ホウケイ酸ガラス

ホウケイ酸ガラスは、シリカと三酸化ホウ素を主なガラス形成成分とするガラスの一種です。ホウケイ酸ガラスは熱膨張係数が非常に低い（20 °Cで≈3 × 10 −6 K −1）ことで知られており、他の一般的なガラスよりも熱衝撃に強いです。^このよう^なガラスは熱応力が少なく、約165 °C（300 °F）の温度差でも破損することなく耐えることができます。 ^[1]試薬瓶やフラスコのほか、照明、電子機器、調理器具の製造によく使用されます。他の多くの用途では、ソーダ石灰ガラスの方が一般的です。

ホウケイ酸ガラスは、Borosil、Duran、Pyrex、Glassco、Supertek、Suprax、Simax、Bellco、Marinex（ブラジル）、BSA 60、BSC 51（NIPRO製）、Heatex、Endural、Schott、Refmex、Kimax、Gemstone Well、United Scientific、MG（インド）など、さまざまな商標で販売されています。

片端自己始動ランプは、マイカディスクで絶縁され、ホウケイ酸ガラスのガス放電管（アーク管）と金属キャップに収められています。^{[2] [3]これには、街路照明で一般的に使用されている}ナトリウム蒸気ランプが含まれます。^{[4] [5] [2] [3]}

ホウケイ酸ガラスは通常、約 1,650 °C (3,000 °F、1,920 K) で溶けます。

ホウケイ酸ガラスは、19世紀後半にドイツのガラスメーカー、オットー・ショットによってイエナで初めて開発されました。この初期のホウケイ酸ガラスは、そのためイエナガラスとして知られるようになりました。コーニングガラスワークスが1915年にパイレックスを発表した後、この名前は英語圏でホウケイ酸ガラスと同義になりました（1940年代以降、パイレックスブランドで生産されるガラスのかなりの部分はソーダ石灰ガラスで作られていました）。ホウケイ酸ガラスは、完全に異なる目的に合わせて調整されたさまざまなメンバーを含むガラスファミリーの名前です。今日最も一般的なのは、デュラン、コーニング33、コーニング51-V（透明）、コーニング51-L（琥珀色）、インターナショナルクックウェアのNIPRO BSA 60、およびBSC 51などのホウケイ酸3.3または5.0xガラスです。

ホウケイ酸ガラスは、ホウ素酸化物、珪砂、ソーダ灰、^[6]およびアルミナを組み合わせて溶融することによって作られます。ホウケイ酸ガラスは通常の珪酸ガラスよりも高温で溶融するため、工業生産にはいくつかの新しい技術が必要でした。

ガラス製造で伝統的に使用されている石英、炭酸ナトリウム、酸化アルミニウムに加えて、ホウケイ酸ガラスの製造にはホウ素が使用されています。上記の実験用ガラスなどの低膨張ホウケイ酸ガラスの成分は、約80％のシリカ、13％の酸化ホウ素、4％の酸化ナトリウムまたは酸化カリウム、 2～3％の酸化アルミニウムです。溶融温度が高いため従来のガラスよりも製造が難しいですが、生産コストは安価です。耐久性、耐薬品性、耐熱性に優れているため、化学実験装置、調理器具、照明、特定の種類の窓に 使用されています。

製造プロセスは製品の形状によって異なり、フローティング、チューブ引き抜き、成形などのさまざまな方法に分けられます。

実験室のガラス器具に使われる一般的なホウケイ酸ガラスは、熱膨張係数が非常に低く（3.3 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹）、^[7]通常のソーダ石灰ガラスの約 3 分の 1 です。これにより、温度勾配によって生じる材料の応力が軽減され、特定の用途ではホウケイ酸ガラスの方が適した種類のガラスとなります（下記参照）。この点では溶融石英ガラスの方がさらに優れています（熱膨張はソーダ石灰ガラスの 15 分の 1 です）。しかし、溶融石英の扱いが難しいため、石英製品ははるかに高価になり、ホウケイ酸ガラスは低コストの妥協案です。ホウケイ酸ガラスは他の種類のガラスよりも熱衝撃に強いですが、急激な温度変化や不均一な温度変化を受けると、割れたり砕けたりすることがあります。

