CN102167511B - 低能辐射防护玻璃的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低能辐射防护玻璃的制造方法，属于防辐射玻璃制造领域。本发明的原料配比如下：Li2O3～6％；Na2O6～8％；Al2O33～8％；B2O32～5％；Ce2O2～6％；SrO、ZnO、MgO共3～8％；余量为SiO2。本发明经过配料、搅拌、熔炼、浇注、退火等工艺制成。使用本发明方法制得的玻璃达到了国外先进水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种低能辐射防护玻璃的制造方法，属于防辐射玻璃制造领域。
背景技术
低能辐射防护玻璃是根据辐射防护理论“光电作用概率与壳层电子结合能的K吸收限”的原理研制而成。
在光子能量较低时，它与物质的相互作用以光电效应为主。光电效应在原子各壳层上发生的概率与壳层电子的结合能有关，在原子中束缚越紧的电子，发生光电效应的概率越大，在入射光子能量等于某一壳层电子的结合能时，光电效应在该壳层发生的概率最大，这就导致了光电作用概率在光子能量等于K或L壳层电子结合能的地方发生突变。此时光电效应发生概率最大，也就是物质吸收射线效果最佳。
一种优良的防辐射玻璃，理论上其可见光透过率高，抗辐照符合安全要求，同时在实际生产中具备“结构简单、生产方便、价格低”等优点。但是由于高能粒子和高能辐射作用于一般光学玻璃后，要在紫外、可见和红外区域产生一系列由玻璃中氧离子空位与游离电子结合所产生的色心，从而造成玻璃的透过率大大下降，且主要表现在紫外和可见光区域。为了保证在辐照环境下玻璃能够正常工作，在国内外研究中非常重视稀土元素Ce的掺入。
一方面，58铈(Ce)可能的价态为Ce3+和Ce4+在可见光谱内都没有吸收带，保证了掺入后不影响玻璃的透光性能；另一方面，引入少量变价元素的高价氧化物(CeO2)，使玻璃受辐射后，辐射的能量首先用来改变他们的原子价，由高价变成低价，而这些氧化物原子价的改变，当受到辐射后四价的Ce4+按照下式变为三价的Ce3+，辐射的能量就消耗在离子价数的转变上，而不是消耗于色心的形成；此外，CeO2还可以代替Sb2O3起澄清剂的作用。
S.Guard等人研究了在稳态Y与脉冲X射线辐照环境下，纯石英芯和掺CeO2石英芯光纤的抗辐射性能。结果表明在两种环境下，纯石英芯光纤的抗辐射性能都要明显优于掺CeO2石英芯光纤。而美国海军实验室的David L.Griscom对用于图像传输用的掺CeO2石英光纤进行了抗辐射性能研究。通过对掺CeO2引入的缺陷进行分析，认为该光纤的抗辐射性能对制备工艺存在很大的依赖性。由于该光纤在400-700nm波段辐照结束后感生损耗没有恢复迹象，因而这种光纤即使在几百戈瑞(Gy)的辐照环境下就已不能正常工作了。
此外也有文献表明，掺CeO2单模石英光纤的辐致损耗与剂量率大小无关，而与总剂量成正比。在较低剂量下，掺CeO2光纤的辐照特性要优于纯石英芯光纤，这与S.Girard等人研究的结论之间又存在分歧。
耐辐照、大尺寸、高强度以及开发防辐射玻璃在核工业、军事以及医学等领域的应用是防辐射玻璃的研发趋势。世界著名的美国Corning公司和英国Pilkington公司在防辐射玻璃的研究和生产领域处于世界领先水平，他们均采用配合料熔融后直接拉制成形的工艺方法进行防辐射玻璃的生产，玻璃板面宽度可达400mm，最小厚度为0.05mm，由于成形表面为自由表面，玻璃的抗弯强度能够达到130～150MPa。
