Pyrex

Latar Belakang

Kaca Pyrex adalah kaca borosilikat yang pertama kali diproduksi oleh perusahaan The Corning Glass Works. Itu dibuat dengan memanaskan bahan mentah seperti pasir silika dan oksida borat ke suhu yang sangat tinggi untuk waktu yang lama. Bahan cair tersebut kemudian diolah menjadi berbagai jenis barang pecah belah. Pertama kali diformulasikan pada awal abad kedua puluh, Pyrex telah menjadi bahan penting untuk berbagai aplikasi yang membutuhkan ketahanan panas dan bahan kimia.

Untuk memahami keunikan Pyrex, penting untuk memahami sifat kaca itu sendiri. Kaca adalah keadaan materi yang memiliki karakteristik yang mirip dengan padatan kristal dan cairan. Pada kaca tingkat makroskopik tampak seperti padatan. Ini kaku dan tetap utuh saat dikeluarkan dari wadah. Namun, pada tingkat molekuler, gelas lebih mirip cairan. Dalam padatan kristal, molekul disusun secara teratur. Dalam cairan mereka diatur secara acak. Susunan acak ini juga merupakan ciri khas kaca.

Kaca biasanya dibuat dengan memanaskan senyawa kristal ke suhu yang cukup tinggi untuk melelehkannya. Mencair memecah struktur molekul yang teratur, meninggalkan mereka dalam keadaan tidak teratur. Ketika bahan yang dilelehkan didinginkan, molekul-molekul menjadi terkunci di tempatnya sebelum mereka dapat terbentuk kembali dalam struktur kristal yang teratur. Sifat-sifat kaca tertentu seperti kekerasan, kerapuhan, kejernihan, dan ketahanan kimia dan termal bergantung pada komposisi kimianya.

Ketika Pyrex sedang dikembangkan, para ilmuwan mencoba membuat komposisi kaca yang memiliki ketahanan termal yang tinggi. Di beberapa titik ditemukan bahwa komposisi kaca dengan boron dapat dipanaskan hingga suhu tinggi tanpa pecah. Boron, yang merupakan elemen kelima pada grafik periodik, memiliki kemampuan unik untuk menciptakan berbagai ikatan kimia. Ketika terikat dengan oksigen dapat membuat struktur tiga dimensi yang kuat. Dalam komposisi kaca, kekuatan ekstra ini memberikan ketahanan termal dan kimia yang membuatnya berguna untuk aplikasi memasak, termometer, dan peralatan laboratorium. Pyrex juga memiliki kandungan alkali rendah yang memberikan ketahanan korosi yang tinggi.

Sejarah

Sementara tanggal pasti orang menemukan bahwa pasir dapat digabungkan dan dilebur dengan bahan lain untuk menghasilkan kaca tidak diketahui, penemuannya kemungkinan tidak disengaja. Proses formal untuk pembuatan kaca telah dikenal selama lebih dari 3.000 tahun. Di Mesopotamia, para arkeolog telah menemukan tablet tanah liat yang berisi "petunjuk" kuno untuk membuat kaca di tungku. Sepanjang sejarah, teknologi produksi kaca menjadi lebih canggih. Orang-orang terus menemukan proporsi terbaik untuk menggabungkan bahan mentah dan juga mempelajari praktik manufaktur seperti meniup kaca.

Selama awal abad kedua puluh, lentera minyak tanah banyak digunakan untuk lampu jalan dan perangkat sinyal kereta api. Sayangnya, kaca yang digunakan untuk membuat lentera ini sensitif terhadap panasnya nyala api dan sering pecah. Para ilmuwan mulai mencari formula kaca yang bisa menahan panas.

Eksperimen pertama mengarah pada penemuan bahwa ketika asam borat hadir dalam bahan baku, kaca lebih tahan panas. Namun, formula awal ini secara kimiawi lemah, sering terurai dalam air. Pekerjaan dilanjutkan untuk menemukan proporsi yang tepat dari pasir silika dan oksida borat yang akan terus tahan panas dan stabil secara kimia. Pada tahun 1912, formula yang memadai ditemukan. Kacamata ini, yang disebut borosilikat, kemudian diperkenalkan ke dalam produksi lentera. Salah satu jenis kaca borosilikat asli yang diperkenalkan oleh Corning Glass Works Company adalah merek bernama Nonex.

