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ホウケイ酸ガラス
産業用途向けの耐熱・耐薬品性ガラス：ホウケイ酸ガラス
ホウケイ酸ガラスは、三酸化二ホウ素 (BO) とシリカ (SiO) からなるガラスで、高い耐久性、優れた化学的耐久性、耐熱衝撃性を備えています。実験室のビーカー、LED照明のカバー、そして他のガラスでは耐えられない産業用タッチパネルに使われているのが、このガラスです。
3.3×10⁻⁶/K
熱膨張
500 °C
使用温度
>90%
光線透過率
クラス1
耐水性
ホウケイ酸ガラスとは？
誕生の背景と原料
ホウケイ酸ガラスは、酸化ホウ素 (B₂O₃) とシリカという原料の組み合わせから生まれました。1893年にドイツの化学者Otto Schottがイエナで初めて製造したケイ酸塩ガラスであるホウケイ酸ガラスは、光学・実験分野の長年の課題、つまり広く使われていたソーダ石灰ガラスの内部が急激な温度サイクルで割れる問題を解決するために開発されました。
現在の用途
熱応力への対応を求められる現代の使用者にとって、ホウケイ酸ガラスは至るところにあります。科学実験用ビーカー、医薬品用バイアル、産業用サイトグラス、照明カバー、タッチパネルの表示部材など、いずれもその特性を活用しています。Corning Museum of Glassは、長年の歩みの中で、この器具の開発が近代ガラス製造史における最も重要な開発の一つであることが明らかになったと報告しています。
耐熱性と技術革新
このガラスを生んだ科学的なブレークスルー。
B₂O₃を核とする構造
酸化ホウ素は、ホウケイ酸ガラスの網目構造に不可欠な構成要素です。
低膨張
その結果、緻密で均質なガラスとなり、急激な温度変化でも従来のガラスより膨張と収縮が小さくなります。これが、ホウケイ酸ガラスが急加熱や急冷に耐えられる理由です。
1915年創業
1915年までに、米国のCorning Glass Worksはドイツの特許からこの技術を導入し
PYREX 実験用ガラス器具
Corningは、PYREXのホウケイ酸ガラス製実験器具を引き続き提供しています。
ホウケイ酸ガラスの化学組成と構造
ホウケイ酸ガラスのあらゆる特性は、その化学式によって完全に決まります。一般的なガラス (主にシリカ、ソーダ、石灰) と異なり、ホウケイ酸ガラスではアルカリ成分の大半を酸化ホウ素に置き換えています。この違いは分子レベルの構造にも表れています。
| 成分 | ホウケイ酸ガラス | 高ホウケイ酸ガラス | ソーダ石灰ガラス |
|---|---|---|---|
| SiO₂ (シリカ) | 70–80% | 75–81% | 70–75% |
| B₂O₃ (三酸化二ホウ素) | 7–13% | 12–15% | 0% |
| Na₂O (酸化ナトリウム) | 4–8% | 3–5% | 12–16% |
| Al₂O₃ (酸化アルミニウム) | 2–7% | 2–5% | 0.5–2% |
| CaO (酸化カルシウム) | 0–1% | <0.5% | 5–12% |
シリカと酸化ホウ素は、ホウケイ酸ガラスの網目構造を構成する基本成分です。実験用、医薬品関連、産業用の機器に使用する前に、指定グレードの熱膨張特性と耐薬品性を確認してください。
耐熱用ホウケイ酸ガラスの主な特性
ホウケイ酸ガラスが過酷な環境にも幅広く対応できるのは、熱特性、化学的安定性、光学特性、機械的強度という四つの特性によります。それぞれの数値が実際に何を意味するのかを説明します:
熱特性
熱膨張係数 (CTE) 3.3 × 10⁻⁶/K
BOROFLOAT 33について、SCHOTTは、10時間以上使用する場合の最高使用温度を450 °C、10時間未満の場合を500 °Cとしています。完成部品の温度勾配、荷重、冷却条件を確認してください。
