Vidro de borossilicato - Borosilicate glass

Slide de guitarra feito de vidro de borosilicato

O vidro de borossilicato é um tipo de vidro com sílica e trióxido de boro como os principais constituintes formadores de vidro. Os vidros de borosilicato são conhecidos por ter coeficientes de expansão térmica muito baixos (≈3 × 10 −6 K −1 a 20 ° C), tornando-os mais resistentes ao choque térmico do que qualquer outro vidro comum. Esse vidro está sujeito a menos estresse térmico e pode resistir a diferenciais de temperatura sem fratura de cerca de 165 ° C (297 ° F). É comumente usado para a construção de frascos e frascos de reagentes , bem como iluminação, eletrônicos e utensílios de cozinha.

O vidro de borosilicato é vendido sob vários nomes comerciais, incluindo Borosil , Duran , Pyrex , Supertek, Suprax, Simax, Bellco, Marinex (Brasil), BSA 60, BSC 51 (por NIPRO), Heatex, Endural, Schott , Refmex , Kimax, Gemstone Bem, e MG (Índia).

História

O vidro de borosilicato foi desenvolvido pela primeira vez pelo vidreiro alemão Otto Schott no final do século 19 em Jena . Este vidro de borosilicato primitivo passou a ser conhecido como vidro de Jena . Depois que a Corning Glass Works lançou o Pyrex em 1915, o nome se tornou sinônimo de vidro de borosilicato no mundo de língua inglesa (na verdade, uma porção considerável do vidro produzido sob a marca Pyrex também foi feita de vidro de cal sodada desde 1940). O vidro borossilicato é o nome de uma família de vidros com vários membros feitos sob medida para finalidades completamente diferentes. O mais comum hoje é o vidro borossilicato 3.3 ou 5.0x, como Duran, Corning33, Corning51-V (transparente), Corning51-L (âmbar), NIPRO BSA 60 da International Cookware e BSC 51.

Além do quartzo , carbonato de sódio e óxido de alumínio tradicionalmente usados ​​na fabricação de vidro, o boro é usado na fabricação de vidro de borossilicato. A composição do vidro de borosilicato de baixa expansão, como os vidros de laboratório mencionados acima, é de aproximadamente 80% de sílica , 13% de óxido bórico , 4% de óxido de sódio e 2–3% de óxido de alumínio. Embora seja mais difícil de fazer do que o vidro tradicional devido à sua alta temperatura de fusão, é econômico de produzir. Sua durabilidade superior, resistência química e ao calor são utilizadas em equipamentos de laboratório químico , utensílios de cozinha, iluminação e em certos tipos de janelas.

Processo de manufatura

O vidro borossilicato é criado pela combinação e fusão de óxido bórico , areia de sílica, carbonato de sódio e alumina. Como o vidro de borossilicato derrete a uma temperatura mais alta do que o vidro de silicato comum , algumas novas técnicas foram necessárias para a produção industrial. O processo de fabricação depende da geometria do produto e pode ser diferenciado entre diferentes métodos, como flutuação, desenho de tubo ou moldagem.

Características físicas

O tipo comum de vidro borossilicato usado para vidraria de laboratório tem um coeficiente de expansão térmica muito baixo (3,3 × 10 −6 K −1 ), cerca de um terço do vidro de cal sodada comum. Isso reduz as tensões do material causadas por gradientes de temperatura, o que torna o borossilicato um tipo de vidro mais adequado para certas aplicações (veja abaixo). O quartzo fundido é ainda melhor neste aspecto (tendo um décimo quinto da expansão térmica do vidro soda-cal); no entanto, a dificuldade de trabalhar com quartzo fundido torna os utensílios de quartzo muito mais caros, e o vidro de borossilicato é um compromisso de baixo custo. Embora seja mais resistente ao choque térmico do que outros tipos de vidro, o vidro de borossilicato ainda pode rachar ou estilhaçar quando sujeito a variações de temperatura rápidas ou desiguais.

