El vidrio de borosilicato es un tipo de vidrio con sílice y trióxido de boro como principales componentes formadores del vidrio. 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. Dicho vidrio está sujeto a menos estrés térmico y puede soportar diferencias de temperatura sin fracturarse de aproximadamente 165 °C (300 °F). [1] Se utiliza comúnmente para la construcción de botellas y matraces de reactivos , así como para iluminación, electrónica y utensilios de cocina.
El vidrio de borosilicato se vende con 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 utiliza habitualmente en el alumbrado público. [4] [5] [2] [3]
El vidrio de borosilicato se funde a aproximadamente 1.650 °C (3.000 °F; 1.920 K).
El vidrio de borosilicato fue desarrollado por primera vez por el vidriero alemán Otto Schott a finales del siglo XIX en Jena . Este primer vidrio de borosilicato pasó a ser conocido 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 de habla inglesa (desde la década de 1940, una porción considerable del vidrio producido bajo la marca Pyrex también se ha hecho de vidrio sodocálcico ). El vidrio de borosilicato es el nombre de una familia de vidrio 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 ordinario , se requirieron algunas técnicas nuevas para la producción industrial.
Además del cuarzo , el carbonato de sodio y el óxido de aluminio utilizados 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 aproximadamente de 80% de sílice , 13% de óxido bórico , 4% de óxido de sodio u óxido de potasio y de 2 a 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 resistencia química y al calor 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 puede diferenciar entre diferentes métodos como flotación , trefilado en tubo o moldeo .
El tipo común de vidrio de borosilicato utilizado para cristalería de laboratorio tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo (3,3 × 10 −6 K −1 ), [7] aproximadamente un tercio del del vidrio sodocálcico 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 determinadas aplicaciones (ver más abajo). Los artículos de cuarzo fundido son incluso mejores a este respecto (tienen una quinceava parte de la expansión térmica del vidrio sodocálcico); sin embargo, la dificultad de trabajar con cuarzo fundido hace que los artículos de cuarzo sean mucho más caros y el vidrio de borosilicato es un compromiso de bajo costo. Si bien es más resistente al choque térmico que otros tipos de vidrio, el vidrio de borosilicato aún puede agrietarse o romperse cuando se lo somete a variaciones de temperatura rápidas o desiguales.
Entre las propiedades características de esta familia de vidrios se encuentran:
El punto de reblandecimiento (temperatura a la que la viscosidad es de aproximadamente 10 7,6 poises ) del tipo 7740 Pyrex es de 820 °C (1510 °F). [8]
El vidrio de borosilicato es menos denso (alrededor de 2,23 g/cm 3 ) que el típico vidrio sodocálcico 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]
El diferencial de temperatura que el vidrio de borosilicato puede soportar antes de fracturarse es de aproximadamente 330 °F (180 °C), mientras que el vidrio sodocálcico puede soportar solo un cambio de temperatura de aproximadamente 100 °F (55 °C). Esta es la razón por la que los utensilios de cocina típicos hechos de vidrio tradicional de soda y cal se rompen si se coloca sobre hielo un recipiente que contiene agua hirviendo, pero no el Pyrex u otro vidrio de laboratorio de borosilicato. [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 efectos de clasificación, el vidrio de borosilicato se puede clasificar a grandes rasgos en los siguientes grupos, según su composición de óxidos (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 redes de vidrio. La cantidad de óxido bórico afecta de manera particular a las propiedades del vidrio. Además de las variedades altamente resistentes (B 2 O 3 hasta un máximo del 13%), existen otras que, debido a la diferente forma en que se incorpora el óxido bórico a la red estructural, tienen poca resistencia química (B 2 O 3 ). Contenido de O 3 superior al 15%). [10] De ahí que diferenciemos entre los siguientes subtipos.