ISO 3585:1998は、ホウケイ酸ガラス3.3の特性を規定しています。
耐薬品性
耐水性クラス1
このガラスはDIN ISO 719に基づく耐水性クラス1 (HGB 1) に該当し、最高水準の性能を備えています。水、ほとんどの酸 (フッ化水素酸を除く)、塩溶液、有機溶剤による侵食に耐えます。この化学的な強さから、製薬メーカーは注射剤用のタイプIホウケイ酸ガラス製バイアルに最適な材料としてホウケイ酸ガラスを選んでいます。ソーダ石灰ガラスとは異なり、ソーダ石灰ガラスのようにアルカリイオンが溶出しないため、保存した液体は何年も化学的に安定した状態を保ち、測定可能な表面劣化を引き起こすのはpH 12+の強アルカリ溶液とフッ化水素酸だけです。
光学特性
透過率>90%
可視光波長域 (380～780 nm) で90%を超える透過率による光学的透明性を維持し、587.6 nmでの屈折率は1.474です。その熱膨張係数により応力複屈折が小さくなり、優れた光学窓やディスプレイ用カバーガラスにとって重要な特性となります。当社の照明カバー案件では、通常、厚さ3.3 mmのホウケイ酸ガラスを指定し、連続使用温度350 Cまでの耐熱性を維持しながら、91～92%の透過率を実現しています。
機械的強度
モース硬度6.5
部品の耐衝撃性能は、その部品の寸法、取付方法、穴、荷重条件によって異なります。条件が明示されていない硬度や強度の値だけで選定せず、提案された完成部品の機械試験データを求めてください。
密度
2.23 g/cm³
熱伝導率
1.14 W/m·K
屈折率
1.474
電気抵抗率
10¹⁵ Ω·cm (25 °C)
誘電率
4.6 (1 MHz)
ヤング率
64 GPa
ホウケイ酸ガラスの種類と分類
ホウケイ酸ガラスは、どれも同じではありません。ASTM E438では実験室用ガラスを種類別に分類しており、ホウ素含有量が性能に影響します。産業用の調達に関係する分類は以下のとおりです:
B₂O₃ 12～15%
高ホウ酸含有タイプ (タイプI クラスA)
- 熱膨張係数 (CTE): 3.3 × 10⁻⁶/K — “3.3ガラス”の規格
- 最高水準の化学的耐久性と耐熱衝撃性
- 商品名: SCHOTT DURAN、Corning 7740、BOROFLOAT
- 用途: 実験用ビーカー、医薬品用バイアル、観察窓、ホウケイ酸ガラス管、照明カバー
B₂O₃ 7～10%
標準ホウケイ酸ガラス
- 熱膨張係数 (CTE): 約4.5～5.0 × 10⁻⁶/K
- ホウ素含有量が少なく、コストを抑えられる
- 中程度の温度サイクルに対応
- 主な使用先: 調理器具、オーブン用調理器具、日常使いのガラス器具、計量カップ
特殊用途
Pyrexブランドガラス
- 欧州のPyrex: 現在もホウケイ酸ガラスを使用 (Arc International)
- 現在の米国のpyrex: 1998年に強化ソーダ石灰ガラスへ切り替え
- 現在、ホウケイ酸ガラスの組成は、もはやpyrexというブランド名と結び付いていません。
- 製品仕様を確認してください。 ガラスの組成と製品に認められる用途を、メーカーに確認してください。
重要なお知らせ
ガラスのグレードと、用途に必要な規格を指定してください。ISO 3585はホウケイ酸ガラス3.3を、ASTM E438は実験器具用ガラスを対象としています。“高ホウケイ酸ガラス”や“普通ホウケイ酸ガラス”といった表示に頼らず、適合を裏付ける資料を求めてください。
ホウケイ酸ガラスとソーダ石灰ガラスの比較
調達担当者は、ホウケイ酸ガラスとソーダ石灰ガラスをよく比較します。どちらもケイ酸塩ガラスですが、解決する課題は異なります。以下は宣伝文句ではなく、測定に基づく特性の違いを示した比較表です。
