I. Giriş

Borosilikat cam iyi termal ve kimyasal kararlılığa sahiptir; alet camı, kap camı ve benzeri alanlarda yaygın olarak kullanılır. Cam eritme süreçleri ve refrakter malzemelerdeki gelişmelerle birlikte borosilikat cam daha fazla alanda kullanılacaktır.

Nedir borosilikat cam?

Borosilikat camın temel bileşimi SiO₂: B₂O₃, Na₂O.

Temel bileşim aralığı:
ω(SiO₂) = 70% ~ 80%, ω(B₂O₃) = %70–80, ω(B₂O) = %4–10, ω(Al₂O₃) = %0–5, ω(BaO) = %0–2, ω(CaO) = %0–2.

Bazı tipik örnek bileşimler şöyledir:

Na₂O, bor oksijen üçgenini [BO₃] bor oksijen dörtyüzlülerine [BO₄], borun yapısını tabakalı biçimden raf benzeri biçime dönüştürür ve B₂O3'ün SiO2 ile tekdüze ve tutarlı bir cam oluşturması için uygun koşullar meydana getirir.₂.

B₂O₃ cam yapısına [BO₃] veya [BO₄], özellikle [BO₄] ve [SiO₄] ile birlikte yapısal bir ağ oluşturduğunda, ağın bütünlüğünü ve sıkılığını artırır. Bu nedenle borosilikat cam; iyi termal ve kimyasal kararlılık, iyi mekanik ve işleme özellikleri, üstün optik özellikler ve benzeri pek çok niteliğe sahiptir.

Borosilikat Camın Avantajları

(1) Termal özellikler

Borosilikat cam, yüksek SiO2 ve B2O3 içeriği sayesinde üstün termal özelliklere sahiptir; bu bileşenler ağ yapısının bütünlüğünü ve yoğunluğunu sıradan soda-kireç-silika camdan daha iyi hâle getirir. Örneğin ısıl genleşme katsayısı genellikle 6 × 10⁻⁷/℃ değerinin altındadır; sıradan soda-kireç-silika camda ise yaklaşık (9–100) × 10⁻⁷/℃'dir. Borosilikat camın termal şok dayanımı ΔT genellikle 150 ℃'nin üzerindedir; bu nedenle sert cam veya ekstra sert cam olarak bilinir. Sıradan soda-kireç-silika camda bu değer 100 ℃'nin altındadır. Dolayısıyla borosilikat cam iyi termal kararlılığa sahiptir ve mutfak gereçlerinde, pişirme kaplarında, binalarda yangın korumasında ve benzeri alanlarda kullanılabilir.

(2) Optik özellikler

Saf ham maddeler, homojen karışım ve hassas işleme; camın üstün performansıyla birleşerek borosilikat camın yüksek ışık geçirgenliği sunmasını sağlar. Daha iyi ışık geçirgenliği, daha yüksek yüzey düzgünlüğü ve daha düşük floresans özellikleri borosilikat camın elektroforez, optik, fotonik ve optoelektronik alanlarında kullanılmasına olanak verir. Borosilikat sistemi nadir toprak oksitlerini silikat sistemine göre daha iyi çözebildiğinden ve cam oluşturma aralığı görece geniş olduğundan, nadir toprak borosilikat sistemi nadir toprak optik camlarını araştıranların başlıca sistemlerinden biri hâline gelmiştir. Araştırmalar [3], lantan içeren borosilikat cam sisteminin yüksek yoğunluklu cam geliştirmede kullanılabilecek bir sistem olabileceğini göstermiştir.

(3) Mekanik özellikler

Borosilikat cam yalnızca yüksek termal şok dayanımına değil, çizilmeleri önleyebilen yüksek yüzey sertliğine de sahiptir. Ayrıca yoğunluğu sıradan soda-kireç-silika camdan yaklaşık yüzde 12 daha düşüktür (borosilikat cam genellikle 2,3 g/cm³, soda-kireç-silika cam ise 2,5 g/cm³'tür). Bu önemli avantajlar borosilikat camın birçok önemli uygulamada kullanılmasını sağlar. Özellikle yüksek binalarda kullanılan yapı camı, binanın toplam ağırlığını önemli ölçüde azaltır ve modern mimarinin hafiflik ile yüksek dayanım yönündeki gelişimiyle örtüşür. Kurşun geçirmez cam ve zırhlı araç camı olarak da kullanılabilir. Ayrıca laminasyon ve sandviç yapı gerektiren alanlarda yüksek dayanımı, hafifliği ve bağlanma gücü maliyeti, hacmi ve ağırlığı önemli ölçüde azaltır.

