بروسیلیکات سدیم چیست از ویژگی ها و کاربرد آن چه می دانید؟

بروسیلیکات سدیم یک ماده شیشه ای است که از سدیم، سیلیس (SiO2) و تری اکسید بور (B2O3) تشکیل شده و بیشتر به عنوان ظروف شیشه ای آزمایشگاهی استفاده می شود.

شیشه بوروسیلیکاتی ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد. این بدان معنی است که تحت تغییرات شدید دمایی مانند شیشه معمولی ترک نمی خورد. دوام آن باعث شده است که شیشه انتخابی برای رستوران های سطح بالا و آزمایشگاه ها باشد.

چیزی که اکثر مردم متوجه آن نیستند این است که همه شیشه ها با یک نسبت شیمیایی ساخته نشده اند. برای مثال بطری های بوروسیلیکات درجه یک از حدود ۱۵ درصد تری اکسید بور تشکیل شده است، این ماده جادویی رفتار شیشه را کاملا تغییر داده و آن را در برابر حرارت مقاوم می کند.

شیشه ساخته شده از بروسیلیکات سدیم این توانایی را دارد که مستقیما از فریزر به قفسه اجاق گاز برود بدون اینکه دچار ترک خوردگی شود. تری اکسید بور به شیشه اجازه می دهد تا در برابر تغییرات شدید دما مقاومت کند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

ویژگی شیشه ساخته شده از بروسیلیکات سدیم

شیشه ساخته شده از بوروسیلیکات سدیم در برابر تغییرات دمایی بسیار مقاوم است. حداکثر دامنه شوک حرارتی این شیشه ها ۱۷۰ درجه سانتی گراد است که حدود ۳۴۰ درجه فارنهایت است. به همین دلیل است که می توانید شیشه های بوروسیلیکات و برخی از ظروف مخصوص پخت مانند پیرکس را از فر بیرون آورده و بدون ترس از خرد شدن شیشه روی آب سرد قرار دهید.

ضریب شیشه آهک- سودا  بیش از دو برابر شیشه بوروسیلیکات است به این معنی که در معرض حرارت بیش از دو برابر منبسط شده و خیلی سریع می شکند. شیشه بوروسیلیکات در فرمولاسیون خود دارای نسبت بسیار بالاتری از دی اکسید سیلیکون در مقایسه با شیشه آهک- سودا معمولی است (۸۰ در مقابل ۶۹) که باعث می شود حتی کمتر در معرض شکستگی قرار گیرد.

واقعیت جالب این است شیشه بوروسیلیکات آنقدر در برابر مواد شیمیایی مقاوم است که حتی برای ذخیره زباله های هسته ای استفاده می شود. بور موجود در شیشه باعث می شود که انحلال پذیری کمی داشته باشد و از نفوذ مواد ناخواسته به داخل شیشه یا برعکس جلوگیری کند. از نظر عملکرد کلی ، شیشه بوروسیلیکات بسیار برتر از شیشه معمولی است.

مشخصات بروسیلیکات سدیم

شیشه بوروسیلیکات که به دلیل مقاومت در برابر حرارت و دوام فیزیکی شهرت دارد، در بسیاری از کاربردها که عمدتا با تغییرات دما درگیر هستند، استفاده می شود. این ماده استحکام و مقاومت خود را مدیون ترکیب بی نظیر سیلیس، اکسید بوریک و سایر اکسیدهای دیگر است. وجود اکسید بور برای جایگزینی برخی از اجزای اکسیده باعث افزایش نیروهای اتصال در مواد شیشه می شود.

انبساط حرارتی کم

با ضریب انبساط حرارتی حداقل ۳.۲ ۱۰ ۱۰-۶ ۱/K ، شیشه بوروسیلیکات خالص به طور قابل توجهی در برابر تغییرات دما که در آن انواع دیگر شیشه ها ممکن است دچار پیچ خوردگی یا تغییر شکل شوند، مقاوم  است.

استحکام آن در معرض شوک حرارتی آن را برای گرمایش آزمایشگاهی و ظروف آشپزی مناسب می کند. این انبساط حرارتی بسیار کم به مواد اجازه می دهد تا یکپارچگی خود را حفظ کنند  حتی در صورت انتقال از یک منطقه سرد (مانند یخچال) به یک منطقه گرم (مانند اجاق گاز) در طی چند ثانیه!

تغییرات در مقدار اجزای آن ممکن است ضریب انبساط حرارتی را به ۷.۳۸ ۱۰ ۱۰-۶ ۱ /K افزایش دهد اما هنوز بسیار مقاوم تر از شیشه های معمولی سودا-آهک است.

سایر خواص حرارتی شیشه بوروسیلیکات شامل موارد زیر است:

• دمای پخت = ۴۷۰ – ۶۴۰ درجه سانتی گراد
• دمای نرم کننده ویکات = ۴۶۰ – ۸۴۰ درجه سانتی گراد
• دمای انتقال = ۴۴۰ – ۵۶۰ درجه سانتی گراد

تفاوت بین شیشه بروسیلیکات سدیم و معمولی

بسیاری از شرکت ها ترجیح می دهند از شیشه آهک– سودا  برای محصولات شیشه ای خود استفاده کنند زیرا ارزان تر است و به راحتی در دسترس است. شیشه های معمولی ۹۰ % شیشه های تولید شده در سراسر جهان را شامل می شوند و برای مواردی مانند مبلمان، گلدان، لیوان های نوشیدنی و پنجره ها استفاده می شوند.