温度サイクルと用途
熱膨張係数3.3と9.0の差は、ホウケイ酸ガラスがソーダ石灰ガラスより約4倍、温度変動に強いことを示しています。産業用サイトグラス、オーブンの観察窓、照明カバーなど、毎日温度サイクルにさらされる用途では、ソーダ石灰ガラスは耐えられません。
熱強化処理に関する誤解
ソーダ石灰ガラスは熱強化処理によって耐衝撃強度を4～5倍に高められますが、耐熱衝撃性はまったく向上しません。熱にさらされる用途では、ホウケイ酸ガラスが優れています。
| 特性 | ホウケイ酸ガラス | ソーダ石灰ガラス |
|---|---|---|
| 熱膨張係数 (CTE) (×10⁻⁶/K) | 3.3 | 9.0 |
| 熱衝撃 | 約160 °C | 約37 °C |
| 最高温度 | 500 °C | 250 °C |
| 耐性 | クラス1 | クラス3 |
| 密度 (g/cm³) | 2.23 | 2.50 |
| 相対コスト | 3–5× | 基準 |
ホウケイ酸ガラスの産業用途
ホウケイ酸ガラスは、耐熱性、耐薬品性、光学的透明性 (通常はこの三つすべて) が求められる用途で選ばれており、以下の一覧は調達傾向に基づいて、産業分野での重要度順に並べています。
実験・科学機器
実験用フラスコ、ビーカー、その他の器具に使用するホウケイ酸ガラス部品については、材料仕様書、該当する適合性関連文書、妥当性が確認された滅菌手順書を求めてください。使用する薬品や洗浄サイクルに部品が適合することを確認してください。
照明・LED用カバーガラス
照明用カバーガラスについては、連続使用時およびピーク時の表面温度、熱サイクル、必要な光線透過率、環境への暴露条件を明記してください。提案された材料、コーティングとの適合性、カバー完成品の試験結果をSW Glassに確認してください。
産業用タッチパネル・ディスプレイ用カバーガラス
産業用HMIパネル、医療用モニター、屋外の対話型端末に使用するホウケイ酸カバーガラスは、熱安定性と優れた電気絶縁性を備えています。化学強化 (イオン交換) により表面硬度を700 HV超に高められ、特に使用頻度の高いタッチインターフェースに適しています。当社は800 600 mmまでのディスプレイ用カバーガラスを、0.05 mmの精度でCNC切断します。
家電製品用パネル
オーブンのドア、コーヒーマシンの貯水タンク、エアフライヤーのふた、電子レンジのターンテーブル皿は、いずれもホウケイ酸ガラスの耐熱衝撃性を活用しています。これは、お客様がホウケイ酸ガラスに最もよく触れ、意識せずに購入・使用している分野です。200 C+を超えるオーブン内の温度と、ドアを開けた際の急冷に対応します。調理器具やオーブン用調理器具に広く使われるホウケイ酸ガラスは、食器洗い機で洗浄でき、食べ物のにおいがもともと付きにくい材料です。
Pyrexホウケイ酸ガラスの製造と加工
ホウケイ酸ガラス部品を調達する際は、基材ガラスの製造元と、見積もりに含まれる成形・加工工程を確認してください。材料のグレード、寸法、受入基準を確認してください。
01
原料の調合
石英砂 + ホウ砂 + ソーダ灰 + アルミナを±0.1%の精度で計量
02
溶融
白金内張り炉または電気炉で1,648 °Cに加熱
03
成形
製品に応じてフロート法、引上げ法、吹込み成形、プレス成形を使用
04
徐冷
内部応力を除去するため、560 °Cで制御冷却
05
加工
CNC切断、穴あけ、端面研削、研磨
06
表面処理
化学強化、防眩・反射防止・防指紋コーティング、シルクスクリーン印刷
基材ガラスの異物や気泡に関する規格と要件を提示するよう求めてください。あわせて、提案する検査方法と合否判定の限度値も求めてください。
ご指定のグレードと図面に対して、以下の加工のうちどれに対応できるか、SW Glassに確認してください：
