耐热玻璃

背景

派热克斯玻璃是康宁玻璃厂公司首先生产的一种硼硅酸盐玻璃。它是通过将硅砂和氧化硼等原材料长时间加热到极高的温度而制成的。然后将熔融材料加工成不同类型的玻璃器皿。 Pyrex 最初在 20 世纪早期配制，现已成为各种需要耐热和耐化学性的应用的重要材料。

要了解 Pyrex 的独特之处，了解玻璃本身的性质很重要。玻璃是一种物质状态，具有类似于结晶固体和液体的特性。在宏观层面上，玻璃看起来像固体。它是刚性的，从容器中取出时仍保持一体。然而，在分子水平上，玻璃更像是液体。在结晶固体中，分子以有序的方式排列。在液体中，它们是随机排列的。这种随机排列也是玻璃的一个特点。

玻璃通常是通过将结晶化合物加热到足以熔化它们的温度来制造的。熔化破坏了有序的分子结构，使它们处于无序状态。当熔化的材料冷却时，分子在重新形成有序的晶体结构之前就被锁定在原位。特定玻璃的特性，例如硬度、脆性、透明度以及耐化学性和耐热性，取决于其化学成分。

在开发 Pyrex 时，科学家们试图创造一种具有高耐热性的玻璃组合物。在某些时候发现含硼的玻璃组合物可以加热到高温而不破裂。硼是元素周期表上的第五种元素，具有独特的能力，可以产生多种化学键。当与氧结合时，它可以形成一个坚固的三维结构。在玻璃组合物中，这种额外的强度赋予其耐热和耐化学性，使其可用于烹饪应用、温度计和实验室设备。 Pyrex 还具有低碱含量，使其具有高耐腐蚀性。

历史

虽然人们发现沙子可以与其他材料结合并熔化以生产玻璃的确切日期尚不清楚，但它的发现很可能是偶然的。玻璃制造的正式工艺已为人所知 3,000 多年。在美索不达米亚，考古学家发现了泥板，其中包含在熔炉中制造玻璃的古老“说明”。纵观历史，玻璃生产技术变得更加复杂。人们不断地发现结合原材料的最佳比例，并且还学习了玻璃吹制等制造方法。

二十世纪初，煤油灯被广泛用于路灯和铁路信号装置。不幸的是，用于制作这些灯笼的玻璃对火焰的热量很敏感，经常会破裂。科学家们开始寻找可以耐热的玻璃配方。

第一个实验发现，当原材料中存在硼酸时，玻璃更耐热。然而，这些早期的配方在化学上很弱，经常在水中分解。工作继续寻找硅砂和氧化硼的正确比例，它们将继续具有耐热性和化学稳定性。 1912 年，发现了一个合适的公式。这些被称为硼硅酸盐的玻璃随后被引入到灯笼生产中。 Corning Glass Works Company 推出的一种原始类型的硼硅酸盐玻璃名为 Nonex。

1913 年，曾在康宁工作的 Jesse T. Littleton 博士发现了该产品在烹饪领域的潜力。他给了他的妻子一盘用无耐热玻璃制成的砂锅菜，它是耐热玻璃的前身。它与陶瓷烹饪盘一样有效，烹饪器具的新时代已经开始。修订了 Nonex 玻璃配方以去除铅，并将烤箱器皿交给费城烹饪学校进行更多测试。在那里进行的一系列成功测试导致 1915 年推出了 Pyrex 烤箱器皿。同年，康宁玻璃厂公司为该配方申请了专利，并将其命名为 Pyrex 商标。有人建议，Pyrex 一词要么是“pie”一词的派生词（指其原始用途），要么是希腊语“pyra”，意思是壁炉。在这两种情况下，“ex”后缀都用于赋予它与 Nonex 的品牌相似性。

第一次世界大战爆发时，依赖德国玻璃制品的科学家们发现，这种新型 Pyrex 材料满足了他们对烧杯、试管和其他实验室玻璃器皿的需求。硼硅酸盐玻璃的耐化学性、耐热性和抗震性一直在稳步提高。它还被应用于许多产品，如眼镜、望远镜和电子元件。

