Aplikasi dan Pengembangan Kaca Borosilikat
I. Pendahuluan
Kaca borosilikat memiliki stabilitas termal dan kimia yang baik dan telah banyak digunakan pada kaca instrumen, kaca wadah, dan sebagainya; seiring perkembangan proses peleburan kaca dan material refraktori, kaca borosilikat akan digunakan di lebih banyak bidang.
Apa itu kaca borosilikat?
Kaca borosilikat adalah kaca yang komposisi dasarnya adalah SiO2: B2O3, Na2O.
Rentang komposisi dasar ：
ω(SiO2) = 70% ~ 80%, ω(B2O3) = 6% ~ 15%, ω(Na2O) = 4% ~ 10%, ω(Al2O3) = 0 ~ 5%, ω(BaO) = 0 ~ 2%, ω(CaO) = 0 ~ 2%.
Beberapa komponen representatif yang umum adalah sebagai berikut：
Di mana Na2O menyediakan oksigen bebas untuk mengubah segitiga boron-oksigen [BO3] menjadi tetrahedra boron-oksigen [BO4], dan struktur boron berubah dari lamellar menjadi seperti rak, menciptakan kondisi bagi B2O3 untuk membentuk kaca yang seragam dan konsisten dengan SiO2.
B2O3 masuk ke struktur kaca dengan [BO3] atau [BO4], terutama ketika membentuk jaringan struktural dengan [BO4] dan [SiO4] bersama-sama, yang meningkatkan integritas dan kepadatan jaringan, sehingga kaca borosilikat memiliki banyak sifat unggul: seperti stabilitas termal dan kimia yang baik, sifat mekanik dan sifat proses yang baik, sifat optik yang sangat baik, dan sebagainya.
Keunggulan kaca borosilikat
(1) Sifat termal
Kaca borosilikat memiliki sifat termal yang sangat baik karena kandungan SiO2 dan B2O3-nya yang tinggi, yang membuat integritas dan kepadatan jaringannya lebih baik daripada kaca soda-lime-silika biasa. Misalnya, koefisien ekspansi termalnya umumnya kurang dari 6 × 10-7 / ℃, sedangkan kaca soda-lime-silika biasa sekitar (9 ~ 100) × 10-7 / ℃; ketahanan kaca borosilikat terhadap kejutan panas △T umumnya lebih besar dari 150 ℃, dikenal sebagai kaca keras atau kaca sangat keras, sedangkan kaca soda-lime-silika biasa kurang dari 100 ℃. Oleh karena itu, kaca borosilikat memiliki stabilitas termal yang baik dan dapat digunakan pada peralatan makan dan alat masak, proteksi kebakaran bangunan, dan sebagainya.
(2) Sifat optik
Bahan baku yang murni, pencampuran yang merata, dan presisi pemrosesan, dikombinasikan dengan kinerjanya yang sangat baik, menghasilkan transmisi cahaya kaca borosilikat yang tinggi. Transmitansi cahaya yang lebih baik, kerataan permukaan yang lebih tinggi, dan sifat fluoresensi yang lebih rendah memungkinkan kaca borosilikat digunakan dalam elektroforesis, optik, fotonik, dan optoelektronik. Karena sistem borosilikat lebih mudah melarutkan oksida tanah jarang dibandingkan sistem silikat dan memiliki rentang pembentukan kaca yang relatif luas, sistem borosilikat tanah jarang telah menjadi sistem utama untuk mempelajari kaca optik tanah jarang. Penelitian telah menunjukkan [3] bahwa sistem kaca borosilikat yang mengandung lantanum dapat diharapkan menjadi sistem untuk mengembangkan kaca berdensitas tinggi.
