浅谈硼硅酸盐玻璃的应用现状和发展趋势

浅谈硼硅酸盐玻璃的应用现状和发展趋势

安徽蚌埠233000

王寒生

摘要：硼硅酸盐玻璃具有良好的热稳定性和化学稳定性，已在仪器玻璃、器皿玻璃等领域得到了广泛应用；随着玻璃熔制工艺和耐火材料的发展，硼硅酸盐玻璃将在更多的领域得到应用。本文结合实际生产和应用情况，概括和总结了硼硅酸盐玻璃的应用现状和发展趋势。关键词：硼硅酸盐玻璃、性能、应用现状、发展趋势

一引言

硼硅酸盐玻璃是指基本成分为SiO2：、B2O3。、Na20的玻璃，基本组成范围是：(SiO2)一70％～80％、(B203)一6％～15％、(Na20)一4％～10％、(A120。)一O～5％、(Ba0)一0～2％、(Ca O)=o～2％。几种典型的代表成分如下：硼硅酸盐玻璃几种典型代表成分研究表明[1_2]，其中Na。O提供游离氧，使硼氧三角体[BO。]转变为硼氧四面体[B2O3]，硼的结构由层状转变为架状，为B203。与SiO2：形成均匀一致的玻璃创造条件；B2O3。以[B2O3]或[B2O3]进人玻璃结构，尤其是当其以[B2O3]与[SiO2。]共同组成结构网络时，使网络完整性和紧密程度增加，因此硼硅酸盐玻璃具有许多优良的性能：如良好的热稳定性和化学稳定性、机械性能和工艺性能好、优良的光学性能等。硼硅酸盐玻璃与普通钠钙硅玻璃相比，在许多方面有其优越性：

（1)热学性能

硼硅酸盐玻璃由于其高含量的SiO2：与B2O3。使得其网络完整性和致密度较普通钠钙硅玻璃好，具有优良的热学性能。如其热膨胀系数一般小于60×10_7／℃，而普通钠钙硅玻璃约为(90～100)×101／℃；硼硅酸盐玻璃耐热冲击性△T一般大于150℃，被称为硬质玻璃或特硬玻璃，普通钠钙硅玻璃则小于100℃。因此硼硅酸盐玻璃具有较好的热稳定性，可被应用于器皿炊具、建筑防火等领域。

(2)光学性能

原料纯、混合均匀和加工精密，加之本身的优良性能，导致硼硅酸盐玻璃具有较高的透光率。较好的透光性能、较高的表面平整度和较低的荧光性能，使得硼硅酸盐玻璃可被应用在电泳、光学、光子学和光电学等领域。由于硼硅酸盐系统比硅酸盐系统对稀土氧化物的溶解能力大，玻璃形成范围相对较广，因此稀土硼硅酸盐系统成为人们研究稀土光学玻璃的主要系统。研究表明[3]，含镧硼硅酸盐玻璃系统可有望作为发展高密度玻璃的系统。

(3)机械性能

硼硅酸盐玻璃不仅具有较高的抗热冲击强度，还具有较高的表面硬度‘4|，可以防止刮痕；同时，其密度比普通钠钙硅玻璃低12％左右(硼硅酸盐玻璃一般为2．3 g／cm3，钠钙硅玻璃一般为2．5 g／cm3)。这些显著的优势意味着硼硅酸盐玻璃将得到许多重要的应用，如用作建筑尤其是高层建筑用玻璃，将大大降低整体建筑物的重量，这也符合现代建筑发展的轻质高强方向；还可用作防弹玻璃和装甲车玻璃等。此外，由于其强度高、重量轻、键合强度高，如果将其应用在需要叠层、夹层的领域时，会极大地降低成本、体积和重量。

(4)化学性能

硼硅酸盐玻璃除了具有良好的抗酸抗碱性，它还具有相当好的抗水解性，比钠钙硅玻璃高两个等级。它可以抵抗空气中的水蒸汽，甚至含液态酸或碱的水的侵蚀。而钠钙硅玻璃则不同，会明显地受到侵蚀。特别是对于玻璃表面的微裂纹，硼硅酸盐玻璃不会由于潮湿空气中的水分子作用而引起裂纹扩张，因而表现出较好的水稳定性，而钠钙硅玻璃

则不同。

二应用现状

如前所述，由于硼硅酸盐玻璃具有许多独特优异的性能，该系统的玻璃得到了广泛的应用和发展，可按应用领域来划分。

2．1仪器玻璃

仪器玻璃是指用于制造化学、生物和实验室器皿、管材和装置的玻璃。仪器玻璃已被广泛用于科研、文化教育、化工、医药卫生及各种工业生产以及宇航、激光、生物工程、核工程等高新技术领域。对仪器玻璃，其要求是：化学稳定性好、热稳定性好、机械强度高、工艺性能好等。而这正好与硼硅酸盐玻璃具有的优良性能相吻合，此类玻璃具

有较高含量的SiO2。与B2O3。仪器玻璃种类繁多。按其性能、用途和工艺可分为：①化学器皿：如烧杯、烧瓶、曲颈瓶、蒸发皿等；②物理、化学仪器：如微量蒸馏烧瓶、微量蒸馏管、分馏管、试管等；③厚壁制品：如酒精灯、钟罩、干燥器、水槽等；④量器：如沉淀管、量筒、量杯、滴定管等；⑤温度计制品：如温度计、比重计、酒精计等。