CNC高精度切断・穴あけ—複雑な形状でも公差0.05 mmに対応
化学強化処理 (イオン交換) – 対応の可否と選定したグレードへの適合性を確認し、完成部品の機械試験結果を求めてください。
AGエッチング (防眩) – 対応の可否を確認し、グレア、ヘイズ、画像のクリア性について許容基準を指定してください。
反射防止コーティング (防眩)—設計波長で透過率を91%から97%に向上させます。
防指紋コーティング (撥油) – 対応の可否、洗浄との適合性、必要な防指紋性試験を確認してください。
シルクスクリーン印刷—ブランド表示、計量目盛り、機能を示す図柄を500 Cで焼き付け、恒久的に定着させます。
ホウケイ酸ガラスは安全ですか？
食品接触用途、医療用途、実験用途では、ガラスの正確なグレード、施されるコーティングや印刷装飾、想定される暴露条件に関する文書を求めてください。
BPA、鉛、カドミウムを含まない
ガラス、コーティング層、印刷装飾について、組成申告書と、必要な規制対象物質の試験報告書を求めてください。
耐水性と溶出要件の確認
ISO 719は、98 °Cでガラス粒から溶出するアルカリ量を測定し、耐水性を分類する規格です。指定したグレードについて、試験結果に加え、用途に応じて溶出試験および／または医薬品包装試験の裏付け資料を求めてください。
FDA・EU承認済み
ホウケイ酸ガラスは、食品との接触を意図した材料の使用に関する、適用対象のすべてのFDA 21 CFR食品接触規制およびEU規則 (EC) No 1935/2004に適合しています。
オートクレーブ処理・滅菌にも安全に対応
実験室グレードのホウケイ酸ガラスは、構造が損なわれたり毒性が生じたりすることなく、最大134 C Cで安全にオートクレーブ処理できます。
使用上の注意
ホウケイ酸ガラスは’割れない’ガラスではありません。細かく角の丸い粒状に割れる強化ガラスとは異なり、破損すると鋭利な破片になります。割れたホウケイ酸ガラスを片付ける際は、他のガラスと同様に注意してください。材料としては、現代に知られるガラス組成の中でも、化学的安定性が特に高く、毒性が特に低いものの一つであることは間違いありません。
✅ FDA 21 CFR
✅ EU 1935/2004
✅ ISO 719 クラス1
✅ BPA不使用
✅ 鉛不使用
SW Glassの特注ホウケイ酸ガラスソリューション
材料仕様書、図面、必要数量を、用途に関する要件とともにSW Glassにお送りください。提案された加工範囲、検査基準、納入条件について確認を求めてください。
年間生産量
1,000,000+個
対応板厚
0.5–25 mm
CNC加工公差
±0.05 mm
最大パネル寸法
1500 × 1000 mm
必要な発注数量、納入スケジュール、検査基準、製品規格を提示してください。見積範囲について、SW Glassに生産能力の確認と、関連する証明書および適合性関連文書の提示を求めてください。
ISO 9001:2015
EN 12150
RoHS適合
REACH適合
ホウケイ酸ガラスの活用事例
欧州のLED照明メーカー — カバーガラス
所在地：ドイツ | 期間：2024年Q2～Q3 | 数量：35,000個/月
ドイツのOEM照明メーカーは、屋外投光器向けに、連続表面温度250 Cに対応する切替式カバーガラスを必要としていました。従来の供給元のソーダ石灰ガラスは、紫外線と熱にさらされてわずか6か月で黄変していました。
厚さ4 mmの高ホウケイ酸ガラスに、片面の反射防止処理とブランド表示のシルクスクリーン印刷を施して供給しました。ホウケイ酸ガラスは、250 Cでの稼働と、冬季の-20 Cから起動時の温度までの温度サイクルを経ても、表面劣化が見られませんでした。化学強化により、落下試験の合格率は60% (徐冷品) から97%に向上しました。
