Vidrio de borosilicato

El vidrio de borosilicato es un tipo de vidrio cuyos principales componentes formadores de vidrio son sílice y trióxido de boro . Los vidrios de borosilicato son conocidos por tener coeficientes de expansión térmica muy bajos (≈3 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ a 20 °C), lo que los hace más resistentes al choque térmico que cualquier otro vidrio común. Este tipo de vidrio está sujeto a un menor estrés térmico y puede soportar diferencias de temperatura sin fracturarse de aproximadamente 165 °C (300 °F). ^[1] Se utiliza comúnmente para la construcción de frascos y botellas de reactivos , así como para iluminación, productos electrónicos y utensilios de cocina.

El vidrio de borosilicato se vende bajo varios nombres comerciales, incluidos Borosil , Duran , Pyrex , Glassco, Supertek, Suprax, Simax, Bellco, Marinex (Brasil), BSA 60, BSC 51 (de NIPRO), Heatex, Endural, Schott , Refmex , Kimax, Gemstone Well, United Scientific y MG (India).

Las lámparas de encendido automático de un solo extremo están aisladas con un disco de mica y contenidas en un tubo de descarga de gas de vidrio de borosilicato (tubo de arco) y una tapa de metal. ^{[2] [3]} Incluyen la lámpara de vapor de sodio que se usa comúnmente en el alumbrado público. ^{[4] [5] [2] [3]}

El vidrio de borosilicato generalmente se funde a unos 1.650 °C (3.000 °F; 1.920 K).

El vidrio de borosilicato fue desarrollado por primera vez por el fabricante de vidrio alemán Otto Schott a fines del siglo XIX en Jena . Este vidrio de borosilicato primitivo pasó a conocerse como vidrio de Jena . Después de que Corning Glass Works introdujera Pyrex en 1915, el nombre se convirtió en sinónimo de vidrio de borosilicato en el mundo angloparlante (desde la década de 1940, una parte considerable del vidrio producido bajo la marca Pyrex también se ha fabricado con vidrio sódico-cálcico ). El vidrio de borosilicato es el nombre de una familia de vidrios con varios miembros diseñados para propósitos completamente diferentes. El más común hoy en día es el vidrio de borosilicato 3.3 o 5.0x, como Duran, Corning33, Corning51-V (transparente), Corning51-L (ámbar), NIPRO BSA 60 de International Cookware y BSC 51.

El vidrio de borosilicato se crea combinando y fundiendo óxido bórico , arena de sílice, carbonato de sodio ^[6] y alúmina. Dado que el vidrio de borosilicato se funde a una temperatura más alta que el vidrio de silicato común , se requirieron algunas técnicas nuevas para la producción industrial.

Además del cuarzo , el carbonato de sodio y el óxido de aluminio , que se utilizan tradicionalmente en la fabricación de vidrio , el boro se utiliza en la fabricación de vidrio de borosilicato. La composición del vidrio de borosilicato de baja expansión, como los vidrios de laboratorio mencionados anteriormente, es de aproximadamente un 80 % de sílice , un 13 % de óxido bórico , un 4 % de óxido de sodio u óxido de potasio y un 2-3 % de óxido de aluminio . Aunque es más difícil de fabricar que el vidrio tradicional debido a su alta temperatura de fusión, su producción es económica. Su durabilidad superior y su resistencia química y térmica se utilizan en equipos de laboratorio químico , utensilios de cocina, iluminación y en ciertos tipos de ventanas.

El proceso de fabricación depende de la geometría del producto y se pueden diferenciar entre diferentes métodos como flotación , trefilado de tubos o moldeo .

El tipo común de vidrio de borosilicato utilizado para la cristalería de laboratorio tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo (3,3 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ), ^[7] aproximadamente un tercio del del vidrio sódico-cálcico ordinario. Esto reduce las tensiones del material causadas por los gradientes de temperatura, lo que hace que el borosilicato sea un tipo de vidrio más adecuado para ciertas aplicaciones (véase más adelante). El vidrio de cuarzo fundido es incluso mejor en este sentido (tiene una quinceava parte de la expansión térmica del vidrio sódico-cálcico); sin embargo, la dificultad de trabajar con cuarzo fundido hace que el vidrio de cuarzo sea mucho más caro, y el vidrio de borosilicato es una solución de bajo coste. Aunque es más resistente al choque térmico que otros tipos de vidrio, el vidrio de borosilicato puede agrietarse o romperse cuando se somete a variaciones de temperatura rápidas o desiguales.

