파이렉스

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배경

파이렉스 유리는 The Corning Glass Works 회사에서 처음 생산한 붕규산 유리입니다. 규사, 산화붕소와 같은 원료를 극도로 높은 온도로 장기간 가열하여 만듭니다. 용융된 재료는 다양한 유형의 유리 제품으로 가공됩니다. 20세기 초반에 처음 공식화된 Pyrex는 내열성과 내화학성을 요구하는 다양한 응용 분야에서 중요한 소재가 되었습니다.

Pyrex가 얼마나 독특한지를 이해하려면 유리 자체의 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 유리는 결정질 고체 및 액체 모두와 유사한 특성을 갖는 물질의 상태입니다. 거시적 수준에서 유리는 고체처럼 보입니다. 단단하고 용기에서 꺼낼 때 한 조각으로 남아 있습니다. 그러나 분자 수준에서 유리는 액체에 가깝습니다. 결정질 고체에서 분자는 질서정연하게 배열됩니다. 액체에서는 무작위로 배열됩니다. 이 무작위 배열도 유리의 특징입니다.

유리는 일반적으로 결정질 화합물을 녹일 수 있을 만큼 높은 온도로 가열하여 만듭니다. 용융은 질서 정연한 분자 구조를 파괴하여 무질서한 상태로 남깁니다. 녹은 물질이 냉각되면 분자는 정렬된 결정 구조로 재형성되기 전에 제자리에 고정됩니다. 경도, 취성, 투명도, 내화학성 및 내열성과 같은 특정 유리의 특성은 화학 조성에 따라 다릅니다.

Pyrex가 개발될 때 과학자들은 내열성이 높은 유리 구성을 만들려고 했습니다. 어떤 시점에서 붕소가 포함된 유리 조성물은 깨지지 않고 고온으로 가열될 수 있다는 것이 발견되었습니다. 주기율표의 다섯 번째 원소인 붕소는 다양한 화학 결합을 생성하는 고유한 능력을 가지고 있습니다. 산소와 결합하면 강력한 3차원 구조를 만들 수 있습니다. 유리 구성에서 이 추가 강도는 열 및 내화학성을 제공하여 요리 응용 프로그램, 온도계 및 실험실 장비에 유용합니다. Pyrex는 또한 높은 내식성을 제공하는 낮은 알칼리 함량을 가지고 있습니다.

연혁

사람들이 모래가 결합되고 다른 물질과 녹아 유리를 생산할 수 있다는 것을 발견한 정확한 날짜는 알려져 있지 않지만, 그 발견은 우연이었을 가능성이 큽니다. 유리 제조를 위한 공식적인 공정은 3,000년 이상 동안 알려져 왔습니다. 메소포타미아에서 고고학자들은 용광로에서 유리를 만들기 위한 고대 "지침"이 포함된 점토판을 발견했습니다. 역사를 통틀어 유리 생산 기술은 더욱 정교해졌습니다. 사람들은 원료를 결합하는 가장 좋은 비율을 꾸준히 발견했으며 유리 블로잉과 같은 제조 방법도 배웠습니다.

20세기 초에 등유 랜턴은 가로등과 철도 신호 장치에 널리 사용되었습니다. 불행히도, 이 등불을 만드는 데 사용된 유리는 화염의 열에 민감하여 자주 깨지곤 했습니다. 과학자들은 열을 견딜 수 있는 유리 공식을 찾기 시작했습니다.

첫 번째 실험은 붕산이 원료에 존재할 때 유리가 더 내열성이 있다는 발견으로 이어졌습니다. 그러나 이러한 초기 공식은 화학적으로 약하여 종종 물에서 분해됩니다. 열에 계속 강하고 화학적으로 안정한 규사와 산화붕소의 적절한 비율을 찾기 위한 작업이 진행되었습니다. 1912년에 적절한 공식이 발견되었습니다. 붕규산염이라고 하는 이 유리는 랜턴 생산에 도입되었습니다. Corning Glass Works Company에서 도입한 원래 유형의 붕규산 유리 중 하나는 Nonex라는 브랜드였습니다.