Entre as propriedades características desta família de vidro estão:

  • Vidros de borosilicato diferentes cobrem uma ampla gama de expansões térmicas diferentes, permitindo selos diretos com vários metais e ligas como vidro de molibdênio com um CTE de 4,6, tungstênio com um CTE em torno de 4,0 e Kovar com um CTE em torno de 5,0 por causa de o CTE combinado com o parceiro de selagem
  • Permitindo altas temperaturas máximas de tipicamente cerca de 500 ° C (932 ° F)
  • Mostrando uma resistência química extremamente alta em ambientes corrosivos. Os testes de norma, por exemplo, para resistência a ácidos, criam condições extremas e revelam impactos muito baixos no vidro

O ponto de amolecimento (temperatura na qual a viscosidade é de aproximadamente 10 7,6 poise ) do tipo 7740 Pyrex é 820 ° C (1.510 ° F).

O vidro de borossilicato é menos denso (cerca de 2,23 g / cm 3 ) do que o vidro de cal sodada típico devido à baixa massa atômica do boro. Sua capacidade média de calor específico a pressão constante (20–100 ° C) é de 0,83 J / (g⋅K), cerca de um quinto da água.

O diferencial de temperatura que o vidro de borossilicato pode suportar antes do fraturamento é de cerca de 330 ° F (180 ° C), enquanto o vidro de cal sodada pode suportar apenas uma mudança de temperatura de cerca de 100 ° F (56 ° C). É por isso que utensílios de cozinha típicos feitos de vidro de cal sodada tradicional quebrarão se um recipiente contendo água fervente for colocado no gelo, mas Pyrex ou outro vidro de laboratório de borosilicato não.

Opticamente, os vidros de borossilicato são vidros em forma de coroa com baixa dispersão ( números de Abbe em torno de 65) e índices de refração relativamente baixos (1,51-1,54 em toda a faixa visível).

Famílias de vidro

Para fins de classificação, o vidro de borossilicato pode ser aproximadamente organizado nos seguintes grupos, de acordo com sua composição de óxido (em frações de massa). Uma característica dos vidros de borossilicato é a presença de quantidades substanciais de sílica (SiO 2 ) e óxido bórico (B 2 O 3 ,> 8%) como formadores da rede de vidro. A quantidade de óxido bórico afeta as propriedades do vidro de uma maneira particular. Além das variedades altamente resistentes (B 2 O 3 até no máximo 13%), existem outras que - devido à forma diferenciada como o óxido bórico é incorporado na rede estrutural - apresentam apenas baixa resistência química (B 2 Conteúdo de O 3 acima de 15%). Portanto, diferenciamos os seguintes subtipos.

Vidro de borosilicato não alcalino-terroso (vidro de borosilicato 3.3)

O conteúdo de B 2 O 3 para o vidro de borossilicato é tipicamente 12–13% e o conteúdo de SiO 2 acima de 80%. Alta durabilidade química e baixa expansão térmica (3,3 × 10 −6 K −1 ) - o mais baixo de todos os vidros comerciais para aplicações técnicas em grande escala - tornam este um material de vidro versátil. Vidros planos de borosilicato de alto grau são usados ​​em uma ampla variedade de indústrias, principalmente para aplicações técnicas que requerem boa resistência térmica, excelente durabilidade química ou alta transmissão de luz em combinação com uma qualidade de superfície imaculada. Outras aplicações típicas para diferentes formas de vidro de borosilicato incluem um tubo de vidro, vidro de tubagem , recipientes de vidro, etc., especialmente para a indústria química.

Vidros contendo alcalino-terroso ou aluminoborosilicato

Além de cerca de 75% de SiO 2 e 8–12% de B 2 O 3 , esses vidros contêm até 5% de materiais alcalino-terrosos e alumina (Al 2 O 3 ). Este é um subtipo de vidros ligeiramente mais macios, que têm expansões térmicas na faixa (4,0–5,0) × 10 −6 K −1 .

