Стекло - это неорганическая смесь, сплавленная при высокой температуре, которая при охлаждении затвердевает, но не кристаллизуется. Его основные компоненты, формирователи сетевой структуры (сеткообразователи) и модификаторы, присутствуют в обычных стеклах в виде оксидов.

Типичными стеклообразователями (сеткообразователями) являются диоксид кремния (SiO₂), оксид бора (B₂O₃), пентаоксид фосфора (P₂O₅) и оксид алюминия (Al₂O₃). Эти вещества способны абсорбировать (растворять) оксиды металлов в определенной пропорции, не теряя своего стекловидного характера. Это означает, что внедренные оксиды не участвуют в образовании стекла, а изменяют определенные физические свойства структуры стекла как «модификаторы сетки».

Многие химические вещества имеют свойство переходить из расплавленного состояния в стеклообразное. Формирование стекла зависит от скорости его охлаждения, также необходимым условием является наличие смешанных типов связи (ковалентные связи и ионные связи) между атомами или группами атомов.

В результате стеклообразующие продукты в расплавленном состоянии демонстрируют сильную тенденцию к образованию аморфной трехмерной сетки посредством полимеризации. Кристаллы образуются, когда отдельные атомы образуют регулярное трехмерное расположение в так называемой «кристаллической решетке», когда конкретное вещество переходит из жидкого состояния в твердое. Однако стекло при остывании из расплавленного состояния образует в основном аморфную «сетку». Поэтому компоненты, которые в основном участвуют в образовании стекла, описываются как «сеткообразователи». Стеклообразующие молекулы в этой сетке могут включать ионы, которые открывают сетку в определенных точках, изменяя ее структуру и, следовательно, свойства стекла. Поэтому их называют «модификаторами сети».

Что такое стекло DURAN^®?

Компания DWK Life Sciences (ранее DURAN GROUP) является мировым лидером в производстве боросиликатного стекла – специального стекла, изобретенного Отто Шотом в 1887 году и зарегистрированного в 1938 году под торговым названием DURAN^®. Боросиликатное стекло — силикатное стекло, где щелочные компоненты в исходном сырье заменены на оксид бора (B₂O₃). На протяжении более 80 лет стекло DURAN^® зарекомендовало свою пригодность для применения в лабораторных и промышленных целях.

Особенности боросиликатного стекла DURAN^®

Очень высокая химическая стойкость, почти инертное поведение, высокая температура применения, минимальное тепловое расширение и, как следствие, высокая стойкость к тепловому удару - вот его наиболее важные свойства. Эти оптимальные физические и химические характеристики делают стекло DURAN^® идеальным материалом для использования в лаборатории и для производства химических аппаратов, используемых на крупных промышленных предприятиях. Оно также широко используется в промышленных масштабах во всех других областях, где требуются экстремальная термостойкость, устойчивость к тепловому удару, механическая прочность и исключительная химическая стойкость.

Химический состав боросиликатного стекла DURAN^®

Стекло DURAN^® имеет следующий примерный состав: 81% масс. SiO₂, 13% масс. B₂O₃, 4% масс. Na₂O/K₂O, 2% масс. Al₂O₃.

Свойства стекла DURAN^® указаны в стандарте DIN ISO 3585. В отличие от других боросиликатных стекол 3.3, стекло DURAN^® отличается стабильным, технически воспроизводимым качеством.

Химические свойства

Химическая стойкость стекла DURAN^® более значительна, чем у всех других известных материалов. Боросиликатное стекло DURAN^® обладает высокой устойчивостью к воде, кислотам, солевым растворам, органическим веществам, а также галогенам, таким как хлор и бром. Его устойчивость к щелочам также относительно хорошая. Только плавиковая кислота, кипящая фосфорная кислота и сильные щелочи вызывают заметное разрушение поверхности стекла (коррозию стекла) при повышенных температурах (> 100 °C). Благодаря почти инертному поведению, между средой и стеклом отсутствуют взаимодействия (например, ионный обмен), и тем самым эффективно исключается любое побочное влияние на результаты экспериментов. 

Гидролитическая стойкость

DURAN^® соответствует Классу 1 для стекол, которые разделены в общей сложности на 5 классов гидролитической стойкости в соответствии со стандартом ISO 719 (98 °C). Для определения класса стекла измеряют количество Na₂O/г стеклянного зерна, выщелоченного после 1 часа пребывания в воде при 98 °C. Для стекла DURAN® количество выщелоченного Na₂O составляет менее 31 мкг/г стеклянного зерна. DURAN^® также соответствует Классу 1 для стекол, разделенных в общей сложности на 3 класса гидролитической стойкости в соответствии с ISO 720 (121 °C). Количество выщелачиваемого Na₂O после 1 часа пребывания в воде при 121 °C составляет менее 62 мкг/г стеклянного зерна. Благодаря хорошей гидролитической стойкости боросиликатное стекло DURAN^® соответствует требованиям USP, JP и EP для нейтрального стекла, соответствующего стеклу типа 1. Таким образом, его можно практически неограниченно использовать в фармацевтических целях и при контакте с пищевыми продуктами.