El contenido de B 2 O 3 del vidrio de borosilicato suele ser del 12 al 13 % y el contenido de SiO 2 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, hacen de este 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 superficial impecable. Otras aplicaciones típicas para diferentes formas de vidrio de borosilicato incluyen tubos de vidrio, tuberías de vidrio , recipientes 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 tierras alcalinas y alúmina (Al 2 O 3 ). Este es 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 compuestos simples de vidrio y alúmina de borosilicato. [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 reblandecimiento bajos y una expansión térmica baja. Sus características más importantes son la sellabilidad a metales en el rango de expansión del tungsteno y molibdeno y un alto aislamiento eléctrico. El mayor contenido de B 2 O 3 reduce la resistencia química; A este respecto, los vidrios de borosilicato con alto contenido de borato se diferencian ampliamente de los vidrios de borosilicato alcalinotérreos y no alcalinotérreos. Entre ellos también se encuentran los vidrios de borosilicato que transmiten luz ultravioleta hasta 180 nm y 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 a su buena claridad óptica, pero el vidrio puede reaccionar con el hidruro de sodio al calentarlo para producir borohidruro de sodio , un agente reductor común en el laboratorio. El cuarzo fundido también se encuentra en algunos equipos de laboratorio cuando se requiere su mayor punto de fusión y transmisión de UV (por ejemplo, para revestimientos de hornos tubulares y cubetas de UV), pero el costo y las dificultades de fabricación asociados con el cuarzo fundido lo convierten en una inversión poco práctica para la mayoría de los equipos. equipo 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 normalmente se denomina USP/EP JP Tipo I.
El borosilicato se utiliza ampliamente en dispositivos médicos implantables como prótesis de ojos, articulaciones artificiales de cadera, cementos óseos, materiales compuestos dentales (empastes blancos) [13] e incluso en implantes mamarios .
Muchos dispositivos implantables se benefician de las ventajas únicas 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, los tubos de vidrio de borosilicato se utilizaban para canalizar refrigerantes (a menudo agua destilada ) a través de equipos electrónicos basados en tubos de vacío de alta potencia , como los transmisores de radiodifusión comerciales. También se utilizó como material de envoltura para tubos transmisores de vidrio que operaban 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.
Los utensilios de cocina son otro uso común del vidrio de borosilicato, incluidos los utensilios para hornear. Se utiliza para algunas tazas medidoras y presenta marcas serigrafiadas que proporcionan medidas graduadas. El vidrio de borosilicato se utiliza a veces para cristalería de bebidas de alta calidad, particularmente en piezas diseñadas para bebidas calientes. Los artículos hechos de vidrio de borosilicato pueden ser delgados pero duraderos, o más gruesos para mayor resistencia, y son aptos para microondas y lavavajillas. [15]
Muchas linternas de alta calidad utilizan vidrio de borosilicato como 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 lámparas de vapor de mercurio y de halogenuros metálicos , utilizan vidrio de borosilicato como material de envoltura exterior.
Las nuevas técnicas de trabajo con lámparas condujeron a aplicaciones artísticas como las canicas de vidrio contemporáneas . El moderno movimiento del vidrio de estudio ha respondido al color. El borosilicato se utiliza comúnmente en la forma de soplado de vidrio para lámparas y los artistas crean una gama de productos como joyas , utensilios de cocina , esculturas y pipas de vidrio artísticas.
Los fabricantes de iluminación utilizan vidrio de borosilicato en algunas de sus lentes.
Los diodos emisores de luz orgánicos (OLED) (para fines de 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 costo, BK7 es un sustrato común en los OLED. Sin embargo, dependiendo de la aplicación, en la fabricación de OLED también se utilizan sustratos de vidrio sodocálcico de espesores similares.
Muchos telescopios astronómicos reflectores utilizan componentes de espejo de vidrio hechos de vidrio de borosilicato debido a su bajo coeficiente de expansión térmica. Esto hace posibles superficies ópticas muy precisas que cambian muy poco con la temperatura y componentes de espejo de vidrio combinados 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. [dieciséis]
El vidrio óptico más utilizado para fabricar lentes de instrumentos es Schott BK-7 (o el equivalente de otros fabricantes, como el vidrio de corona chino K9 ), un vidrio de corona de borosilicato muy finamente elaborado . [17] También se designa como vidrio 517642 por su índice de refracción de 1,517 y su número de Abbe de 64,2 . Otros vasos de borosilicato menos costosos, como el Schott B270 o su equivalente, se utilizan para fabricar lentes para gafas de " vidrio corona ". El vidrio de borosilicato común y económico, como el que se utiliza para fabricar utensilios de cocina e incluso espejos reflectores para telescopios, no se puede utilizar para lentes de alta calidad debido a las estrías e inclusiones comunes a los grados inferiores de este tipo de vidrio. La temperatura máxima de trabajo es 268 °C (514 °F). Si bien pasa a líquido a partir de 288 °C (550 °F) (justo antes de ponerse al rojo vivo), no es viable hasta que alcanza más de 538 °C (1000 °F). Eso significa que para producir industrialmente este vidrio se deben utilizar sopletes de oxígeno/combustible. Los sopladores de vidrio tomaron prestadas tecnologías y técnicas de los soldadores.