Entre las propiedades características de esta familia de vidrios se encuentran:

• Los diferentes vidrios de borosilicato cubren una amplia gama de diferentes expansiones térmicas, lo que permite sellos directos con varios metales y aleaciones como el vidrio de molibdeno con un CTE ( coeficiente de expansión térmica ) de 4,6, tungsteno con un CTE de alrededor de 4,0 y Kovar con un CTE de alrededor de 5,0 debido al CTE combinado con el socio de sellado.
• Permitiendo temperaturas máximas elevadas de aproximadamente 500 °C (930 °F)
• Presenta una resistencia química extremadamente alta en entornos corrosivos. Las pruebas de norma, por ejemplo, de resistencia a los ácidos, crean condiciones extremas y revelan impactos muy bajos en el vidrio.

El punto de ablandamiento (temperatura a la cual la viscosidad es de aproximadamente 10 ^7,6 poises ) del Pyrex tipo 7740 es de 820 °C (1510 °F). ^[8]

El vidrio de borosilicato es menos denso (aproximadamente 2,23 g/cm ³ ) que el vidrio sódico-cálcico típico debido a la baja masa atómica del boro. Su capacidad calorífica específica media a presión constante (20–100 °C) es 0,83 J/(g⋅K), aproximadamente una quinta parte de la del agua. ^[9]

La diferencia de temperatura que puede soportar el vidrio de borosilicato antes de fracturarse es de aproximadamente 180 °C (330 °F), mientras que el vidrio sódico-cálcico solo puede soportar un cambio de temperatura de aproximadamente 55 °C (100 °F). Por eso, los utensilios de cocina típicos hechos de vidrio sódico-cálcico tradicional se romperán si se coloca un recipiente con agua hirviendo sobre hielo, pero el Pyrex u otro vidrio de borosilicato de laboratorio no lo hará. ^[1]

Ópticamente, los vidrios de borosilicato son vidrios corona con baja dispersión ( números de Abbe alrededor de 65) e índices de refracción relativamente bajos (1,51-1,54 en todo el rango visible).

A los efectos de clasificación, el vidrio de borosilicato se puede organizar aproximadamente en los siguientes grupos, de acuerdo con su composición de óxido (en fracciones de masa ). Una característica de los vidrios de borosilicato es la presencia de cantidades sustanciales de sílice (SiO ₂ ) y óxido bórico (B ₂ O ₃ , >8%) como formadores de la red vítrea. La cantidad de óxido bórico afecta las propiedades del vidrio de una manera particular. Aparte de las variedades altamente resistentes (B ₂ O ₃ hasta un máximo del 13%), hay otras que, debido a la diferente forma en que el óxido bórico se incorpora a la red estructural, solo tienen una resistencia química baja (contenido de B ₂ O ₃ superior al 15%). ^[10] Por lo tanto, diferenciamos entre los siguientes subtipos.

El contenido de _B2O3 del vidrio de borosilicato es típicamente del 12-13% y el contenido de SiO2 _{es superior} al 80%. La alta durabilidad química y la baja expansión térmica (3,3 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ), la más baja de todos los vidrios comerciales para aplicaciones técnicas a gran escala, lo convierten en un material de vidrio versátil. Los vidrios planos de borosilicato de alta calidad se utilizan en una amplia variedad de industrias, principalmente para aplicaciones técnicas que requieren buena resistencia térmica, excelente durabilidad química o alta transmisión de luz en combinación con una calidad de superficie prístina. Otras aplicaciones típicas para diferentes formas de vidrio de borosilicato incluyen tubos de vidrio, tuberías de vidrio , contenedores de vidrio, etc., especialmente para la industria química.

