, son coefficient de dilatation thermique est généralement inférieur à 6 × 10-7 / ℃, tandis que celui du verre sodocalcique ordinaire est d'environ (9 ~ 100) × 10-7 / ℃ ; le choc thermique △T du verre borosilicate est généralement supérieur à 150 ℃, ce qu'on appelle du verre dur ou extra-dur, alors que le verre sodocalcique ordinaire est inférieur à 100 ℃. Le verre borosilicate présente donc une bonne stabilité thermique et peut être utilisé pour les ustensiles et les récipients de cuisson, la protection incendie architecturale, etc.

(2) Propriétés optiques

Des matières premières pures, un mélange homogène et une grande précision de traitement, associés à leurs excellentes performances, permettent d'obtenir une transmittance élevée du verre borosilicate. Une meilleure transmission de la lumière, une planéité de surface plus élevée et de plus faibles propriétés de fluorescence permettent d'utiliser le verre borosilicate en électrophorèse, en optique, en photonique et en optoélectronique. Comme le système borosilicate dissout mieux les oxydes de terres rares que le système silicate et présente une plage de formation du verre relativement large, le système borosilicate de terres rares est devenu le principal système d'étude des verres optiques aux terres rares. Des études ont montré [3] que le système de verre borosilicate contenant du lanthane peut être envisagé comme système pour développer des verres à haute densité.

(3) Propriétés mécaniques

Le verre borosilicate possède non seulement une grande résistance aux chocs thermiques, mais aussi une dureté de surface élevée qui limite les rayures ; en même temps, sa densité est inférieure d'environ 12 % à celle du verre sodocalcique ordinaire (le verre borosilicate est généralement de 2,3 g / cm3, le verre sodocalcique de 2,5 g / cm3). Ces avantages importants signifient que le verre borosilicate sera utilisé pour de nombreuses applications importantes, comme le verre de construction, en particulier les gratte-ciel, ce qui réduira fortement le poids de l'ensemble du bâtiment, en phase avec l'évolution de l'architecture moderne vers la légèreté et la haute résistance ; il peut aussi servir de verre pare-balles et de verre pour voitures blindées. De plus, sa résistance élevée, sa légèreté et sa forte adhérence réduiront fortement le coût, le volume et le poids lorsqu'il est utilisé dans des domaines nécessitant un contrecollage ou un sandwich.

(4) Propriétés chimiques

Outre sa bonne résistance aux acides et aux bases, le verre borosilicate présente une assez bonne résistance à l'hydrolyse, supérieure de deux classes à celle du verre sodocalcique. Il résiste à la vapeur d'eau présente dans l'air et même à l'eau contenant un acide ou une base liquide. Contrairement au verre sodocalcique, il subit une érosion importante. En particulier pour les microfissures à la surface du verre, le verre borosilicate ne présente pas une meilleure stabilité à l'eau en raison de l'élargissement des fissures provoqué par l'action des molécules d'eau dans l'air humide, contrairement au verre sodocalcique.

II Verre borosilicate État des applications

Comme mentionné précédemment, en raison des nombreuses propriétés uniques et excellentes du verre borosilicate, ce système de verre a été largement utilisé et développé ; on peut le classer par domaines d'application.

2.1 Verre d'instrumentation

Le verre d'instrumentation sert à fabriquer des récipients, des tubes et des dispositifs chimiques, biologiques et de laboratoire. Le verre d'instrumentation est largement utilisé dans la recherche scientifique, la culture et l'enseignement, l'industrie chimique, la médecine et la santé, la production industrielle et l'astronautique, les lasers, le génie biologique, le génie nucléaire et d'autres domaines de haute technologie.

Les exigences pour le verre d'instrumentation sont une bonne stabilité chimique, une bonne stabilité thermique, une résistance mécanique élevée, de bonnes performances de mise en œuvre, etc. Et le verre borosilicate possède exactement ces propriétés.

Il existe de nombreux types de verre d'instrumentation. On peut les classer selon leurs performances, leur usage et leur procédé.

① récipients chimiques : comme les béchers, les fioles, les fioles à col courbé, les capsules d'évaporation, etc.
② instruments de physique et de chimie : fioles de micro-distillation, tubes de micro-distillation, tubes de fractionnement, tubes à essai, etc.
③ produits à parois épaisses : lampes à alcool, soufflets, dessiccateurs, bacs, etc.
④ Mesures : tubes de sédimentation,
éprouvettes graduées, verres doseurs, burettes, etc.
⑤ Produits thermométriques : comme les thermomètres, les densimètres, les alcoomètres, etc.

