Pyrex

<час />

Фон

Стекло Pyrex - это боросиликатное стекло, впервые произведенное компанией Corning Glass Works. Его получают путем нагревания сырья, такого как кварцевый песок и оксид бора, до чрезвычайно высоких температур в течение длительных периодов времени. Затем расплавленный материал перерабатывается в различные типы стеклянной посуды. Пирекс, впервые сформулированный в начале двадцатого века, стал важным материалом для множества применений, требующих термостойкости и химической стойкости.

Чтобы понять, чем уникален Pyrex, важно понять природу самого стекла. Стекло - это состояние вещества, которое имеет характеристики, аналогичные как кристаллическим твердым телам, так и жидкостям. На макроскопическом уровне стекло похоже на твердое тело. Он жесткий и остается цельным при извлечении из контейнера. Однако на молекулярном уровне стекла больше похожи на жидкости. В кристаллических твердых телах молекулы расположены упорядоченным образом. В жидкостях они расположены случайным образом. Такое случайное расположение также характерно для стекла.

Стекло обычно получают путем нагревания кристаллических соединений до температуры, достаточной для их плавления. Плавление нарушает упорядоченную структуру молекул, оставляя их в неупорядоченном состоянии. Когда расплавленный материал охлаждается, молекулы блокируются на месте, прежде чем они смогут преобразоваться в упорядоченную кристаллическую структуру. Свойства определенного стекла, такие как твердость, хрупкость, прозрачность, химическая и термическая стойкость, зависят от его химического состава.

Когда разрабатывался пирекс, ученые пытались создать стеклянную композицию, обладающую высоким термическим сопротивлением. В какой-то момент было обнаружено, что составы стекла с бором можно нагревать до высоких температур без разрушения. Бор, пятый элемент периодической таблицы, обладает уникальной способностью создавать различные химические связи. Когда он связан с кислородом, он может создавать прочную трехмерную структуру. В составе стекла эта дополнительная прочность придает ему термическую и химическую стойкость, что делает его полезным для приготовления пищи, термометров и лабораторного оборудования. Пирекс также имеет низкое содержание щелочи, что придает ему высокую коррозионную стойкость.

История

Хотя точная дата, когда люди обнаружили, что песок можно объединять и плавить с другими материалами для производства стекла, неизвестна, это открытие, вероятно, было случайным. Формальные процессы производства стекла известны уже более 3000 лет. В Месопотамии археологи обнаружили глиняные таблички, содержащие древние «инструкции» по изготовлению стекла в печах. На протяжении всей истории технология производства стекла становилась все более сложной. Люди постоянно находили оптимальные пропорции для комбинирования сырья, а также изучали производственные методы, такие как выдувание стекла.

В начале двадцатого века керосиновые фонари широко использовались для уличных фонарей и железнодорожных сигнальных устройств. К сожалению, стекло, из которого изготавливали эти фонари, было чувствительно к теплу пламени и часто ломалось. Ученые начали искать формулы стекла, способные выдерживать высокую температуру.

Первые эксперименты привели к открытию, что когда в сырье присутствует борная кислота, стекло становится более термостойким. Однако эти ранние формулы были химически слабыми и часто разрушались в воде. Работа продолжалась, чтобы найти правильные пропорции кварцевого песка и оксида бора, которые оставались бы термостойкими и химически стабильными. В 1912 году была найдена адекватная формула. Эти стекла, называемые боросиликатами, были затем внедрены в производство фонарей. Один из оригинальных типов боросиликатного стекла, представленный компанией Corning Glass Works, получил название Nonex.

Потенциал этого продукта в кулинарии был обнаружен в 1913 году доктором Джесси Т. Литтлтоном, работавшим в Corning. Он подарил жене запеканку из Nonex, предшественника Pyrex. Он работал так же хорошо, как керамическая посуда, и началась новая эра в кухонной посуде. Формула стекла Nonex была пересмотрена с целью удаления свинца, а посуда была передана в Кулинарную школу Филадельфии для дальнейшего тестирования. Серия успешных испытаний привела к появлению посуды Pyrex в 1915 году. В том же году компания Corning Glass Works запатентовала формулу и дала ей торговую марку Pyrex. Было высказано предположение, что термин «пирекс» был производным от слова «пирог» (со ссылкой на его первоначальное использование) или греческого «пира», что означает очаг. В обоих случаях суффикс «ex» использовался, чтобы придать бренду сходство с Nonex.

Когда разразилась Первая мировая война, ученые, которые полагались на немецкие изделия из стекла, обнаружили, что новый материал Pyrex удовлетворяет их потребности в мензурках, пробирках и другой лабораторной посуде. Боросиликатное стекло постоянно становится более устойчивым к химическим, тепловым и ударным воздействиям. Он также применяется к многочисленным изделиям, таким как очки, телескопы и электронные компоненты.

