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Il vetro borosilicato è una forma specializzata di vetro che utilizza l’acido borico come componente nella sua fabbricazione. Il risultato dell’aggiunta dell’elemento boro è un tipo di vetro che è molto resistente agli shock termici e presenta un coefficiente di dilatazione termica molto più basso rispetto a quello del comune vetro silicato. In questo articolo verrà presentata una recensione del vetro borosilicato, incluso il suo sviluppo, le proprietà e gli usi.

Per saperne di più su altri tipi di vetro, consulta il nostro articolo sull’argomento sulla comprensione del vetro.

Sviluppo del vetro borosilicato

Nel 1882, un chimico tedesco di nome Otto Schott era interessato a sperimentare modi per creare vetro che avesse la capacità di resistere a sbalzi di temperatura o all’esposizione a temperature irregolari senza frantumarsi. In quell’anno, fece la scoperta che inaugurò la creazione del vetro borosilicato. Schott scoprì che l’aggiunta dell’elemento Boro al processo di fabbricazione del vetro risultava in una forma di vetro resistente al calore.

Il lavoro successivo dei chimici W.C. Taylor e Eugene Sullivan alla Corning Glass raffinò gli sforzi di Otto Schott e ampliò le proprietà di resistenza alla temperatura del vetro borosilicato. Come risultato di queste innovazioni, la fabbricazione del vetro personalizzato è cresciuta, dove ora ci sono oltre un milione di diverse formulazioni di vetro che possono essere personalizzate per esigenze specifiche del prodotto migliorando le proprietà fisiche e meccaniche desiderate del vetro.

Forse l’applicazione più nota per il vetro borosilicato è cresciuta da ulteriori ricerche presso Corning Glass. Dopo essere entrato a far parte dell’azienda nel 1914, al fisico Jesse Littleton fu dato il compito di testare e valutare le proprietà fisiche della formulazione del vetro appena creata. Dopo che la casseruola in ceramica di sua moglie si è rotta accidentalmente, ha suggerito che forse questo vetro resistente al calore di nuova concezione potrebbe rivelarsi un prodotto utile per la cottura. Dopo aver testato l’idea cuocendo una torta in un contenitore di vetro campione che Littleton aveva portato a casa, è nato un nuovo uso per il vetro borosilicato: le pentole di vetro. Corning Glass ha introdotto una linea di prodotti nota come Pyrex^®_[1], che è stata per molti anni del suo ciclo di produzione prodotto utilizzando vetro borosilicato.

Proprietà del vetro borosilicato

Il vetro borosilicato è generalmente chimicamente resistente, ma forse la sua proprietà fisica più notevole è il suo basso coefficiente di dilatazione termica, il che spiega perché il vetro può resistere alla frantumazione in caso di improvvisi rapidi sbalzi di temperatura. Il vetro è generalmente un cattivo conduttore di calore, quindi quando prendi il vetro caldo e lo immergi in acqua fredda, l’esterno del vetro si raffredda rapidamente mentre l’interno no. Le sollecitazioni causate dal differenziale di temperatura causano la frantumazione del vetro.

Con il vetro borosilicato, l’aggiunta di acido borico (H₃BO₃) alla formulazione si traduce in un vetro che ha un basso coefficiente di dilatazione termica, il che significa che quando il vetro viene riscaldato o raffreddato, non si espande o si contrae molto. Questa stabilità dimensionale è ciò che consente al vetro borosilicato di essere in grado di resistere a sbalzi di temperatura rapidi ed estremi senza fessurazioni.

La composizione chimica del vetro borosilicato è tipicamente costituita da circa l’81% di biossido di silicio (SiO₂₎e il 13% di triossido di boro (B₂O₃₎con minori concentrazioni di ossido di sodio e ossido di alluminio. (Si noti che le concentrazioni di ossido borico possono variare, il 5-13% è tipico). L’elemento Boro è ciò che fornisce al vetro la sua stabilità dimensionale in modo che il materiale non si restringa o cresca al variare della temperatura a cui è esposto.

La tabella 1 di seguito riassume le proprietà tipiche del vetro borosilicato. Si noti dalla tabella il valore del coefficiente di dilatazione termica lineare (3,3 x 10^-6 ) e l’intervallo di temperatura su cui tale valore si applica 20^oC, 300^oC. Questo valore è di circa 1/3 di quello del tradizionale vetro soda-calce.

Tabella 1 – Proprietà del vetro borosilicato

Applicazioni del vetro borosilicato

Il problema iniziale che stava tentando di essere risolto nel momento in cui Otto Schott iniziò a sperimentare con le formulazioni di vetro era quello di creare un vetro che potesse resistere all’esposizione a temperature estreme. Ad esempio, il vetro che veniva utilizzato nelle lanterne in quel momento finiva per frantumarsi o rompersi in condizioni di pioggia perché la pioggia fredda sulla superficie esterna del vetro causava un grande gradiente di temperatura rispetto alla temperatura della faccia interna calda.