このガラスファミリーの特徴的な特性は次のとおりです。

• さまざまなホウケイ酸ガラスは、さまざまな熱膨張率をカバーしており、CTE（熱膨張係数）が4.6のモリブデンガラス、 CTEが約4.0のタングステン、CTEが約5.0のコバールなど、さまざまな金属や合金との直接シールが可能です。これは、シール相手とのCTEが一致するためです。
• 通常約500℃（930℉）の高温を許容
• 腐食性環境において極めて高い耐薬品性を示します。例えば耐酸性の標準テストでは、極端な条件が作られ、ガラスへの影響が非常に少ないことが明らかになっています。

7740型パイレックスの軟化点（粘度が約10 7.6 ポアズになる温度）は⁸²⁰ ℃（1,510℉）である。^[8]

ホウケイ酸ガラスは、ホウ素の原子量が低いため、一般的なソーダ石灰ガラスよりも密度が低く（約2.23 g/cm ³）、一定圧力（20～100℃）での平均比熱容量は0.83 J/(g⋅K)で、水の約5分の1です。^[9]

ホウケイ酸ガラスが割れるまでに耐えられる温度差は約 330 °F (180 °C) ですが、ソーダ石灰ガラスは約 100 °F (55 °C) の温度変化にしか耐えられません。このため、伝統的なソーダ石灰ガラスで作られた典型的なキッチン用品は、沸騰したお湯の入った容器を氷の上に置くと割れますが、パイレックスやその他のホウケイ酸ガラスは割れません。^[1]

光学的には、ホウケイ酸ガラスは、低分散（アッベ数約 65）で屈折率が比較的低い（可視範囲全体で 1.51～1.54） クラウンガラスです。

分類上、ホウケイ酸ガラスは酸化物の組成（質量分率）に応じて、おおよそ以下のグループに分けられます。ホウケイ酸ガラスの特徴は、ガラスのネットワーク形成成分として多量のシリカ（SiO ₂）とホウ酸（B ₂ O ₃、> 8%）が含まれていることです。ホウ酸の量は、ガラスの特性に特別な影響を与えます。非常に耐性の高い種類（B ₂ O _{3最大13%まで）の他に、ホウ酸が構造ネットワークに組み込まれる方法が異なるため、耐薬品性が低い種類（B 2} O ₃含有量15%以上）もあります。 ^[10]そのため、次のサブタイプを区別しています。

ホウケイ酸ガラスのB ₂ O ₃含有量は通常 12～13%、SiO ₂含有量は 80% 以上です。化学的耐久性が高く、熱膨張率が低い (3.3 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ) ため、これは大規模な技術用途向けの市販ガラスの中で最も低く、多用途のガラス材料となっています。高品質のホウケイ酸板ガラスは、主に良好な耐熱性、優れた化学的耐久性、または高い光透過性と清浄な表面品質の組み合わせを必要とする技術用途で、さまざまな業界で使用されています。さまざまな形態のホウケイ酸ガラスのその他の一般的な用途には、特に化学産業向けのガラス管、ガラス配管、ガラス容器などがあります。

_{これらのガラスには、約75%のSiO2}と8～12%のB2O3_に加えて、最大5%のアルカリ土類金属酸化物とアルミナ（Al2O3 _）が含まれています。これは、熱膨張率が(4.0～ 5.0)×10−6K − ^1の範囲にある、やや柔らかいガラスのサブタイプです。^[11]

これを単純なホウケイ酸ガラス-アルミナ複合材料と混同しないでください。^[12]

15～25%のB ₂ O ₃、65～70%のSiO ₂、および少量のアルカリとAl ₂ O ₃を追加成分として含むガラスは、軟化点が低く、熱膨張率が低い。タングステンとモリブデンの膨張範囲内の金属への密封性と高い電気絶縁性が最も重要な特徴である。B 2 O 3 含有量の増加_により耐薬_品性が低下するため、この点で高ホウ酸塩ホウケイ酸ガラスは非アルカリ土類ホウケイ酸ガラスやアルカリ土類ホウケイ酸ガラスとは大きく異なる。これらの中には、180 nmまでの紫外線を透過するホウケイ酸ガラスもあり、ホウケイ酸ガラスと石英の世界の長所を兼ね備えている。^[10]

ホウケイ酸ガラスは、調理器具から実験器具まで幅広い用途に使用されており、また、埋め込み型医療機器や宇宙探査に使用される機器などの高品質な製品の部品としても使用されています。