요리 분야에서 이 제품의 잠재력은 코닝에서 근무한 Jesse T. Littleton 박사에 의해 1913년에 발견되었습니다. 그는 아내에게 파이렉스의 전신인 노넥스로 만든 캐서롤 요리를 주었습니다. 도기 요리와 같은 역할을 하며 새로운 요리 도구의 시대가 열렸습니다. Nonex 유리 공식은 납을 제거하기 위해 수정되었으며 더 많은 테스트를 위해 필라델피아 요리 학교에 오븐용기가 제공되었습니다. 그곳에서 일련의 성공적인 테스트를 거쳐 1915년에 Pyrex 오븐용기가 출시되었습니다. 같은 해에 Corning Glass Works Company는 이 공식에 특허를 내고 Pyrex라는 상표명을 부여했습니다. 파이렉스(Pyrex)라는 용어는 "파이(pie)"(원래 사용을 의미)라는 단어 또는 난로를 의미하는 그리스어 "피라(pyra)"에서 파생된 것으로 제안되었습니다. 두 경우 모두 "ex" 접미사를 사용하여 Nonex와 브랜드 이름 유사성을 부여했습니다.

제1차 세계 대전이 발발했을 때 독일 유리 제품에 의존했던 과학자들은 새로운 Pyrex 재료가 비커, 시험관 및 기타 실험실 유리 제품에 대한 요구 사항을 충족한다는 것을 발견했습니다. 붕규산 유리는 내화학성, 열 및 충격에 더욱 강해졌습니다. 안경, 망원경, 전자부품 등 다양한 제품에도 적용되고 있습니다.

원자재

포머(former), 플럭스(flux), 안정제(stabilizer)를 포함한 세 가지 종류의 재료가 파이렉스를 만드는 데 사용됩니다. 포머는 모든 유리 제조의 주요 성분입니다. 이들은 충분히 높은 온도로 가열되면 녹고 냉각되어 유리를 만들 수 있는 결정질 재료입니다. 플럭스는 전자를 녹이는 데 필요한 온도를 낮추는 데 도움이 되는 화합물입니다. 안정제는 유리가 부서지거나 깨지거나 떨어지는 것을 방지하는 재료입니다. 플럭스는 일반적으로 유리 구성을 불안정하게 만들기 때문에 필요합니다.

Corning Pyrex 광고.

Eugene G. Sullivan은 1908년 Corning Glass Works의 연구소를 설립하고 William C, Taylor와 함께 철도 랜턴 렌즈용 내열 유리를 만들기 시작했습니다. 문제는 부싯돌 유리(규사, 소다, 석회를 녹여서 만든 병과 창호의 종류)가 열팽창은 상당히 높지만 열전도율이 낮다는 것입니다. 둘 다 유리가 깨지는 원인이 됩니다. 열전도율을 높이거나 열팽창을 줄이는 두 가지 솔루션이 가능했습니다. Sullivan과 Taylor가 고안한 공식은 소량의 알루미나가 첨가된 붕규산 유리(석회를 붕사로 대체한 소다석회 유리)였습니다. 이것은 필요한 낮은 열팽창을 제공하고 우수한 내산성을 가져 철도 전신 시스템 및 기타 응용 분야에 필요한 배터리 용기에 사용되었습니다. 유리는 "Nonex"(비팽창 유리용)로 판매되었습니다.

Jesse T. Littleton은 1913년에 Corning에 입사했습니다. 물리학자인 Littleton은 유리가 복사 에너지를 잘 흡수하지만 금속은 대부분 반사한다는 것을 알고 있었습니다. 리틀턴은 잘라낸 배터리 병을 집으로 가져가 아내에게 그 안에 케이크를 구워달라고 부탁했습니다. 그는 다음날 그것을 실험실로 가져갔다. Littleton은 Nonex의 변형을 개발했으며 그 결과 Pyrex가 탄생했으며 1915년 5월에 특허 및 상표 등록이 되었습니다.

Pyrex의 초기 판매는 1915년 보스턴의 Jordan Marsh 백화점에서 이루어졌습니다. 1919년까지 450만 개 이상이 판매되었습니다. 1915년에 Pyrex가 실험실에 도입되었습니다. 실험실 유리 제품은 독일에서 왔지만 제1차 세계 대전으로 공급이 중단되었습니다. Corning은 Pyrex 유리 제품으로 그 격차를 메웠는데, 이 제품은 Pyrex가 대부분의 다른 품목을 대체할 정도로 잘 작동했습니다. 오늘날 코닝 스타일의 유리 제품은 전 세계의 실험실에서 찾아볼 수 있습니다.

Pyrex를 만드는 데 사용되는 주요 형성제는 규사와 붕산을 포함합니다. 규사 모래는 이산화규소라고도 합니다. 그것은 결정질 물질이며 아마도 인간이 사용한 최초의 유리의 주요 구성요소였을 것입니다. 일반적인 파이렉스 유리 조성에서 이산화규소는 중량으로 약 60-80%를 차지합니다.

