붕규산염 유리

Borosilicate glass
붕규산염 유리 기타 슬라이드

붕규산염 유리는 실리카와 삼산화붕소를 주성분으로 하는 유리의 일종이다.붕규산염 안경은 열팽창계수가 매우 낮은 것으로 알려져−6−1 있어(20°C에서 3×10K) 열충격에 대한 내구성이 다른 일반 유리보다 뛰어납니다.이러한 유리는 열응력이 적고 약 165°C(300°F)[1]의 균열 없이 온도 차이를 견딜 수 있습니다.시약병과 플라스크, 조명, 전자제품 및 조리기구의 제작에 일반적으로 사용됩니다.

보로실리케이트 유리는 Borosil, Duran, Pyrex, Glassco, Supertek, Suprax, Simax, Bellco, Marinex(브라질), BSA 60, BSC 51(NIPRO), Heatex, Endural, Schott, Refmexon, Gemaxstone 등 다양한 상호로 판매되고 있습니다.

단부 자기 시동 램프는 마이카 디스크로 절연되어 붕규산염 유리 가스 방전관(아크 튜브) 및 금속 [2][3]캡에 수용된다.그것들은 [4][5][2][3]가로등에서 흔히 사용되는 나트륨 증기 램프를 포함한다.

붕규산염 유리는 약 1,650°C(3,000°F; 1,920K)에서 녹습니다.

역사

붕규산염 유리는 19세기 후반 예나에서 독일의 유리 제조업자 오토 쇼트(Otto Schott)에 의해 처음 개발되었다.그래서 이 초기의 붕규산염 유리는 제나 유리라고 알려지게 되었다.1915년 코닝글라스웍스가 파이렉스를 소개한 후, 이 이름은 영어권에서 붕규산염 유리와 동의어가 되었다(실제로 파이렉스 브랜드로 생산된 유리 중 상당 부분은 1940년대 이후 소다 석회 유리로 만들어졌다).붕규산염 유리는 다양한 구성 요소를 완전히 다른 용도에 맞게 조정한 유리 제품군의 이름입니다.오늘날 가장 일반적인 것은 Duran, Corning33, Corning51-V(클리어), Corning51-L(오렌지), International Cookware의 NIPRO BSA 60 및 BSC51과 같은 붕규산 3.3 또는 5.0배 유리입니다.

제조 공정

붕규산염 유리는 산화붕소, 실리카 모래, 소다회,[6] 알루미나를 혼합하여 녹여 만듭니다.붕규산염 유리는 일반 규산염 유리보다 높은 온도에서 녹기 때문에 산업 생산에 몇 가지 새로운 기술이 필요했다.

붕소는 전통적으로 유리 제조에 사용되는 석영, 탄산나트륨 및 산화알루미늄 외에 붕산염 유리 제조에도 사용됩니다.위에서 언급한 실험실 유리처럼 저팽창 붕규산염 유리의 구성은 실리카 약 80%, 산화 붕소 13%, 산화 나트륨 또는 산화 칼륨 약 4%, 산화 알루미늄 약 2~3%입니다.녹는 온도가 높아 기존 유리보다 제작이 어렵지만 생산은 경제적이다.뛰어난 내구성, 내화학성 및 내열성으로 화학 실험실 장비, 조리 기구, 조명 및 특정 종류의 창문에서 사용됩니다.

제조 공정은 제품의 형상에 따라 다르며 플로팅, 튜브 그리기 또는 성형과 같은 다양한 방법으로 구분할 수 있습니다.

물리적 특성

실험용 유리제품에 사용되는 붕규산염 유리의 일반적인 유형은 열팽창 계수(3.3 × 10K−6−1)[7]가 매우 낮으며, 이는 일반 소다 석회 유리의 약 1/3입니다.이를 통해 온도 구배로 인한 재료 응력이 감소하므로 붕규산염이 특정 용도에 더 적합한 유형의 유리입니다(아래 참조).이 점에서 (소다 석영 유리의 열팽창이 1/15인) 용융 석영 유리는 훨씬 더 좋지만, 용융 석영 유리를 사용하는 것이 어렵기 때문에 훨씬 더 비싸지고 붕규산 유리는 저렴한 대안입니다.붕규산염 유리는 다른 유형의 유리보다 열충격에 대한 내구성이 뛰어나지만 온도 변화가 빠르거나 고르지 않을 경우 깨지거나 깨질 수 있습니다.

