¿Qué es el vidrio de borosilicato y cómo se usa?
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El vidrio de borosilicato es una forma especializada de vidrio que utiliza ácido bórico como componente en su fabricación. El resultado de la adición del elemento boro es un tipo de vidrio que es muy resistente al choque térmico y exhibe un coeficiente de expansión térmica mucho menor que el del vidrio de silicato común. En este artículo, se presentará una revisión del vidrio de borosilicato, incluido su desarrollo, propiedades y usos.
Para obtener más información sobre otros tipos de vidrio, revise nuestro artículo temático sobre la comprensión del vidrio.
Desarrollo de vidrio de borosilicato
En 1882, un químico alemán llamado Otto Schott estaba interesado en experimentar con formas de crear vidrio que tuviera la capacidad de soportar cambios repentinos de temperatura o exposición a temperaturas desiguales sin romperse. En ese año, hizo el descubrimiento que marcó el comienzo de la creación del vidrio de borosilicato. Schott descubrió que la adición del elemento boro al proceso de fabricación del vidrio dio como resultado una forma de vidrio resistente al calor.
El trabajo posterior de los químicos W.C. Taylor y Eugene Sullivan en Corning Glass refinó los esfuerzos de Otto Schott y expandió las propiedades resistentes a la temperatura del vidrio de borosilicato. Como resultado de estas innovaciones, la fabricación de vidrio personalizado creció, donde ahora hay más de un millón de formulaciones diferentes de vidrio que se pueden personalizar para las necesidades específicas del producto al mejorar las propiedades físicas y mecánicas deseadas del vidrio.
Quizás la aplicación más conocida para el vidrio de borosilicato surgió de una investigación adicional en Corning Glass. Después de unirse a la compañía en 1914, el físico Jesse Littleton recibió la tarea de probar y evaluar las propiedades físicas de la formulación de vidrio recién creada. Después de que el plato de cazuela de cerámica de su esposa se rompiera accidentalmente, ella sugirió que tal vez este vidrio resistente al calor recientemente desarrollado podría resultar ser un producto útil para hornear. Después de probar la idea horneando un pastel en un recipiente de vidrio de muestra que Littleton había traído a casa, nació un nuevo uso para el vidrio de borosilicato: utensilios de cocina de vidrio. Corning Glass introdujo una línea de producto conocida como Pyrex®[1], que durante muchos años de su fabricación se produjo utilizando vidrio de borosilicato.
Propiedades del vidrio de borosilicato
El vidrio de borosilicato es generalmente resistente químicamente, pero quizás su propiedad física más notable es su bajo coeficiente de expansión térmica, lo que explica por qué el vidrio puede resistir la rotura bajo cambios rápidos repentinos de temperatura. El vidrio generalmente es un mal conductor del calor, por lo que cuando toma vidrio caliente y lo sumerge en agua fría, el exterior del vidrio se enfría rápidamente mientras que el interior no lo hace. Las tensiones causadas por el diferencial de temperatura hacen que el vidrio se rompa.
Con el vidrio de borosilicato, la adición de ácido bórico (H3BO3) a la formulación da como resultado un vidrio que tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que significa que cuando el vidrio se calienta o enfría, no se expande ni se contrae mucho. Esta estabilidad dimensional es lo que permite que el vidrio de borosilicato sea capaz de soportar cambios de temperatura rápidos y extremos sin agrietarse.
La composición química del vidrio de borosilicato consiste típicamente en alrededor del 81% de dióxido de silicio (SiO2)y el 13% de trióxido de boro (B2O3)con concentraciones menores de óxido de sodio y óxido de aluminio. (Tenga en cuenta que las concentraciones de óxido bórico pueden variar, 5-13% es típico). El elemento Boro es el que proporciona al vidrio su estabilidad dimensional para que el material no se encoja ni crezca a medida que cambia la temperatura a la que está expuesto.
La Tabla 1 a continuación resume las propiedades típicas del vidrio de borosilicato. Nótese en la tabla el valor del Coeficiente de Expansión Térmica Lineal (3,3 x 10-6 ) y el rango de temperatura sobre el que se aplica ese valor 20oC, 300oC. Este valor es aproximadamente 1/3 del del vidrio tradicional de soda-cal.
Tabla 1 – Propiedades del vidrio de borosilicato
| Material (propiedad) | Valor | |
| General | Densidad (@ 25oC) | 2,23 g/cm3 |
| Mecánico | Módulo de Young | 64 GPa |
| Ratio de Poisson (μ) | 0.2 | |
| Termal | Temperatura máxima nominal de uso | 500oC |
| Temperatura de transformación | 525oC | |
| Conductividad térmica (@90oC) | 1.2 W/(moK) | |
| Coeficiente de expansión térmica lineal media (@ 20oC, 300oC) | 3,3 x 10-6 /oK | |
| Eléctrico | Resistencia al volumen | 1015 Ω cm |
| Constante dieléctrica | 4.6 | |
| Resistencia dieléctrica | 30 kV/mm | |
| Óptico | Índice de refracción (@ λ = 587,6 nm) | 1.473 |
| Coeficiente óptico de tensión | 4,0 x 10-6 mm2/N |
Aplicaciones del vidrio de borosilicato
El problema inicial que intentaba resolverse en el momento en que Otto Schott comenzó a experimentar con formulaciones de vidrio fue crear un vidrio que pudiera resistir la exposición a temperaturas extremas. Por ejemplo, el vidrio que se usaba en las linternas en ese momento terminaría rompiéndose o agrietándose en condiciones de lluvia porque la lluvia fría en la superficie exterior del vidrio causaba un gran gradiente de temperatura en comparación con la temperatura de la cara interior caliente.