結果：12か月にわたり、熱割れによる市場からの返品はゼロでした。5,000時間の加速経時劣化試験後も、透過率は93.2%を維持しました。この結果を高く評価した顧客は、屋内用トラック照明シリーズにも発注を拡大しました。
医療機器インテグレーター — HMIディスプレイパネル
所在地：韓国 | 期間：2024年Q4 | 数量：8,000個/四半期
ある医療機器メーカーから、ForGizersと過酢酸による毎日の薬品消毒に耐えられる、患者モニター用のディスプレイカバーガラスの供給を依頼されました。従来のカバーガラスは、清掃サイクルを繰り返すと三か月で表面に白濁が生じていました。
提案された基材と表面処理を確認し、コーティング済みパネルの完成品について、ヘイズ、グレア、タッチ性能を評価した洗浄サイクル試験の結果を提示するようSW Glassに求めてください。
結果：臨床現場で6か月使用した後の表面ヘイズ値は、3.2%から0.5%未満に低減しました。新しいホウケイ酸カバーを採用した製品は、IEC 60601-1の電気安全試験に合格しました。現在、顧客は新しいモニター製品の全シリーズにホウケイ酸ガラスを指定しています。
家電OEM (SEB Group) — オーブンドア用パネル
所在地：フランス (中国で生産) | 期間：2023年～継続中 | 数量：20,000+個/月
Fortune Global 500に名を連ねる家電メーカーSEB Groupは、コンベクションオーブンの使用温度280 Cに耐えながら、消費者に良好な視認性を提供できるオーブンドアの内側パネルを必要としていました。また、シルクスクリーン印刷による安全表示には、高温での長年の使用でも剥がれたり色あせたりしない耐久性が求められました。
SW Glassは、材料、パネルの厚さ、端面仕上げ、印刷工程を図面と照合して確認する必要があります。生産開始前に、検査を行う工程、不良の定義、抜取検査計画について合意してください。
結果：2023年以降、不良率0.3%未満で安定供給を続けています。300 °Cで2,000時間の加速熱劣化試験を行っても、シルクスクリーン印刷の表示に劣化はまったく見られませんでした。SW Glassは現在、SEBのホウケイ酸ガラス部品向け認定取引先リストに登録された、承認済みガラスメーカーです。
よくあるご質問
ホウケイ酸ガラスは食品や飲料に使用しても安全ですか？
はい、BPA、鉛、カドミウムは含まれていません。高温でも、食品や液体に化学物質が溶出することはありません。FDA 21 CFRおよびEU 1935/2004の食品接触要件に適合しています。食器洗い機での洗浄にも対応しています。
Pyrexがホウケイ酸ガラスの使用をやめたのはなぜですか？
Corningは1998年に米国市場におけるpyrexブランドのライセンスをCorelle Brands (旧World Kitchen) に売却し、新たな所有者はコストを最小限に抑えるため、製造に使う材料をホウケイ酸ガラスから強化ソーダ石灰ガラスへ切り替えました。ソーダ石灰ガラスは製造コストが低く、落下衝撃にも強い材料です。ただし、EUのPyrex (Arc International) は、現在も加熱用途にホウケイ酸ガラスを使っています。そのため、現在の米国のPyrexは、以前の安定したホウケイ酸ガラス製品に比べて落下に弱く、耐熱衝撃性も劣っています。
ホウケイ酸ガラスの最高使用温度は何度ですか？
すべてのホウケイ酸ガラス製品に共通する最高温度はありません。グレードのメーカーが定める暴露時間の限度と、完成部品の荷重、温度勾配、コーティング、および組立状態を確認してください。見積対象の部品の使用温度範囲をSW Glassに確認してください。
ホウケイ酸ガラスにはどのような欠点がありますか？