原材料

三类材料用于制造 Pyrex，包括成型剂、助熔剂和稳定剂。成型器是所有玻璃制造的主要成分。这些是结晶材料，当加热到足够高时，可以熔化并冷却以制造玻璃。助焊剂是有助于降低使模型熔化所需的温度的化合物。稳定剂是有助于防止玻璃破碎、破碎或分崩离析的材料。需要它们是因为助焊剂通常会破坏玻璃组合物的稳定性。

康宁派热克斯的广告。

Eugene G. Sullivan 于 1908 年建立了康宁玻璃厂的研究实验室，并与威廉 C 泰勒一起着手制造用于铁路灯笼透镜的耐热玻璃。问题是燧石玻璃（瓶子和窗户中的那种，由熔融硅砂、苏打和石灰制成）具有相当高的热膨胀，但导热性很差。两者都导致玻璃破裂。有两种可能的解决方案：提高导热性或减少热膨胀。 Sullivan 和 Taylor 设计的配方是一种硼硅酸盐玻璃——一种用硼砂代替石灰的钠钙玻璃——并添加了少量的氧化铝。这提供了所需的低热膨胀和良好的耐酸性，从而可用于铁路电报系统和其他应用所需的电池罐。该玻璃以“Nonex”（非膨胀玻璃）销售。

Jesse T. Littleton 于 1913 年加入康宁。作为物理学家，Littleton 知道玻璃能很好地吸收辐射能，而金属主要反射它。利特尔顿将一个断电的电池罐带回家，让他的妻子在里面烤一个蛋糕。第二天他把它带到了实验室。 Littleton 开发了 Nonex 的变体，结果是 Pyrex，于 1915 年 5 月获得专利和商标。

Pyrex 的首次销售于 1915 年在波士顿的 Jordan Marsh 百货公司进行。到 1919 年，已售出超过 450 万件。 1915 年，Pyrex 被引入实验室。实验室玻璃器皿来自德国，但第一次世界大战切断了供应。康宁用 Pyrex 玻璃器皿填补了这一空白，它的效果非常好，以至于 Pyrex 取代了大多数其他物品。今天，康宁风格的玻璃器皿在世界各地的实验室中随处可见。

用于制造 Pyrex 的主要成型剂包括硅砂和硼酸。硅砂又称二氧化硅。它是一种结晶材料，可能是人类使用的第一种玻璃的主要成分。在典型的 Pyrex 玻璃组合物中，二氧化硅占重量的约 60-80%。

Pyrex 在基质相结构中具有液滴。二氧化硅产生基本基质。硼酸盐材料在该结构内产生液滴。硼酸盐形成剂可以来自四硼酸钠等材料。在制造之前，这种化合物用硫酸进行化学还原以产生硼酸。当硼酸与二氧化硅混合并加热时，它会氧化成氧化硼。氧化硼负责独特的 Pyrex 分子结构。氧化硼占派热克斯玻璃的 5% 到 20%。

玻璃生产中使用的次要成分包括助熔剂、稳定剂和着色剂。玻璃混合物中包含助焊剂，因为它们会降低硼硅酸盐玻璃的熔化温度。可用于制造的助焊剂包括纯碱、钾碱和碳酸锂。他们约占 5% 派热克斯玻璃组合物。

不幸的是，助焊剂也会导致玻璃在化学上更加不稳定。为此，包括稳定剂，例如碳酸钡和氧化锌。在 Pyrex 制造中，添加约 2% 的氧化铝使玻璃在熔融时变得更硬。最后，为了生产不同颜色的玻璃，可以添加银化合物。

制造
过程

制造过程可以分为两个阶段。首先，制备大量熔融玻璃组合物。接下来，玻璃被送入成型机以制造不同类型的玻璃器皿。该过程以极快的速度进行并且非常有效。

批处理

• 1 大批量 Pyrex 玻璃在生产工厂的指定复合区生产。在这里，玻璃制造商按照配方说明将所需的原材料以正确的比例添加到大罐中。使用前，将原料粉碎、造粒至粒度均匀。它们储存在批处理塔中。这些材料混合在一起并加热到 2,912°F (1,600°C) 以上的温度。这种高温熔化了成分并使它们充分混合以形成熔融玻璃。然而，混合物通常需要更长时间的加热——最多 24 小时——以去除可能导致结构较弱的多余气泡。