(4) Kimyasal özellikler

Asitlere ve alkalilere karşı iyi direncinin yanı sıra borosilikat cam, soda-kireç-silika camdan iki derece daha yüksek, oldukça iyi hidroliz direncine sahiptir. Havadaki su buharına, hatta asit veya alkali içeren sıvılara dayanabilir. Soda-kireç-silika camın aksine belirgin aşınmaya uğramaz. Özellikle cam yüzeyindeki mikro çatlaklarda, nemli havadaki su moleküllerinin yol açtığı çatlak genişlemesi borosilikat camın suya karşı kararlılığını soda-kireç-silika cama kıyasla belirgin biçimde düşürmez.

II II. Borosilikat Cam Uygulama Durumu

Daha önce belirtildiği gibi borosilikat cam, kendine özgü üstün özellikleri sayesinde yaygın biçimde kullanılmakta ve geliştirilmektedir. Kullanım alanlarına göre şu şekilde sınıflandırılabilir:

2.1 Alet camı

Alet camı; kimyasal, biyolojik ve laboratuvar kapları, tüpleri ve cihazlarının üretiminde kullanılır. Bilimsel araştırma, kültür ve eğitim, kimya sanayisi, tıp ve sağlık, endüstriyel üretim ve uzay bilimleri, lazerler, biyomühendislik, nükleer mühendislik ve diğer ileri teknoloji alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Alet camından iyi kimyasal ve termal kararlılık, yüksek mekanik dayanım ve iyi işlenebilirlik gibi özellikler beklenir. Borosilikat cam tam da bu özelliklere sahiptir.

Alet camının pek çok türü vardır. Performansına, kullanımına ve üretim sürecine göre şu gruplara ayrılabilir:

① Kimyasal kaplar: Beherler, balonlar, eğri boyunlu balonlar, buharlaştırma kapları vb.
② Fiziksel ve kimyasal laboratuvar araçları: Mikro damıtma balonları, mikro damıtma tüpleri, fraksiyonlama kolonları, deney tüpleri vb.
③ Kalın cidarlı ürünler: İspirto ocakları, körükler, desikatörler, lavabolar vb.
④ Ölçüm araçları: Çöktürme tüpleri,
ölçü silindirleri, ölçü kapları, büretler vb.
⑤ Termometre ürünleri: Termometreler, yoğunluk ölçerler, alkolmetreler vb.

2.2 Kap ve pişirme gereçleri camı

Cam ev eşyaları, cam endüstrisinin önemli bir dalıdır ve temel olarak preslenmiş ve üflenmiş cam ürünlerinden oluşur. Üretim miktarı düz cam ve cam şişelerden sonra gelir; cam kavanozlar ise üçüncü sıradadır. Bu ürünler yüksek şeffaflık, renk ve parlaklık, iyi termal ve kimyasal kararlılık ve yüksek mekanik dayanımla öne çıkar. Cam pişirme kaplarının doğrudan açık alevde ısıtılabilmesi için genellikle 150 ℃'nin üzerinde iyi termal şok direnci gerekir. Cam pişirme kaplarında başlıca iki tür cam kullanılır: borosilikat cam ve cam seramik. Bu malzemeler düşük ısıl genleşme katsayısı (genellikle 4 × 10⁻⁶/℃'nin altında) ve yüksek termal şok dayanımıyla (genellikle 150 ℃'nin üzerinde) tanımlanır. Pişirme kaplarının yanı sıra elektrikli ocak panellerinde ve mikrodalga ısıtıcılarda, örneğin mutfaklardaki ısıtma bileşenli üst panellerde de kullanılır.

