CN102557432A

CN102557432A - 一种适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃组份

Info

Publication number: CN102557432A
Application number: CN2011104413141A
Authority: CN
Inventors: 赵会峰; 姜宏; 王洪鹃; 吕皓; 豆庆河; 吴建玉; 赵晓敏; 张春远
Original assignee: HAINAN AVIC SPECIAL GLASS MATERIALS CO Ltd
Current assignee: Chongqing Aureavia Hi Tech Glass Co Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: CN102557432B

Abstract

本发明属于特种玻璃生产制造技术领域，主要涉及一种适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃组份；所述玻璃组份及质量百分比为：SiO₂60-67%，Na₂O12-14%，K₂O2.0-5%，CaO0-0.5%，MgO3-5%，Al₂O₃14-17%，CeO₂0-0.3%，SnO₂0.1-1%，ZrO₂0.5-2%，TiO₂0.2-0.8%，ZnO0.2-2%。本发明通过提高Al₂O₃的含量，提高玻璃基板的化学稳定性和机械强度，采用ZrO₂和Al₂O₃并用，化学钢化增强效果好；通过添加Zn²⁺、Ti²⁺、Ce⁴⁺等离子处于网络空间，对周围硅氧四面体起积聚作用，增加结构的紧密性，降低膨胀系数，提高玻璃的应变点，同时大大改善玻璃化学钢化增强强度。

Description

一种适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃组份

技术领域

本发明属于特种玻璃生产制造技术领域，主要涉及一种适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃组份，该玻璃组份可以用浮法玻璃生产工艺生产，适于通过化学钢化增强。该玻璃化学钢化后适用于ATM取款机、工控设备、手机、数码相机及平板电视等触摸屏的盖板玻璃。

背景技术

ATM取款机、工控设备、手机、数码相机及平板电视等触摸屏类电子设备得到广泛的使用，而作为触摸屏显示器保护构件的盖板玻璃重要性不断提高。作为保护构件的触摸屏盖板玻璃，要求其具有抗划伤、抗冲击、高韧性、低密度、高透过率等特性，因此由高强度玻璃材料制造而成的触摸屏盖板成为首选。但一般情况下原板玻璃的强度还是不够，要通过钢化处理，用于触摸屏的玻璃厚度很薄，物理钢化会变形，只能用化学钢化的方法来增强。

化学钢化是目前企业普遍采用的工艺，通过改变玻璃表面的化学组成来提高玻璃的强度，一般是应用离子交换法。在某一温度（玻璃软化点以下的温度，如400℃）的碱盐熔液中，使玻璃表层中半径较小的离子与熔液中半径较大的离子交换，比如玻璃中的锂离子与熔液中的钾或钠离子交换，玻璃中的钠离子与熔液中的钾离子交换，利用碱离子体积上的差别在玻璃表层形成嵌挤压应力。大离子挤嵌进玻璃表层的数量与表层压应力成正比，所以离子交换的数量与交换的表层深度是增强效果的关键指标。

玻璃主要由玻璃网络形成体、网络外体氧化物和中间体氧化物等结构组成。各种玻璃组份不仅直接影响到玻璃体的高温粘度、玻璃的应变点、作业温度、反应产物的扩散以及随后的澄清、均化过程等，同时不同的成份组成，形成玻璃的网络结构不同，对化学钢化的影响也不同。比如氧化钙、氧化锶、氧化钡等一些离子半径较大的二价离子虽然对提高玻璃的应变点很有帮助，但在化学钢化离子交换后，会造成玻璃表面应力松弛，不利于玻璃的化学钢化。本发明基于以上原理，根据玻璃组份对玻璃性能的影响和对化学钢化的影响，进行玻璃组份设计，调配各种原料比例以获得性能合适、适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃，并且适合浮法工艺生产。

发明内容

本发明提供一种适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃组份，主要采用在离子交换中起加速作用的Al₂O₃，取代部分SiO₂，因为Al₂O₃取代SiO₂后，体积增大，有利于吸收大体积的K+离子，促进离子交换。同时Al₂O₃可以增加玻璃的化学稳定性和提高玻璃的机械强度。

以铝硅酸盐为基体的的高强度玻璃，通过调整玻璃中的其它组份比例，获得具有抗划伤、抗冲击、韧性高、密度低、透过率高等特性的适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃。