Isso não deve ser confundido com compostos simples de vidro-alumina de borossilicato.

Vidros de borosilicato com alto teor de borato

Vidros contendo 15–25% de B 2 O 3 , 65–70% de SiO 2 e menores quantidades de álcalis e Al 2 O 3 como componentes adicionais têm baixos pontos de amolecimento e baixa expansão térmica. Selabilidade a metais na faixa de expansão de tungstênio e molibdênio e alto isolamento elétrico são suas características mais importantes. O aumento do conteúdo de B 2 O 3 reduz a resistência química; a este respeito, os vidros de borosilicato com alto teor de borato diferenciam-se amplamente dos vidros de borosilicato não alcalino-terrosos e alcalino-terrosos. Entre eles estão também os vidros de borossilicato que transmitem luz ultravioleta até 180 nm, que combinam o melhor do vidro de borossilicato e do mundo do quartzo.

Uso

O vidro borosilicato tem uma ampla variedade de usos, desde utensílios de cozinha até equipamentos de laboratório, bem como um componente de produtos de alta qualidade, como dispositivos médicos implantáveis e dispositivos usados ​​na exploração espacial .

Saúde e ciência

Copos de borosilicato

Praticamente todas as vidrarias de laboratório modernas são feitas de vidro de borossilicato. É amplamente utilizado nesta aplicação devido à sua resistência química e térmica e boa clareza óptica, mas o vidro pode reagir com o hidreto de sódio durante o aquecimento para produzir boro-hidreto de sódio , um agente redutor comum em laboratório. O quartzo fundido também é encontrado em alguns equipamentos de laboratório quando seu ponto de fusão mais alto e a transmissão de UV são necessários (por exemplo, para forros de forno de tubo e cubetas UV), mas o custo e as dificuldades de fabricação associadas ao quartzo fundido tornam-no um investimento impraticável para a maioria dos equipamento de laboratório.

Além disso, o tubo de borosilicato é usado como matéria-prima para a produção de embalagens de medicamentos parenterais , como frascos e seringas pré-cheias , bem como ampolas e cartuchos odontológicos . A resistência química do vidro de borosilicato minimiza a migração de íons de sódio da matriz de vidro, tornando-o adequado para aplicações de drogas injetáveis . Este tipo de vidro é normalmente referido como USP / EP JP Tipo I.

O borosilicato é amplamente utilizado em dispositivos médicos implantáveis , como próteses oculares, articulações artificiais do quadril, cimentos ósseos, materiais compostos dentários (obturações brancas) e até mesmo em implantes mamários .

Muitos dispositivos implantáveis ​​se beneficiam das vantagens exclusivas do encapsulamento de vidro de borosilicato. As aplicações incluem dispositivos de rastreamento veterinário , neuroestimuladores para o tratamento de epilepsia, bombas de drogas implantáveis, implantes cocleares e sensores fisiológicos.

Eletrônicos

Durante meados do século 20, tubos de vidro de borosilicato foram usados ​​para canalizar refrigerantes (geralmente água destilada ) por meio de equipamentos eletrônicos baseados em tubos de vácuo de alta potência , como transmissores de transmissão comercial. Ele também foi usado para o material de envelope para tubos de transmissão de vidro que operavam em altas temperaturas.

Os vidros de borosilicato também têm uma aplicação na indústria de semicondutores no desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS), como parte de pilhas de pastilhas de silício gravadas ligadas ao vidro de borosilicato gravado.

Utensílios de cozinha

Panelas são outro uso comum para vidro de borosilicato, incluindo assadeiras. Ele é usado para alguns copos de medida, com marcações impressas em tela que fornecem medidas graduadas. O vidro de borosilicato às vezes é usado em vidros para bebidas de alta qualidade, principalmente em peças destinadas a bebidas quentes. Itens feitos de vidro de borosilicato podem ser finos, mas duráveis, ou mais grossos para resistência extra, e podem ser usados ​​no microondas e na máquina de lavar louça.