現代の実験用ガラス器具は、ほぼすべてホウケイ酸ガラスで作られています。このガラスは、耐薬品性、耐熱性、光学的透明性に優れているため、この用途で広く使用されていますが、加熱すると水素化ナトリウムと反応して、一般的な実験用還元剤である水素化ホウ素ナトリウムを生成する可能性があります。溶融石英は、より高い融点と紫外線透過性が求められる一部の実験装置にも使用されています (例: チューブ炉ライナーや UVキュベット)。しかし、溶融石英はコストが高く、製造が困難なため、ほとんどの実験装置では非現実的な投資となっています。

さらに、ホウケイ酸チューブは、バイアルやプレフィルドシリンジ、アンプルや歯科用カートリッジなどの非経口薬パッケージの製造原料としても使用されています。ホウケイ酸ガラスの耐薬品性に​​より、ガラスマトリックスからのナトリウムイオンの移動が最小限に抑えられるため、注射薬の用途に最適です。このタイプのガラスは、通常、USP / EP JP タイプ I と呼ばれます。

ホウケイ酸は、義眼、人工股関節、骨セメント、歯科用複合材料（白色充填材）^[13]などのインプラント医療機器、さらには乳房インプラントにも広く使用されています。

多くのインプラントデバイスは、ホウケイ酸ガラスカプセル化のユニークな利点の恩恵を受けています。その用途には、獣医追跡装置、てんかん治療のための神経刺激装置、インプラント薬物ポンプ、人工内耳、生理学的センサーなどがあります。^[14]

20 世紀半ば、ホウケイ酸ガラス管は、商用放送送信機などの高出力真空管ベースの電子機器に冷却剤 (多くの場合、蒸留水) を配管するために使用されました。また、高温で動作するガラス送信管の外被材料としても使用されました。

ホウケイ酸ガラスは、エッチングされたホウケイ酸ガラスに接着された エッチングされたシリコンウェーハのスタックの一部として、半導体産業におけるマイクロ電気機械システム(MEMS)の開発にも使用されています。

調理器具もホウケイ酸ガラスの一般的な用途の1つで、耐熱皿もその1つです。スクリーン印刷された目盛り付きの計量カップにも使われています。ホウケイ酸ガラスは、特にホットドリンク用に設計された高品質の飲料用ガラス製品に使用されることがあります。ホウケイ酸ガラス製の製品は、薄くても耐久性があり、強度を高めるために厚くすることができ、電子レンジや食器洗い機で洗うことができます。^[15]

多くの高品質の懐中電灯では、レンズにホウケイ酸ガラスが使用されています。これにより、プラスチックや低品質のガラスに比べて、レンズを通る 光の透過率が向上します。

水銀灯やメタルハライドランプなどのいくつかの種類の高輝度放電(H​​ID) ランプでは、外管材料としてホウケイ酸ガラスが使用されています。

新しいランプワーク技術は、現代のガラスビー玉などの芸術的な用途につながりました。現代のスタジオガラス運動は色彩に反応しました。ホウケイ酸は、ランプワークの吹きガラス形態で一般的に使用され、アーティストは、ジュエリー、台所用品、彫刻、芸術的なガラス喫煙パイプなどのさまざまな製品を作成します。

照明メーカーは、一部のレンズにホウケイ酸ガラスを使用しています。^[要出典]

有機発光ダイオード(OLED) (ディスプレイおよび照明用) にもホウケイ酸ガラス (BK7) が使用されています。OLED 製造用の BK7 ガラス基板の厚さは、通常 1 ミリメートル未満です。光学的および機械的特性とコストの関係から、BK7 は OLED の一般的な基板です。ただし、用途によっては、同様の厚さのソーダ石灰ガラス基板も OLED 製造に使用されます。

多くの天体反射望遠鏡では、熱膨張係数が低いため、ホウケイ酸ガラス製のガラスミラー部品が使用されています。これにより、温度による変化がほとんどない非常に精密な光学面と、温度変化を「追跡」して光学系の特性を維持するガラスミラー部品が実現します。

ヘール望遠鏡の200インチの鏡はホウケイ酸ガラスで作られています。^[16]

計器レンズの製造に最もよく使用される光学ガラスは、ショットBK-7（または中国のクラウンガラスK9など、他のメーカーの同等品）であり、非常に精巧に作られたホウケイ酸クラウンガラスです。^[17] このガラスは、屈折率 1.517 とアッベ数64.2 にちなんで、517642 ガラスとも呼ばれています。ショット B270 や同等品などの他の安価なホウケイ酸ガラスは、「クラウンガラス」眼鏡レンズの製造に使用されます。台所用品や望遠鏡の反射鏡の製造に使用されるような通常の安価なホウケイ酸ガラスは、この種のガラスの低グレードに共通する縞模様や含有物のため、高品質のレンズには使用できません。最高動作温度は 268 °C（514 °F）です。ガラスは 288 °C (550 °F) (赤熱する直前) から液体に変わりますが、538 °C (1,000 °F) を超えるまで加工できません。つまり、このガラスを工業的に生産するには、酸素/燃料トーチを使用する必要があります。ガラス吹き職人は、溶接工から技術と技法を借用しました。