2.2 Verre pour ustensiles et récipients de cuisson

La verrerie de table est une branche importante de l'industrie du verre, appartenant essentiellement aux produits en verre pressé et soufflé ; sa production ne vient qu'après le verre plat et les bouteilles en verre, et les bocaux en verre occupent le troisième rang. Ses caractéristiques sont une grande transparence, de la couleur, de l'éclat, une bonne stabilité thermique et chimique et une résistance mécanique élevée. Parmi eux, les récipients de cuisson en verre exigent une bonne résistance aux chocs thermiques, généralement supérieure à 150 ℃, pour chauffer directement à la flamme nue. Le verre utilisé pour les récipients de cuisson est principalement le verre borosilicate et le verre microcristallin, deux catégories. Ils se caractérisent par un faible coefficient de dilatation thermique (généralement inférieur à 4 × 10-6 / ℃) et une grande résistance aux chocs thermiques (généralement supérieure à 150 ℃). Outre les récipients de cuisson, il sert aussi aux plaques de cuisinières électriques et aux chauffants à micro-ondes, comme la plaque supérieure de la cuisine dotée d'éléments chauffants.

2.3 Verre pharmaceutique

Le verre pharmaceutique est une branche majeure de l'industrie de l'emballage pharmaceutique et une partie importante de toute l'industrie pharmaceutique. Le verre pharmaceutique désigne généralement un verre neutre à haute stabilité chimique. Il exige une grande stabilité chimique, une bonne étanchéité et de bonnes propriétés mécaniques, notamment une bonne résistance, et il s'agit principalement de verre borosilicate. Il existe plusieurs grands types de verre pharmaceutique.

(1) verre pour ampoules. Il désigne les flacons en verre à parois minces destinés à recevoir des injections ou des poudres. Le plus important pour le verre d'ampoule est sa stabilité chimique, et la composition de base de ce verre est le verre borosilicate. L'eau injectable est principalement conditionnée en verre d'ampoule. La demande annuelle actuelle du marché intérieur est de 29 milliards, et le taux de croissance annuel de l'injection pharmaceutique en Chine sera de 5 % et atteindra 37,5 milliards en 2010. 10 %-15 % des injections nécessitent des ampoules résistantes aux acides forts, aux bases et à la lumière.

(2) Flacons de perfusion, aussi appelés flacons de sérum physiologique. Leur composition chimique est principalement du verre aluminoborosilicate ou du verre faiblement borosilicaté. Ils contiennent principalement du sérum physiologique, du glucose et d'autres solutions médicamenteuses, ce qui exige une bonne neutralité, une certaine résistance aux chocs thermiques et une bonne résistance mécanique.
(3) Verre pour seringues. Généralement en verre aluminoborosilicate, il doit être stérilisé à l'autoclave avant utilisation pour prévenir les infections bactériennes. Le verre pour seringues doit donc avoir de bonnes propriétés de résistance à la chaleur et une bonne stabilité chimique.

2.4 Verres et lunettes

Le verre photochromique se divise généralement en deux catégories : homogène et hétérogène ; le système de formation du verre photochromique hétérogène est très étendu, et sa composition est principalement du verre borosilicate. Le verre photochromique est le plus souvent utilisé comme verre de lunettes ; il peut aussi servir pour le verre de protection automobile, la protection laser, les matériaux de hublot des engins spatiaux, les interrupteurs de nouveaux instruments, etc. Le verre de regard industriel s'utilise dans des conditions déterminées de température et de pression comme hublot transparent, avec une grande transparence, une résistance à la température et à la pression, une stabilité chimique et d'autres caractéristiques. Actuellement, le verre de regard industriel développé et produit comprend trois séries - « verre de regard en aluminosilicate sans alcali », « verre de regard en borosilicate » et « verre de regard en quartz » - et plusieurs variétés. Le verre de regard industriel est largement utilisé dans le pétrole, la chimie et la pharmacie, par exemple dans les pipelines, les vannes, les fours de craquage, les réservoirs de stockage et d'autres récipients sous pression et instruments.