Iluminação

Muitas lanternas de alta qualidade usam vidro de borosilicato para as lentes. Isso aumenta a transmissão de luz através da lente em comparação com plásticos e vidro de qualidade inferior.

Vários tipos de lâmpadas de descarga de alta intensidade (HID), como lâmpadas de vapor de mercúrio e de haleto de metal , usam vidro de borosilicato como o material do envelope externo.

Novas técnicas de lampworking levaram a aplicações artísticas, como mármores de vidro contemporâneos . O movimento moderno do vidro do estúdio respondeu à cor. O borosilicato é comumente usado na forma de soprar vidro para trabalhar a lâmpada e os artistas criam uma variedade de produtos, como joias , utensílios de cozinha , esculturas e também para cachimbos artísticos de vidro.

Os fabricantes de iluminação usam vidro de borosilicato em algumas de suas lentes.

Diodos emissores de luz orgânicos (OLED) (para fins de exibição e iluminação) também usam vidro de borosilicato (BK7). As espessuras dos substratos de vidro BK7 são geralmente menores que 1 milímetro para a fabricação de OLED. Pelas suas características óticas e mecânicas em relação ao custo, o BK7 é um substrato comum em OLEDs. No entanto, dependendo da aplicação, substratos de vidro soda-cal de espessuras semelhantes também são usados ​​na fabricação de OLED.

Óptica

Muitos telescópios de reflexão astronômicos usam componentes de espelho de vidro feitos de vidro de borosilicato por causa de seu baixo coeficiente de expansão térmica. Isso torna possíveis superfícies ópticas muito precisas que mudam muito pouco com a temperatura e componentes de espelho de vidro correspondentes que "rastreiam" as mudanças de temperatura e retêm as características do sistema óptico.

O espelho de 200 polegadas do telescópio Hale é feito de vidro de borosilicato.

O vidro óptico mais frequentemente usado para fazer lentes de instrumentos é o Schott BK-7 (ou o equivalente de outros fabricantes, como o vidro de coroa chinês K9 ), um vidro de coroa de borosilicato de fabricação muito fina . Também é designado como vidro 517642 devido ao seu índice de refração de 1,517 e número de Abbe de 64,2 . Outros vidros de borosilicato menos caros, como Schott B270 ou equivalente, são usados ​​para fazer lentes de óculos de " vidro em forma de coroa ". O vidro de borosilicato comum de baixo custo, como o usado para fazer utensílios de cozinha e até mesmo espelhos refletores para telescópios, não pode ser usado para lentes de alta qualidade devido às estrias e inclusões comuns aos graus inferiores desse tipo de vidro. A temperatura máxima de trabalho é 268 ° C (514 ° F). Embora faça a transição para um líquido a partir de 288 ° C (550 ° F) (logo antes de ficar vermelho quente), não é viável até atingir mais de 538 ° C (1.000 ° F). Isso significa que, para produzir esse vidro industrialmente, devem ser utilizadas tochas de oxigênio / combustível. Glassblowers emprestou tecnologia e técnicas de soldadores.

