Pyrex

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Hintergrund

Pyrexglas ist ein Borosilikatglas, das zuerst von The Corning Glass Works hergestellt wurde. Es wird hergestellt, indem Rohstoffe wie Quarzsand und Boroxid über längere Zeit auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden. Das geschmolzene Material wird dann zu verschiedenen Arten von Glaswaren verarbeitet. Pyrex wurde erstmals im frühen 20. Jahrhundert formuliert und hat sich zu einem wichtigen Material für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt, die Hitze- und Chemikalienbeständigkeit erfordern.

Um die Einzigartigkeit von Pyrex zu verstehen, ist es wichtig, die Natur des Glases selbst zu verstehen. Glas ist ein Aggregatzustand, der ähnliche Eigenschaften wie kristalline Festkörper und Flüssigkeiten aufweist. Auf makroskopischer Ebene erscheint Glas wie Festkörper. Es ist starr und bleibt bei der Entnahme aus einem Behälter in einem Stück. Auf molekularer Ebene sind Gläser jedoch eher Flüssigkeiten. In kristallinen Festkörpern sind Moleküle geordnet angeordnet. In Flüssigkeiten sind sie zufällig angeordnet. Auch diese zufällige Anordnung ist charakteristisch für Glas.

Glas wird typischerweise durch Erhitzen kristalliner Verbindungen auf Temperaturen hergestellt, die hoch genug sind, um sie zu schmelzen. Das Schmelzen bricht die geordnete Molekülstruktur auf und hinterlässt sie in einem ungeordneten Zustand. Beim Abkühlen des geschmolzenen Materials werden die Moleküle an Ort und Stelle fixiert, bevor sie sich in die geordnete kristalline Struktur zurückbilden können. Die Eigenschaften eines bestimmten Glases wie Härte, Sprödigkeit, Klarheit sowie chemische und thermische Beständigkeit hängen von seiner chemischen Zusammensetzung ab.

Als Pyrex entwickelt wurde, versuchten die Wissenschaftler, eine Glaszusammensetzung zu schaffen, die eine hohe Wärmebeständigkeit aufwies. Irgendwann wurde entdeckt, dass Glaszusammensetzungen mit Bor auf hohe Temperaturen erhitzt werden können, ohne zu brechen. Bor, das fünfte Element im Periodensystem, besitzt die einzigartige Fähigkeit, eine Vielzahl chemischer Bindungen zu bilden. Wenn es mit Sauerstoff verbunden wird, kann es eine dreidimensionale Struktur erzeugen, die stark ist. Diese zusätzliche Festigkeit verleiht einer Glaszusammensetzung eine thermische und chemische Beständigkeit, die sie für Kochanwendungen, Thermometer und Laborgeräte nützlich macht. Pyrex hat auch einen niedrigen Alkaligehalt, der ihm eine hohe Korrosionsbeständigkeit verleiht.

Verlauf

Das genaue Datum, an dem die Leute fanden, dass Sand mit anderen Materialien zur Herstellung von Glas kombiniert und geschmolzen werden kann, ist nicht bekannt, aber seine Entdeckung war wahrscheinlich zufällig. Formale Verfahren zur Glasherstellung sind seit über 3.000 Jahren bekannt. In Mesopotamien haben Archäologen Tontafeln freigelegt, die uralte "Anleitungen" für die Glasherstellung in Öfen enthalten. Im Laufe der Geschichte wurde die Technologie der Glasherstellung immer ausgefeilter. Die Menschen entdeckten immer wieder die besten Proportionen, um die Rohstoffe zu kombinieren und lernten auch Herstellungspraktiken wie das Glasblasen.

Im frühen 20. Jahrhundert wurden Petroleumlaternen häufig für Straßenlaternen und Eisenbahnsignalgeräte verwendet. Leider reagierte das Glas, das für die Herstellung dieser Laternen verwendet wurde, empfindlich auf die Hitze der Flamme und zerbrach oft. Wissenschaftler begannen mit der Suche nach Glasrezepturen, die Hitze standhalten können.