Pyrex는 매트릭스 상 구조의 액적을 가지고 있습니다. 이산화규소는 기본 매트릭스를 생성합니다. 붕산염 물질은 해당 구조 내에 액적을 생성합니다. 붕산염 형성제는 사붕산나트륨과 같은 물질에서 얻을 수 있습니다. 제조 전에 이 화합물은 황산으로 화학적으로 환원되어 붕산을 생성합니다. 붕산을 이산화규소와 섞어 가열하면 산화붕소로 된다. 산화붕소는 독특한 Pyrex 분자 구조를 담당합니다. 붕소 산화물은 파이렉스 유리의 5~20%를 차지합니다.

유리 생산에 사용되는 2차 성분에는 플럭스, 안정제 및 착색제가 포함됩니다. 플럭스는 붕규산 유리의 용융 온도를 낮추기 때문에 유리 혼합물에 포함됩니다. 제조에 사용할 수 있는 플럭스에는 소다회, 칼륨 및 탄산리튬이 있습니다. 약 5% 를 구성합니다. 파이렉스(Pyrex) 유리 조성.

불행히도, 플럭스는 또한 유리를 화학적으로 더 불안정하게 만듭니다. 이러한 이유로 탄산바륨 및 산화아연과 같은 안정제가 포함됩니다. Pyrex 제조 시 약 2%의 산화알루미늄이 첨가되어 유리가 용융될 때 더 단단해집니다. 마지막으로 다양한 색상의 유리를 생산하기 위해 은 화합물을 첨가할 수 있습니다.

제조
프로세스

제조 공정은 두 단계로 나눌 수 있습니다. 먼저, 용융 유리 조성물의 대량 배치가 만들어집니다. 다음으로, 유리는 성형 기계에 공급되어 다양한 유형의 유리 제품을 만듭니다. 이 프로세스는 엄청난 속도로 움직이며 매우 효율적입니다.

일괄 처리

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1 생산 공장의 지정된 합성 구역에서 대규모 배치의 파이렉스 유리가 생산됩니다. 여기에서 유리 제작자는 공식 지침에 따라 필요한 원료를 정확한 비율로 대형 탱크에 추가합니다. 사용하기 전에 원료를 분쇄하고 균일 한 입자 크기로 과립화합니다. 그들은 배치 타워에 저장됩니다. 재료를 함께 혼합하고 1,600°C(2,912°F) 이상의 온도로 가열합니다. 이 고온은 재료를 녹이고 완전히 혼합하여 용융 유리를 만듭니다. 그러나 혼합물은 더 약한 구조로 이어질 수 있는 과도한 기포를 제거하기 위해 일반적으로 최대 24시간의 더 긴 가열이 필요합니다.

형성

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2 배치 탱크는 용융 유리가 탱크의 작업 끝쪽으로 천천히 흐르도록 설계되었습니다. 탱크의 이 끝은 연속 공급 성형 기계에 연결됩니다. 유리가 탱크에서 이동함에 따라 진한 빨간색 주황색 시럽처럼 보입니다. 성형 기계는 재료가 냉각됨에 따라 단단해지고 작업할 수 없게 되기 때문에 재료를 빠르게 가공합니다. 일반적인 유리 가공 기계는 블로우, 프레스, 드로잉 및 롤링하여 다양한 모양을 만듭니다.

3 사용되는 성형 공정은 최종 제품에 따라 다릅니다. 유리 블로잉은 병과 같은 벽이 얇은 제품을 만드는 데 사용됩니다. 용융 유리의 기포를 투피스 몰드에 넣습니다. 공기가 몰드로 들어가게 되어 유리가 측면을 누르게 됩니다. 유리는 금형 내부에서 냉각되어 모양을 따릅니다. 유리 압착은 더 두꺼운 유리 조각을 만드는 데 사용됩니다. 용융된 유리를 금형에 넣고 플런저를 내리면 유리가 강제로 확산되어 금형을 채웁니다. 드로잉은 튜브 또는 막대를 만드는 데 사용됩니다. 이 과정에서 용융 유리는 맨드릴(mandrel)이라고 하는 속이 빈 원뿔 위로 끌어당겨집니다. 유리가 단단해질 때까지 튜브가 무너지지 않도록 공기를 불어 넣습니다. 창과 같은 유리판의 경우 압연 공정이 사용됩니다.