Prototipagem rápida

O vidro de borosilicato se tornou o material preferido para placas de modelagem por deposição fundida (FDM) ou fabricação de filamento fundido (FFF). Seu baixo coeficiente de expansão torna o vidro de borossilicato, quando usado em combinação com placas e almofadas de aquecimento por resistência, um material ideal para a plataforma de construção aquecida na qual os materiais plásticos são extrudados uma camada de cada vez. A camada inicial de construção deve ser colocada em uma superfície substancialmente plana e aquecida para minimizar o encolhimento de alguns materiais de construção ( ABS , policarbonato , poliamida , etc.) devido ao resfriamento após a deposição. A placa de impressão fará um ciclo desde a temperatura ambiente até entre 100 ° C e 130 ° C para cada protótipo construído. A temperatura, juntamente com vários revestimentos (fita Kapton, fita de pintura, spray de cabelo, cola em bastão, ABS + pasta de acetona, etc.), garantem que a primeira camada possa aderir e permanecer aderida à placa, sem deformar, como o a primeira e as camadas subsequentes esfriam após a extrusão. Posteriormente, após a construção, os elementos de aquecimento e a placa podem esfriar. A tensão residual resultante formada quando o plástico se contrai à medida que esfria, enquanto o vidro permanece relativamente inalterado dimensionalmente devido ao baixo coeficiente de expansão térmica, fornece um auxílio conveniente na remoção do plástico ligado mecanicamente da placa de impressão. Em alguns casos, as peças separam-se automaticamente à medida que as tensões desenvolvidas superam a ligação adesiva do material de construção ao material de revestimento e à placa subjacente.

Outro

Aquecedores de aquário às vezes são feitos de vidro de borossilicato. Devido à sua alta resistência ao calor, pode tolerar a diferença significativa de temperatura entre a água e o elemento de aquecimento de nicrômio .

Especiais de vidro cachimbos para cannabis e tabaco podem ser feitas de vidro de borosilicato. A alta resistência ao calor torna os tubos mais duráveis. Alguns redução de danos organizações também dar a tubos de borossilicato destinado para fumar crack , que os impede de resistência ao calor do vidro a partir de craqueamento, causando cortes e queimaduras que podem espalhar hepatite C .

A maioria das lâminas de violão de vidro pré-fabricadas são feitas de vidro de borossilicato.

O borosilicato também é um material de escolha para a tecnologia térmica solar de tubo evacuado devido à sua alta resistência e resistência ao calor.

As telhas de isolamento térmico do ônibus espacial foram revestidas com vidro de borossilicato.

Vidros de borosilicato são usados ​​para imobilização e descarte de resíduos radioativos . Na maioria dos países , resíduos de alto nível de radioatividade foram incorporados às formas de resíduos vítreos de borossilicato alcalino ou fosfato por muitos anos; a vitrificação é uma tecnologia estabelecida. A vitrificação é uma rota de imobilização particularmente atraente devido à alta durabilidade química do produto de vidro vitrificado. A resistência química do vidro pode permitir que ele permaneça em um ambiente corrosivo por muitos milhares ou até milhões de anos.

Tubos de vidro de borosilicato são usados ​​em bicos de tocha de soldagem TIG especiais no lugar de bicos de alumina padrão . Isso permite uma visão clara do arco em situações onde a visibilidade é limitada.

Nomes comerciais

O vidro de borosilicato é oferecido em composições ligeiramente diferentes sob diferentes nomes comerciais:

  • Borofloat da Schott AG , um vidro de borossilicato, que é produzido para vidro plano em um processo de flutuação .
  • BK7 de Schott, um vidro de borosilicato com alto grau de pureza. Principal uso em lentes e espelhos para laser, câmeras e telescópios.
  • Duran do Grupo DURAN , semelhante a Pyrex, Simax ou Jenaer Glas.
  • Vidro de borosilicato Corning da Corning
  • Fiolax de Schott, principalmente utilizado em embalagens para aplicações farmacêuticas.
  • Ilmabor de TGI  [ de ] (insolvência de 2014), usado principalmente para contêineres e equipamentos em laboratórios e medicina.
  • Jenaer Glas de Zwiesel Kristallglas , anteriormente Schott AG. Usado principalmente para utensílios de cozinha.
  • Kimax é a marca registrada de vidro de borosilicato da Kimble
  • Rasotherm de VEB Jenaer Glaswerk Schott & Genossen, para vidros técnicos
  • Simax of Kavalierglass as, Czechia, produzida para laboratórios e mercados de consumo.
  • Supertek , fabricante de equipamentos de laboratório científico e vidraria.
  • Willow Glass é um vidro de borosilicato fino e flexível livre de álcalis da Corning