Die ersten Experimente führten zu der Entdeckung, dass das Glas hitzebeständiger war, wenn Borsäure in den Rohstoffen enthalten war. Diese frühen Formeln waren jedoch chemisch schwach und zerfielen oft in Wasser. Es wurde weiter daran gearbeitet, die richtigen Anteile von Quarzsand und Boroxid zu finden, die weiterhin hitzebeständig und chemisch stabil sein sollten. 1912 wurde eine adäquate Formel gefunden. Diese als Borosilikate bezeichneten Gläser wurden dann in die Laternenproduktion eingeführt. Eine der ursprünglichen Arten von Borosilikatglas, die von der Corning Glass Works Company eingeführt wurden, trug den Markennamen Nonex.

Das Potenzial dieses Produkts im Bereich Kochen wurde 1913 von Dr. Jesse T. Littleton, der bei Corning arbeitete, entdeckt. Er schenkte seiner Frau eine Auflaufform aus Nonex, dem Vorläufer von Pyrex. Es funktionierte ebenso wie ein Keramikkochgeschirr und eine neue Ära des Kochgeschirrs hatte begonnen. Die Glasformel von Nonex wurde überarbeitet, um Blei zu entfernen, und das Geschirr wurde der Philadelphia Cooking School für weitere Tests übergeben. Eine Reihe erfolgreicher Tests führte dort 1915 zur Einführung des Pyrex-Ofengeschirrs. Im selben Jahr patentierte die Corning Glass Works Company die Formel und gab ihr den Markennamen Pyrex. Es wurde vermutet, dass der Begriff Pyrex entweder eine Ableitung des Wortes "Kuchen" (in Bezug auf seine ursprüngliche Verwendung) oder des griechischen "pyra" war, was Herd bedeutet. In beiden Fällen wurde das Suffix "ex" verwendet, um dem Markennamen eine Ähnlichkeit mit Nonex zu verleihen.

Als der Erste Weltkrieg ausbrach, fanden Wissenschaftler, die sich auf deutsche Glasprodukte verließen, dass das neue Pyrex-Material ihren Bedarf an Bechern, Reagenzgläsern und anderen Laborglaswaren deckte. Borosilikatglas wurde ständig chemikalien-, hitze- und stoßfester gemacht. Es wurde auch auf zahlreiche Produkte wie Brillen, Teleskope und elektronische Komponenten angewendet.

Rohstoffe

Bei der Herstellung von Pyrex werden drei Materialklassen verwendet, darunter Former, Flussmittel und Stabilisatoren. Former sind die Hauptzutaten in der gesamten Glasherstellung. Dies sind kristalline Materialien, die bei ausreichender Erwärmung geschmolzen und abgekühlt werden können, um Glas zu erzeugen. Flussmittel sind Verbindungen, die dazu beitragen, die Temperatur zu senken, die erforderlich ist, um die Former zum Schmelzen zu bringen. Stabilisatoren sind Materialien, die verhindern, dass Glas bröckelt, bricht oder auseinanderfällt. Sie werden benötigt, weil Flussmittel typischerweise Glaszusammensetzungen destabilisieren.

Eine Anzeige für Corning Pyrex.

Eugene G. Sullivan gründete 1908 das Forschungslabor von Corning Glass Works und machte sich zusammen mit William C, Taylor daran, ein hitzebeständiges Glas für Eisenbahnlaternenlinsen herzustellen. Das Problem war, dass Flintglas (die Art in Flaschen und Fenstern, die durch Schmelzen von Quarzsand, Soda und Kalk hergestellt wird) eine ziemlich hohe Wärmeausdehnung, aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit hat. Beides führt zum Bruch des Glases. Zwei Lösungen waren möglich:die Wärmeleitfähigkeit verbessern oder die Wärmeausdehnung reduzieren. Die von Sullivan und Taylor entwickelte Formulierung war ein Borosilikatglas – ein Natronkalkglas, bei dem Borax den Kalk ersetzte – mit einer kleinen Menge Aluminiumoxid. Dies ergab die erforderliche geringe Wärmeausdehnung und hatte auch eine gute Säurebeständigkeit, was zur Verwendung für die für Eisenbahntelegraphensysteme und andere Anwendungen erforderlichen Batteriegefäße führte. Das Glas wurde als "Nonex" (für Nichtausdehnungsglas) vermarktet.