Сырье

При изготовлении Pyrex используются три класса материалов, включая формовщики, флюсы и стабилизаторы. Формовщики являются основными ингредиентами во всем стекольном производстве. Это кристаллические материалы, которые при достаточно высоком нагреве можно расплавить и охладить, чтобы создать стекло. Флюсы - это соединения, которые помогают снизить температуру, необходимую для плавления форм. Стабилизаторы - это материалы, которые помогают предотвратить крошку, разрушение или разрушение стекла. Они необходимы, потому что флюсы обычно дестабилизируют состав стекла.

Реклама Corning Pyrex.

Юджин Салливан основал исследовательскую лабораторию Corning Glass Works в 1908 году и вместе с Уильямом К. Тейлором приступил к изготовлению термостойкого стекла для линз железнодорожных фонарей. Проблема заключалась в том, что бесцветное стекло (например, в бутылках и окнах, сделанное путем плавления кварцевого песка, соды и извести) имеет довольно высокое тепловое расширение, но плохую теплопроводность. Оба заставили стекло разбиться. Возможны два решения:улучшить теплопроводность или уменьшить тепловое расширение. Состав, который разработали Салливан и Тейлор, представлял собой боросиликатное стекло - натриево-известковое стекло с бурой, заменяющей известь, - с добавлением небольшого количества оксида алюминия. Это дало необходимое низкое тепловое расширение, а также обладало хорошей кислотостойкостью, что привело к использованию аккумуляторных ящиков, необходимых для железнодорожных телеграфных систем и других приложений. Стекло продавалось как «Nonex» (нерасширяющееся стекло).

Джесси Т. Литтлтон присоединился к Corning в 1913 году. Будучи физиком, Литтлтон знал, что стекло хорошо поглощает лучистую энергию, а металл в основном ее отражает. Литтлтон принес домой отрезанную банку для батареек и попросил жену испечь в ней торт. На следующий день он отнес его в лабораторию. Литтлтон разработал вариации на основе Nonex, и в результате в мае 1915 года в результате был запатентован и зарегистрирован товарный знак Pyrex.

Первоначальная продажа Pyrex состоялась в универмаге Jordan Marsh в Бостоне в 1915 году. К 1919 году было продано более 4,5 миллионов штук. В 1915 году в лабораторию был внедрен пирекс. Лабораторная посуда прибыла из Германии, но Первая мировая война прервала поставки. Corning заполнила этот пробел стеклянной посудой из Pyrex, которая работала настолько хорошо, что Pyrex заменил большинство других предметов. Сегодня посуда в стиле Corning используется в лабораториях по всему миру.

Первичные формовщики, используемые для изготовления Pyrex, включают кварцевый песок и борную кислоту. Кремнеземный песок также известен как диоксид кремния. Это кристаллический материал, который, вероятно, был основным компонентом первого стекла, используемого людьми. В типичном составе стекла Pyrex диоксид кремния составляет около 60-80% по весу.

Пирекс имеет каплевидную матричную фазовую структуру. Диоксид кремния образует основную матрицу. Боратный материал создает капли внутри этой структуры. Боратообразователь может происходить из такого материала, как тетраборат натрия. Перед производством это соединение химически восстанавливается серной кислотой с образованием борной кислоты. Когда борная кислота смешивается с диоксидом кремния и нагревается, она окисляется до оксида бора. Оксид бора отвечает за уникальную молекулярную структуру пирекса. Оксид бора составляет от 5% до 20% стекла Pyrex.

Вторичные ингредиенты, используемые в производстве стекла, включают флюсы, стабилизаторы и красители. Флюсы входят в состав смесей стекла, поскольку они снижают температуру плавления боросиликатного стекла. Флюсы, которые можно использовать в производстве, включают кальцинированную соду, поташ и карбонат лития. Они составляют около 5% композиции стекла Pyrex.

К сожалению, флюсы также делают стекло более химически нестабильным. По этой причине в состав входят такие стабилизаторы, как карбонат бария и оксид цинка. При производстве Pyrex добавляют около 2% оксида алюминия, чтобы сделать стекло более жестким в расплавленном состоянии. Наконец, для производства стекла разных цветов можно добавлять соединения серебра.

Производственный
процесс

Производственный процесс можно разбить на два этапа. Сначала изготавливается большая партия жидкого стекольного состава. Затем стекло подается в формовочные машины для создания различных видов стеклянной посуды. Процесс идет с огромной скоростью и довольно эффективен.

Пакетирование

• 1 Большие партии стекла Pyrex производятся в определенной зоне компаундирования производственного предприятия. Здесь стеклодувы следуют инструкциям по составу и добавляют необходимое сырье в правильных пропорциях в большие резервуары. Перед использованием сырье измельчается и гранулируется до однородного размера частиц. Они хранятся в пакетных башнях. Материалы смешиваются и нагреваются до температуры более 2 912 ° F (1600 ° C). Эта высокая температура плавит ингредиенты и позволяет им тщательно перемешиваться с образованием расплавленного стекла. Однако смесь обычно требует более длительного нагрева - до 24 часов - для удаления лишних пузырьков, которые могут привести к более слабой структуре.