Una vez que el vidrio de borosilicato estuvo disponible, sus aplicaciones se hicieron inmediatamente evidentes. Algunos de los usos comunes del vidrio de borosilicato incluyen:
- Cristalería de laboratorio
- Lentes científicas y espejos calientes
- Bakeware y utensilios de cocina
- Aislamiento térmico
- Productos de iluminación de alta intensidad
- Mirilla
- Lentes exteriores de aeronaves
- Calentadores de acuario
- Electrónica
- Prototipado rápido
Cristalería de laboratorio
La alta estabilidad dimensional y la capacidad de tolerar la exposición a diferentes temperaturas al mismo tiempo hacen que el vidrio de borosilicato sea una opción de material natural a partir de la cual crear cristalería de laboratorio, también llamada artículos de laboratorio. Placas de Petri, portaobjetos de microscopio, botellas, vasos de precipitados, matraces, tubosde ensayo, embudos e instrumentos de medición como cilindros graduados son ejemplos comunes. Además de las propiedades térmicas favorables, el vidrio de borosilicato es muy resistente y no reactivo a la mayoría de los productos químicos.
Lentes científicas y espejos calientes
El vidrio de borosilicato se puede moldear en componentes ópticos de alta precisión, como lentes, para su uso en telescopios y otros dispositivos ópticos de precisión. El bajo coeficiente de expansión térmica para el vidrio de borosilicato significa que las propiedades ópticas de las lentes serán estables a los cambios de temperatura, ya que la lente de vidrio no cambiará significativamente sus dimensiones. El vidrio también es ideal para su uso en espejos calientes que reflejan la luz infrarroja.
Bakeware y utensilios de cocina
Entre sus primeros y más comunes usos se encuentra en la creación de utensilios de cocina domésticos y horneados. Las propiedades térmicas de los utensilios de cocina de borosilicato permiten transportarlos de un horno caliente a una encimera fría sin temor a agrietarse o romperse. También se utiliza en productos como tazas medidoras y es seguro para su uso en hornos de microondas y lavavajillas.
Aislamiento térmico
Las propiedades térmicas del vidrio de borosilicato se utilizaron para fabricar las baldosas térmicas que protegían el transbordador espacial del calor de la reentrada a la atmósfera terrestre.
Productos de iluminación de alta intensidad
Las luces de escenario y los productos de iluminación utilizados en la industria cinematográfica hacen uso de lentes de vidrio de borosilicato, ya que estas luces pueden alcanzar altas temperaturas cuando se operan continuamente durante horas y horas. Otros productos de lámparas que utilizan descarga de alta intensidad (HID), como las lámparas de vapor de mercurio o las lámparas de halogenuros metálicos, harán uso de lentes de borosilicato o envolturas exteriores.
Mirilla
En los procesos industriales, los tanques hacen uso de mirillas que a menudo se fabrican a partir de vidrio de borosilicato. Estas mirillas permiten el monitoreo visual de sustancias y procesos sin la necesidad de abrir el tanque o recipiente de almacenamiento, y sin interrumpir el proceso.
Lentes exteriores de aeronaves
Las lámparas exteriores de un avión utilizan lentes de vidrio de borosilicato debido a las claras propiedades ópticas (transmisibilidad) y la capacidad de soportar el diferencial de temperatura experimentado durante el vuelo a gran altitud. La Figura 1 a continuación muestra un ejemplo de las características de transmisión óptica de un tipo de vidrio de borosilicato. Tenga en cuenta el rendimiento muy plano en todo el espectro de longitud de onda de 300 a 1200 nm.
Crédito de la imagen: https://www.schott.com/d/tubing/9a0f5126-6e35-43bd-bf2a-349912caf9f2/schott-algae-brochure-borosilicate.pdf
Calentadores de acuario
Los calentadores de acuario son una aplicación muy común para el vidrio de borosilicato, donde el tubo del calentador está expuesto a un gradiente térmico del elemento calefactor nicrom interior y al agua mucho más fría en el tanque.
Electrónica
El vidrio de borosilicato se utiliza en la industria de fabricación de semiconductores para la electrónica moderna, donde las obleas de silicio pueden unirse al vidrio de borosilicato grabado.
Prototipado rápido
En el modelado por deposición fundida, una forma de impresión 3D o fabricación aditiva, el vidrio de borosilicato es un material ideal para su uso sobre el cual se depositan los materiales plásticos calentados y extruidos durante el proceso de construcción.
Resumen
Este artículo proporcionó una breve revisión de lo que es el vidrio de borosilicato, su desarrollo, las propiedades del material que hacen que este material sea útil y algunas de las aplicaciones más comunes que lo utilizan. Para obtener información sobre otros productos, consulte nuestras guías adicionales o visite thomas Supplier Discovery Platform para localizar posibles fuentes de suministro o ver detalles sobre productos específicos.
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