Jesse T. Littleton kam 1913 zu Corning. Als Physiker wusste Littleton, dass Glas Strahlungsenergie gut absorbiert, während Metall sie hauptsächlich reflektiert. Littleton nahm ein abgeschnittenes Batterieglas mit nach Hause und bat seine Frau, einen Kuchen darin zu backen. Er brachte es am nächsten Tag ins Labor. Littleton entwickelte Variationen von Nonex und das Ergebnis war Pyrex, das im Mai 1915 patentiert und markenrechtlich geschützt wurde.

Der erste Verkauf von Pyrex fand 1915 im Kaufhaus Jordan Marsh in Boston statt. Bis 1919 wurden mehr als 4,5 Millionen Stück verkauft. 1915 wurde Pyrex in das Labor eingeführt. Laborglaswaren kamen aus Deutschland, aber der Erste Weltkrieg unterbrach die Versorgung. Corning füllte die Lücke mit Pyrex-Glaswaren, die so gut funktionierten, dass Pyrex die meisten anderen Gegenstände ersetzte. Heute findet man Glaswaren im Corning-Stil in Labors auf der ganzen Welt.

Die zur Herstellung von Pyrex verwendeten Primärbildner umfassen Quarzsand und Borsäure. Quarzsand wird auch als Siliziumdioxid bezeichnet. Es ist ein kristallines Material und war wahrscheinlich der Hauptbestandteil des ersten vom Menschen verwendeten Glases. In einer typischen Pyrex-Glaszusammensetzung macht Siliziumdioxid etwa 60-80 Gew.-% aus.

Pyrex hat ein Tröpfchen in Matrixphasenstruktur. Das Siliziumdioxid bildet die Grundmatrix. Das Boratmaterial erzeugt die Tröpfchen innerhalb dieser Struktur. Der Boratbildner kann aus einem Material wie Natriumtetraborat stammen. Vor der Herstellung wird diese Verbindung chemisch mit Schwefelsäure zu Borsäure reduziert. Wenn Borsäure mit Siliziumdioxid vermischt und erhitzt wird, oxidiert es zu Boroxid. Boroxid ist für die einzigartige Molekularstruktur von Pyrex verantwortlich. Boroxid macht zwischen 5 und 20 % des Pyrexglases aus.

Sekundäre Bestandteile, die bei der Glasherstellung verwendet werden, umfassen Flussmittel, Stabilisatoren und Farbstoffe. Flussmittel sind in Glasmischungen enthalten, weil sie die Schmelztemperatur des Borosilikatglases herabsetzen. Flussmittel, die bei der Herstellung verwendet werden können, umfassen Soda, Pottasche und Lithiumcarbonat. Sie machen etwa 5% aus einer Pyrex-Glaszusammensetzung.

Leider führen Flussmittel auch dazu, dass das Glas chemisch instabiler wird. Aus diesem Grund sind Stabilisatoren wie Bariumcarbonat und Zinkoxid enthalten. Bei der Pyrex-Herstellung werden etwa 2% Aluminiumoxid zugesetzt, um das Glas beim Schmelzen steifer zu machen. Um Glas mit unterschiedlichen Farben herzustellen, können schließlich Silberverbindungen zugesetzt werden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der Herstellungsprozess lässt sich in zwei Phasen unterteilen. Zuerst wird eine große Charge geschmolzener Glaszusammensetzung hergestellt. Als nächstes wird das Glas in Formmaschinen zugeführt, um verschiedene Arten von Glaswaren herzustellen. Der Prozess bewegt sich mit enormer Geschwindigkeit und ist sehr effizient.