2．2器皿与炊具玻璃

玻璃器皿是玻璃工业的一个重要分支，基本属于压制和吹制类玻璃制品，其产量仅次于平板玻璃和瓶罐玻璃而位居第三。其特点是：透明度高、颜色艳丽、富有光泽、热稳定性和化学稳定性好、机械强度高。其中玻璃炊具要求抗热冲击性好，一般在150℃以上才能直接用明火加热。用于玻璃炊具的玻璃主要有硼硅酸盐玻璃和微晶玻璃两大类。它们的特点是热膨胀系数低(一般在40×10_7／℃以下)、抗热冲击强度高(一般在150℃以上)。除用于炊具外，它还用于电炉的面板、微波加热器的顶板等厨房用加热部件。

2．3药用玻璃

药用玻璃是医药包装行业的一个主要分支，也是整个医药工业的一个重要组成部分。药用玻璃通常是指较高化学稳定性的中性玻璃。它要求化学稳定性高、密封性好、机械性能强等，此类玻璃以硼硅酸盐玻璃为主。几种主要的药用玻璃为：

(1)安瓿玻璃。指灌装针剂或药粉用的细颈薄壁玻璃小瓶。安瓿玻璃最为重要的是它的化学稳定性，这种玻璃的基础组成为硼硅酸盐玻璃。水针剂主要为安瓿玻璃，目前国内市场年需求量为290亿支，我国医药针剂将以每年5％的速度增长，2010年将达到375亿支，10％～

15％的针剂需要耐强酸、强碱及避光的安瓿。

(2)输液瓶，又称盐水瓶。其化学组成以铝硼硅酸盐或低硼硅酸盐玻璃为主。主要用来盛装生理盐水、葡萄糖溶液等药液，要求这种药瓶具有良好的中性，一定的抗热震性和机械强度。

(3)注射器玻璃。通常以铝硼硅酸盐玻璃制造，使用前必须经高压蒸气消毒灭菌，以防止细菌感染。因此，要求注射器玻璃具有良好的耐热性能和较好的化学稳定性。

2．4眼镜玻璃和视镜

光致变色玻璃一般分为均相型和异相型两大类，异相型光致变色玻璃形成系统十分广泛，其组成主要为硼硅酸盐玻璃。光致变色玻璃最普遍用作眼镜玻璃，以外，也可以用于汽车防护玻璃、激光防护、航天器的窗口材料、新型仪器的开关等。工业玻璃视镜是在一定温度和压力条件下使用的透视窗口玻璃，具有透明度高、耐温、耐压、化学稳定性好等特点。目前研制生产的玻璃视镜有“无碱铝硅玻璃视镜”、“硼硅酸盐玻璃视镜”、“石英玻璃视镜”三大系列，数个品种。工业玻璃视镜广泛用于石油、化工、医药等行业的管道、阀门、裂解炉、储液罐等压力容器和仪器仪表。

2．5玻璃纤维

生产玻璃纤维用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃。目前国际上已经商品化的纤维用的玻璃成分主要有4种：E一玻璃，亦称无碱玻璃；C一玻璃，亦称中碱玻璃；A～玻璃，亦称高碱玻璃；E—CR玻璃，是一种改进的无硼无碱玻璃。目前应用最广泛的一种玻璃纤维是被称为E一玻璃的一种硼硅酸盐玻璃，它具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境。

2．6玻璃鳞片防腐蚀涂料

采用玻璃鳞片制成的重防腐蚀涂料，在国外60年代就使用在各重大防腐工程上，收到良好的防腐效果，引起了世界各国涂料专家的广泛注意。玻璃鳞片美国欧文斯——康宁公司(Owens Corning)发明，1957年获得了玻璃鳞片及其涂料的第一个专利。据有关资料介绍[5]，制鳞片用的玻璃一般采用硼硅酸盐玻璃。之所以选用硼硅酸盐玻璃，是因为其良好的化学稳定性，尤其是耐酸耐碱性好。

2．7．太阳能真空集热管

国内已有年产200万支太阳能真空集热管的厂家，它是通过一流的高新技术和设备，以高硼硅玻璃3．3(特硬料)为材料，采用具有国际先进水平的溅射选择性吸收涂层工艺，该产品具有吸收率高、强度好、抗冰雹冲击、耐酸碱、保温性能好等特点，各项技术指标和性能均居国内领先水平，使用寿命长达15年以上。以全玻璃真空太阳集热管为吸热元件研制的太阳能热水器产品，对太阳光有极高的吸收率(93％以上)和极低的热发射率(6％以下)，对热传导、热损失率降到最低限度。

3发展前景和趋势

硼硅酸盐玻璃具有许多优良的性能，但在普通池炉熔化硼硅酸盐玻璃时，存在一些问题‘6|：熔化温度高、黏度大、澄清时间长，硼易挥发、分层和分相等。尤其是熔化温度高、黏度大Ⅲ、腐蚀性大等特点导致其难以满足浮法成形工艺，这些问题极大地限制了其优良性能的完全发挥和大规模的应用；同时也对耐火材料和加热元件提出了更高的要求。随着耐火材料性