ホウケイ酸ガラスとは何か？なぜ酸化ホウ素で熱膨張率が小さくなるのか？

この記事で分かること

ホウケイ酸ガラス

　ガラスの用途は多岐にわたります。主な用途は、建物の窓ガラスや自動車のフロントガラスなどの建築・輸送機器です。また、ビール瓶や食品容器などの包装材、テレビやスマホのディスプレイ基板、光ファイバーなどのエレクトロニクス分野でも不可欠な素材です。

　そのためガラス製造市場の規模は非常に大きく、2024年時点で2,350億米ドル（約35兆円）を超えると推定されており、今後も年平均成長率（CAGR）5%以上で着実に拡大すると予測されています。

　この成長は主に、世界的な建設・建築分野での需要増加や、包装（リサイクル可能なガラス瓶の需要増）および自動車分野での用途拡大に牽引されています。

　前回はガラスの化学的な組成の違いやソーダ石灰ガラスに関する記事でしたが、今回は、ホウケイ酸ガラス に関する記事となります。

ホウケイ酸ガラスとは何か

　ホウケイ酸ガラス（Borosilicate glass）は、通常のガラス（ソーダ石灰ガラス）と比較して酸化ホウ素（ホウ酸無水物B2O3）の含有率を高めた特殊なガラスです。一般的に「耐熱ガラス」や「硬質ガラス」として知られるものの多くがこのタイプに該当します。

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主な特徴

　ホウケイ酸ガラスは、酸化ホウ素の添加により、優れた特性を持ちます。

• 低い熱膨張率：
  • 通常のガラスに比べて熱による膨張・収縮が非常に少ないため、急激な温度変化（熱衝撃）に強くなります。これにより、急な加熱や冷却でも割れにくいのが最大の特徴です。
• 高い耐熱性：
  • 軟化点が高く、高温での使用に適しています。
• 高い耐薬品性：
  • 水や酸、多くの化学薬品に対して優れた耐性を示します。
• 高い透明性：
  • 光透過率が高く、光学的にも優れています。
• 低い密度：
  • 主成分の一つであるホウ素の原子量が小さいため、通常のガラスより密度が低く、比較的軽量です。

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主な用途

その特性から、熱や薬品に対する耐久性が求められる分野で広く利用されています。

• 理化学器具：
  • ビーカー、フラスコ、試験管など、実験で加熱・冷却や薬品を扱うためのガラス器具。
• 台所用品・調理器具：
  • オーブンレンジや電子レンジ対応の耐熱皿、計量カップ、ティーポット、コーヒーサーバーなど。
• 医療分野：
  • 注射器（シリンジ）、医薬品のバイアル（アンプル）など。
• 工業・その他：
  • 工業用のレベルゲージ（液面計）、ランプ用ガラス、一部の光学ガラスなど。

ホウ酸の含有率と熱膨張率が低くなる理由は何か

　ホウケイ酸ガラスで熱膨張率が低くなる主な理由は、ガラスの主成分である二酸化ケイ素の網目構造に酸化ホウ素が加わることによる、ガラスの構造的な変化です。

1. 酸化ホウ素の役割

　ホウケイ酸ガラスは、主成分である二酸化ケイ素（約80%）の他に、多量の酸化ホウ素（約12〜13%）を含んでいます。この酸化ホウ素が、ガラスの網目構造に組み込まれることで、以下の効果をもたらします。

• 網目構造の引き締め：酸化ホウ素は、ケイ酸塩の網目構造（ガラスネットワーク）にしっかりと組み込まれ、構造をより強固で安定したものにします。これにより、熱が加わっても原子間の距離が大きく広がる（膨張する）のを抑制します。
• アルカリ成分の抑制：通常のソーダ石灰ガラス（窓ガラスなど）は、融点を下げるために多量のアルカリ金属酸化物（酸化ナトリウムなど）を含んでいます。このアルカリ成分が、ガラスの網目構造を緩め、熱膨張率を高める原因になります。ホウケイ酸ガラスは、このアルカリ成分の含有量を大幅に減らし、代わりに酸化ホウ素を添加することで、融点の低下と熱膨張率の抑制を両立させています。