(3) Sifat mekanik
Kaca borosilikat tidak hanya memiliki kekuatan kejutan termal yang tinggi tetapi juga kekerasan permukaan yang tinggi yang dapat mencegah goresan; pada saat yang sama, densitasnya sekitar 12% lebih rendah daripada kaca soda-lime-silika biasa (kaca borosilikat umumnya 2,3 g / cm3, kaca soda-lime-silika umumnya 2,5 g / cm3). Keunggulan signifikan ini berarti kaca borosilikat akan digunakan untuk banyak aplikasi penting, seperti kaca untuk konstruksi, terutama gedung-gedung tinggi, yang akan sangat mengurangi berat keseluruhan bangunan, yang juga sejalan dengan perkembangan arsitektur modern ke arah ringan dan berkekuatan tinggi; juga dapat digunakan sebagai kaca antipeluru dan kaca mobil lapis baja. Selain itu, kekuatannya yang tinggi, ringan, dan kekuatan ikatannya yang tinggi akan sangat mengurangi biaya, volume, dan berat jika digunakan pada bidang yang memerlukan laminasi dan sandwich.
(4) Sifat kimia
Selain ketahanannya yang baik terhadap asam dan basa, kaca borosilikat memiliki ketahanan hidrolisis yang cukup baik, dua tingkat lebih tinggi daripada kaca soda-lime-silika. Ia dapat menahan uap air di udara dan bahkan air yang mengandung asam atau basa cair. Berbeda dengan kaca soda-lime-silika, ia mengalami erosi yang signifikan. Khususnya untuk retakan mikro pada permukaan kaca, kaca borosilikat tidak menunjukkan stabilitas air yang lebih baik akibat perluasan retakan yang disebabkan oleh aksi molekul air di udara lembap, tidak seperti kaca soda-lime-silika.
II Kaca Borosilikat Status Aplikasi
Seperti yang disebutkan sebelumnya, karena banyak sifat unik dan unggul kaca borosilikat, sistem kaca ini telah banyak digunakan dan dikembangkan dan dapat dibagi berdasarkan bidang aplikasinya.
2.1 Kaca instrumen
Kaca instrumen digunakan untuk membuat wadah, tabung, dan perangkat kimia, biologi, dan laboratorium. Kaca instrumen telah banyak digunakan dalam penelitian ilmiah, budaya dan pendidikan, industri kimia, kedokteran dan kesehatan, produksi industri dan antariksa, laser, teknik biologi, teknik nuklir, dan bidang teknologi tinggi lainnya.
Persyaratan untuk kaca instrumen adalah stabilitas kimia yang baik, stabilitas termal, kekuatan mekanik yang tinggi, kinerja proses yang baik, dan sebagainya... Dan kaca borosilikat memiliki tepat sifat-sifat ini.
Ada banyak jenis kaca instrumen. Performa, penggunaan, dan prosesnya dapat dibedakan menjadi.
① wadah kimia: seperti gelas beker, labu, labu leher bengkok, cawan penguap, dan sebagainya.
② instrumen fisika dan kimia: labu mikrodistilasi, tabung mikrodistilasi, tabung fraksinasi, tabung reaksi, dan sebagainya.
③ produk berdinding tebal: lampu alkohol, belows, desikator, bak cuci, dan sebagainya.
④ Alat ukur: tabung sedimentasi,
silinder ukur, gelas ukur, buret, dan sebagainya.
⑤ Produk termometer: seperti termometer, hidrometer, alkoholmeter, dan sebagainya.
2.2 Kaca peralatan makan dan alat masak
Kaca peralatan makan adalah cabang penting dari industri kaca, pada dasarnya termasuk produk kaca yang ditekan dan ditiup; produksinya hanya kalah dari kaca datar dan botol kaca, sedangkan toples kaca berada di urutan ketiga. Karakteristiknya adalah transparansi tinggi, berwarna, berkilau, stabilitas termal dan kimia yang baik, dan kekuatan mekanik yang tinggi. Di antaranya, alat masak kaca memerlukan ketahanan kejutan termal yang baik, umumnya di atas 150 ℃, agar dapat dipanaskan langsung dengan api terbuka. Kaca yang digunakan untuk alat masak kaca terutama adalah kaca borosilikat dan kaca mikrokristalin, dua kategori. Keduanya dicirikan oleh koefisien ekspansi termal yang rendah (umumnya di bawah 4 × 10-6 / ℃) dan kekuatan kejutan termal yang tinggi (umumnya di atas 150 ℃). Selain alat masak, kaca ini juga digunakan untuk panel kompor listrik dan pemanas microwave, seperti pelat atas dapur dengan komponen pemanas.