이 유리 제품군의 특징적인 특성은 다음과 같습니다.

  • 다양한 붕규산염 유리가 다양한 열팽창을 커버하므로 CTE가 4,6인 몰리브덴 유리, CTE가 4.0인 텅스텐, CTE가 5.0인 Kovar와 같은 다양한 금속 및 합금으로 직접 씰링할 수 있습니다.
  • 일반적으로 약 500°C(930°F)의 높은 최고 온도 허용
  • 부식성 환경에서 극도로 높은 내화학성을 보입니다.예를 들어 내산성에 대한 노름 테스트는 극단적인 조건을 만들어 유리에 미치는 영향이 매우 낮습니다.

7740 타입 Pyrex의 연화점(점도가 약7.6 10포이즈인 온도)은 820°C(1,510°F)[8]이다.

붕소 규산염 유리는 붕소의 원자 질량이 낮기 때문에 일반적인 소다 석회 유리보다 밀도가 낮습니다(약 2.23g/cm3).일정한 압력(20–100°C)에서 평균 비열 용량은 0.83J/(gkK)로 물의 [9]약 1/5이다.

붕규산염 유리가 깨지기 전에 견딜 수 있는 온도 차이는 약 330°F(180°C)인 반면, 소다 석회 유리는 약 100°F(55°C)의 온도 변화만 견딜 수 있습니다.이것이 전통적인 소다 석회 유리로 만들어진 전형적인 주방용품이 끓는 물을 담은 용기를 얼음 위에 올려놓으면 깨지지만 파이렉스나 다른 붕규산염 실험용 유리는 [1]깨지지 않는 이유이다.

광학적으로 붕규산염 안경은 낮은 분산(Abe 수 약 65)과 상대적으로 낮은 굴절률(가시 범위 전체에 걸쳐 1.51–1.54)을 가진 크라운 안경이다.

가족들

분류상 붕규산유리는 산화물 조성(질량분율)에 따라 대략 다음과 같은 그룹으로 분류할 수 있다.붕규산염 유리의 특징은 유리 네트워크 형성체로서 상당한 양의 실리카2(SiO)와 산화붕소(BO23, > 8%)가 존재한다는 것이다.산화붕소의 양은 특정한 방식으로 유리의 특성에 영향을 미칩니다.내성이 높은 품종(BO23 최대 13%)과는 별도로 산화붕소가 구조 네트워크에 통합되는 방식이 다르기 때문에 낮은 내화학성(BO 함량 15%)[10]을23 갖는 것도 있습니다.그 때문에, 다음의 서브 타입을 구별합니다.

비알칼린계

붕규산염 유리의 BO 함량은 일반적으로23 12-13%이며 SiO2 함량은 80% 이상입니다.높은 화학적 내구성과 낮은 열팽창(3.3×10K−6−1)으로 대규모 기술 어플리케이션용 시판 유리 중 가장 낮은 수준입니다.다용도 높은 유리 재료입니다.고급 붕규산염 플랫 글라스는 다양한 산업에서 사용되며, 주로 내열성, 뛰어난 화학적 내구성 또는 깨끗한 표면 품질과 함께 고광도 투과성이 요구되는 기술 분야에 사용됩니다.다양한 형태의 붕규산염 유리에 대한 다른 일반적인 용도로는 특히 화학 산업을 위한 유리 튜브, 유리 배관, 유리 용기 등이 있습니다.

알칼리 토류

약 75%의2 SiO와 8~12%의23 BO에 더해, 이 유리에는 최대 5%의 알칼리 토류와 알루미나(AlO)가23 함유되어 있습니다.이것은 약간 부드러운 유리의 하위 유형으로, 열팽창이 (4.0-5.0) × 10−6−1 [11]K 범위에 있습니다.