2.3 İlaç camı

İlaç camı, ilaç ambalajı endüstrisinin önemli bir dalı ve tüm ilaç sektörünün temel bir parçasıdır. Genellikle kimyasal kararlılığı yüksek nötr camı ifade eder. Yüksek kimyasal kararlılık, iyi sızdırmazlık ve sağlamlık gibi mekanik özellikler gerekir; başlıca kullanılan cam borosilikat camdır. İlaç camının birkaç temel türü vardır:

(1) Ampul camı. Enjeksiyonluk çözelti veya tozları doldurmak için kullanılan ince cidarlı cam şişeleri ifade eder. Ampul camında en önemli özellik kimyasal kararlılıktır ve bu camın temel bileşimi borosilikat camdır. Enjeksiyonluk su çoğunlukla ampul camında sunulur. İç pazarın yıllık talebi şu anda 29 milyardır. Çin'de ilaç enjeksiyonlarına yönelik yıllık talebin yüzde 5 büyüyerek 2010'da 37,5 milyara ulaşacağı öngörülmüştür. Enjeksiyonların yüzde 10–15'i kuvvetli asitlere, alkalilere ve ışığa dayanıklı ampuller gerektirir.

(2) Serum şişeleri. Tuzlu su şişeleri olarak da bilinir. Kimyasal bileşimleri çoğunlukla alüminyum borosilikat veya düşük borosilikat camdır. Genellikle tuzlu su, glikoz ve diğer tıbbi çözeltileri içerir; iyi nötrlük, belirli ölçüde termal şok direnci ve mekanik dayanım gerektirir.
(3) Şırınga camı. Genellikle alüminyum borosilikat camdan yapılır ve bakteriyel enfeksiyonu önlemek için kullanımdan önce otoklavda sterilize edilmelidir. Bu nedenle şırınga camının ısıya dayanıklı özelliklere ve iyi kimyasal kararlılığa sahip olması gerekir.

2.4 Gözlük ve optik cam

Fotokromik cam genel olarak homojen ve heterojen olmak üzere iki kategoriye ayrılır. Heterojen fotokromik camın oluşum sistemi çok çeşitlidir ve bileşimi çoğunlukla borosilikat camdır. Fotokromik cam en yaygın olarak gözlük camı şeklinde kullanılır; otomotiv koruyucu camlarında, lazer korumasında, uzay araçlarının pencere malzemelerinde ve yeni cihazların anahtarlarında da kullanılabilir. Endüstriyel gözetleme camı, belirli sıcaklık ve basınç koşullarında kullanılan şeffaf pencere camıdır; yüksek şeffaflık, sıcaklık ve basınç direnci, kimyasal kararlılık ve benzeri özelliklere sahiptir. Günümüzde geliştirilen ve üretilen endüstriyel gözetleme camları üç seriye ayrılır: alkalisiz alüminosilikat cam, borosilikat cam ve kuvars cam; her seride çeşitli ürünler bulunur. Bu camlar petrol, kimya ve ilaç endüstrilerinde boru hatları, vanalar, kraking fırınları, depolama tankları ve diğer basınçlı kaplar ile cihazlarda yaygın biçimde kullanılır.

2.5 Cam elyafı

Cam elyafı üretiminde cam kullanılması, diğer cam ürünlerinin üretiminden farklıdır. Günümüzde ticari cam elyafı bileşimlerinde başlıca dört tür bulunur: E-cam (alkalisiz cam olarak da bilinir), C-cam (alkali cam), A-cam (yüksek alkali cam) ve E-CR cam (geliştirilmiş, bor içermeyen alkalisiz cam). En yaygın cam elyafı türü E-cam borosilikattır. İyi elektrik yalıtımı ve mekanik özelliklere sahiptir; elektrik yalıtımında kullanılan cam elyafı üretiminde ve başka cam elyafı ürünlerinde yaygın biçimde kullanılır. Dezavantajı inorganik asitlerden kolayca etkilenmesidir; bu nedenle asidik ortamlarda kullanıma uygun değildir.

2.6 Cam pul katkılı korozyon önleyici kaplama

Yurtdışında 1960'larda ağır hizmet tipi korozyon önleyici kaplamalarda cam pullar kullanılmaya başlandı. Büyük ölçekli projelerde iyi sonuçlar elde edilmesi, dünya çapındaki kaplama uzmanlarının yoğun ilgisini çekti. Cam pul, ABD'li Owens-Corning şirketi tarafından icat edilmiş ve ilk cam pul ile kaplama patenti 1957'de alınmıştır. İlgili bilgilere göre pul üretiminde kullanılan cam genellikle borosilikattır. Borosilikat cam, iyi kimyasal kararlılığı ve özellikle asit ile alkalilere karşı direnci nedeniyle tercih edilir.