成型

• 2 配料罐的设计使熔融玻璃缓慢流向罐的工作端。罐的这一端连接到连续进料成型机。当玻璃从罐中移出时，它看起来像一种浓稠的红橙色糖浆。成型机快速加工材料，因为当它冷却时，它变得僵硬且无法加工。典型的玻璃加工机器吹、压、拉、卷成各种形状。
• 3 所使用的成型工艺取决于最终产品。玻璃吹制用于制造瓶子等薄壁产品。将熔融玻璃的气泡放入两件式模具内。空气被压入模具，将玻璃压在其侧面。玻璃在模具内冷却并符合形状。玻璃压制用于制造更厚的玻璃片。将熔融玻璃放入模具中，并降低柱塞，迫使玻璃扩散并填充模具。绘图用于创建管材或棒材。在这个过程中，熔融玻璃被下拉到一个叫做心轴的空心锥体上。空气被吹过它以防止管倒塌，直到玻璃变硬。对于玻璃板，如窗户，使用轧制工艺。
• 4 产品成型后，进行冷却和抛光。然后可以用各种印刷或标记装饰它，并在必要时安装塑料件。然后检查玻璃产品是否有缺陷，放入保护箱并运送给客户。根据配料罐的大小，一年可生产多达 700,000 磅（317,520 千克）的玻璃产品。

质量控制

由于玻璃的质量取决于原材料的纯度，因此制造商会聘请质量控制化学家对其进行测试。检查物理特性以确保它们符合先前确定的规格。例如，粒子 Pyrex 的制作示意图。尺寸使用适当网眼的筛网测量。化学成分也用 IR 或 GC 确定。对原材料进行的其他简单检查包括颜色检查和气味评估。在玻璃产品的生产过程中，检查员在生产线上的特定点观察玻璃产品，以确保每个产品看起来都正确。他们注意到诸如裂缝、缺陷或其他缺陷之类的东西。对于某些产品，测量玻璃的厚度。

副产品/废物

由于 Pyrex 是由加热时会变成氧化物的化合物制成，因此空气污染是一个潜在的问题。制造过程中可能会释放多种副产品，包括硝酸盐、硫酸盐和氯。这些化学物质可以与水反应形成酸。酸雨已被证明会对人造结构和自然生态系统造成重大破坏。玻璃制造商用来减少污染的一种方法是制造具有较低熔化温度的玻璃组合物。较低的温度会减少挥发量，从而减少气态污染物的量。另一种污染控制是使用安装在烟囱中的除尘器。这些设备通过过滤掉熔化过程产生的烟雾和蒸汽中残留的固体来帮助减少空气污染。废物处理排水管受到监控，以确保只有允许数量的工厂废物被排放到环境中。这有助于防止水污染。

另一种控制污染的方法是使用呼吸机。这些设备也称为蓄热器，因为它们有助于回收和循环制造过程中消耗的热能。这具有减少空气污染和降低生产成本的双重效果。采用的其他降低成本和环保的技术包括使用电热代替燃气热，以及在新玻璃的生产过程中加入破碎的回收玻璃。

未来

未来，硼硅玻璃制造商将集中精力增加销量和改进生产工艺。为了增加销售额，玻璃制造商将参与寻找和推广其产品的新应用。这可能需要具有一系列特性的新玻璃配方，包括透明度、熔点和抗碎性。从生产的角度来看，未来的改进将集中在提高制造速度、最大限度地减少化学废物和降低总体成本上。

哪里可以了解更多

书籍

Bansal, N. P. 和 R. H. Doremus。 玻璃特性手册。 纽约：Academic Press, Inc.，1986 年。

Kirk-Othmer 化学技术百科全书。 卷。 12. 纽约：John Wiley &Sons，1994 年。

Mazurin, 0. V. 玻璃数据手册。 纽约：Elsevier Science Publishing Co.，1991。

Rogove, S. T. 和 M. B. Steinhauer。 康宁 Pyrex：收藏家指南。 纽约：古董出版物，1993 年。

其他

康宁玻璃博物馆网页。 2001 年 10 月 1 日。。

美国专利 4,075,024。有色眼镜和方法。 1976 年。

佩里 罗曼诺夫斯基