Potensi produk ini di bidang memasak ditemukan pada tahun 1913 oleh Dr. Jesse T. Littleton yang bekerja di Corning. Dia memberi istrinya hidangan casserole yang terbuat dari Nonex, pendahulu Pyrex. Ini bekerja sebaik piring memasak keramik dan era baru dalam peralatan memasak telah dimulai. Formula kaca Nonex direvisi untuk menghilangkan timbal, dan peralatan oven diberikan ke Philadelphia Cooking School untuk pengujian lebih lanjut. Serangkaian tes yang berhasil di sana menyebabkan pengenalan ovenware Pyrex pada tahun 1915. Pada tahun yang sama Corning Glass Works Company mematenkan formula dan memberinya nama merek dagang Pyrex. Telah dikemukakan bahwa istilah Pyrex adalah turunan dari kata "pie" (mengacu pada penggunaan aslinya) atau bahasa Yunani "pyra," yang berarti perapian. Dalam kedua kasus, akhiran "mantan" digunakan untuk memberikan kesamaan nama merek dengan Nonex.

Ketika Perang Dunia I pecah, para ilmuwan yang mengandalkan produk kaca Jerman menemukan bahwa bahan baru Pyrex memenuhi kebutuhan mereka akan gelas kimia, tabung reaksi, dan peralatan gelas laboratorium lainnya. Kaca borosilikat terus dibuat lebih tahan bahan kimia, panas, dan goncangan. Ini juga telah diterapkan pada berbagai produk seperti kacamata, teleskop, dan komponen elektronik.

Bahan Baku

Tiga kelas bahan yang digunakan dalam pembuatan Pyrex termasuk pembentuk, fluks, dan stabilisator. Pembentuk adalah bahan utama dalam semua pembuatan kaca. Ini adalah bahan kristal yang, bila dipanaskan cukup tinggi, dapat dicairkan dan didinginkan untuk membuat kaca. Fluks adalah senyawa yang membantu menurunkan suhu yang diperlukan untuk membuat pembentuk meleleh. Stabilisator adalah bahan yang membantu menjaga kaca agar tidak hancur, pecah, atau pecah. Mereka diperlukan karena fluks biasanya mengacaukan komposisi kaca.

Iklan untuk Corning Pyrex.

Eugene G. Sullivan mendirikan laboratorium penelitian Corning Glass Works pada tahun 1908 dan bersama William C, Taylor membuat kaca tahan panas untuk lensa lentera kereta api. Masalahnya adalah kaca flint (sejenis dalam botol dan jendela, dibuat dengan melelehkan pasir silika, soda, dan kapur) memiliki ekspansi termal yang cukup tinggi tetapi konduktivitas panas yang buruk. Keduanya menyebabkan kaca pecah. Dua solusi yang mungkin:meningkatkan konduktivitas termal atau mengurangi ekspansi termal. Formulasi yang dirancang Sullivan dan Taylor adalah gelas borosilikat—gelas soda-kapur dengan boraks menggantikan kapur—dengan sedikit alumina yang ditambahkan. Ini memberikan ekspansi termal yang rendah yang dibutuhkan dan juga memiliki ketahanan asam yang baik, yang mengarah pada penggunaan stoples baterai yang diperlukan untuk sistem telegraf kereta api dan aplikasi lainnya. Kaca tersebut dipasarkan sebagai "Nonex" (untuk kaca nonekspansi).

Jesse T. Littleton bergabung dengan Corning pada tahun 1913. Seorang fisikawan, Littleton tahu bahwa kaca menyerap energi radiasi dengan baik, sedangkan logam sebagian besar memantulkannya. Littleton membawa pulang toples baterai yang sudah dipotong dan meminta istrinya membuat kue di dalamnya. Dia membawanya ke laboratorium keesokan harinya. Littleton mengembangkan variasi pada Nonex dan hasilnya adalah Pyrex, dipatenkan dan diberi merek dagang pada Mei 1915.

Penjualan awal Pyrex terjadi di department store Jordan Marsh di Boston pada tahun 1915. Pada tahun 1919, lebih dari 4,5 juta keping terjual. Pada tahun 1915, Pyrex diperkenalkan ke laboratorium. Gelas laboratorium datang dari Jerman tetapi Perang Dunia I memotong pasokan. Corning mengisi celah dengan barang pecah belah Pyrex, yang bekerja sangat baik sehingga Pyrex mengganti sebagian besar barang lainnya. Saat ini, peralatan gelas bergaya Corning ditemukan di laboratorium di seluruh dunia.

Pembentuk utama yang digunakan untuk membuat Pyrex termasuk pasir silika dan asam borat. Pasir silika juga dikenal sebagai silikon dioksida. Ini adalah bahan kristal dan mungkin merupakan komponen utama dari kaca pertama yang digunakan oleh manusia. Dalam komposisi kaca Pyrex yang khas, silikon dioksida membentuk sekitar 60-80% berat.