2.5 Fibre de verre

La production de fibre de verre à partir de verre diffère des autres produits en verre. À l'heure actuelle, la commercialisation internationale des fibres fait appel à quatre grandes compositions de verre : le verre E, aussi appelé verre sans alcali ; le verre C, aussi appelé verre alcalin ; le verre A, aussi appelé verre à haute teneur en alcali ; et le verre E-CR, un verre sans bore et sans alcali amélioré. Actuellement, la fibre de verre la plus utilisée est connue sous le nom de verre E, un verre borosilicate ; elle présente une bonne isolation électrique et de bonnes propriétés mécaniques, est largement utilisée pour produire des isolants électriques en fibre de verre, mais aussi en grande quantité pour la fabrication de fibre de verre ; son inconvénient est qu'elle est facilement érodée par les acides inorganiques, ce qui la rend inadaptée aux environnements acides.

2.6 Revêtement anticorrosion à écailles de verre

L'utilisation, dans les années 1960 à l'étranger, de revêtements anticorrosion lourds à base d'écailles de verre sur de grands projets anticorrosion a donné de bons résultats et a attiré l'attention de nombreux spécialistes des revêtements dans le monde. Les écailles de verre ont été inventées par la société américaine Owens-Corning, qui a obtenu en 1957 le premier brevet sur les écailles de verre et leur revêtement. Selon les informations disponibles, le verre utilisé pour fabriquer les écailles est généralement du borosilicate. Le verre borosilicate est choisi pour sa bonne stabilité chimique, en particulier sa bonne résistance aux acides et aux bases.

2.7 Capteur solaire à vide

Le pays compte des fabricants de capteurs solaires à vide d'une production annuelle de 2 millions d'unités ; grâce à des équipements de haute technologie de premier ordre et au verre borosilicate à haute teneur 3.3 (matériau dur spécial) comme matière, et au moyen d'un procédé de revêtement sélectif absorbant par pulvérisation de niveau international avancé, le produit présente un taux d'absorption élevé, une bonne résistance, une résistance aux impacts de grêle, une résistance aux acides et aux bases, de bonnes performances d'isolation, etc. ; ses indicateurs techniques et ses performances figurent parmi les meilleurs au niveau national. Sa durée de vie dépasse 15 ans. Les produits de chauffe-eau solaires développés avec des tubes capteurs solaires à vide tout-verre comme éléments absorbants de chaleur présentent un très fort taux d'absorption de la lumière du soleil (plus de 93 %) et un très faible taux d'émission thermique (moins de 6 %), et la conduction et les pertes de chaleur sont réduites au minimum.

III. Tendances de développement

Le verre borosilicate possède de nombreuses propriétés excellentes, mais sa fusion dans un four à bassin ordinaire pose quelques problèmes : température de fusion élevée, viscosité élevée, temps d'affinage long, volatilisation facile du bore, stratification et division, etc. En particulier, la température de fusion élevée, la viscosité et la corrosivité rendent difficile le respect du procédé de formage en flottage, et ces problèmes limitent fortement l'expression complète de ses excellentes performances et son application à grande échelle ; en même temps, ils imposent des exigences plus élevées aux matériaux réfractaires et aux éléments chauffants. L'amélioration des performances des matériaux réfractaires, le développement de la technologie des fours électriques à verre et les progrès des techniques de traitement du verre permettront le développement rapide de la technologie de production de verre borosilicate par flottage, de sorte que l'expression complète de ses excellentes performances devienne possible, et ses domaines d'application seront considérablement élargis et approfondis.

3.1 Verre d'affichage

Les écrans plats font désormais partie de la vie quotidienne. Il est difficile d'imaginer ce que seraient nos échanges d'informations et nos opérations techniques, et comment les réaliser, sans écran. Des cadrans de montres, thermomètres et indicateurs, et des terminaux de communication comme les télécopieurs et les téléphones portables, jusqu'aux ordinateurs de bureau et aux téléviseurs, le verre borosilicate a été ou sera largement utilisé.