Además de aproximadamente un 75 % de SiO ₂ y un 8-12 % de B ₂ O ₃ , estos vidrios contienen hasta un 5 % de óxidos de metales alcalinotérreos y alúmina (Al ₂ O ₃ ). Se trata de un subtipo de vidrios ligeramente más blandos, que tienen expansiones térmicas en el rango (4,0-5,0) × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ . ^[11]

Esto no debe confundirse con los simples compuestos de vidrio de borosilicato y alúmina. ^[12]

Los vidrios que contienen entre un 15 y un 25 % de B ₂ O ₃ , un 65 y un 70 % de SiO ₂ y cantidades más pequeñas de álcalis y Al ₂ O ₃ como componentes adicionales tienen puntos de ablandamiento bajos y una expansión térmica baja. La capacidad de sellado con metales en el rango de expansión del tungsteno y el molibdeno y un alto aislamiento eléctrico son sus características más importantes. El mayor contenido de B ₂ O ₃ reduce la resistencia química; en este sentido, los vidrios de borosilicato con alto contenido de borato difieren ampliamente de los vidrios de borosilicato alcalinotérreos y no alcalinotérreos. Entre estos también se encuentran los vidrios de borosilicato que transmiten luz ultravioleta hasta 180 nm, que combinan lo mejor del vidrio de borosilicato y del mundo del cuarzo. ^[10]

El vidrio de borosilicato tiene una amplia variedad de usos que van desde utensilios de cocina hasta equipos de laboratorio, además de ser un componente de productos de alta calidad como dispositivos médicos implantables y dispositivos utilizados en la exploración espacial .

Prácticamente toda la cristalería de laboratorio moderna está hecha de vidrio de borosilicato. Se utiliza ampliamente en esta aplicación debido a su resistencia química y térmica y su buena claridad óptica, pero el vidrio puede reaccionar con hidruro de sodio al calentarse para producir borohidruro de sodio , un agente reductor de laboratorio común. El cuarzo fundido también se encuentra en algunos equipos de laboratorio cuando se requiere su punto de fusión más alto y la transmisión de UV (por ejemplo, para revestimientos de hornos de tubo y cubetas UV ), pero el costo y las dificultades de fabricación asociadas con el cuarzo fundido lo convierten en una inversión poco práctica para la mayoría de los equipos de laboratorio.

Además, los tubos de borosilicato se utilizan como materia prima para la producción de envases de medicamentos parenterales , como viales y jeringas precargadas , así como ampollas y cartuchos dentales . La resistencia química del vidrio de borosilicato minimiza la migración de iones de sodio desde la matriz de vidrio, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones de medicamentos inyectables . Este tipo de vidrio se conoce normalmente como USP/EP JP Tipo I.

El borosilicato se utiliza ampliamente en dispositivos médicos implantables , como ojos protésicos, articulaciones de cadera artificiales, cementos óseos, materiales compuestos dentales (empastes blancos) ^[13] e incluso en implantes mamarios .

Muchos dispositivos implantables se benefician de las ventajas exclusivas de la encapsulación de vidrio de borosilicato. Las aplicaciones incluyen dispositivos de seguimiento veterinario , neuroestimuladores para el tratamiento de la epilepsia, bombas de fármacos implantables, implantes cocleares y sensores fisiológicos. ^[14]

A mediados del siglo XX, se utilizaron tubos de vidrio de borosilicato para transportar refrigerantes (a menudo, agua destilada ) a través de equipos electrónicos de alta potencia basados ​​en tubos de vacío , como transmisores de radiodifusión comerciales. También se utilizó como material de envoltura para tubos de transmisión de vidrio que funcionaban a altas temperaturas.

Los vidrios de borosilicato también tienen una aplicación en la industria de semiconductores en el desarrollo de sistemas microelectromecánicos (MEMS), como parte de pilas de obleas de silicio grabadas unidas al vidrio de borosilicato grabado.

Otro uso común del vidrio de borosilicato es el de los utensilios de cocina, incluidos los utensilios para hornear. Se utiliza para algunas tazas medidoras, que cuentan con marcas serigrafiadas que proporcionan medidas graduadas. El vidrio de borosilicato se utiliza a veces para cristalería de bebidas de alta calidad, en particular en piezas diseñadas para bebidas calientes. Los artículos hechos de vidrio de borosilicato pueden ser delgados pero duraderos, o más gruesos para una mayor resistencia, y son aptos para microondas y lavavajillas. ^[15]

Muchas linternas de alta calidad utilizan vidrio de borosilicato para la lente. Esto aumenta la transmisión de luz a través de la lente en comparación con los plásticos y el vidrio de menor calidad.