Stapelverarbeitung

• 1 Große Chargen von Pyrex-Glas werden in einem bestimmten Compoundierbereich der Produktionsanlage hergestellt. Hier befolgen Glasmacher die Rezepturvorgaben und geben die benötigten Rohstoffe im richtigen Verhältnis in große Tanks. Vor der Verwendung werden die Rohstoffe pulverisiert und auf eine einheitliche Partikelgröße granuliert. Sie werden in Chargentürmen gelagert. Die Materialien werden miteinander vermischt und auf Temperaturen über 2.912 °F (1.600°C) erhitzt. Diese hohe Temperatur schmilzt die Zutaten und ermöglicht es ihnen, sich gründlich zu vermischen, um geschmolzenes Glas zu erzeugen. Die Mischung erfordert jedoch typischerweise ein längeres Erhitzen – bis zu 24 Stunden – um überschüssige Blasen zu entfernen, die zu einer schwächeren Struktur führen können.

Formen

• 2 Die Chargentanks sind so konstruiert, dass das geschmolzene Glas langsam zum Arbeitsende des Tanks fließt. Dieses Ende des Tanks ist mit Formmaschinen mit kontinuierlicher Zufuhr verbunden. Wenn sich das Glas aus dem Tank bewegt, sieht es aus wie ein dicker, rot-orangefarbener Sirup. Die Umformmaschinen verarbeiten das Material schnell, da es beim Abkühlen steif und unbrauchbar wird. Typische Glasbearbeitungsmaschinen blasen, pressen, ziehen und walzen es in verschiedene Formen.
• 3 Der verwendete Umformprozess hängt vom Endprodukt ab. Das Glasblasen wird verwendet, um dünnwandige Produkte wie Flaschen herzustellen. Eine Blase des geschmolzenen Glases wird in eine zweiteilige Form gegeben. Luft wird in die Form gedrückt, die das Glas gegen seine Seiten drückt. Das Glas kühlt in der Form ab und passt sich der Form an. Glaspressen wird verwendet, um dickere Glasstücke herzustellen. Das geschmolzene Glas wird in eine Form gegeben und ein Kolben wird abgesenkt, wodurch das Glas gezwungen wird, sich auszubreiten und die Form zu füllen. Ziehen wird verwendet, um Rohre oder Stäbe zu erstellen. Dabei wird geschmolzenes Glas über einen Hohlkegel, den sogenannten Dorn, heruntergezogen. Es wird Luft hindurchgeblasen, damit das Rohr nicht zusammenbricht, bis das Glas steif wird. Für Glasscheiben, wie Fenster, wird ein Walzverfahren verwendet.
• 4 Nachdem das Produkt geformt wurde, wird es abgekühlt und poliert. Anschließend kann es mit verschiedenen Aufdrucken oder Markierungen verziert und bei Bedarf mit Kunststoffteilen versehen werden. Anschließend wird das Glasprodukt auf Mängel überprüft, in Schutzkisten verpackt und an die Kunden versandt. Abhängig von der Größe des Ansatzbehälters können in einem Jahr bis zu 700.000 lb (317.520 kg) Glasprodukt hergestellt werden.

Qualitätskontrolle

Da die Qualität des Glases von der Reinheit der Rohstoffe abhängt, setzen die Hersteller Qualitätschemiker ein, um sie zu testen. Physikalische Eigenschaften werden überprüft, um sicherzustellen, dass sie den zuvor festgelegten Spezifikationen entsprechen. Zum Beispiel Partikel Ein Diagramm der Herstellung von Pyrex. Die Größe wird mit geeigneten Maschensieben gemessen. Die chemische Zusammensetzung wird auch mit einem IR oder GC bestimmt. Andere einfache Kontrollen, die an den Rohstoffen durchgeführt werden, umfassen Farbkontrollen und Geruchsbewertungen. Während der Herstellung eines Glasprodukts überwachen Inspektoren die Glasprodukte an bestimmten Stellen der Fertigungslinie, um sicherzustellen, dass jedes Produkt korrekt aussieht. Sie bemerken Dinge wie Risse, Fehler oder andere Unvollkommenheiten. Bei bestimmten Produkten wird die Dicke des Glases gemessen.