Кислотостойкость

DURAN^® соответствует Классу 1 для стекол, разделенных на 4 кислотных класса в соответствии с DIN 12116. Поскольку разрушение поверхности после кипячения в течение 6 часов в нормальной HCl составляет менее 0,7 мг/100 см², стекло DURAN^® классифицируется как кислотостойкое боросиликатное стекло. Количество выщелачиваемых оксидов щелочных металлов в соответствии с ISO 1776 составляет менее 100 мкг Na₂O/100 см².

Устойчивость к щелочам

DURAN^® соответствует Классу 2 для стекол, разделенных на 3 щелочных класса в соответствии с DIN ISO 695. Эрозия поверхности после 3 часов кипячения в смеси равных объемных долей раствора гидроксида натрия (концентрация 1 моль/л) и раствора карбоната натрия (концентрация 0,5 моль/л) составляет всего 134 мг/100 см².

Обзор химических свойств технических стекол

Физические свойства

Термостойкость при нагревании и стойкость к термическому удару

Максимальная температура при кратковременном использовании стекла DURAN^® составляет 500 °C. При температуре выше 525 °C стекло начинает размягчаться, а выше температуры 860 °C переходит в жидкое состояние. Поскольку боросиликатное стекло DURAN^® имеет очень низкий коэффициент линейного расширения (α = 3,3 x 10^–6 K ^{– 1}), отличительной чертой DURAN^® является его высокая термостойкость до ΔT = 100 K. При изменении температуры на 1 K стекло изменяется всего на 3,3 x 10^–6 единиц относительной длины, что приводит к низким уровням механической деформации при наличии температурного градиента. На термостойкость влияет толщина стенок и геометрия продукта.

Термостойкость при низких температурах

Стекло DURAN^® можно охладить до максимально возможной отрицательной температуры, поэтому оно подходит для использования с жидким азотом (прибл. -196 °C). Во время использования/замораживания особое внимание следует уделять расширению содержимого. Обычно продукты DURAN^® рекомендуется использовать при температуре до -70 °C.

При работе при низких температурах необходимо учитывать эффект расширения содержимого емкости из стекла DURAN^®. Во время охлаждения и оттаивания убедитесь, что разница температур не превышает 100 К. Поэтому на практике рекомендуется ступенчатое охлаждение и нагрев. При замораживании веществ в таких сосудах, как флаконы или пробирки из стекла DURAN^®, контейнер следует заполнять не более чем на 3/4 его вместимости. Причем замораживать нужно под углом 45 ° (для увеличения площади поверхности). Минимальная рабочая температура зависит от свойств любых используемых резьбовых крышек или других компонентов. Для синей навинчивающейся крышки из полипропилена минимальная температура составляет -40 °C.

Использование в микроволновой печи

Лабораторная посуда DURAN^® подходит для использования в микроволновых печах. Это также относится к продуктам DURAN® с пластиковым покрытием.

Обзор физических свойств технических стекол

Оптические свойства

В спектральном диапазоне от примерно 310 до 2 200 нм поглощение стекла DURAN^® пренебрежимо мало. Оно представляет собой прозрачный и бесцветный материал. При достаточно большой толщине стенки посуда из боросиликатного стекла DURAN^® может казаться слегка желтоватой или зеленоватой. Продукты DURAN^® янтарного цвета подходят для использования со светочувствительными веществами. Такая окраска приводит к сильному поглощению в коротковолновой области до прибл. 500 нм. В фотохимических процессах особое значение имеет светопропускание стекла DURAN^® в ультрафиолетовом диапазоне. Степень пропускания света в УФ-диапазоне указывает на легкость проведения фотохимических реакций, например хлорирования и сульфохлорирования. Молекула хлора поглощает свет в диапазоне от 280 до 400 нм и, таким образом, служит передатчиком энергии излучения.

Янтарная окраска лабораторной посуды DURAN^®

Янтарная окраска позволяет хранить в продуктах DURAN^® светочувствительные вещества. Светопропускание в диапазоне длин волн от 300 до 500 нм по сравнению с прозрачным стеклом DURAN^® составляет <10%. Соответственно, янтарное стекло DURAN® соответствует спецификациям USP/EP.

Для окрашивания продуктов специальный диффузный краситель напыляется исключительно на внешнюю поверхность прозрачных стеклянных изделий с помощью инновационного метода распыления. Благодаря этой технологии достигается однородная янтарная окраска. После этого покрытие подвергают термообработке, и оно становится устойчивым к химическим веществам и мытью в посудомоечной машине. Свойства стекла DURAN^® на внутренней поверхности остаются неизменными; контакт или взаимодействие между содержимым и янтарным покрытием отсутствуют. Постоянный контроль равномерности процесса окрашивания обеспечивает качество янтарного цвета.

Кривые светопропускания для боросиликатного стекла DURAN^® (бутылка 500 мл)

Кривые светопропускания для боросиликатного стекла DURAN^® (бутылка 5000 мл)

По материалам компании DWK Life Sciences.