Varios tipos de lámparas de descarga de alta intensidad (HID), como las de vapor de mercurio y las de halogenuros metálicos , utilizan vidrio de borosilicato como material de envoltura exterior.

Las nuevas técnicas de trabajo con lámparas dieron lugar a aplicaciones artísticas, como las canicas de vidrio contemporáneas . El movimiento moderno de vidrio de estudio ha respondido al color. El borosilicato se utiliza habitualmente en la forma de soplado de vidrio del trabajo con lámparas y los artistas crean una gama de productos, como joyas , utensilios de cocina , esculturas y pipas de vidrio para fumar artísticas.

Los fabricantes de iluminación utilizan vidrio de borosilicato en algunas de sus lentes. ^{[ cita requerida ]}

Los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) (para visualización e iluminación) también utilizan vidrio de borosilicato (BK7). Los espesores de los sustratos de vidrio BK7 suelen ser inferiores a 1 milímetro para la fabricación de OLED. Debido a sus características ópticas y mecánicas en relación con el coste, el BK7 es un sustrato común en los OLED. Sin embargo, dependiendo de la aplicación, también se utilizan sustratos de vidrio sódico-cálcico de espesores similares en la fabricación de OLED.

Muchos telescopios astronómicos reflectores utilizan componentes de espejo de vidrio hechos de vidrio de borosilicato debido a su bajo coeficiente de expansión térmica. Esto permite superficies ópticas muy precisas que cambian muy poco con la temperatura y componentes de espejo de vidrio adaptados que "siguen" los cambios de temperatura y conservan las características del sistema óptico.

El espejo de 200 pulgadas del telescopio Hale está hecho de vidrio de borosilicato. ^[16]

El vidrio óptico que se utiliza con más frecuencia para fabricar lentes de instrumentos es el Schott BK-7 (o su equivalente de otros fabricantes, como el vidrio crown chino K9 ), un vidrio crown de borosilicato de fabricación muy fina . ^[17] También se lo designa como vidrio 517642 por su índice de refracción de 1,517 y su número de Abbe de 64,2 . Otros vidrios de borosilicato menos costosos, como el Schott B270 o su equivalente, se utilizan para fabricar lentes de anteojos de " vidrio crown ". El vidrio de borosilicato ordinario de menor costo, como el que se usa para fabricar utensilios de cocina e incluso espejos reflectores para telescopios, no se puede usar para lentes de alta calidad debido a las estrías e inclusiones comunes en los grados inferiores de este tipo de vidrio. La temperatura máxima de trabajo es de 268 °C (514 °F). Aunque se transforma en líquido a partir de los 288 °C (550 °F) (justo antes de ponerse al rojo vivo), no se puede trabajar hasta que alcanza más de 538 °C (1000 °F). Esto significa que para producir industrialmente este vidrio, se deben utilizar sopletes de oxígeno/combustible. Los sopladores de vidrio tomaron prestada la tecnología y las técnicas de los soldadores.

El vidrio de borosilicato se ha convertido en el material de elección para las placas de construcción de modelado por deposición fundida (FDM) o fabricación de filamentos fundidos (FFF). ^[18] Su bajo coeficiente de expansión hace que el vidrio de borosilicato, cuando se utiliza en combinación con placas y almohadillas de calentamiento por resistencia, sea un material ideal para la plataforma de construcción calentada sobre la que se extruyen los materiales plásticos una capa a la vez. La capa inicial de construcción debe colocarse sobre una superficie calentada y sustancialmente plana para minimizar la contracción de algunos materiales de construcción ( ABS , policarbonato , poliamida , etc.) debido al enfriamiento después de la deposición. Dependiendo del material utilizado, la placa de construcción pasará de temperatura ambiente a entre 50 °C y 130 °C para cada prototipo que se construya. La temperatura, junto con varios recubrimientos ( cinta Kapton , cinta de pintor, laca para el cabello, barra de pegamento, lechada de ABS + acetona, etc.), garantizan que la primera capa pueda adherirse y permanecer adherida a la placa, sin deformarse, a medida que la primera capa y las siguientes se enfrían después de la extrusión. Posteriormente, después de la construcción, se deja enfriar los elementos calefactores y la placa. La tensión residual resultante que se forma cuando el plástico se contrae al enfriarse, mientras que el vidrio permanece relativamente inalterado dimensionalmente debido al bajo coeficiente de expansión térmica , proporciona una ayuda conveniente para retirar el plástico que de otro modo estaría unido mecánicamente de la placa de construcción. En algunos casos, las piezas se separan por sí solas a medida que las tensiones desarrolladas superan la unión adhesiva del material de construcción con el material de recubrimiento y la placa subyacente.