이것은 단순한 붕규산 유리-알루미나 복합 [12]재료와 혼동해서는 안 된다.

고붕산염

15~25%의23 BO, 65~70%의2 SiO와 소량의 알칼리 및23 AlO를 추가 성분으로 함유하는 안경은 연화점이 낮고 열팽창이 낮습니다.텅스텐과 몰리브덴의 팽창 범위에 있는 금속에 대한 밀봉성 및 높은 전기 절연성이 가장 중요한 특징입니다.BO 함량이 증가하면23 내화학성이 감소합니다. 이러한 점에서 붕산붕소규산염 유리는 비알칼린 토류 및 알칼리 토류 붕소규산염 유리와 크게 다릅니다.이 중에는 자외선을 180nm까지 투과하는 붕규산 유리도 있어 붕규산 [10]유리와 석영계의 장점을 겸비하고 있다.

사용.

붕규산염 유리는 조리기구부터 실험실 장비까지 다양한 용도와 함께 이식형 의료기기, 우주 탐사에 사용되는 장치 등 고품질 제품의 구성 요소를 갖추고 있습니다.

건강과 과학

붕규산비커

거의 모든 현대 실험실 유리제품은 붕규산염 유리로 만들어진다.화학 및 열 저항성과 뛰어난 광학 선명도 때문에 이 응용 분야에서 널리 사용되지만, 유리는 가열 시 수소화 나트륨과 반응하여 일반적인 실험실 환원제인 수소화 붕소 나트륨을 생성할 수 있습니다.융해된 석영은 높은 융점 및 UV 투과가 필요한 일부 실험실 장비(예: 튜브 용해로 라이너 및 UV 큐벳)에서도 발견되지만, 융해된 석영과 관련된 비용과 제조상의 어려움으로 인해 대부분의 실험실 장비에서 실용적이지 않은 투자입니다.

또한 붕규산염 튜브는 비경구용 약물 패키징, 예를 들어 바이알 및 미리 채워진 주사기 및 앰플 및 치과용 카트리지 제조를 위한 공급원료로 사용된다.붕규산염 유리의 화학적 저항성은 유리 매트릭스에서 나트륨 이온의 이동을 최소화하므로 주입식 약물 용도에 매우 적합합니다.이러한 유형의 유리는 일반적으로 USP/EP JP Type I이라고 합니다.

붕규산염은 의안, 인공고관절, 뼈시멘트, 치과복합재료(흰색 충전재)[13] 및 유방 임플란트 등 이식형 의료장치에 널리 사용된다.

많은 이식 가능한 장치들은 붕규산염 유리 캡슐화의 독특한 이점으로부터 혜택을 받습니다.적용 분야에는 수의학 추적 장치, 간질 치료를 위한 신경 자극제, 이식 가능한 약물 펌프, 달팽이관 이식 및 생리 [14]센서가 포함된다. 뇌전증

일렉트로닉스

20세기 중반에는 상업 방송 송신기와 같은 고출력 진공관 기반 전자 장비를 통해 냉각제(흔히 증류수)를 배관하는 데 붕규산염 유리 튜브가 사용되었습니다.고온에서 작동하는 유리 전달관의 외피 재료에도 사용되었습니다.

붕규산염 안경은 또한 에칭된 붕규산염 유리에 접합된 에칭된 실리콘 웨이퍼의 일부로서 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 개발에 반도체 산업에서 응용되고 있습니다.

조리기구

아크 인터내셔널 베이크웨어

조리기구는 베이크웨어를 포함한 붕규산염 유리의 또 다른 일반적인 사용법이다.일부 측정 컵에 사용되며, 눈금 측정을 제공하는 스크린 인쇄 표시가 있습니다.붕규산염 유리는 고품질 음료용 유리 그릇, 특히 뜨거운 음료용으로 설계된 조각에 사용되기도 합니다.붕규산염 유리로 만든 제품은 얇으면서도 내구성이 좋고, 강도를 높이기 위해 두껍게 만들 수 있으며, 전자레인지와 식기세척기에 [15]안전합니다.

