זכוכית בורוסיליקט

זכוכיות בורוסיליקטיות הן זכוכיות המכילות בורון ומשמשות לייצור כלי בית, כלי מעבדה ורכיבים אופטיים (כדוגמת עדשות). יתרונן של זכוכיות אלו הוא ביציבותן לחום ובעמידותן המכנית והכימית. הידועה שבהן נקראת פיירקס (Corning 7740) ומיוצרת על ידי חברת "קורנינג". זכוכית בורו-סיליקאט פותחה בסוף המאה ה-19 על ידי היצרן הגרמני Otto Schott ושווקה בשם במסחרי Duran . ב-1915 החלה חברת קורנינג לייצר זכוכיות בורוסילקאט בשם המסחרי פיירקס שהפך למילה נרדפת לזכוכיות אלו בארצות דוברות אנגלית. בהמשך, יצור כלי המטבח עברו לחברה נפרדת, אינסטנט ברנדס. זו הגישה בקשה לפשיטת רגל ב-12 ביוני 2023.^[1]

הרכב

בנוסף לצורן דו-חמצני ולתחמוצות נתרן, אשלגן וסידן (המרכיבים של זכוכיות Soda Lime רגילות) מכילה הזכוכית גם תחמוצת בורון, B₂O₃.

טווח הריכוזים המשקליים בזכוכיות בורוסיליקט

4-8% תחמוצות מתכות אלקליות: Na₂O ו K₂O
2-7% תחמוצת אלומיניום Al₂O₃
עד 5% תחמוצת מתכת אלקלית עפרורית CaO או MgO
70-80% סיליקה SiO₂
7-13% תחמוצת בורון B₂O₃

פיירקס

פיירקס היא זכוכית הבורוסיליקט הידועה ביותר. הרכבה (באחוזי משקל):

מרכיב	אחוז משקלי
SiO₂ סיליקה	80.5%
Al₂O₃ אלומינה	2.2%
B₂O₃ בורון אוקסיד	12.9%
Na₂O תחמוצת נתרן	3.8%
K₂O	0.4%
CaO תחמוצת סידן	0.10%
MgO	0.05%
Fe₂O₃	0.04%

תכונות

הכנסת בורון כ-network former לרשת הטטראדרות היוצרות את הזכוכית גורמת לירידה במקדם ההתפשטות התרמי^[2]

מקדם ההתפשטות התרמי בפיירקס הוא ‎3.3×10^-6‎ ביחידות של [ 1 חלקי c° ] בלבד בהשוואה ל-‎9-10×10^-6‎ ביחידות של [ 1 חלקי c° ] בזכוכיות רגילות, תכונה זו הופכת זכוכית בורוסיליקטית מתאימה לכלי בישול, לגופי תאורה וכן לייצור מראות טלסקופ ועדשות, שצורתן צריכה להישאר קבועה למרות טמפרטורת סביבה משתנה.

תכולה נמוכה של מתכות אלקליות מעניקה לזכוכית בורוסיליקט יציבות כימית מוגברת בהשוואה לזכוכיות Soda Lime (המכילות כ 15% תחמוצות של מתכות אלקליות). קטיונים של נתרן ואשלגן הם network modifiers - אינם קשורים קוולנטית לרשת הטטראדרות היוצרת את הזכוכית אלא קשורים יונית לחמצנים בלתי מגשרים ויכולים לעבור דיפוזיה או לדלוף מהזכוכית (חילוף יונים) לתמיסות.
צפיפות: 2.23 גרם/סמ"ק (פיירקס)
מבחינה אופטית, זכוכיות בורוסיליקט הן זכוכיות crown: בעלות מקדם שבירה נמוך, 1.51-1.54 בתחום הנראה ובעלות נפיצה נמוכה - מספר אבה בסביבות 65. אחת מזכוכיות הבורוסיליקט שנפוצה מאוד ביישומים אופטיים היא BK7, שבאורך גל 587.6nm מקדם השבירה שלה n_d = 1.5168 ומספר אבה הוא Vd = 64.17 .^[3]
Annealing point, כלומר הטמפרטורה בה משתחררים במהירות מאמצים ש"הוקפאו" בזכוכית עבור פיירקס היא 565°C לעומת 545°C בזכוכית רגילה (Soda Lime) וה Softening point כלומר הטמפרטורה בה הזכוכית תזרום בהשפעת מאמץ חיצוני היא 820°C בהשוואה ל 735°C בזכוכית רגילה.

יישומים

כלי מעבדה
כלי בישול
צנרת של מים מזוקקים
ציפוי גופי חימום לאקווריום (נדרשת עמידות תרמית בשל הפרשי הטמפרטורות בין גוף החימום הפנימי למי האקווריום)
יישומים אופטיים
- מראות טלסקופ
- עדשות לפנסים
- מעטפת חיצונית של נורות להט, כספית, נתרן ומתכת הליד בהספקים גבוהים
מדפסות תלת-מימד