Nebenprodukte/Abfälle

Da Pyrex aus Verbindungen hergestellt wird, die beim Erhitzen zu Oxiden werden, ist die Luftverschmutzung ein potenzielles Problem. Während der Herstellung können eine Vielzahl von Nebenprodukten freigesetzt werden, darunter Nitrate, Sulfate und Chlor. Diese Chemikalien können mit Wasser zu Säuren reagieren. Saurer Regen hat nachweislich erhebliche Schäden an von Menschenhand geschaffenen Strukturen sowie natürlichen Ökosystemen verursacht. Ein Verfahren, das Glashersteller verwenden, um die Umweltverschmutzung zu verringern, besteht darin, Glaszusammensetzungen herzustellen, die niedrigere Schmelztemperaturen haben. Niedrigere Temperaturen verringern das Ausmaß der Verflüchtigung, wodurch die Menge an gasförmigen Schadstoffen verringert wird. Eine weitere Schadstoffbegrenzung ist der Einsatz von Abscheidern, die in Schornsteine ​​eingebaut werden. Diese Geräte tragen dazu bei, die Luftverschmutzung zu reduzieren, indem sie Feststoffe herausfiltern, die in Rauch und Dämpfen verbleiben, die durch den Schmelzprozess entstehen. Die Abflüsse der Abfallentsorgung werden überwacht, um sicherzustellen, dass nur zulässige Mengen an Fabrikabfällen in die Umwelt gelangen. Dies trägt zur Vermeidung von Wasserverschmutzung bei.

Eine weitere Methode zur Schadstoffbegrenzung ist der Einsatz von Ventilatoren. Diese Geräte werden auch als Regeneratoren bezeichnet, da sie dazu beitragen, die während der Herstellung verbrauchte Wärmeenergie zurückzugewinnen und zu recyceln. Dies hat den doppelten Effekt, die Luftverschmutzung zu reduzieren und die Produktionskosten zu senken. Andere kostenreduzierende und umweltverträgliche Techniken, die verwendet werden, umfassen die Verwendung von elektrischer Wärme anstelle von Gaswärme und die Einarbeitung von zerbrochenem Recyclingglas bei der Herstellung von neuem Glas.

Die Zukunft

Künftig werden sich die Hersteller von Borosilikatglas darauf konzentrieren, den Absatz zu steigern und den Produktionsprozess zu verbessern. Um den Umsatz zu steigern, werden Glashersteller daran beteiligt, neue Anwendungen für ihre Produkte zu finden und zu fördern. Dies könnte neue Glasformulierungen erfordern, die eine Reihe von Eigenschaften wie Klarheit, Schmelzpunkt und Bruchfestigkeit aufweisen. Aus Produktionssicht werden sich zukünftige Verbesserungen auf die Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit, die Minimierung von Chemikalienabfällen und die Reduzierung der Gesamtkosten konzentrieren.

Weitere Informationen

Bücher

Bansal, N.P. und R.H. Doremus. Handbuch der Glaseigenschaften. New York:Academic Press, Inc., 1986.

Kirk-Othmer-Enzyklopädie der chemischen Technologie. vol. 12. New York:John Wiley &Sons, 1994.

Mazurin, 0. V. Handbuch der Glasdaten. New York:Elsevier Science Publishing Co., 1991.

Rogove, S.T. und M.B. Steinhauer. Pyrex von Corning:Ein Handbuch für Sammler. New York:Antike Veröffentlichungen, 1993.

Andere

Webseite des Corning Museum of Glass. 1. Oktober 2001. .

US-Patent 4,075,024. Farbige Gläser und Methode. 1976.

Perry Romanowski