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Borosilikatglas ist eine spezielle Form von Glas, die Borsäure als Bestandteil seiner Herstellung verwendet. Das Ergebnis der Zugabe des Elements Bor ist eine Glasart, die sehr widerstandsfähig gegen Temperaturschocks ist und einen viel niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der von herkömmlichem Silikatglas. In diesem Artikel wird ein Überblick über Borosilikatglas vorgestellt, einschließlich seiner Entwicklung, Eigenschaften und Verwendungen.

Um mehr über andere Glasarten zu erfahren, lesen Sie unseren Themenartikel zum Verständnis von Glas.

Entwicklung von Borosilikatglas

Bereits 1882 war ein deutscher Chemiker namens Otto Schott daran interessiert, mit Möglichkeiten zu experimentieren, Glas herzustellen, das plötzlichen Temperaturänderungen oder ungleichmäßigen Temperaturen standhalten kann, ohne zu zerbrechen. In diesem Jahr machte er die Entdeckung, die die Entstehung von Borosilikatglas einleitete. Schott entdeckte, dass die Zugabe des Elements Bor zum Glasherstellungsprozess zu einer hitzebeständigen Form von Glas führte.

Spätere Arbeiten der Chemiker W.C. Taylor und Eugene Sullivan bei Corning Glass verfeinerten die Bemühungen von Otto Schott und erweiterten die temperaturbeständigen Eigenschaften von Borosilikatglas. Als Ergebnis dieser Innovationen wuchs die kundenspezifische Glasherstellung, wo es heute über eine Million verschiedene Glasformulierungen gibt, die für spezifische Produktanforderungen angepasst werden können, indem die gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Glas verbessert werden.

Die vielleicht bekannteste Anwendung für Borosilikatglas entstand aus weiteren Forschungen bei Corning Glass. Nach seinem Eintritt in das Unternehmen im Jahr 1914 erhielt der Physiker Jesse Littleton die Aufgabe, die physikalischen Eigenschaften der neu geschaffenen Glasformulierung zu testen und zu bewerten. Nachdem die Keramikauflaufform seiner Frau versehentlich zerbrochen war, schlug sie vor, dass sich dieses neu entwickelte hitzebeständige Glas vielleicht als nützliches Produkt zum Backen erweisen könnte. Nachdem sie die Idee getestet hatte, indem sie einen Kuchen in einem Musterglasbehälter backte, den Littleton mit nach Hause gebracht hatte, wurde eine neue Verwendung für Borosilikatglas geboren – Glaskochgeschirr. Corning Glass führte eine Produktlinie namens Pyrex^®_[1]ein, die seit vielen Jahren aus Borosilikatglas hergestellt wurde.

Eigenschaften von Borosilikatglas

Borosilikatglas ist im Allgemeinen chemisch beständig, aber seine vielleicht bemerkenswerteste physikalische Eigenschaft ist sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, der erklärt, warum das Glas dem Zerbrechen unter plötzlichen schnellen Temperaturänderungen widerstehen kann. Glas ist im Allgemeinen ein schlechter Wärmeleiter, wenn Sie also heißes Glas nehmen und es in kaltes Wasser tauchen, kühlt das Äußere des Glases schnell ab, während das Innere dies nicht tut. Die durch die Temperaturdifferenz verursachten Spannungen führen dazu, dass das Glas zerbricht.

Bei Borosilikatglas führt die Zugabe von Borsäure (H3_BO3)zur Formulierung zu_einemGlas, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, was bedeutet, dass sich das Glas beim Erhitzen oder Abkühlen nicht sehr stark ausdehnt oder zusammenzieht. Diese Dimensionsstabilität ermöglicht es Borosilikatglas, schnellen und extremen Temperaturschwankungen standzuhalten, ohne zu reißen.

Die chemische Zusammensetzung von Borosilikatglas besteht typischerweise aus etwa 81% Siliciumdioxid_(SiO2)und 13% Bortrioxid_(B2O3)mit geringeren Konzentrationen an Natriumoxid und Aluminiumoxid. (Beachten Sie, dass die Konzentrationen von Boroxid variieren können, 5-13% ist typisch). Das Element Bor verleiht dem Glas seine Dimensionsstabilität, so dass das Material nicht schrumpft oder wächst, wenn sich die Temperatur ändert, der es ausgesetzt ist.

Tabelle 1 unten fasst die typischen Eigenschaften von Borosilikatglas zusammen. Beachten Sie aus der Tabelle den Wert für den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (3,3 x 10^-6 ) und den Temperaturbereich, für den dieser Wert gilt 20^°C, 300^°C. Dieser Wert beträgt etwa 1/3 des wertes herkömmlichen Kalknatronglases.

Tabelle 1 – Eigenschaften von Borosilikatglas

Anwendungen von Borosilikatglas

Das anfängliche Problem, das zu der Zeit gelöst werden sollte, als Otto Schott begann, mit Glasformulierungen zu experimentieren, bestand darin, ein Glas zu schaffen, das extremen Temperaturen standhalten konnte. Zum Beispiel würde das Glas, das zu dieser Zeit in Laternen verwendet wurde, bei Regnerbedingungen zerbrechen oder reißen, weil der kalte Regen auf der Außenfläche des Glases einen großen Temperaturgradienten im Vergleich zur Temperatur der heißen Innenseite verursachte.