安徽华东光电技术研究所周恩荣，通过控制玻璃中铁离子含量、调整碱金属氧化物Na2O和K2O等的含量和比例，利用混合碱效应等来提高玻璃的透过率；讨论了碱土金属氧化物BaO、SrO、PbO等对玻璃χ-射线吸收系数的影响；分析了CeO2提高玻璃耐辐射能力的机理；制得了一种透过率高达90％，0.06nm的χ-射线吸收系数超过37.2cm-1，并且具有良好耐辐射变色性能的CRT屏玻璃。
华东理工大学无机材料系陈国荣等人从新型抗辐射闪烁体材料的应用背景出发，对某些稀土离子掺杂重金属锗酸盐玻璃进行了紫外与可见光谱区的透过性能及抗辐射性能的表征，重点讨论玻璃基质组成与短波截止波长之间的关系以及一些元素对玻璃抗辐射性能的影响。玻璃基质组成涉及CeO2、Gd2O3，BaO，SnO，La2O3，掺杂的稀土元素包括Ce3+，Tb3+，Pr3+。实验结果表明：这些重金属锗酸盐玻璃的紫外截止波长适中(350nm)，适于用作掺杂稀土离子的基质材料。Sn2+和Ce3+使玻璃的紫外截止波长明显红移，其原因与特殊的紫外吸收机理有关。在所加入的元素中，Sn2+和稀土离子Ce3+，Tb3+，Pr3+均对玻璃的抗辐射性能有增强作用，其中以Ce3+抗辐射效应最为明显，这主要归因于这些离子的变价特性。
成都光明光电信息材料有限公司专利号ZL 03117435.3提供了一种耐辐射光学玻璃，所述光学玻璃的重量百分比组成包括：Na2O：2％～5％；K2O：4％～8％；SiO2：40％～45％；CeO2：0.1～1％；PbO：45％～53％。它不仅具有耐辐射性能，并且该光学玻璃的气泡为A级，条纹为B级，适合于池炉连续生产。该公司另一专利号ZL 03117489.2，提供了一种耐辐射光学玻璃，它包括下列重量百分比组份：SiO2：40％～48％；PbO：36％～45％；CeO2：0.1-1％。它具有耐辐射性能且折射率为1.31左右。
我国目前研制生产防辐射玻璃的单位主要有中国建筑材料科学研究总院和上海有色光学玻璃厂，生产工艺都是先用坩埚窑熔制出大尺寸玻璃毛坯然后进行冷加工成形的两步法工艺。由于最后采用冷加工成形，在制备成本、尺寸大小和制品强度上暴露了与国外先进水平的差距，比如太阳能电池盖片玻璃，最大尺寸只能达到120×60mm，抗弯强度达到80MPa左右，为进一步提高强度，还需对玻璃进行增强处理。
通过下表可得知，我国在乃辐照玻璃的研究和国外还是具有一定的差距。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题，提供一种低能辐射防护玻璃的制造方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
低能辐射防护玻璃的制造方法，包括以下步骤：
①将下述原料搅拌均匀：
Li2O 3～6％
Na2O 6～8％
Al2O3 3～8％
B2O3 2～5％
CeO2 2～6％
SrO、ZnO、MgO共3～8％
余量为SiO2；
②将上述原料在粘土坩埚中制备成熟料后转移到硅钼棒电炉的铂金坩埚中熔化，熔制温度控制为1500～1600℃，时间控制为6～8h，并且在熔制过程中进行间歇性多次搅拌；
③将经过步骤②制得的物料浇筑成玻璃，然后退火制成成品。
低能辐射防护玻璃是根据辐射防护理论“光电作用概率与壳层电子结合能的K吸收限”的原理研制而成。在光子能量较低时，它与物质的相互作用以光电效应为主。光电效应在原子各壳层上发生的概率与壳层电子的结合能有关，在原子中束缚越紧的电子，发生光电效应的概率越大，在入射光子能量等于某一壳层电子的结合能时，光电效应在该壳层发生的概率最大，这就导致了光电作用概率在光子能量等于K或L壳层电子结合能的地方发生突变。此时光电效应发生概率最大，也就是物质吸收射线效果最佳。