Los calentadores de acuario a veces están hechos de vidrio de borosilicato. Debido a su alta resistencia al calor, puede tolerar la diferencia de temperatura significativa entre el agua y el elemento calefactor de nicromo . ^{[ cita requerida ]}

Las pipas de vidrio especiales para fumar cannabis y tabaco se pueden fabricar con vidrio de borosilicato. La alta resistencia al calor hace que las pipas sean más duraderas. Algunas organizaciones de reducción de daños también distribuyen pipas de borosilicato destinadas a fumar crack , ya que la resistencia al calor evita que el vidrio se agriete, lo que provoca cortes y quemaduras que pueden propagar la hepatitis C. [ ^19]

La mayoría de las diapositivas de vidrio para guitarra prefabricadas están hechas de vidrio de borosilicato. ^{[ cita requerida ]}

El borosilicato también es un material de elección para la tecnología solar térmica de tubos de vacío debido a su alta resistencia y resistencia al calor. ^{[ cita requerida ]}

Las placas de aislamiento térmico del transbordador espacial estaban recubiertas con un vidrio de borosilicato. ^[20]

Los vidrios de borosilicato se utilizan para la inmovilización y eliminación de desechos radiactivos . En la mayoría de los países, los desechos radiactivos de alto nivel se han incorporado a formas de desechos vítreos de borosilicato alcalino o fosfato durante muchos años; la vitrificación es una tecnología establecida. ^[21] La vitrificación es una ruta de inmovilización particularmente atractiva debido a la alta durabilidad química del producto de vidrio vitrificado. La resistencia química del vidrio puede permitirle permanecer en un entorno corrosivo durante muchos miles o incluso millones de años.

En las boquillas de las antorchas de soldadura TIG especiales se utilizan tubos de vidrio de borosilicato en lugar de las boquillas de alúmina estándar . Esto permite una visión clara del arco en situaciones en las que la visibilidad es limitada. ^{[ cita requerida ]}

El vidrio de borosilicato se ofrece en composiciones ligeramente diferentes bajo diferentes nombres comerciales:

• Borofloat de Schott AG , un vidrio de borosilicato, que se produce en vidrio plano en un proceso de flotación .
• Borosil , fabricado por la empresa del mismo nombre, se utiliza en cristalería de laboratorio y utensilios de cocina aptos para microondas en la India.
• BK7 de Schott, un vidrio de borosilicato de alto nivel de pureza. Uso principal en lentes y espejos para láser, cámaras y telescopios.
• Duran del Grupo DURAN, similar a Pyrex, Simax o Jenaer Glas.
• Vidrio borosilicato Pyrex de Corning
• Fiolax de Schott, utilizado principalmente para envases para aplicaciones farmacéuticas.
• Maquinaria de construcción de TGI  [de] (insolvencia de 2014), utilizada principalmente para contenedores y equipos en laboratorios y medicinas.
• Jenaer Glas de Zwiesel Kristallglas , antigua Schott AG. Utilizado principalmente para utensilios de cocina.
• Kimax es la marca registrada de cristalería de borosilicato de Kimble
• United Scientific, fabricantes y distribuidores de cristalería de laboratorio
• Rasotherm de VEB Jenaer Glaswerk Schott & Genossen, para vidrio técnico
• Simax de Kavalierglass as, República Checa, producido tanto para el mercado de laboratorio como para el de consumo.
• Supertek, fabricante de equipos y cristalería para laboratorio científico.
• Willow Glass es un vidrio de borosilicato flexible, delgado y libre de álcali de Corning.
• Boroux es una marca de botellas para bebidas de vidrio de borosilicato.
• Endural es una marca de Holophane