Sobald Borosilikatglas verfügbar war, wurden seine Anwendungen sofort offensichtlich. Einige der häufigsten Anwendungen für Borosilikatglas sind:

• Laborglaswaren
• Wissenschaftliche Linsen und heiße Spiegel
• Backgeschirr und Kochgeschirr
• Wärmedämmung
• Hochintensive Beleuchtungsprodukte
• Schauglas
• Flugzeug-Außenlinsen
• Aquarienheizungen
• Elektronik
• Schnelles Prototyping

Laborglaswaren

Die hohe Dimensionsstabilität und die Fähigkeit, die Einwirkung unterschiedlicher Temperaturen gleichzeitig zu tolerieren, machen Borosilikatglas zu einer natürlichen Materialwahl, aus der Laborglaswaren, auch Laborwaren genannt, hergestellt werden können. Petrischalen, Objektträger, Flaschen, Bechergläser, Kolben, Reagenzgläser,Trichter und Messgeräte wie Messzylinder sind gängige Beispiele. Neben den günstigen thermischen Eigenschaften ist Borosilikatglas sehr beständig und nicht reaktiv gegen die meisten Chemikalien.

Wissenschaftliche Linsen und heiße Spiegel

Borosilikatglas kann zu hochpräzisen optischen Komponenten wie Linsen für den Einsatz in Teleskopen und anderen optischen Präzisionsgeräten geformt werden. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient für Borosilikatglas bedeutet, dass die optischen Eigenschaften der Linsen bei Temperaturänderungen stabil sind, da die Glaslinse ihre Abmessungen nicht wesentlich ändert. Das Glas ist auch ideal für den Einsatz in heißen Spiegeln, die Infrarotlicht reflektieren.

Backgeschirr und Kochgeschirr

Zu den ersten und häufigsten Anwendungen gehört die Herstellung von Haushaltskochgeschirr und Backgeschirr. Die thermischen Eigenschaften von Borosilikat-Kochgeschirr ermöglichen es, es von einem heißen Ofen zu einer kühlen Arbeitsplatte zu transportieren, ohne Angst vor Rissen oder Zerbrechen zu haben. Es wird auch in Produkten wie Messbechern verwendet und ist sicher für den Einsatz in Mikrowellenherden und Geschirrspülern.

Wärmedämmung

Die thermischen Eigenschaften von Borosilikatglas wurden genutzt, um die thermischen Fliesen herzustellen, die das Space Shuttle vor der Hitze des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre schützten.

Hochintensive Beleuchtungsprodukte

Bühnenleuchten und Beleuchtungsprodukte, die in der Folienindustrie verwendet werden, verwenden Borosilikatglaslinsen, da diese Leuchten bei stundenlangem Dauerbetrieb hohe Temperaturen erreichen können. Andere Lampenprodukte, die hochintensive Entladung (HID) verwenden, wie Quecksilberdampflampen oder Halogen-Metalldampflampen, verwenden Borosilikatlinsen oder äußere Hüllkurven.

Schauglas

In industriellen Prozessen verwenden Tanks Schaugläser, die oft aus Borosilikatglas hergestellt werden. Diese Schaugläser ermöglichen die visuelle Überwachung von Substanzen und Prozessen, ohne dass der Tank oder lagerbehälter geöffnet werden muss und ohne den Prozess zu unterbrechen.

Flugzeug-Außenlinsen

Die Außenleuchten eines Flugzeugs verwenden Borosilikatglaslinsen aufgrund der klaren optischen Eigenschaften (Übertragbarkeit) und der Fähigkeit, dem Temperaturunterschied während des Fluges in großer Höhe standzuhalten. Abbildung 1 unten zeigt ein Beispiel für die optischen Übertragungseigenschaften einer Art von Borosilikatglas. Beachten Sie die sehr flache Leistung über das gesamte Wellenlängenspektrum von 300 – 1200 nm.

Bildcredit: https://www.schott.com/d/tubing/9a0f5126-6e35-43bd-bf2a-349912caf9f2/schott-algae-brochure-borosilicate.pdf

Aquarienheizungen

Aquarienheizungen sind eine sehr häufige Anwendung für Borosilikatglas, bei der das Heizrohr einem thermischen Gradienten aus dem inneren Nichromheizelement und dem viel kälteren Wasser im Tank ausgesetzt ist.

Elektronik

Borosilikatglas wird in der Halbleiterfertigungsindustrie für moderne Elektronik verwendet, in der Siliziumwafer mit geätztem Borosilikatglas verbunden werden können.

Schnelles Prototyping

In der Fused Deposition Modeling, einer Form des 3D-Drucks oder der additiven Fertigung, ist Borosilikatglas ein ideales Material für den Einsatz, auf dem die erhitzten und extrudierten Kunststoffmaterialien während des Bauprozesses abgeschieden werden.

Zusammenfassung

Dieser Artikel enthielt einen kurzen Überblick darüber, was Borosilikatglas ist, seine Entwicklung, die Materialeigenschaften, die dieses Material nützlich machen, und einige der häufigsten Anwendungen, die es verwenden. Informationen zu anderen Produkten finden Sie in unseren zusätzlichen Leitfäden oder auf der Thomas Supplier Discovery Platform, um potenzielle Bezugsquellen zu finden oder Details zu bestimmten Produkten anzuzeigen.

Quelle