本发明采用的技术方案如下：所述的玻璃组份的组分组成及重量百分比为：SiO₂ 60-67%，Na₂O 12-14%，K₂O 2.0-5%，CaO 0-0.5%，MgO 3-5%，Al₂O₃ 14-17%，CeO₂ 0-0.3%，SnO₂ 0.1-1%，ZrO₂ 0.5-2%，TiO₂ 0.2-0.8%，ZnO 0.2-2%。

一般浮法玻璃生产的钠钙硅玻璃组份组成为：SiO₂ 71.8-72.8%，Na₂O 13.5-14.5%，K₂O 0-0.5 %，CaO 8.3-10.0 %，MgO 3.5-4.0%，Al₂O₃ 0.2-1.8%，Fe₂O₃ 0.08-0.2%。

与一般的浮法玻璃生产的玻璃组份相比，在保证网络形成体足够的条件下适当的减少了SiO₂的含量，SiO₂的含量过多时，玻璃的熔融、成型困难，热膨胀系数过小，周边材料和热膨胀系数匹配困难。另一方面，SiO₂的含量过少时，玻璃化困难，玻璃的热膨胀系数变大，玻璃的耐热冲击性降低，玻璃的化学稳定性差。因此本发明中SiO₂含量定为60%～67%。

本发明提高了Al₂O₃的含量，采用Al₂O₃取代部分SiO₂后，体积增大，有利于吸收大体积的K+离子，促进离子交换。同时Al₂O₃在玻璃中能提高玻璃的化学稳定性，增加机械强度，并能降低玻璃的析晶倾向。Al₂O₃还能降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性。Al₂O₃含量小于14%时，玻璃的以上性能不显著，含量大于17%时，生产玻璃时原料难熔、玻璃粘度大而成型困难。因此Al₂O₃含量定为14-17%。

Na₂O具有降低玻璃的高温粘度，提高熔融性及成型性，降低裂纹发生率的功能，同时改善玻璃的耐失透性。另一方面，Na₂O含量过多时，则玻璃的热膨胀系数变大，玻璃的耐热冲击性降低，周边材料和热膨胀系数匹配困难。Na₂O是离子交换的主要成份，Na₂O的含量对离子交换有很大影响。Na₂O含量在10 %以下时，交换效果不好。Na₂O含量增加，交换层厚度相应增加，但Na₂O含量达到15%以上时，化学稳定性下降。在考虑玻璃组份平衡的综合考虑下，Na₂O组份区间设置为12-14%。

组份设计中提高了K₂O的含量有助于SiO₂的熔化，增加玻璃的光泽度，提高玻璃的化学稳定性。但K₂O的含量过多时，玻璃的热膨胀系数变大，玻璃的耐热冲击性降低，周边材料和热膨胀系数匹配困难。因此K₂O组份区间设置为2.0-5%。

适当的MgO能提高玻璃的化学稳定性和机械强度，并降低玻璃的结晶倾向，MgO比Ca0、Sr0、Ba0对玻璃的化学钢化影响要小很多。但MgO的含量高时，玻璃的应变点较低。因此MgO的组份含量设定常量为3-5%。

Zn0能帮助玻璃熔化，提高玻璃的透光性能。玻璃中加入Zn0以后，化学钢化增强效果好，而且可防止玻璃失透。ZnO含量适合范围0.2-2%。

CaO能使玻璃的高温粘度降低、应变点提高。但是CaO的存在，使玻璃在化学强化处理时，会产生应力松弛，影响强化效果，因此CaO的含量控制在0.5%以下。

Zr0₂可以提高玻璃的应变点及玻璃的强度，Zr0₂与Al₂O₃并用，对玻璃的化学强化效果比较好。但Zr0₂含量大于10%以上时，玻璃熔化困难，成型温度高，一般宜在10%以下。本发明控制在0.5~2%之间。

Ti0₂可以提高玻璃的应变点，加入Ti0₂对玻璃离子交换后的强度明显增加，因此本发明引入Ti0₂，但Ti0₂含量高时，引起玻璃着色，本发明控制在0.2~0.8%。