조명.

많은 고품질 손전등은 렌즈에 붕규산유리를 사용한다.플라스틱이나 저품질 유리에 비해 렌즈 투과율이 높아집니다.

수은 증기와 금속 할로겐화물 램프와 같은 여러 유형의 고강도 방전(HID) 램프는 외피 재료로 붕규산 유리를 사용합니다.

새로운 램프 가공 기술은 현대 유리 구슬과 같은 예술적 응용으로 이어졌다.현대의 스튜디오 유리 운동은 색채에 반응했다.보로실리케이트는 일반적으로 유리 불기 형태의 램프 세공에 사용되며 예술가들은 보석, 주방용품, 조각, 그리고 예술적인 유리 흡연 파이프와 같은 다양한 제품을 만듭니다.

조명 제조업자들은 일부 렌즈에 붕규산유리를 사용한다.

유기발광다이오드(OLED)도 붕규산유리(BK7)를 사용한다.BK7 유리기판의 두께는 보통 OLED 제작 시 1mm 미만입니다.BK7은 원가 대비 광학·기계적 특성 때문에 OLED에서 공통적인 기판이다.단, 용도에 따라서는 OLED 제조에도 같은 두께의 소다석회 유리기판이 사용된다.

광학

많은 천체 반사 망원경은 열팽창 계수가 낮기 때문에 붕규산 유리로 만들어진 유리 거울 부품을 사용합니다.이것에 의해, 온도에 따라 거의 변화하지 않는 매우 정밀한 광학 표면이 가능하게 되어, 온도 변화를 「추적」해 광학계의 특성을 유지하는 유리 미러 컴퍼넌트가 일치합니다.

헤일 망원경의 200인치 거울은 붕규산염 [16]유리로 만들어졌다.

계기 렌즈를 만드는 데 가장 많이 사용되는 광학 유리는 매우 정교하게 만들어진 붕규산 크라운 [17]글라스인 쇼트 BK-7(또는 중국의 크라운 글라스 K9과 같은 다른 제조업체의 동등한 것)입니다.굴절률 1.517, Abbe 번호 64.2에 따라 517642 글라스로 표기된다.숏 B270이나 그와 동등한 것들과 같이 가격이 저렴한 붕규산염 안경은 "크라운 유리" 안경 렌즈를 만드는데 사용된다.주방용품이나 반사망원경 거울에 사용되는 것과 같은 일반적인 저가 붕규산 유리는 이런 종류의 유리의 낮은 등급에서 흔히 볼 수 있는 줄무늬와 포접물 때문에 고품질 렌즈에 사용할 수 없습니다.최대 작동 온도는 268°C(514°F)입니다.288°C(550°F)에서 시작하여 액체로 전환되지만(빨간색으로 변하기 직전), 538°C(1,000°F)가 넘어야 작동합니다.즉, 이 유리를 산업적으로 생산하기 위해서는 산소/연료 토치를 사용해야 합니다.유리 블로어들은 용접공들로부터 기술과 기술을 차용했다.

신속한 프로토타이핑

붕규산염 유리는 FDM(Fused Deposition Modeling) 또는 FFF(Fused filent fabrication) 빌드 [18]플레이트의 선택 재료가 되었습니다.붕규산염 유리는 팽창 계수가 낮기 때문에 저항 가열 플레이트 및 패드와 함께 사용하면 플라스틱 재료를 한 번에 한 층씩 압출하는 가열식 빌드 플랫폼에 이상적인 재료입니다.증착 후 냉각으로 인한 일부 빌드 재료(ABS, 폴리카보네이트, 폴리아미드 등)의 수축을 최소화하기 위해 빌드 초기 층을 실질적으로 평평하고 가열된 표면에 배치해야 합니다.제작 플레이트는 제작되는 각 프로토타입에 대해 실온에서 100°C에서 130°C 사이로 순환됩니다.온도는 다양한 코팅(Kapton 테이프, 페인트 테이프, 헤어 스프레이, 글루 스틱, ABS+아세톤 슬러리 등)과 함께 압출 후 첫 번째 층과 그 이후의 층이 식기 때문에 뒤틀리지 않고 플레이트에 밀착되어 있을 수 있습니다.그 후, 조립 후에 발열체 및 플레이트를 냉각시킵니다.열팽창계수가 낮기 때문에 유리가 상대적으로 치수적으로 변하지 않은 채 플라스틱이 냉각될 때 발생하는 잔류 응력은 제조 플레이트로부터 기계적으로 접합된 플라스틱을 제거하는 데 도움이 됩니다.경우에 따라서는 생성된 응력이 빌드 재료의 코팅 재료 및 밑판에 대한 접착 접착 접착을 극복함에 따라 부품이 스스로 분리됩니다.