2.3 Kaca farmasi
Kaca farmasi adalah cabang utama dari industri kemasan farmasi dan bagian penting dari keseluruhan industri farmasi. Kaca farmasi biasanya merujuk pada kaca netral dengan stabilitas kimia yang lebih tinggi. Ia memerlukan stabilitas kimia yang tinggi, penyegelan yang baik, dan sifat mekanik, seperti kuat, terutama kaca borosilikat. Beberapa jenis utama kaca farmasi adalah.
(1) kaca ampul. Ini merujuk pada vial kaca berdinding tipis untuk mengisi suntikan atau bubuk. Hal terpenting pada kaca ampul adalah stabilitas kimianya, dan komposisi dasar kaca ini adalah kaca borosilikat. Suntikan air terutama menggunakan kaca ampul. Permintaan tahunan pasar domestik saat ini adalah 29 miliar, dan tingkat pertumbuhan tahunan suntikan farmasi Tiongkok akan menjadi 5% dan mencapai 37,5 miliar pada tahun 2010. 10%-15% dari suntikan memerlukan ampul yang tahan terhadap asam dan basa kuat, serta tahan cahaya.
(2) Botol infus, juga dikenal sebagai botol saline. Komposisi kimianya terutama aluminium borosilikat atau kaca borosilikat rendah. Isinya terutama larutan garam, glukosa, dan larutan obat lainnya, yang memerlukan netralitas yang baik, ketahanan tertentu terhadap kejutan termal, dan kekuatan mekanik.
(3) kaca spuit. Biasanya terbuat dari aluminium, kaca borosilikat harus disterilkan dengan autoklaf sebelum digunakan untuk mencegah infeksi bakteri. Oleh karena itu, kaca spuit harus memiliki sifat tahan panas yang baik dan stabilitas kimia yang baik.
2.4 Kacamata dan lensa
Kaca fotokromik umumnya dibagi menjadi dua kategori: homogen dan heterogen; sistem pembentukan kaca fotokromik heterogen sangat luas, dan komposisinya terutama kaca borosilikat. Kaca fotokromik paling umum digunakan sebagai kaca kacamata; juga dapat digunakan untuk kaca pelindung otomotif, pelindung laser, material jendela untuk pesawat antariksa, sakelar untuk instrumen baru, dan sebagainya. Kaca penglihatan industri digunakan pada kondisi suhu dan tekanan tertentu sebagai kaca jendela tembus pandang, dengan karakteristik transparansi tinggi, tahan suhu dan tekanan, stabilitas kimia, dan lain-lain. Saat ini kaca penglihatan yang dikembangkan dan diproduksi meliputi "kaca penglihatan aluminosilikat bebas alkali," "kaca penglihatan borosilikat," dan "kaca penglihatan kuarsa" tiga seri, beberapa varietas. Kaca penglihatan industri banyak digunakan dalam industri minyak bumi, kimia, dan farmasi, seperti jalur pipa, katup, tungku perengkahan, tangki penyimpanan, dan bejana tekan serta instrumen lainnya.
2.5 Serat kaca
Produksi serat kaca dengan kaca berbeda dari produk kaca lainnya. Saat ini, komersialisasi internasional serat dengan komposisi kaca utama ada empat jenis: E glass, juga dikenal sebagai kaca bebas alkali; C glass, juga dikenal sebagai kaca alkali; A glass, juga dikenal sebagai kaca alkali tinggi; E-CR glass, adalah kaca bebas alkali tanpa boron yang ditingkatkan. Saat ini, serat kaca yang paling banyak digunakan dikenal sebagai E, kaca borosilikat; ia memiliki isolasi listrik dan sifat mekanik yang baik, banyak digunakan dalam produksi isolasi listrik dengan serat kaca, tetapi juga sejumlah besar serat kaca untuk produksi serat kaca, kelemahannya adalah mudah tererosi oleh asam anorganik, sehingga tidak cocok digunakan di lingkungan asam.