Pyrex memiliki tetesan dalam struktur fase matriks. Silikon dioksida menciptakan matriks dasar. Bahan borat menciptakan tetesan di dalam struktur itu. Pembentuk borat dapat berasal dari bahan seperti natrium tetraborat. Sebelum pembuatan, senyawa ini secara kimia direduksi dengan asam sulfat untuk membuat asam borat. Ketika asam borat dicampur dengan silikon dioksida dan dipanaskan, asam borat akan teroksidasi menjadi oksida borat. Borat oksida bertanggung jawab atas struktur molekul Pyrex yang unik. Oksida borat terdiri dari 5% hingga 20% kaca Pyrex.

Bahan sekunder yang digunakan dalam produksi kaca termasuk fluks, stabilisator, dan pewarna. Fluks termasuk dalam campuran kaca karena mereka mengurangi suhu leleh kaca borosilikat. Fluks yang dapat digunakan dalam pembuatan termasuk soda abu, kalium, dan litium karbonat. Mereka membuat sekitar 5% dari komposisi kaca Pyrex.

Sayangnya, fluks juga menyebabkan kaca menjadi lebih tidak stabil secara kimiawi. Untuk alasan ini stabilisator seperti barium karbonat dan seng oksida disertakan. Dalam pembuatan Pyrex, sekitar 2% aluminium oksida ditambahkan untuk membuat kaca lebih kaku saat dicairkan. Terakhir, untuk menghasilkan kaca dengan warna berbeda, senyawa perak dapat ditambahkan.

Manufaktur
Proses

Proses manufaktur dapat dibagi menjadi dua fase. Pertama, sejumlah besar komposisi gelas cair dibuat. Selanjutnya, kaca dimasukkan ke dalam mesin pembentuk untuk membuat berbagai jenis barang pecah belah. Prosesnya bergerak dengan kecepatan luar biasa dan cukup efisien.

Mengelompokkan

• 1 Gelas Pyrex dalam jumlah besar diproduksi di area peracikan tertentu di pabrik produksi. Di sini, pembuat kaca mengikuti instruksi formula dan menambahkan bahan baku yang dibutuhkan dalam proporsi yang benar ke dalam tangki besar. Sebelum digunakan, bahan baku dihaluskan dan digranulasi menjadi ukuran partikel yang seragam. Mereka disimpan di menara batch. Bahan dicampur bersama dan dipanaskan hingga suhu lebih dari 2.912°F (1.600°C). Suhu tinggi ini melelehkan bahan-bahan dan memungkinkan mereka untuk benar-benar bercampur untuk membuat gelas cair. Namun, campuran biasanya membutuhkan pemanasan yang lebih lama—hingga 24 jam—untuk menghilangkan gelembung berlebih yang dapat menyebabkan struktur menjadi lebih lemah.

Membentuk

• 2 Tangki batch dirancang sedemikian rupa sehingga gelas cair akan mengalir perlahan menuju ujung tangki yang berfungsi. Ujung tangki ini terhubung ke mesin pembuat umpan kontinu. Saat gelas bergerak dari tangki, gelas itu terlihat seperti sirup kental berwarna merah-oranye. Mesin pembentuk mengerjakan material dengan cepat karena saat mendingin menjadi kaku dan tidak dapat dikerjakan. Mesin pengolah kaca biasa meniup, menekan, menggambar, dan menggulungnya menjadi berbagai bentuk.
• 3 Proses pembentukan yang digunakan tergantung pada produk akhir. Peniupan kaca digunakan untuk membuat produk berdinding tipis seperti botol. Gelembung dari gelas cair dimasukkan ke dalam cetakan dua potong. Udara dipaksa masuk ke dalam cetakan, yang menekan kaca ke sisi-sisinya. Kaca mendingin di dalam cetakan dan menyesuaikan dengan bentuknya. Pengepresan kaca digunakan untuk membuat potongan kaca yang lebih tebal. Gelas cair dimasukkan ke dalam cetakan dan pendorong diturunkan yang memaksa kaca menyebar dan mengisi cetakan. Menggambar digunakan untuk membuat tabung atau batang. Dalam proses ini gelas cair ditarik ke bawah di atas kerucut berongga yang disebut mandrel. Udara dihembuskan melaluinya untuk menjaga tabung agar tidak runtuh sampai kaca menjadi kaku. Untuk lembaran kaca, seperti jendela, proses penggulungan digunakan.
• 4 Setelah produk terbentuk, produk didinginkan dan dipoles. Kemudian dapat didekorasi dengan berbagai cetakan atau tanda dan dilengkapi dengan potongan plastik jika perlu. Produk kaca kemudian diperiksa ketidaksempurnaannya, dimasukkan ke dalam kotak pelindung dan dikirim ke pelanggan. Tergantung pada ukuran tangki batching, sebanyak 700.000 lb (317.520 kg) produk kaca dapat diproduksi dalam satu tahun.