ホウケイ酸ガラスは、熱溶解積層法（FDM）や熱溶解フィラメント製造法（FFF）のビルドプレートの材料として選ばれるようになりました。 ^[18]ホウケイ酸ガラスは膨張係数が低いため、抵抗加熱プレートやパッドと組み合わせて使用​​すると、プラスチック材料を1層ずつ押し出す加熱ビルドプラットフォームに最適な材料になります。ビルドの最初の層は、堆積後の冷却による一部のビルド材料（ABS、ポリカーボネート、ポリアミドなど）の収縮を最小限に抑えるために、ほぼ平らで加熱された表面に配置する必要があります。使用する材料に応じて、ビルドプレートは、構築されるプロトタイプごとに室温から50°C〜130°Cの間で循環します。温度とさまざまなコーティング（カプトンテープ、マスキングテープ、ヘアスプレー、スティックのり、ABS +アセトンスラリーなど）により、押し出し後に第1層と後続の層が冷却されるときに、第1層がプレートに接着され、反りがなく接着されたままになります。その後、構築後に加熱要素とプレートを冷却します。プラスチックが冷却時に収縮するときに形成される残留応力は、ガラスは熱膨張係数が低いため寸法が比較的変化しないため、機械的に結合されているプラ​​スチックをビルドプレートから取り外すのに役立ちます。場合によっては、発生した応力がビルド材料とコーティング材料および下のプレートとの接着結合を克服し、部品が自然に分離します。

水槽ヒーターはホウケイ酸ガラスで作られることがあります。耐熱性が高いため、水とニクロム 発熱体の間の大きな温度差に耐えることができます。^[要出典]

大麻やタバコ用の特殊なガラス製喫煙パイプは、ホウケイ酸ガラスで作ることができます。耐熱性が高いため、パイプの耐久性が高まります。一部の危害軽減団体は、クラックコカインの喫煙用にホウケイ酸パイプを配布しています。耐熱性があるため、ガラスが割れてC型肝炎が広がる切り傷や火傷を防ぐことができるからです。^[19]

既製のガラス製ギタースライドのほとんどはホウケイ酸ガラスで作られています。^{[引用が必要]}

ホウケイ酸塩は、強度と耐熱性が高いため、真空管式太陽熱技術に最適な材料でもあります。 ^[要出典]

スペースシャトルの断熱タイルにはホウケイ酸ガラスがコーティングされていた。^[20]

ホウケイ酸ガラスは放射性廃棄物の固定化と処分に使用されます。ほとんどの国では、高レベル放射性廃棄物は長年アルカリホウケイ酸ガラスまたはリン酸ガラス質廃棄物に組み込まれており、ガラス化は確立された技術です。^[21]ガラス化は、ガラス化されたガラス製品の化学的耐久性が高いため、特に魅力的な固定化方法です。ガラスの耐薬品性に​​より、腐食環境下で何千年、何百万年も放置することができます。

ホウケイ酸ガラス管は、標準のアルミナノズルの代わりに特殊なTIG 溶接トーチノズルに使用されます。これにより、視界が限られている状況でもアークをはっきりと見ることができます。^{[引用が必要]}