2.6 Pelapis anti-korosi skala kaca
Penggunaan skala kaca yang terbuat dari pelapis anti-korosi berat pada tahun 1960-an di luar negeri pada proyek anti-korosi utama mendapat efek anti-korosi yang baik dan telah menarik perhatian luas para ahli pelapis di seluruh dunia. Skala kaca ditemukan oleh perusahaan Amerika Owens - Corning (Owens Corning), pada tahun 1957 memperoleh paten pertama skala kaca dan pelapisnya. Menurut informasi terkait, kaca yang digunakan untuk pembuatan skala umumnya borosilikat. Kaca borosilikat dipilih karena stabilitas kimianya yang baik, terutama ketahanan yang baik terhadap asam dan basa.
2.7. Kolektor vakum surya
Di dalam negeri terdapat produsen kolektor vakum surya dengan produksi tahunan 2 juta; melalui peralatan teknologi tinggi kelas satu, kaca borosilikat tinggi 3.3 (bahan keras khusus) sebagai material, menggunakan proses pelapisan penyerapan selektif sputtering tingkat maju internasional, produk ini memiliki tingkat penyerapan yang tinggi, kekuatan yang baik, tahan hantaman hujan es, tahan asam dan basa, kinerja isolasi yang baik, dan sebagainya, indikator teknis dan performanya termasuk yang terdepan di tingkat domestik. Masa pakainya lebih dari 15 tahun. Produk pemanas air surya yang dikembangkan dengan tabung kolektor surya vakum semua kaca sebagai elemen penyerap panas memiliki tingkat penyerapan sinar matahari yang sangat tinggi (lebih dari 93%) dan tingkat emisi termal yang sangat rendah (kurang dari 6%), serta laju konduksi dan kehilangan panas dikurangi seminimal mungkin.
III. Tren perkembangan
Kaca borosilikat memiliki banyak sifat unggul, tetapi ketika meleburkan kaca borosilikat dalam tungku kolam biasa, ada beberapa masalah: suhu peleburan tinggi, viskositas tinggi, waktu penjernihan lama, boron mudah menguap, berlapis dan terbelah, dan sebagainya... Khususnya, suhu peleburan, viskositas, dan korosivitas yang tinggi menyebabkan kesulitan dalam memenuhi proses pembentukan float, dan masalah-masalah ini sangat membatasi pemanfaatan penuh kinerjanya yang unggul dan aplikasi skala besar; pada saat yang sama, hal ini juga mengajukan persyaratan yang lebih tinggi untuk material refraktori dan elemen pemanas. Dengan peningkatan kinerja material refraktori, pengembangan teknologi tungku listrik kaca, dan kemajuan teknologi pemrosesan kaca, akan memungkinkan perkembangan pesat teknologi kaca borosilikat produksi float sehingga kinerjanya yang unggul dapat dimanfaatkan sepenuhnya menjadi mungkin, bidang aplikasinya akan sangat diperluas dan diperdalam.
3.1 Kaca layar
Layar panel datar telah menjadi bagian dari kehidupan sehari-hari masyarakat. Sulit membayangkan bagaimana pertukaran informasi dan operasi teknis kita akan terjadi dan bagaimana mencapainya jika tidak ada layar. Dari pelat jam, pengukur suhu dan indikator, serta peralatan terminal komunikasi, seperti mesin faks, dan ponsel, hingga komputer desktop dan peralatan televisi, kaca borosilikat telah atau akan banyak digunakan.
Khususnya, layar kristal cair (LCD) kini menjadi primadona di antara layar panel datar dan telah menjadi tren. Semua layar ini memiliki satu kesamaan: substrat kaca yang digunakan harus berkualitas tinggi, ketebalan tipis dari kaca khusus, dan pada kaca ini, lembaran dapat disimpan secara presisi. Persyaratan untuk substrat kaca ini tinggi, standar ketat, hampir bebas cacat (<50 "m) dan kerataan permukaan yang tinggi; koefisien ekspansi termal yang cocok dengan lapisan fungsional kristal, tidak adanya logam alkali; stabilitas kimia yang sangat baik, dan yang paling penting, stabilitas termal. Dengan perkembangan teknologi pemrosesan kaca, kaca layar akan berkembang ke arah ukuran besar dan ketebalan tipis; persyaratan ini hanya dapat dicapai melalui teknologi float. Perangkat layar kristal cair (LCD) adalah perangkat layar panel datar (FPD) yang tidak memancarkan cahaya. Karena kristal cair tidak memancarkan cahaya, perangkat LCD harus ditransmisikan atau dipantulkan oleh sumber cahaya eksternal untuk mencapai tampilan. Dalam pengembangan LCD dengan lampu latar LED organik (OLED) ..., Universitas Oxford, Inggris, A. Mo.stey dan lainnya mengembangkan perangkat lampu latar OLED hijau, dua biru untuk LCD dengan kaca borosilikat sebagai substrat, dengan waktu respons cepat, tahan benturan, kecerahan tinggi, rentang suhu operasi yang luas, dan keunggulan lainnya.