شیشه آهک- سودا مستعد ضربه است و تغییرات شدید در گرما را تحمل نمی کند. ترکیب شیمیایی آن ۶۹٪ سیلیس (دی اکسید سیلیکون)، ۱۵٪ سودا (اکسید سدیم) و ۹٪ آهک (اکسید کلسیم) است و فقط در دمای معمولی دوام نسبتا بالایی دارد.

آیا پیرکیس همان شیشه بروسیلیکات است؟

احتمالا حداقل یکبار نام مارک «پیرکس» را شنیده اید. با این حال، شیشه بوروسیلیکات مانند پیرکس نیست. هنگامی که پیرکس برای اولین بار در سال ۱۹۱۵ وارد بازار شد ابتدا از شیشه بوروسیلیکات ساخته شد. آنها در اواخر دهه ۱۸۰۰ توسط شیشه ساز آلمانی   Otto Schott  اختراع شدند و در سال ۱۸۹۳ شیشه بوروسیلیکات با نام تجاری Duran به جهان معرفی شد.

در سال ۱۹۱۵ شرکتCorning Glass Works  آن را با نام پیرکس به بازار ایالات متحده آورد. از آن زمان، شیشه بوروسیلیکات و پیرکس به طور متقابل در زبان انگلیسی مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجا که ظروف پخت شیشه ای پیرکس در ابتدا از شیشه بوروسیلیکات ساخته شده بودند، تحمل دمای شدید را داشت و آن را به عنوان اصلی ترین ظروف آشپزخانه تبدیل کرده و محبوبیت زیادی کسب کرده است.

امروزه همه پیرکس ها از شیشه بوروسیلیکات ساخته نشده اند. چند سال پیش شرکت Corning مواد موجود در محصولات خود را از شیشه بوروسیلیکات به شیشه سودا-آهک تبدیل کرد  زیرا مقرون به صرفه تر بود. بنابراین ما واقعا نمی توانیم مطمئن باشیم که بوروسیلیکات چیست و چه چیزی در خط تولید محصولات پیرکس وجود دارد.

موارد استفاده از بروسیلیکات سدیم در صنایع

شیشه بوروسیلیکات به دلیل دوام و مقاومت در برابر تغییرات شیمیایی، به طور سنتی در آزمایشگاه های شیمی و محیط های صنعتی و همچنین برای ظروف آشپزخانه و لیوان های شراب درجه یک استفاده می شود. به دلیل کیفیت برتر اغلب قیمت آنها بالاتر از شیشه آهک – سودا است.

شیشه بوروسیلیکات در برابر مواد شیمیایی و تجزیه اسیدی مقاومت می کند بنابراین لازم نیست نگران نشت مواد درون آن باشید. می توانید آن را در ماشین ظرفشویی یا مایکروویو قرار دهید، از آن برای ذخیره مایعات داغ استفاده کنید یا آن در معرض آفتاب قرار دهید.

لازم به ذکر است که تقریبا همه ظروف شیشه ای آزمایشگاهی در حال حاضر از بوروسیلیکات ساخته می شوند زیرا شفافیت نوری، مقاومت شیمیایی و حرارتی خوبی برای کاربردهای خاص ارائه می دهند.

لوله های شیشه ای بوروسیلیکات همچنین به دلیل مقاومت بالا در خنک کننده ها و لوله های انتقالی که تحت  دمای بالا کار می کنند، استفاده می شود. این ترکیب همچنین در صنعت نیمه هادی های مورد استفاده در سیستم های میکروالکترومکانیکی  (MEMS)  کاربرد دارند.

بوروسیلیکات همچنین برای دستگاه های پزشکی قابل کاشت مانند مفاصل مصنوعی، چشم مصنوعی، مواد کامپوزیت دندان و حتی در کاشت سینه به دلیل واکنش ناپذیری و مقاومت بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

سایر کاربردهای شیشه های برویسلیکات شامل دستگاه ها و ردیابی های زیستی، پمپ های دارویی قابل کاشت، ساخت حسگرهای فیزیولوژیکی و کاشت حلزون گوش است.

برای ساخت لنز بسیاری از چراغ قوه های با کیفیت بالا نیز از این ترکیب استفاده می کنند زیرا نسبت به پلاستیک و شیشه با کیفیت پایین، عبور نور از لنز را افزایش می دهد. در ساخت انواع لامپ HID مانند لامپ های بخار جیوه و متال هالید نیز از این ماده شیمیایی استفاده می شود.

روش تولید و فرآوری بروسیلیکات سدیم

این نوع شیشه خاص از ذوب مواد زیر (با ترکیب تقریبی مربوطه) تولید می شود: ماسه سیلیس (۵۹.۵)، اکسید بوریک (۲۱.۵)، اکسید پتاسیم (۱۴.۴)، اکسید روی (۲.۳) و مقادیر کمی اکسید کلسیم و اکسید آلومینیوم.