다른.

수족관 난로는 붕규산염 유리로 만들어지기도 한다.높은 내열성으로 인해 물과 니크롬 발열 [citation needed]소자의 온도 차이를 견딜 수 있습니다.

붕규산유리로 대마초와 담배를 위한 특수 유리흡연관을 만들 수 있다.높은 내열성으로 인해 파이프의 내구성이 향상됩니다.일부 유해 저감 단체에서는 크랙 코카인 흡연을 위한 붕규산 파이프를 배포하기도 하는데, 이는 내열성이 유리의 균열을 막아 C형 [19]간염을 확산시킬 수 있는 베임과 화상을 유발하기 때문이다.

대부분의 사전 제조된 유리 기타 슬라이드는 붕규산 [citation needed]유리로 만들어집니다.

붕규산염은 또한 높은 강도와 [citation needed]내열성 때문에 진공관 태양열 기술에 선택되는 재료이다.

우주왕복선의 단열 타일은 붕규산염 [20]유리로 코팅되었다.

붕규산염 안경은 방사성 폐기물의 고정화와 처리에 사용된다.대부분의 국가에서 고준위 방사성 폐기물은 수년간 알칼리 붕규산염 또는 인산 유리성 폐기물에 통합되어 왔다. 유리화는 확립된 [21]기술이다.유리화 유리 제품의 높은 화학적 내구성으로 인해 유리화는 특히 매력적인 고정화 경로입니다.유리의 화학적 저항성은 유리가 수천 년 또는 수백만 년 동안 부식된 환경에서 유지될 수 있게 해줍니다.

붕규산염 유리 튜브는 표준 알루미나 노즐 대신 특수 TIG 용접 토치 노즐에 사용됩니다.이를 통해 시야가 [citation needed]제한된 상황에서 호를 명확하게 볼 수 있습니다.

상호

붕규산염 유리는 다음과 같은 상호로 약간 다른 구성으로 제공됩니다.

  • 붕규산염 유리인 쇼트 AG의 보로인초(Borofair)는 부유 공정에서 평평한 유리로 생산됩니다.
  • 인도에서 실험용 유리제품과 전자레인지 사용 가능한 주방용품에 사용되는 동명의 회사에서 제조된 보로실
  • 숏의 BK7은 높은 순도의 붕규산염 유리입니다.레이저, 카메라 및 망원경용 렌즈 및 거울에 주로 사용됩니다.
  • 파이렉스, 시맥스 또는 예너 글라스와 유사한 DURAN 그룹의 Duran.
  • 코닝 붕규산염 유리
  • Shott의 피오락스(Fiolax of Schott)는 주로 의약품 용기에 사용됩니다.
  • TGI [de](2014년 부실)의 Ilmabor는 주로 실험실 및 의약품의 용기 및 장비에 사용되었습니다.
  • Zwiesel Kristallglas의 Jenaer Glas(옛 쇼트 AG)주로 주방용품에 사용.
  • Kimax는 Kimble의 붕규산 유리제품의 상표입니다.
  • VEB Jenaer Glaswerk Schott & Genossen의 Rasotherm, 테크니컬 글라스용 유리
  • 실험실 및 소비자 시장용으로 생산되는 체코 카발리에르글라스의 Simax.
  • Supertek, 과학 실험실 장비 및 유리 제품 제조업체.
  • 윌로우 글라스는 알칼리가 없고 얇고 유연한 Corning 붕규산염 유리입니다.