El vidrio de borosilicato se ha convertido en el material elegido 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 usa en combinación con placas y almohadillas de calentamiento por resistencia, sea un material ideal para la plataforma de construcción calentada sobre la cual se extruyen los materiales plásticos una capa a la vez. La capa inicial de construcción debe colocarse sobre una superficie calentada 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, pegamento en barra, ABS+lecha de acetona, etc.), aseguran que la primera capa pueda adherirse y permanecer adherida a la placa, sin deformarse, ya que la La primera capa y las siguientes se enfrían después de la extrusión. Posteriormente, tras la construcción, se dejan enfriar los elementos calefactores y la placa. La tensión residual resultante que se forma cuando el plástico se contrae a medida que se enfría, mientras que el vidrio permanece relativamente sin cambios dimensionales debido al bajo coeficiente de expansión térmica , proporciona una ayuda conveniente para retirar de la placa de construcción el plástico que de otro modo estaría unido mecánicamente. En algunos casos, las piezas se autoseparan a medida que las tensiones desarrolladas superan la unión adhesiva del material de construcción con el material de revestimiento 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 importante diferencia de temperatura entre el agua y el elemento calefactor de nicrom . [ cita necesaria ]
Se pueden fabricar pipas de vidrio especiales para fumar cannabis y tabaco con vidrio de borosilicato. La alta resistencia al calor hace que las tuberías 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, provocando cortes y quemaduras que pueden propagar la hepatitis C. [19]
La mayoría de los slides de guitarra de vidrio prefabricados están hechos de vidrio de borosilicato. [ cita necesaria ]
El borosilicato también es un material elegido para la tecnología solar térmica de tubos de vacío debido a su alta resistencia y resistencia al calor. [ cita necesaria ]
Las placas aislantes térmicas del transbordador espacial estaban revestidas con 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 alta actividad se han incorporado durante muchos años a formas de desechos vítreos de borosilicato alcalino o fosfato; 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 ambiente corrosivo durante muchos miles o incluso millones de años.
Los tubos de vidrio de borosilicato se utilizan en boquillas especiales para sopletes de soldadura TIG en lugar de boquillas de alúmina estándar . Esto permite una visión clara del arco en situaciones donde la visibilidad es limitada. [ cita necesaria ]
El vidrio de borosilicato se ofrece en composiciones ligeramente diferentes y con diferentes nombres comerciales:
Inicialmente se pensó que el vidrio de borosilicato no podía transformarse en nanopartículas , ya que un precursor inestable de óxido de boro impedía 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 como resultado las nanopartículas. [22]
El borosilicato (o "boro", como se le suele llamar) se utiliza ampliamente en el proceso de soplado de vidrio y trabajo con lámparas ; el vidriero utiliza un soplete para derretir y formar 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 los fabricantes de cuentas prefieren para el soplado de vidrio. El vidrio en bruto utilizado en 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 fabricar aparatos científicos complejos y personalizados; la mayoría de las universidades más importantes tienen un taller de 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 estar muy capacitado y ser 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 estatuillas.
En 1968, el metalúrgico inglés John Burton trajo a Los Ángeles su afición de mezclar manualmente óxidos metálicos en vidrio de borosilicato. Burton inició un taller de vidrio en Pepperdine College, con la instructora Margaret Youd. Algunos de los estudiantes de las clases, incluida Suellen Fowler, descubrieron que una combinación específica de óxidos formaba un vidrio que cambiaba de ámbar a púrpura y azul, dependiendo del calor y las llamas de la atmósfera. 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 de colores para uso de artistas 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, con el resurgimiento del trabajo con lámparas como técnica para fabricar cuentas de vidrio hechas a mano, el borosilicato se ha convertido en un material popular en los estudios de muchos artistas del vidrio. El borosilicato para hacer cuentas viene en varillas delgadas en 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 la llama de un 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 fabricar pipas, así como para esculpir figuras y crear cuentas grandes. Las herramientas utilizadas para fabricar perlas de vidrio a partir de vidrio de borosilicato son las mismas que se utilizan para fabricar perlas de vidrio a partir de vidrio blando.