根据上述理论，当入射光子能量等于玻璃中金属离子K层电子结合能时吸收效果最佳。因此，可选择在此范围内的多种金属元素融入玻璃结构，以达到防护目的。由此确定了以SiO2等为主体骨架，选用低原子序数的物质以降低防护玻璃对光子的散射，通过引入了B2O3、ZnO2、SrO、Na2O等碱金属化合物，组成防护玻璃原料的配方；同时针对国内应用医用X射线的情况，经过理论估算，从偏安全的角度考虑(对漏射线和散射线叠加防护)，选择适当的铅当量值，达到最终产品在低能辐射场的防次级辐射的要求的目的。
项目在认真进行市场分析调研和充分吸收国际同类产品的先进设计理念的基础上，根据辐射防护理论“光电作用概率与壳层电子结合能的K吸收限”的原理，通过硅酸盐玻璃中引入多种低能原子序数的金属氧化物，引入了B2O3、ZnO2、SrO、Na2O等碱金属化合物，经优化配比，以降低防护玻璃对光子的散射。最终确定产品配方，经配料、粘土坩埚制备熟料、在铂金坩埚中熔炼、浇铸、退火而成，最终产品对低能辐射场具有良好的防护效果；可广泛用于建筑装饰防辐射、电器、仪器、医用防辐射等工业防辐射领域，可用于制造防辐射产品、射线防护探伤器材、电视机荧光屏、电脑屏幕、照相机镜头及艺术品等。
目前的生产厂家为了节省生产成本，采用粘土坩埚熔炼，而该类坩埚的最大问题在生产熔炼中会带入杂质，产生结石、气泡、条纹现象，很能确保防护玻璃的品质。项目通过现有工艺的研究，最终确定产品配方和生产工艺，经配料、粘土坩埚制备熟料、在铂金坩埚中熔炼、浇铸、退火而成，最终产品对低能辐射场具有良好的防护效果。
铂金坩埚中熔炼过程中，当熔融玻璃液成型到最后时，都流到坩埚下部，由于铂金坩埚下端横截面的面积小于上端横截面的面积，铂金坩埚内的玻璃液通过搅拌均化，玻璃液非常均匀，杜绝了最终产品的条纹，优良品率提高。
使用上述技术方案制得的产品经检测具有以下性能：
1、可见光透射比(400nm～700nm)≥90％；
2、折射率≥1.56；
3、辐射率≤0.2；
4、摩氏硬度＜9级；
5、抗折强度≥130～150MPa。
根据斯坦茵退火窑的工艺原理以及本厂的实际情况合理制定生产厚玻璃的退火参数，提高玻璃退火质量。由于退火时厚玻璃板内外温差较大而产生较大的应力，容易致使玻璃炸裂。因此认识这一特性，减小玻璃板内外温差、优化退火参数是生产玻璃的关键。因此，本发明中的退火步骤中，将退火温度逐段依次设定为1500℃、1400℃、1300℃、1200℃、1100℃、1000℃直至100℃；同时控制通过玻璃通过速度2～3m/min。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明方法工艺简单，并且通过本发明方法制得的玻璃达到了“可见光透射比(400nm～700nm)≥90％；折射率≥1.56；辐射率≤0.2；摩氏硬度＜9级；抗折强度≥130～150MPa”的性能，与国外同类产品的质量接近。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例一
图1所示为本发明的工艺流程图。
低能辐射防护玻璃的制造方法，包括以下步骤：
①将下述原料搅拌均匀：Li2O3％、Na2O6％、Al2O33％、B2O32％、CeO22％、SrO+ZnO+MgO3％，余量为SiO2；
②将上述原料在粘土坩埚中制备成熟料后转移到硅钼棒电炉的铂金坩埚中熔化，熔制温度控制为1500℃，时间控制为6h，并且在熔制过程中进行间歇性多次搅拌；