2.7 Güneş enerjili vakum kolektörleri

Çin'de yılda 2 milyon güneş enerjili vakum kolektörü üreten firmalar bulunmaktadır. Bu ürünler birinci sınıf yüksek teknoloji ekipmanlarla ve malzeme olarak yüksek borosilikatlı 3.3 camla (özel sert malzeme) üretilir. Uluslararası düzeyde gelişmiş püskürtmeli seçici soğurma kaplama süreciyle yüksek soğurma oranı, iyi dayanım, dolu darbesine direnç, asit ve alkali direnci ve iyi yalıtım özellikleri elde edilir. Teknik göstergeleri ve performansı ülke içindeki öncü düzeydedir. Kullanım ömrü 15 yıldan fazladır. Isı soğurucu eleman olarak tamamen cam vakumlu güneş kolektör tüpleri kullanan güneş enerjili su ısıtıcıları, güneş ışığını çok yüksek oranda soğurur (yüzde 93'ün üzerinde) ve ısı yayma oranı çok düşüktür (yüzde 6'dan az); ısı iletimi ve kaybı en aza indirilir.

III. Gelişim Eğilimleri

Borosilikat camın birçok üstün özelliği vardır; ancak sıradan havuz fırınlarında eritilmesi bazı sorunlar doğurur: yüksek erime sıcaklığı ve viskozite, uzun berraklaşma süresi, borun kolay uçuculaşması, tabakalaşma ve ayrışma. Özellikle yüksek erime sıcaklığı, viskozite ve aşındırıcılık, float şekillendirme sürecinin uygulanmasını zorlaştırır. Bu sorunlar üstün özelliklerin tam olarak kullanılmasını ve geniş ölçekli uygulamaları ciddi biçimde sınırlar; aynı zamanda refrakter malzemeler ve ısıtma elemanları için daha yüksek gereksinimler doğurur. Refrakter malzemelerin performansının iyileştirilmesi, elektrikli cam fırını teknolojisinin gelişmesi ve cam işleme teknolojisindeki ilerlemeler, float yöntemiyle borosilikat cam üretiminin hızla gelişmesini sağlayacak; üstün özelliklerinden tam olarak yararlanmayı mümkün kılacaktır. Böylece kullanım alanları önemli ölçüde genişleyip derinleşecektir.

3.1 Ekran camı

Düz panel ekranlar günlük yaşamın bir parçası hâline geldi. Ekran olmasa bilgi alışverişinin ve teknik işlemlerin nasıl gerçekleştirileceğini hayal etmek zordur. Saat kadranları, sıcaklık ölçerler ve göstergelerden faks makineleri ve cep telefonları gibi iletişim terminallerine, masaüstü bilgisayarlara ve televizyonlara kadar borosilikat cam yaygın biçimde kullanılmıştır ve kullanılmaya devam edecektir.

Özellikle sıvı kristal ekranlar (LCD), düz panel ekranların yeni gözdesi hâline gelmiş ve bir eğilim oluşturmuştur. Tüm bu ekranların ortak noktası, kullanılan cam altlığın yüksek kaliteli, ince ve özel nitelikte olması; levhanın hassas biçimde işlenebilmesidir. Cam altlık için yüksek ve katı standartlar aranır; neredeyse kusursuz olması (<50 μm) ve yüzeyinin düz olması gerekir. Isıl genleşme katsayısı kristalin işlevsel katmanıyla uyumlu olmalı; alkali metal içermemeli ve üstün kimyasal kararlılığın yanı sıra en önemlisi termal kararlılığa sahip olmalıdır. Cam işleme teknolojisinin gelişmesiyle ekran camları büyük boyutlara ve daha ince kalınlıklara yönelecektir; bu gereksinimler ancak float teknolojisiyle karşılanabilir. Sıvı kristal ekran (LCD), ışık yaymayan bir düz panel ekran (FPD) türüdür. Sıvı kristaller ışık yaymadığı için LCD ekranların görüntü oluşturması harici bir ışık kaynağının iletilmesini veya yansıtılmasını gerektirir. Organik LED (OLED) arka aydınlatmalı LCD geliştirme çalışmaları kapsamında İngiltere'deki Oxford Üniversitesi'nden A. Mostey ve çalışma arkadaşları, altlık cam olarak borosilikat cam kullanarak LCD'ler için yeşil ve iki mavi OLED arka aydınlatma aygıtı geliştirmiştir. Bu aygıtlar hızlı tepki süresi, darbe direnci, yüksek parlaklık ve geniş çalışma sıcaklığı aralığı gibi avantajlara sahiptir.