Kontrol Kualitas

Karena kualitas kaca tergantung pada kemurnian bahan baku, produsen menggunakan ahli kimia kontrol kualitas untuk mengujinya. Karakteristik fisik diperiksa untuk memastikan mereka mematuhi spesifikasi yang ditentukan sebelumnya. Misalnya partikel Diagram produksi Pyrex. ukuran diukur menggunakan layar yang disambungkan dengan tepat. Komposisi kimia juga ditentukan dengan IR atau GC. Pemeriksaan sederhana lainnya yang dilakukan pada bahan baku meliputi pemeriksaan warna dan evaluasi bau. Selama produksi produk kaca, inspektur mengawasi produk kaca pada titik tertentu di jalur produksi untuk memastikan bahwa setiap produk terlihat benar. Mereka memperhatikan hal-hal seperti retakan, cacat atau ketidaksempurnaan lainnya. Untuk produk tertentu, ketebalan kaca diukur.

Produk Sampingan/Limbah

Karena Pyrex terbuat dari senyawa yang menjadi oksida saat dipanaskan, polusi udara merupakan masalah potensial. Berbagai produk sampingan dapat dilepaskan selama pembuatan termasuk nitrat, sulfat, dan klorin. Bahan kimia ini dapat bereaksi dengan air membentuk asam. Hujan asam telah terbukti menyebabkan kerusakan signifikan pada struktur buatan manusia serta ekosistem alami. Salah satu metode yang digunakan pembuat kaca untuk mengurangi polusi adalah dengan membuat komposisi kaca yang memiliki suhu leleh lebih rendah. Suhu yang lebih rendah mengurangi jumlah penguapan sehingga mengurangi jumlah polutan gas. Pengendalian pencemaran lainnya adalah penggunaan presipitator yang dipasang pada cerobong asap. Perangkat ini membantu mengurangi polusi udara dengan menyaring padatan yang bertahan dalam asap dan uap yang dihasilkan oleh proses peleburan. Saluran pembuangan limbah dipantau untuk memastikan bahwa hanya limbah pabrik dalam jumlah yang diperbolehkan yang dilepaskan ke lingkungan. Ini membantu mencegah pencemaran air.

Metode pengendalian polusi tambahan adalah penggunaan ventilator. Perangkat ini juga disebut regenerator karena membantu memulihkan dan mendaur ulang energi panas yang dikonsumsi selama pembuatan. Ini memiliki efek ganda mengurangi polusi udara dan menurunkan biaya produksi. Teknik pengurangan biaya dan ramah lingkungan lainnya yang digunakan termasuk penggunaan panas listrik sebagai pengganti panas gas, dan penggabungan pecahan kaca daur ulang selama produksi kaca baru.

Masa Depan

Ke depan, produsen kaca borosilikat akan berkonsentrasi pada peningkatan penjualan dan perbaikan proses produksi. Untuk meningkatkan penjualan, produsen kaca akan terlibat dalam mencari dan mempromosikan aplikasi baru untuk produk mereka. Ini mungkin memerlukan formulasi kaca baru yang memiliki berbagai karakteristik mulai dari kejernihan, titik leleh, dan ketahanan pecah. Dari sudut pandang produksi, perbaikan di masa depan akan berfokus pada peningkatan kecepatan produksi, meminimalkan limbah kimia, dan mengurangi biaya keseluruhan.

Tempat Belajar Lebih Lanjut

Buku

Bansal, N.P., dan R.H. Doremus. Buku Pegangan Properti Kaca. New York:Academic Press, Inc., 1986.

Ensiklopedia Kirk-Othmer Teknologi Kimia. Jil. 12. New York:John Wiley &Sons, 1994.

Mazurin, 0. V. Buku Pegangan Data Kaca. New York:Elsevier Science Publishing Co., 1991.

Rogove, S.T., dan M.B. Steinhauer. Pyrex oleh Corning:Panduan Kolektor. New York:Publikasi Antik, 1993.

Lainnya

Halaman Web Museum Kaca Corning. 1 Oktober 2001. .

Paten Amerika Serikat 4.075.024. Kacamata Berwarna dan Metode. 1976.

Perry Romanowski