ここで重要になるのはコストで、同じ寸法ならホウケイ酸ガラスの価格はソーダ石灰ガラスの3～5倍です。また、溶融温度も高く設定されているため（ソーダ石灰ガラスが1,000 Cであるのに対し、約1,648 C）、エネルギーコストが増加します。耐衝撃性は強化ソーダ石灰ガラスに匹敵するものの、衝撃を受けるとより割れやすい傾向があり、ホウケイ酸ガラス製のビーカーを落とすと、強化ソーダ石灰ガラスのように細かな粒状に砕けるのではなく、破片になって割れる可能性が高くなります。融点が高いため、一般的なソーダ石灰ガラスの廃棄物と一緒にリサイクルできないことも懸念点です。熱を伴わない用途や化学用途の大半では、ソーダ石灰ガラスのほうが経済的です。
ホウケイ酸ガラスは割れることがありますか？
はい。ホウケイ酸ガラスは160 Cまでの熱衝撃にひび割れずに耐えられ、ソーダ石灰ガラス（37 C）を大きく上回ります。ただし、硬いものによる引っかき傷には一切耐えられず、その脆さはよく知られています。利点もあり、かすめるような衝撃を受けた際の割れ方は予測しやすく、強化ガラスのように細かく砕け散るのではなく、鋭利ながらも形のはっきりした破片が飛び散ります。熱と衝撃への耐久性を高めるには化学強化が最適で、表面の圧縮応力を高めることで、中程度の落下・振動荷重に耐えられるようになります。
ホウケイ酸ガラスと一般的なガラスは何が違いますか？
また、一般的なガラス（ソーダ石灰ガラス）は、シリカ70%、ソーダ（NaO）15%、石灰（CaO）10%で構成されています。ホウケイ酸ガラスでは、ソーダと石灰の大半を7～13%の三酸化ホウ素に置き換えることで、熱膨張を3低減しています。そのため、ホウケイ酸ガラスは急激な温度変化でもひび割れずに耐え、酸や薬品に対する耐性がはるかに高く、紫外線および近赤外線の波長域でより多くの光を透過します。ソーダ石灰ガラスは安価で、熱強化処理を施すと強度が高くなり、当社では窓や瓶、広口瓶の製造に使用しています。
ホウケイ酸ガラスかどうかは、どう見分けますか？
現場でできる三つの検査：まずは目視で確認しましょう！実験室で使われるガラス器具には、通常、”Boro 3.3″のような表示や、DURAN、pyrex（欧州向け）、Kimbleの刻印があります。次に、軽くたたくと材質ごとに異なる音が響き、ホウケイ酸ガラスは弾性率の違いにより、やや高い音がします。最後に、現場で最も信頼できる検査は偏光検査器によるもので、強化ソーダ石灰ガラスには応力による色模様がはっきり現れるのに対し、ホウケイ酸ガラスでは応力複屈折がごくわずかです。製造現場の品質管理で行うように、密度（ソーダ石灰ガラスは2.50 g/cm、ホウケイ酸ガラスは2.23 g/cm）を測定すれば、明確に判別できます。
ホウケイ酸ガラスは強化ガラスより優れていますか？
ホウケイ酸ガラスはガラスの組成による分類を示し、熱強化処理は強度を高める処理を指します。実際の完成部品について、熱サイクル、耐衝撃性、求められる破損時の挙動を比較してください。熱強化処理によって、ソーダ石灰ガラスの耐熱衝撃性と機械的強度を向上させることもできます。
高ホウケイ酸ガラスとは何ですか？
高ホウケイ酸ガラス（高ホウ酸塩ホウケイ酸ガラスとも呼ばれます）は、一般的なホウケイ酸ガラスの三酸化ホウ素（BO）含有量が7～10%であるのに対し、12～15%を含んでいます。ホウ素含有量が高いことで、熱膨張係数が低下し、化学的耐久性が向上します。高ホウケイ酸ガラスはASTM E438 Type I Class Aに該当し、実験器具用のISO 3585にも適合しています。代表的な商品名には、SCHOTT DURAN、Corning 7740、BOROFLOATがあります。実験用ビーカー、医薬品用バイアル、高温照明用レンズでは、この材料が標準的に使用されています。