ホウケイ酸ガラスは、異なる商品名でわずかに異なる組成で提供されています。

• Schott AGのボロフロートは、フロート法で板ガラスに生産されるホウケイ酸ガラスです。
• 同名の会社が製造するボロシルは、インドでは実験用ガラス器具や電子レンジ対応のキッチン用品に使用されている。
• Schott 社の BK7 は、高純度のホウケイ酸ガラスです。主にレーザー、カメラ、望遠鏡のレンズやミラーに使用されます。
• DURAN グループのDuran は、Pyrex、Simax、Jenaer Glas に似ています。
• コーニングのパイレックスホウケイ酸ガラス
• Schott 社のFiolax は、主に医薬品用途の容器に使用されます。
• TGI  [de] (2014年倒産)のIlmaborは、主に研究室や医療の容器や機器に使用されています。
• Zwiesel Kristallglas (旧 Schott AG)のJenaer Glas。主にキッチン用品に使用されます。
• Kimaxは、キンブル社のホウケイ酸ガラス製品の商標です。
• 実験用ガラス器具の製造販売会社、ユナイテッド・サイエンティフィック
• VEB Jenaer Glaswerk Schott & Genossen の Rasotherm、テクニカル ガラス用
• チェコ共和国の Kavalierglass 社の Simax は、研究室市場と消費者市場の両方向けに製造されています。
• 科学実験装置およびガラス製品の製造業者、Supertek。
• ウィローガラスは、コーニングのアルカリフリーで薄くて柔軟なホウケイ酸ガラスです。
• Boroux はホウケイ酸ガラス製の飲料ボトルのブランドです。
• EnduralはHolophaneのブランド名です

当初、ホウケイ酸ガラスは不安定な酸化ホウ素の前駆体がナノ粒子の形成を妨げるため、ナノ粒子に形成できないと考えられていました。しかし、2008年にスイス連邦工科大学ローザンヌ校の研究チームが、直径100～500ナノメートルのホウケイ酸ナノ粒子の形成に成功しました。研究者は、テトラエチルオルトシリケートとトリメトキシボロキシンのゲルを形成しました。このゲルを適切な条件下で水にさらすと、動的反応が起こり、ナノ粒子が生成されます。^[22]

ホウケイ酸塩（または「ボロ」と呼ばれることが多い）は、ガラス吹き工程のランプワークで広く使用されています。ガラス職人は、バーナートーチを使用してガラスを溶かして成形し、さまざまな金属やグラファイトのツールを使用して成形します。ホウケイ酸塩は「硬質ガラス」と呼ばれ、ビーズメーカーがガラス吹きに好む「軟質ガラス」よりも融点（約 3,000 °F / 1648 °C）が高いです。ランプワークで使用される生のガラスは、固体作業用のガラス棒と、中空の作業管や容器/コンテナ用のガラス管の形で提供されます。ランプワークは、複雑でカスタムメイドの科学装置を作成するために使用されます。ほとんどの主要大学には、ガラス製品を製造および修理するためのランプワークショップがあります。この種の「科学的なガラス吹き」では、仕様が正確でなければならず、ガラス吹き職人は高度なスキルを持ち、正確に作業できなければなりません。ランプ細工は芸術としても行われ、よく作られる品物としては、ゴブレット、ペーパーウェイト、パイプ、ペンダント、コンポジション、フィギュアなどがあります。

1968年、イギリスの冶金学者ジョン・バートンは、金属酸化物をホウケイ酸ガラスに手で混ぜる趣味をロサンゼルスに持ち込んだ。バートンは、講師のマーガレット・ユードとともにペパーダイン大学でガラス工房を開いた。スーレン・ファウラーを含む数人の学生は、酸化物の特定の組み合わせにより、熱と炎の雰囲気に応じて琥珀色から紫や青に変化するガラスが作れることを発見した。ファウラーはこの組み合わせをポール・トラウトマンに伝え、トラウトマンは最初の少量生産の着色ホウケイ酸ガラスのレシピを考案した。その後、彼は1980年代半ばにノーススター・グラスワークスを設立した。これは、炎の中で芸術家が使用する着色ホウケイ酸ガラスの棒と管を生産することに専念した最初の工場である。トラウトマンはまた、多くの同様の会社で使用されている少量生産の着色ボロを作るための技術とテクノロジーも開発した。^[23]

近年^{[いつ? ]}、手作りのガラスビーズを作る技法としてランプワークが復活したことにより、ホウケイ酸ガラスは多くのガラスアーティストのスタジオで人気の素材となっている。^[要出典]ビーズ作り用のホウケイ酸ガラスは、細い鉛筆のような棒状になっている。 Glass Alchemy、Trautman Art Glass、Northstar が人気のメーカーだが、他のブランドも存在する。 ホウケイ酸ガラスの着色に使用される金属、特に銀は、酸素ガストーチの炎で溶かすと、驚くほど美しく予測できない結果を生み出すことが多い。 ホウケイ酸ガラスは軟質ガラスよりも耐衝撃性と強度に優れているため、パイプ作りのほか、フィギュアの彫刻や大きなビーズの作成に特に適している。 ホウケイ酸ガラスからガラスビーズを作るのに使用する道具は、軟質ガラスからガラスビーズを作るのに使用する道具と同じである。

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