2. 低い熱膨張率の構造的根拠

　結果として、ホウケイ酸ガラスは、熱が加わった際にガラス全体が膨張しようとする力を、強固なSiO2ーB2O3のネットワーク構造が抑え込むため、通常のガラス（ソーダ石灰ガラス）の約3分の1程度の低い熱膨張率（線膨張係数）を示します。

　この低い熱膨張率こそが、急激な加熱・冷却による熱衝撃に強く、割れにくい「耐熱ガラス」としての特性を生み出す根源です。

アルカリ成分ガラスの構造を緩める理由は何か

　アルカリ成分がガラスの構造（ケイ酸塩の網目構造）を緩める主な理由は、その成分が網目構造を切断し、架橋を破壊する「網目修飾成分（Network Modifier）」として作用するためです。

これは、通常のガラス（ソーダ石灰ガラス）の主成分である二酸化ケイ素と、添加されるアルカリ酸化物（酸化ナトリウムなど）の化学的な役割の違いから説明されます。

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構造が緩むメカニズム

1. SiO2の網目構造（ガラス骨格）
   • 純粋な石英ガラスは、Si原子が4つのO原子と共有結合し、Si-O-Siという強い結合で立体的な網目構造（ネットワーク）を形成しています。この構造が非常に強固なため、融点が高く、熱膨張率も低くなります。
2. アルカリ酸化物（NaOなど）の導入
   • アルカリ酸化物は、ガラスの溶融温度を下げる（作業性を良くする）ために添加されます。しかし、この成分が網目構造に組み込まれる際に、以下のような変化が起こります。
     • Si-O-Si結合の切断：アルカリイオンは、ガラスの網目構造を構成するSi-O-Siの酸素橋を切断し、Si原子に結合した非架橋酸素（Non-Bridging Oxygen, Si-O）を生成します。
     • 網目構造の分断：切断された部分にアルカリイオンが入り込み、その電荷を中和します。その結果、強固なSi-O-Siの三次元ネットワークが分断され、構造が弱く、緩いものになります。

結果としての影響

　この構造が緩むことにより、以下の特性が生じます。

• 熱膨張率の上昇：分断された構造は熱による振動や移動を受けやすくなり、熱膨張率が高くなります。
• 耐薬品性の低下：アルカリイオンが水などに溶出しやすくなり、化学的耐久性が低下します。
• 融点の低下：ガラスが柔らかくなる温度が下がり、加工しやすくなります。

耐薬品性に優れる理由は何か

　ホウケイ酸ガラスが耐薬品性に優れる主な理由は、アルカリ成分の含有量が非常に少ないことに加えて、二酸化ケイ素と酸化ホウ素で構成された強固な骨格構造を持っているためです。

1. アルカリ成分の抑制

　通常のガラス（ソーダ石灰ガラス）は、網目構造を緩め、水や薬品に溶け出しやすいアルカリ金属酸化物（酸化ナトリウムなど）を多量に含んでいます。

　ホウケイ酸ガラスは、アルカリ成分の含有量が極めて低いため、化学反応の起点となるイオンの溶出が抑制され、高い耐薬品性を保ちます。

2. 緻密なガラス骨格

• 主成分である二酸化ケイ素は、水や酸に対して非常に安定した強い結合構造を持ちます。
• さらに、酸化ホウ素が網目構造に組み込まれることで、ガラスの骨格がより強固で緻密になり、薬品がガラス内部に浸透しにくくなります。

例外となる薬品

　ホウケイ酸ガラスは、フッ化水素酸と熱濃リン酸を除くほとんどの酸や中性溶液に対して優れた耐久性を発揮します。

　ただし、アルカリ性の強い溶液（水酸化ナトリウムなど）には、長時間の接触や高温下で腐食を受けることがあります。