4 제품을 성형한 후 냉각하여 연마한다. 그런 다음 다양한 인쇄 또는 표시로 장식하고 필요한 경우 플라스틱 조각으로 맞출 수 있습니다. 그런 다음 유리 제품에 결함이 있는지 확인하고 보호 상자에 넣어 고객에게 배송합니다. 배치 탱크의 크기에 따라 1년에 최대 700,000lb(317,520kg)의 유리 제품을 생산할 수 있습니다.

품질 관리

유리의 품질은 원자재의 순도에 달려 있기 때문에 제조업체는 품질 관리 화학자를 고용하여 테스트합니다. 물리적 특성은 이전에 결정된 사양을 준수하는지 확인하기 위해 확인됩니다. 예를 들어, 입자 Pyrex 생산 다이어그램. 크기는 적절하게 맞물린 스크린을 사용하여 측정됩니다. 화학 성분은 또한 IR 또는 GC로 결정됩니다. 원료에 대해 수행되는 다른 간단한 검사에는 색상 검사 및 냄새 평가가 있습니다. 유리 제품을 생산하는 동안 검사관은 제조 라인의 특정 지점에서 유리 제품을 관찰하여 각 제품이 올바르게 보이는지 확인합니다. 그들은 균열, 결함 또는 기타 불완전함과 같은 것들을 알아차립니다. 특정 제품의 경우 유리 두께가 측정됩니다.

부산물/폐기물

파이렉스는 가열되면 산화물이 되는 화합물로 만들어지기 때문에 대기 오염이 잠재적인 문제입니다. 제조 과정에서 질산염, 황산염, 염소 등 다양한 부산물이 배출될 수 있습니다. 이러한 화학 물질은 물과 반응하여 산을 형성할 수 있습니다. 산성비는 인공 구조물과 자연 생태계에 심각한 피해를 주는 것으로 나타났습니다. 유리 제조업체가 오염을 줄이기 위해 사용하는 한 가지 방법은 용융 온도가 더 낮은 유리 조성물을 만드는 것입니다. 낮은 온도는 휘발량을 줄여 기체 오염물질의 양을 줄입니다. 또 다른 오염 제어는 굴뚝에 설치된 집진기의 사용입니다. 이러한 장치는 용해 과정에서 생성된 연기와 증기에 잔류하는 고체를 걸러냄으로써 대기 오염을 줄이는 데 도움이 됩니다. 폐기물 처리 배수관은 허용 가능한 양의 공장 폐기물만 환경으로 방출되도록 모니터링됩니다. 이것은 수질 오염을 방지하는 데 도움이 됩니다.

오염 제어의 추가 방법은 인공 호흡기를 사용하는 것입니다. 이러한 장치는 제조 중에 소비되는 열 에너지를 회수하고 재활용하는 데 도움이 되기 때문에 재생기라고도 합니다. 이는 대기 오염을 줄이고 생산 비용을 낮추는 이중 효과가 있습니다. 기타 비용 절감 및 환경적으로 건전한 기술에는 가스 열 대신 전기 열을 사용하고 새 유리를 생산하는 동안 깨진 재활용 유리를 통합하는 방법이 있습니다.

미래

앞으로 붕규산 유리 제조업체는 매출 증대와 생산 공정 개선에 집중할 것입니다. 판매를 늘리기 위해 유리 제조업체는 제품에 대한 새로운 응용 프로그램을 찾고 홍보하는 데 참여할 것입니다. 이를 위해서는 투명도, 용융점, 내산성 등 다양한 특성을 지닌 새로운 유리 제형이 필요할 수 있습니다. 생산 관점에서 향후 개선 사항은 제조 속도를 높이고 화학 폐기물을 최소화하며 전체 비용을 줄이는 데 중점을 둘 것입니다.

자세히 알아보기

책

Bansal, N. P. 및 R. H. Doremus. 유리 속성 핸드북. 뉴욕:Academic Press, Inc., 1986.

Kirk-Othmer 화학 기술 백과사전. 권. 12. 뉴욕:John Wiley &Sons, 1994.

마주린, 0. V. 유리 데이터 핸드북. 뉴욕:Elsevier Science Publishing Co., 1991.

Rogove, S. T. 및 M. B. Steinhauer. Corning의 Pyrex:수집가를 위한 안내서. 뉴욕:골동품 간행물, 1993.

기타

Corning 유리 박물관 웹 페이지. 2001년 10월 1일. .

미국 특허 4,075,024. 컬러 안경 및 방법. 1976.

페리 로마노프스키