组份设计中可以添加少量Sn⁴⁺、Ce⁴⁺离子处于网络空间，对周围硅氧四面体起积聚作用，提高网络结构的连接程度和堆积密度，增加结构的紧密性，降低膨胀系数。SnO₂和CeO₂对玻璃的澄清也起到一定作用。同时少量的Sn⁴⁺、Ce⁴⁺离子有利于玻璃的化学增强。因此本发明采用CeO₂ 0-0.3%，SnO₂ 0.1-1%。

本发明通过提高Al₂O₃的含量，提高玻璃基板的化学稳定性和机械强度，采用ZrO₂和Al₂O₃并用，化学钢化增强效果好；通过添加Zn²⁺、Ti²⁺、Ce⁴⁺等离子处于网络空间，对周围硅氧四面体起积聚作用，增加结构的紧密性，降低膨胀系数，提高玻璃的应变点，同时大大改善玻璃化学钢化增强强度。本发明不添加氧化钡、氧化锶以及控制较低的氧化钙这些不利于化学钢化的元素，以使所发明玻璃在化学钢化后达到较高的表面应力。本发明的玻璃经过化学钢化后具有较高的抗压强度：大于700MPa，满足高档电子设备触摸屏玻璃高机械性能的要求。

具体实施方式

下面通过实施例说明本发明，但不构成对本发明的任何限制；按表中设计成分计算配料料方，所采用的原料有低铁石英砂、纯碱、低铁钾长石、碳酸钾、镁砂、氢氧化铝、氧化铝粉、氧化铈、氧化锡、锆英砂、氧化锌、氧化钛等。按计算比例称取各种原料，经过混合，在1550℃高温炉中熔制 2.5小时，得到玻璃进行性能测试，及化学钢化后强度测试，结果如表中所示。

实施列1

组份	重量百分比	性质
				SiO₂	63%	膨胀系数20~300℃	77.79/℃
Na₂O	13%	软化温度	793℃
				K₂O	3%	应变点	533℃
MgO	4%	化学钢化后强度	718MPa
				Al₂O₃	15%
CeO₂	0.1%
				SnO₂	0.5%
ZrO₂	0.8%
				TiO₂	0.2%
ZnO	0.2%

实施例2

组份	重量百分比	性质
				SiO₂	67%	膨胀系数20~300℃	87.83/℃
Na₂O	12%	软化温度	781℃
				K₂O	2%	应变点	524℃
MgO	3%	化学钢化后强度	720MPa
				Al₂O₃	14%
CeO₂	0.3%
				SnO₂	0.1%
ZrO2	0.5%
				TiO₂	0.4%
ZnO	0.7%
				CaO	0.2%

实施例3

组份	重量百分比	性质
				SiO₂	60%	膨胀系数20~300℃	90.35/℃
Na₂O	12%	软化温度	791℃
				K₂O	5%	应变点	532℃
MgO	3%	化学钢化后强度	723MPa
				Al₂O₃	17%
CeO₂	0.2%
				SnO₂	1.0%
ZrO₂	0.5%
				TiO₂	0.8%
ZnO	0.2%
				CaO	0.3%

实施例4

组份	重量百分比	性质
				SiO₂	60%	膨胀系数20~300℃	90.57/℃
Na₂O	14%	软化温度	768℃
				K₂O	2%	应变点	525℃
MgO	5%	化学钢化后强度	712MPa
				Al₂O₃	14%
CeO₂	0.1%
				SnO₂	0.1%
ZrO₂	2%
				TiO₂	0.3%
ZnO	2%
				CaO	0.5%

一般玻璃对比

组份	重量百分比	性质
				SiO₂	71.8%	膨胀系数20~300℃	92.27/℃
Na₂O	13.0%	软化温度	731℃
				K₂O	0.9%	应变点	506℃
CaO	8.1%	化学钢化后强度	453MPa
				MgO	4.4%
Al₂O₃	1.5%
				Fe₂O₃	0.07%

Claims

1.一种适于化学钢化的高强度触摸屏玻璃组份，其特征是：所述玻璃组份的组分组成及重量百分比为：SiO₂ 60-67%，Na₂O 12-14%，K₂O 2.0-5%，CaO 0-0.5%，MgO 3-5%，Al₂O₃ 14-17%，CeO₂ 0-0.3%，SnO₂ 0.1-1%，ZrO₂ 0.5-2%，TiO₂ 0.2-0.8%，ZnO 0.2-2%。