انواع دیگر مانند مواردی که شیشه بوروسیلیکات به عنوان ظروف آشپزی استفاده می شود – بسته به کاربرد مورد نظر  ممکن است ترکیب سیلیس را تا ۸۱ درصد تغییر دهند. فرآیند ذوب به دلیل دمای گذار بالای مواد تا ۵۶۰ درجه سانتی گراد، به دمای بسیار بالاتری نسبت به تولید شیشه سنتی نیاز دارد.

پس از تولید بستر، شیشه بوروسیلیکات بسته به کاربرد این ماده ممکن است به روشه ای مختلف پردازش شود. این ماده شیشه ای ممکن است قالب بندی شده یا به داخل لوله ها کشیده شود و به اشکال و اندازه های سفارشی پردازش شود.

کاربردهای شیشه بوروسیلیکات

شیشه بوروسیلیکات به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی در صنایع و کاربردهای گوناگون مفید واقع شده است که در ادامه به آنه اشاره می شود.

ظروف شیشه ای آزمایشگاهی

شیشه بوروسیلیکات به عنوان یک ماده اولیه برای ظروف شیشه ای آزمایشگاهی عمدتا به دلیل پایداری شیمیایی و حرارتی مواد محبوب است. بیشتر لیوان ها، فلاسک ها و دیگر ظروف شیشه ای مدرن که برای استفاده در آزمایشگاه طراحی شده اند از شیشه بوروسیلیکات ساخته شده اند.

لوله شیشه ای دارویی

شیشه بوروسیلیکات برای تولید ظروف دارویی مانند سرنگ، کارتریج، ویال و آمپول استفاده می شود. این ماده در تماس با اکثر محصولات دارویی مایع عمدتا بی اثر است.

وسایل آشپزخانه

به دلیل مقاومت حرارتی قابل توجه این ماده شیشه ای به ظروف آشپزخانه راه پیدا کرده است و مخصوصا برای پخت و پز استفاده می شود. مارک های معروف ظروف آشپزی از شیشه بوروسیلیکات برای ظروف پخت و قابلمه های شیشه ای استفاده می کنند. علاوه بر این  به دلیل انبساط حرارتی کم  از این ماده شیشه ای برای لیوان های اندازه گیری و ظروف مشابه استفاده می شود.

تجهیزات نوری

به دلیل پایداری شیشه بوروسیلیکات، این ماده در ساخت اسلایدها و لنزها برای میکروسکوپ ها، تلسکوپ ها و سایر وسایل نوری مفید است. افزودن عوامل تقویت کننده ممکن است ویژگی های شیشه مانند طیف های جذب نوری را تغییر دهد.

تکنولوژی روشنایی

تجهیزات روشنایی به قالب و غشاهای شیشه ای نیاز دارند که بتوانند گرمای شدید را تحمل کنند  و این جایی است که شیشه بوروسیلیکات بسیار مفید است. وسایلی که از این نوع شیشه استفاده می کنند شامل لامپ های HID ، چراغ قوه های مدرن با قدرت بالا و نورافکن های استودیویی است.

مطالعات اخیر شامل اصلاح در ترکیب شیمیایی شیشه بوروسیلیکات از طریق افزودن مواد شیمیایی تقویت کننده است. تغییر در طیف نورپردازی مواد نیز در حال آماده شدن است تا برای نمایش حالت جامد، W-LED و برنامه های مشابه مفید واقع شود.

مزایای شیشه های بروسیلیکات

برای محیط زیست بهتر از بطری های پلاستیکی آب هستند. آنها از نفت ساخته شده اند و تقریبا همیشه در محل دفن زباله، دریاچه  یا اقیانوس به پایان می رسند. تنها ۹ درصد از کل پلاستیک بازیافت می شود. حتی در آن صورت  اغلب اوقات فرآیند تجزیه و استفاده مجدد از پلاستیک ها رد پای کربن سنگینی بر جای می گذارد.

از آنجایی که شیشه بوروسیلیکات از مواد فراوان طبیعی تهیه شده است که راحت تر از نفت به دست می آیند، تاثیر زیست محیطی آن نیز کوچک تر است. اگر شیشه بوروسیلیکات با احتیاط مورد استفاده قرار گیرد  یک عمر دوام می آورد.

مایعات داخل آنها طعم بهتری دارد. آیا تا به حال از بطری های پلاستیکی یا فولادی ضد زنگ نوشیده اید و طعم پلاستیک یا فلزی را مزه کرده اید؟ این مسئله به این دلیل رخ می دهد که در واقع پلاستیک و فولاد به دلیل حلالیت در آب نفوذ می کند. این مسله هم برای سلامتی شما مضر است و هم ناخوشایند است. هنگام استفاده از شیشه بوروسیلیکات مایع داخل خالص باقی می ماند و از آنجا که شیشه بوروسیلیکات حلالیت کمی دارد، نوشیدنی شما را از آلودگی دور نگه می دارد.