3.2 Yapılar için yangına dayanıklı cam

Yapı yangın camı geliştirme ve üretiminde Avrupa'nın öncü ülkelerinden biri Almanya'dır. Float yöntemiyle üretilen borosilikat şeffaf temperli yangın camıyla dünya çapında tanınır. Alman Schott Pyrans yangın camı ürünleri, float süreciyle üretilen tek borosilikat yangın camı türüdür ve üstün termal şok direncini float camın optik özellikleriyle bir araya getirerek kusursuza yakın görüntü sağlar. Ürünler yalnızca iç pazarda değil, Avrupa ülkelerinde de rağbet görmüştür. Cam altlık kullanılarak üretilen ürün, temperleme işleminden sonra şeffaf borosilikat cam niteliği kazanır. Bu nedenle diğer yangın camı türlerinden farklı olarak daha düşük ısıl genleşme katsayısına sahiptir. Yangın dayanımı genellikle 60–120 dakika veya daha fazlasına ulaşabilir; hatta 1.000 °C'deki yüksek sıcaklık ışınımı altında bile yangını durdurabilir. Ürünler 5, 6,5, 7,5, 10 ve 12 mm gibi çeşitli kalınlıklarda sunulur ve İngiliz BS6206 standardını karşılar. Bu standarda göre 45 kg'lık bir torba 457 mm yükseklikten cam yüzeyine dikey olarak düşürüldüğünde cam kırılmamalıdır; bu da cama çarpma durumunda insan güvenliğini sağlamaya yöneliktir. Modern yapıların güvenlik ve yangın dayanımı gereksinimleri arttıkça tek katmanlı borosilikat yangın camı dünya çapında daha yaygın kullanılacak ve geliştirilecektir.

3.3 Fotovoltaik hücreler

Kaynak ve enerji sorunları günümüzde büyük önem taşımaktadır. Yenilenebilir enerji kaynağı olan fotovoltaik hücreler 21. yüzyılın temel teknolojilerinden biri hâline gelecektir. Şu anda fotovoltaik malzemelerde silikon levhalar hâkim konumdadır. Ancak fiyatları çok yüksektir ve uzun vadede büyük ölçekte, büyük boyutlarda üretimleri mümkün değildir. Bu nedenle fotovoltaik hücreler daha verimli ince film güneş hücrelerine yönelecek; maliyetleri düşürmek için katman sayısı ve kalınlık azaltılacaktır. Başka bir deyişle bir altlık ve bir kapak camı kullanılacaktır. Bu altlık camın önemli miktarda termal yüke (550–630 ℃) dayanması, kimyasal saldırılara direnmesi ve mekanik dayanım gereksinimlerini karşılaması gerekir. Borosilikat camın iyi ısıl genleşme ve termal kararlılık özellikleri amorf silikon levhalarla uyum sağlayabilir.

IV. Gelecek

Borosilikat camın uygulamaları henüz başlangıç aşamasındadır ve gelişme potansiyeli sıradan soda-kireç-silika camla kıyaslanamayacak kadar büyüktür. Gelecekte borosilikat camın farklı özelliklere, büyük boyutlara, çok işlevliliğe, yüksek kaliteye ve büyük ölçekli üretime doğru gelişmesi beklenmektedir. Dünyanın dört bir yanındaki bilim ve teknoloji çalışanları borosilikat cama büyük ilgi göstermektedir. İnsanların camdan beklenti ve ihtiyaçları arttıkça borosilikat cam cam endüstrisinde önemli bir rol oynayacaktır.