③将经过步骤②制得的物料浇筑成玻璃，然后退火制成成品；退火过程中在退火区设定每50cm降温100℃，然后使得浇注完成的待退火的玻璃以2m/min的速度通过退火区。
实施例二
低能辐射防护玻璃的制造方法，包括以下步骤：
①将下述原料搅拌均匀：Li2O4％、Na2O7％、Al2O34％、B2O33％、CeO23％、SrO+ZnO+MgO4％，余量为SiO2；
②将上述原料在粘土坩埚中制备成熟料后转移到硅钼棒电炉的铂金坩埚中熔化，熔制温度控制为1550℃，时间控制为6.5h，并且在熔制过程中进行间歇性多次搅拌；
③将经过步骤②制得的物料浇筑成玻璃，然后退火制成成品；退火过程中在退火区设定每50cm降温100℃，然后使得浇注完成的待退火的玻璃以2.1m/min的速度通过退火区。
实施例三
低能辐射防护玻璃的制造方法，包括以下步骤：
①将下述原料搅拌均匀：Li2O5％、Na2O7％、Al2O35％、B2O34％、CeO24％、SrO+ZnO+MgO5％，余量为SiO2；
②将上述原料在粘土坩埚中制备成熟料后转移到硅钼棒电炉的铂金坩埚中熔化，熔制温度控制为1600℃，时间控制为7h，并且在熔制过程中进行间歇性多次搅拌；
③将经过步骤②制得的物料浇筑成玻璃，然后退火制成成品；退火过程中在退火区设定每50cm降温100℃，然后使得浇注完成的待退火的玻璃以2.5m/min的速度通过退火区。
实施例四
低能辐射防护玻璃的制造方法，包括以下步骤：
①将下述原料搅拌均匀：Li2O6％、Na2O7％、Al2O36％、B2O35％、CeO25％、SrO+ZnO+MgO6％，余量为SiO2；
②将上述原料在粘土坩埚中制备成熟料后转移到硅钼棒电炉的铂金坩埚中熔化，熔制温度控制为1600℃，时间控制为7h，并且在熔制过程中进行间歇性多次搅拌；
③将经过步骤②制得的物料浇筑成玻璃，然后退火制成成品；退火过程中在退火区设定每50cm降温100℃，然后使得浇注完成的待退火的玻璃以3m/min的速度通过退火区。
实施例五
低能辐射防护玻璃的制造方法，包括以下步骤：
①将下述原料搅拌均匀：Li2O6％、Na2O8％、Al2O38％、B2O35％、CeO26％、SrO+ZnO+MgO8％，余量为SiO2；
②将上述原料在粘土坩埚中制备成熟料后转移到硅钼棒电炉的铂金坩埚中熔化，熔制温度控制为1600℃，时间控制为7h，并且在熔制过程中进行间歇性多次搅拌；
③将经过步骤②制得的物料浇筑成玻璃，然后退火制成成品；退火过程中在退火区设定每50cm降温100℃，然后使得浇注完成的待退火的玻璃以3m/min的速度通过退火区。
Claims (2)
1.低能辐射防护玻璃的制造方法，包括以下步骤：
①将下述原料搅拌均匀：
Li2O 3～6％
Na2O 6～8％
Al2O3 3～8％
B2O3 2～5％
CeO2 2～6％
SrO、ZnO、MgO共3～8％
余量为SiO2；
②将上述原料在粘土坩埚中制备成熟料后转移到硅钼棒电炉的铂金坩埚中熔化，熔制温度控制为1500～1600℃，时间控制为6～8h，并且在熔制过程中进行间歇性多次搅拌；
③将经过步骤②制得的物料浇筑成玻璃，然后退火制成成品。
2.根据权利要求1所述的低能辐射防护玻璃的制造方法，其特征在于：步骤①中的原料具体为：
Li2O 4～5％
Na2O 6～7％
Al2O3 4～5％
B2O3 3～4％
CeO2 2～3％
SrO、ZnO、MgO共6～7％
余量为SiO2。
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