3.2 Kaca tahan api untuk konstruksi
Kaca tahan api arsitektural Jerman adalah salah satu negara pertama di Eropa yang mengembangkan dan memproduksi kaca tahan api, yang dikenal karena produksi kaca tahan api temper transparan borosilikat float di dunia. Produk kaca tahan api Schott Pyrans Jerman yang diproduksi oleh perusahaan tersebut, adalah satu-satunya kaca tahan api borosilikat tunggal di dunia yang diproduksi dengan proses float, yang menggabungkan ketahanan kejutan termal yang sangat baik dan sifat optik kaca float yang sangat baik menjadi satu, memberikan efek visual yang hampir sempurna, tidak hanya di pasar domestik tetapi juga di negara-negara Eropa telah disambut baik. Penggunaan substrat kaca mencirikan produk sebagai kaca borosilikat transparan setelah perlakuan temper. Oleh karena itu, tidak seperti jenis kaca tahan api lainnya, kaca tahan api memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih rendah; ketahanan apinya umumnya dapat mencapai 60 ~ 120 menit atau lebih, dan bahkan di bawah radiasi suhu tinggi pada 1000 ° C, masih dapat menahan api. Spesifikasi produknya lebih banyak, ada 5 mm, 6,5 mm, 7,5 mm, 10 mm, 12 mm, dan sebagainya, serta lulus standar Inggris BS6206, yaitu dengan kantong 45 kg dijatuhkan vertikal dari ketinggian 457 mm ke permukaan kaca tanpa pecah, yang bertujuan memastikan keselamatan orang-orang saat kaca terkena benturan. Dengan peningkatan persyaratan keselamatan dan kebakaran pada bangunan modern, kaca tahan api borosilikat tunggal akan lebih banyak digunakan dan dikembangkan di seluruh dunia.
3.3 Sel fotovoltaik
Masalah sumber daya dan energi telah menjadi isu yang sangat penting saat ini; sel fotovoltaik sebagai energi terbarukan akan menjadi teknologi kunci di abad ke-21. Saat ini, wafer silikon masih menempati posisi dominan dalam material fotovoltaik. Namun, harganya sangat mahal, dan dalam jangka panjang, tidak mungkin diproduksi dalam skala besar dan ukuran besar. Oleh karena itu, tren sel fotovoltaik akan mengarah pada sel surya film tipis berdaya tinggi, mengurangi jumlah lapisan dan ketebalan untuk menekan biaya. Dengan kata lain, akan digunakan satu lapisan substrat dan kaca penutup. Substrat kaca ini harus menahan beban termal yang cukup besar (550 ~ 630 ℃), menahan serangan kimia, dan memenuhi persyaratan kekuatan mekanik. Dan ekspansi termal serta stabilitas termal kaca borosilikat yang baik dapat dipadukan dengan wafer silikon amorf.
IV Masa depan
Aplikasi kaca borosilikat baru saja dimulai, dan prospek perkembangannya yang besar tidak dapat dibandingkan dengan kaca soda lime silika biasa. Di masa depan, kaca borosilikat akan berkembang ke arah berbagai spesifikasi, ukuran besar, multifungsi, kualitas tinggi, dan skala besar. Para pekerja sains dan teknologi di seluruh dunia telah memberikan perhatian besar pada kaca borosilikat, seiring dengan meningkatnya persyaratan dan kebutuhan masyarakat terhadap kaca; kaca borosilikat akan memainkan peran penting dalam industri kaca.