붕규산나노입자

붕규산염 유리는 불안정한 산화붕소 전구체가 나노입자로 형성되는 것을 방해했기 때문에 처음에는 나노입자로 형성될 수 없다고 생각되었다.그러나 2008년 스위스 로잔 연방공과대학 연구팀은 지름 100~500나노미터의 붕규산나노 입자를 만드는 데 성공했다.연구진은 테트라에틸로르토실리케이트와 트리메톡시보록신 겔을 형성했다.이 겔이 적절한 조건에서 물에 노출되면 나노 [22]입자가 발생하는 동적 반응이 발생합니다.

램프 가공 중

보로실리케이트(또는 "보로")는 유리 블로우 공정 램프 가공에 광범위하게 사용됩니다. 유리 가공자는 버너 토치를 사용하여 용융 및 유리를 형성하고 다양한 금속 및 흑연 도구를 사용합니다.붕규산염은 "경질 유리"로 불리며 비드 제조자가 유리 블로우에 선호하는 "연질 유리"보다 녹는점(약 3,000°F/1648°C)이 높습니다.램프 가공에 사용되는 원유리는 고체 작업용 유리봉과 중공 작업 튜브 및 용기용 유리 튜브로 제공됩니다.램프워킹은 복잡하고 맞춤형 과학 장비를 만드는 데 사용됩니다. 대부분의 주요 대학에는 유리기구를 제조하고 수리하기 위한 램프워킹 숍이 있습니다.이런 종류의 "과학적 유리 블로잉"을 위해서는 사양이 정확해야 하며 유리 블로어는 고도의 기술과 정밀하게 작업할 수 있어야 합니다.램프 워크는 예술로도 행해져, 일반적으로 만들어지는 것은 잔, 종이 추, 파이프, 펜던트, 구성물, 피규어 등이다.

1968년, 영국의 야금학자 존 버튼은 금속 산화물을 붕규산염 유리에 손으로 섞는 그의 취미를 로스앤젤레스로 가져왔습니다.버튼은 Pepperdine College에서 강사 Margaret Youd와 함께 유리 워크숍을 시작했습니다.Sullen Fowler를 포함한 몇몇 학생들은 산화물의 특정한 조합이 열과 화염 분위기에 따라 호박색에서 보라색과 파란색으로 바뀌는 유리를 만든다는 것을 발견했습니다.파울러는 이 조합을 폴 트라우트만과 공유했는데, 그는 최초의 작은 배치 색상의 붕규산염 조리법을 만들었다.그 후 그는 1980년대 중반 Northstar Glassworks를 설립했는데, 이 공장은 오직 성화 속 예술가들이 사용할 수 있는 색칠된 붕규산염 유리봉과 튜브를 생산하는 데만 전념한 최초의 공장이다.트라우트만은 또한 많은 비슷한 [23]회사들이 사용하는 작은 배치 색상의 보로를 만드는 기술과 기술을 개발했다.

구슬 만들기

최근에는 수제 유리구슬을 만드는 기술로 램프워크가 부활하면서 많은 유리예술가의 스튜디오에서 인기 소재가 되고 있다.구슬 제조용 붕규산염은 연필 같은 얇은 막대로 나온다.글래스 알케미, 트라우트만 아트 글래스, 노스스타는 다른 브랜드도 있지만 인기 있는 제조사입니다.붕규산 유리를 착색하는 데 사용되는 금속, 특히 은은 산소 가스 토치 불꽃에 녹이면 종종 놀랍도록 아름답고 예측할 수 없는 결과를 낳습니다.붕규산염은 부드러운 유리보다 충격에 강하고 강하기 때문에 파이프 제작, 피규어 조각, 대형 비즈 제작에 특히 적합합니다.붕규산염 유리로 유리구슬을 만드는 도구는 부드러운 유리로 유리구슬을 만드는 도구와 동일합니다.

레퍼런스

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