Формирование

• 2 Дозировочные резервуары сконструированы таким образом, что расплавленное стекло медленно течет к рабочему концу резервуара. Этот конец резервуара соединен с формовочными машинами с непрерывной подачей. Когда стакан выходит из резервуара, он выглядит как густой красно-оранжевый сироп. Формовочные машины обрабатывают материал быстро, потому что по мере охлаждения он становится жестким и непригодным для обработки. Типичные машины для обработки стекла выдувают, прессуют, вытягивают и скручивают его в различные формы.
• 3 Используемый процесс формования зависит от конечного продукта. Выдувание стекла используется для создания тонкостенных изделий, например бутылок. Пузырек из расплавленного стекла помещается в форму, состоящую из двух частей. Воздух нагнетается в форму, которая прижимает стекло к стенкам. Стекло остывает внутри формы и принимает форму. Прессование стекла используется для создания более толстых кусков стекла. Расплавленное стекло помещают в форму и опускают поршень, который заставляет стекло растекаться и заполнять форму. Рисунок используется для создания труб или стержней. В этом процессе расплавленное стекло опускается по полому конусу, называемому оправкой. Через него продувается воздух, чтобы трубка не разрушилась, пока стекло не станет твердым. Для стеклянных листов, таких как окна, используется процесс прокатки.
• 4 После формования изделие охлаждают и полируют. Затем его можно украсить различными рисунками или маркировками и при необходимости снабдить пластиковыми деталями. Затем стеклянное изделие проверяется на наличие дефектов, помещается в защитные коробки и отправляется покупателям. В зависимости от размера дозирующего резервуара за один год может быть произведено до 700 000 фунтов (317 520 кг) стеклянных изделий.

Контроль качества

Поскольку качество стекла зависит от чистоты сырья, производители нанимают химиков-специалистов по контролю качества для их тестирования. Физические характеристики проверяются, чтобы убедиться, что они соответствуют ранее определенным спецификациям. Например, частица Схема производства Pyrex. размер измеряется с помощью экранов с соответствующей сеткой. Химический состав также определяется с помощью ИК или ГХ. Другие простые проверки сырья включают проверку цвета и запаха. Во время производства стеклянного изделия инспекторы наблюдают за стеклянными изделиями в определенных точках производственной линии, чтобы убедиться, что каждое изделие выглядит правильно. Они замечают такие вещи, как трещины, изъяны или другие недостатки. Для некоторых продуктов измеряется толщина стекла.

Побочные продукты / отходы

Поскольку Pyrex состоит из соединений, которые при нагревании превращаются в оксиды, загрязнение воздуха является потенциальной проблемой. Во время производства могут выделяться различные побочные продукты, включая нитраты, сульфаты и хлор. Эти химические вещества могут реагировать с водой с образованием кислот. Было доказано, что кислотные дожди наносят значительный ущерб искусственным сооружениям, а также природным экосистемам. Один из методов, который используют стеклодувы для уменьшения загрязнения, - это изготовление стеклянных композиций с более низкими температурами плавления. Более низкие температуры уменьшают степень улетучивания, тем самым уменьшая количество газообразных загрязнителей. Другой способ борьбы с загрязнением - использование электрофильтров, устанавливаемых в дымоходах. Эти устройства помогают уменьшить загрязнение воздуха, отфильтровывая твердые частицы, которые остаются в дыме и парах, образующихся в процессе плавления. Канализационные стоки для удаления отходов контролируются, чтобы гарантировать, что в окружающую среду выбрасывается только допустимое количество заводских отходов. Это помогает предотвратить загрязнение воды.

Дополнительным методом борьбы с загрязнением является использование вентиляторов. Эти устройства также называют регенераторами, потому что они помогают регенерировать и рециркулировать тепловую энергию, потребляемую во время производства. Это имеет двойной эффект:уменьшение загрязнения воздуха и снижение производственных затрат. Другие применяемые методы снижения затрат и экологически безопасные методы включают использование электрического тепла вместо тепла газа и использование битого переработанного стекла во время производства нового стекла.

Будущее

В будущем производители боросиликатного стекла сконцентрируются на увеличении продаж и улучшении производственного процесса. Для увеличения продаж производители стекла будут привлекаться к поиску и продвижению новых приложений для своей продукции. Это может потребовать новых составов стекла, которые будут иметь ряд характеристик, включая прозрачность, температуру плавления и сопротивление разрушению. С точки зрения производства, будущие улучшения будут сосредоточены на увеличении скорости производства, минимизации химических отходов и сокращении общих затрат.

Где узнать больше

Книги

Бансал, Н. П. и Р. Х. Дормус. Справочник свойств стекла. Нью-Йорк:Academic Press, Inc., 1986.

Энциклопедия химической технологии Кирк-Отмера. Vol. 12. Нью-Йорк:John Wiley &Sons, 1994.

Мазурин, О. В. Справочник по стекольным данным. Нью-Йорк:Elsevier Science Publishing Co., 1991.

Рогове, С. Т. и М. Б. Штайнхауэр. Pyrex от Corning:Руководство коллекционера. Нью-Йорк:Antique Publications, 1993.

Другое

Веб-страница Музея стекла Корнинга. 1 октября 2001 г. .

Патент США 4075024. Цветные очки и метод. 1976.

Перри Романовский