Nanopartículas de borosilicato

Pensou-se inicialmente que o vidro de borosilicato não poderia ser formado em nanopartículas , uma vez que um precursor de óxido de boro instável impedia a formação dessas formas com sucesso. No entanto, em 2008, uma equipe de pesquisadores da Swiss Federal Institute of Technology em Lausanne foram bem sucedidos na formação de nanopartículas de borosilicato de 100 a 500 nanômetros de diâmetro. Os pesquisadores formaram um gel de tetraetilortosilicato e trimetoxiboroxina. Quando este gel é exposto à água em condições adequadas, ocorre uma reação dinâmica que resulta nas nanopartículas.

Em lampworking

O borossilicato (ou "boro", como é freqüentemente chamado) é amplamente utilizado no processo de sopragem de vidro para trabalhar com lâmpada ; o vidreiro usa um maçarico para derreter e dar forma ao vidro, usando uma variedade de ferramentas de metal e grafite para moldá-lo. Borosilicato é referido como "vidro duro" e tem um ponto de fusão mais alto (aproximadamente 3.000 ° F / 1648 ° C) do que "vidro macio", que é preferido para soprar vidro por fabricantes de contas. O vidro bruto usado no processamento da lâmpada vem em hastes de vidro para trabalhos sólidos e tubos de vidro para tubos de trabalho ocos e recipientes / recipientes. O lampworking é usado para fazer aparelhos científicos complexos e personalizados; a maioria das principais universidades tem uma oficina de fabricação de lâmpadas para fabricar e consertar seus vidros. Para este tipo de "sopragem de vidro científica", as especificações devem ser exatas e o soprador de vidro deve ser altamente qualificado e capaz de trabalhar com precisão. O trabalho com lâmpadas também é feito como arte, e os itens comuns feitos incluem taças, pesos de papel, cachimbos, pingentes, composições e estatuetas.

Em 1968, o metalúrgico inglês John Burton trouxe seu hobby de misturar óxidos metálicos manualmente em vidro de borossilicato para Los Angeles. Burton começou uma oficina de vidro no Pepperdine College, com a instrutora Margaret Youd. Alguns dos alunos nas aulas, incluindo Suellen Fowler, descobriram que uma combinação específica de óxidos fazia um vidro que mudava de âmbar para roxo e azul, dependendo do calor e da atmosfera da chama. Fowler compartilhou essa combinação com Paul Trautman, que formulou as primeiras receitas de borosilicato colorido de pequenos lotes. Ele então fundou a Northstar Glassworks em meados da década de 1980, a primeira fábrica dedicada exclusivamente à produção de hastes e tubos de vidro colorido de borosilicato para uso por artistas na chama. Trautman também desenvolveu as técnicas e tecnologia para fazer o boro colorido em pequenos lotes que é usado por várias empresas semelhantes.

Beadmaking

Nos últimos anos, com o ressurgimento do trabalho com lâmpadas como técnica para fazer contas de vidro feitas à mão, o borossilicato se tornou um material popular em muitos estúdios de artistas de vidro. O borosilicato para a confecção de contas vem em hastes finas semelhantes a lápis. Glass Alchemy, Trautman Art Glass e Northstar são fabricantes populares, embora existam outras marcas disponíveis. Os metais usados ​​para colorir o vidro de borosilicato, principalmente a prata, costumam criar resultados surpreendentemente belos e imprevisíveis quando derretidos em uma chama de maçarico de oxigênio-gás. Por ser mais resistente ao choque e mais forte do que o vidro macio, o borosilicato é particularmente adequado para a fabricação de tubos, bem como para esculpir figuras e criar contas grandes. As ferramentas usadas para fazer contas de vidro de vidro borossilicato são as mesmas usadas para fazer contas de vidro macio.

Referências