En un principio se pensó que el vidrio de borosilicato no podía transformarse en nanopartículas , ya que un precursor de óxido de boro inestable impediría la formación exitosa de estas formas. Sin embargo, en 2008, un equipo de investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana logró formar nanopartículas de borosilicato de 100 a 500 nanómetros de diámetro. Los investigadores formaron un gel de tetraetilortosilicato y trimetoxiboroxina. Cuando este gel se expone al agua en condiciones adecuadas, se produce una reacción dinámica que da lugar a las nanopartículas. ^[22]

El borosilicato (o "boro", como se lo suele llamar) se utiliza ampliamente en el proceso de soplado de vidrio , el trabajo con lámparas ; el trabajador del vidrio utiliza un soplete para fundir y dar forma al vidrio, utilizando una variedad de herramientas de metal y grafito para darle forma. El borosilicato se conoce como "vidrio duro" y tiene un punto de fusión más alto (aproximadamente 3000 °F / 1648 °C) que el "vidrio blando", que es el preferido para el soplado de vidrio por los fabricantes de cuentas. El vidrio en bruto utilizado en el trabajo con lámparas viene en varillas de vidrio para trabajos sólidos y tubos de vidrio para tubos de trabajo huecos y recipientes/contenedores. El trabajo con lámparas se utiliza para hacer aparatos científicos complejos y personalizados; la mayoría de las universidades importantes tienen un taller de trabajo con lámparas para fabricar y reparar su cristalería. Para este tipo de "soplado de vidrio científico", las especificaciones deben ser exactas y el soplador de vidrio debe ser altamente calificado y capaz de trabajar con precisión. El trabajo con lámparas también se realiza como arte, y los artículos comunes que se fabrican incluyen copas, pisapapeles, pipas, colgantes, composiciones y figuritas.

En 1968, el metalúrgico inglés John Burton trajo su afición de mezclar a mano óxidos metálicos en vidrio de borosilicato a Los Ángeles. Burton comenzó un taller de vidrio en el Pepperdine College, con la instructora Margaret Youd. Algunos de los estudiantes de las clases, incluida Suellen Fowler, descubrieron que una combinación específica de óxidos producía un vidrio que cambiaba de color ámbar a violetas y azules, dependiendo del calor y la atmósfera de la llama. Fowler compartió esta combinación con Paul Trautman, quien formuló las primeras recetas de borosilicato coloreado en lotes pequeños. Luego fundó Northstar Glassworks a mediados de la década de 1980, la primera fábrica dedicada exclusivamente a producir varillas y tubos de vidrio de borosilicato coloreado para que los artistas los usaran en la llama. Trautman también desarrolló las técnicas y la tecnología para fabricar el boro coloreado en lotes pequeños que utilizan varias empresas similares. ^[23]

En los últimos años ^{[¿ cuándo? ]} , con el resurgimiento del trabajo con lámparas como técnica para hacer cuentas de vidrio hechas a mano, el borosilicato se ha convertido en un material popular en muchos estudios de artistas del vidrio. ^{[ cita requerida ]} El borosilicato para la fabricación de cuentas viene en varillas delgadas con forma de lápiz. Glass Alchemy, Trautman Art Glass y Northstar son fabricantes populares, aunque hay otras marcas disponibles. Los metales utilizados para colorear el vidrio de borosilicato, particularmente la plata, a menudo crean resultados sorprendentemente hermosos e impredecibles cuando se funden en una llama de soplete de gas oxígeno. Debido a que es más resistente a los golpes y más fuerte que el vidrio blando, el borosilicato es particularmente adecuado para la fabricación de pipas, así como para esculpir figuras y crear cuentas grandes. Las herramientas utilizadas para hacer cuentas de vidrio a partir de vidrio de borosilicato son las mismas que se utilizan para hacer cuentas de vidrio a partir de vidrio blando.

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