Una volta che il vetro borosilicato è diventato disponibile, le sue applicazioni sono diventate immediatamente evidenti. Alcuni degli usi comuni per il vetro borosilicato includono:

• Vetreria da laboratorio
• Lenti scientifiche e specchi caldi
• Bakeware e pentole
• Isolamento termico
• Prodotti per l’illuminazione ad alta intensità
• Idrometro
• Lenti esterne per aeromobili
• Riscaldatori per acquari
• Elettronica
• Prototipazione

Vetreria da laboratorio

L’elevata stabilità dimensionale e la capacità di tollerare contemporaneamente l’esposizione a temperature diverse rendono il vetro borosilicato una scelta materica naturale da cui creare vetreria da laboratorio, detta anche labware. Piastre di Petri, vetrini per microscopi, bottiglie, bicchieri, fiaschi, provette,imbuti e strumenti di misura come cilindri graduati sono tutti esempi comuni. Oltre alle favorevoli proprietà termiche, il vetro borosilicato è molto resistente e non reattivo alla maggior parte delle sostanze chimiche.

Lenti scientifiche e specchi caldi

Il vetro borosilicato può essere modellato in componenti ottici ad alta precisione come lenti per l’uso in telescopi e altri dispositivi ottici di precisione. Il basso coefficiente di dilatazione termica per il vetro borosilicato significa che le proprietà ottiche delle lenti saranno stabili rispetto ai cambiamenti di temperatura poiché la lente di vetro non cambierà significativamente le sue dimensioni. Il vetro è ideale anche per l’uso in specchi caldi che riflettono la luce infrarossa.

Bakeware e pentole

Tra i suoi primi e più comuni usi c’è nella creazione di pentole e prodotti da forno per la casa. Le proprietà termiche delle pentole in borosilicato consentono di trasportarle da un forno caldo a un piano di lavoro freddo senza timore di screpolature o frantumazioni. Viene anche utilizzato in prodotti come misurini ed è sicuro per l’uso in forni a microonde e lavastoviglie.

Isolamento termico

Le proprietà termiche del vetro borosilicato sono state utilizzate per fabbricare le piastrelle termiche che proteggevano la navetta spaziale dal calore del rientro nell’atmosfera terrestre.

Prodotti per l’illuminazione ad alta intensità

Le luci di scena e i prodotti di illuminazione utilizzati nell’industria cinematografica utilizzano lenti in vetro borosilicato, poiché queste luci possono raggiungere temperature elevate se utilizzate ininterrottamente per ore e ore. Altri prodotti per lampade che utilizzano la scarica ad alta intensità (HID), come le lampade a vapori di mercurio o le lampade ad alogenuri metallici, faranno uso di lenti al borosilicato o involucri esterni.

Idrometro

Nei processi industriali, i serbatoi fanno uso di occhiali da vista che sono spesso fabbricati con vetro borosilicato. Questi occhiali consentono il monitoraggio visivo di sostanze e processi senza la necessità di aprire il serbatoio o il contenitore di stoccaggio e senza interrompere il processo.

Lenti esterne per aeromobili

Le lampade esterne di un aeromobile utilizzano lenti in vetro borosilicato grazie alle chiare proprietà ottiche (trasmissibilità) e alla capacità di resistere al differenziale di temperatura sperimentato durante il volo ad alta quota. La figura 1 mostra un esempio delle caratteristiche di trasmissione ottica di un tipo di vetro borosilicato. Si noti la prestazione molto piatta attraverso l’intero spettro di lunghezze d’onda da 300 a 1200 nm.

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

Riscaldatori per acquari

I riscaldatori per acquari sono un’applicazione molto comune per il vetro borosilicato, in cui il tubo del riscaldatore è esposto a un gradiente termico dall’elemento riscaldante nicromo interno e all’acqua molto più fredda nel serbatoio.

Elettronica

Il vetro borosilicato viene utilizzato nell’industria della fabbricazione di semiconduttori per l’elettronica moderna in cui i wafer di silicio possono essere legati al vetro borosilicato inciso.

Prototipazione

Nella modellazione a deposizione fusa, una forma di stampa 3D o produzione additiva, il vetro borosilicato è un materiale ideale per l’uso su cui vengono depositati i materiali plastici riscaldati ed estrusi durante il processo di costruzione.

Riepilogo

Questo articolo ha fornito una breve rassegna di cos’è il vetro borosilicato, il suo sviluppo, le proprietà del materiale che rendono utile questo materiale e alcune delle applicazioni più comuni che lo utilizzano. Per informazioni su altri prodotti, consulta le nostre guide aggiuntive o visita la Thomas Supplier Discovery Platform per individuare potenziali fonti di approvvigionamento o visualizzare dettagli su prodotti specifici.

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