En particulier, les écrans à cristaux liquides (LCD) sont aujourd'hui le nouveau favori des écrans plats et sont devenus une tendance. Tous ces écrans ont un point commun : le substrat de verre utilisé doit être de haute qualité, avec la faible épaisseur d'un verre spécial, et ce verre doit pouvoir être stocké avec précision. Les exigences pour ce substrat de verre sont élevées, avec des normes strictes, une surface presque exempte de défauts (moins de 50 μm) et une grande planéité ; un coefficient de dilatation thermique adapté à la couche fonctionnelle du cristal, l'absence de métaux alcalins ; une excellente stabilité chimique et, surtout, une grande stabilité thermique. Avec le développement des techniques de traitement du verre, le verre d'affichage évoluera vers de grandes dimensions et de faibles épaisseurs ; ces exigences ne peuvent être satisfaites que par la technologie du flottage. Un dispositif d'affichage à cristaux liquides (LCD) est un dispositif d'écran plat (FPD) qui n'émet pas de lumière. Comme les cristaux liquides n'émettent pas de lumière, les dispositifs LCD doivent transmettre ou réfléchir une source de lumière externe pour réaliser l'affichage. Dans le développement des LCD à rétroéclairage par LED organique (OLED), l'université d'Oxford, en Angleterre, A. Mo.stey et d'autres ont développé, en utilisant du verre borosilicate comme substrat, des dispositifs de rétroéclairage OLED vert et deux bleus pour LCD, présentant une réponse rapide, une résistance aux chocs, une luminosité élevée, une large plage de températures de fonctionnement et d'autres avantages.

3.2 Verre coupe-feu pour la construction

L'Allemagne, en matière de verre coupe-feu pour la construction, est l'un des premiers pays d'Europe à développer et produire du verre coupe-feu, et elle est connue dans le monde pour sa production de verre coupe-feu trempé transparent en borosilicate obtenu par flottage. Les produits de verre coupe-feu Schott Pyran, fabriqués par l'entreprise allemande, sont le seul verre coupe-feu simple en borosilicate produit par flottage au monde, combinant une excellente résistance aux chocs thermiques et les excellentes propriétés optiques du verre flotté, pour un rendu visuel presque parfait, apprécié non seulement sur le marché intérieur mais aussi dans les pays européens. L'utilisation de substrats de verre caractérise le produit comme du verre borosilicate transparent après traitement de trempe. Pour cette raison, contrairement aux autres types de verre coupe-feu, le verre coupe-feu a un coefficient de dilatation thermique plus faible ; sa résistance au feu peut généralement atteindre 60 ~ 120 min ou plus, et même sous un rayonnement à haute température de 1000 °C, il peut encore résister. Ses spécifications de produit sont nombreuses : 5 mm, 6,5 mm, 7,5 mm, 10 mm, 12 mm, etc., et il a passé la norme britannique BS6206, c'est-à-dire qu'un sac de 45 kg tombant verticalement d'une hauteur de 457 mm sur la surface du verre ne la casse pas, ce qui garantit la sécurité des personnes en cas d'impact sur le verre. Avec le durcissement des exigences de sécurité et de protection incendie des bâtiments modernes, le verre coupe-feu simple en borosilicate sera plus largement utilisé et développé dans le monde.

3.3 Cellules photovoltaïques

Les problèmes de ressources et d'énergie sont devenus un enjeu très important aujourd'hui ; les cellules photovoltaïques, en tant qu'énergie renouvelable, deviendront une technologie clé du 21e siècle. À l'heure actuelle, les plaquettes de silicium occupent encore une position dominante parmi les matériaux photovoltaïques. Cependant, leur prix est très élevé et, à long terme, il est impossible de produire à grande échelle et en grande dimension. La tendance des cellules photovoltaïques ira donc vers des cellules solaires en couches minces à haut rendement, en réduisant le nombre de couches et l'épaisseur pour baisser les coûts. Autrement dit, on utilisera une couche de substrat et de verre de couverture. Ce verre de substrat doit supporter une charge thermique considérable (550 ~ 630 ℃), résister aux attaques chimiques et satisfaire aux exigences de résistance mécanique. Et la bonne dilatation thermique et la bonne stabilité thermique du verre borosilicate peuvent s'accorder avec les plaquettes de silicium amorphe.

IV Avenir

L'application du verre borosilicate ne fait que commencer, et ses énormes perspectives de développement sont incomparables à celles du verre sodocalcique ordinaire. À l'avenir, le verre borosilicate évoluera vers de multiples spécifications, de grandes dimensions, la multifonction, la haute qualité et la production à grande échelle. Les scientifiques et techniciens du monde entier accordent déjà une grande attention au verre borosilicate, et avec l'augmentation des exigences et des besoins des populations en matière de verre, le verre borosilicate jouera un rôle important dans l'industrie du verre.