CN102643021A - 一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，至少包含金属化合物K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、KNO3、NaNO3、LiNO3、SnO2、Sb2O3中两种与稀土金属氧化物La2O3、CeO2、Sm2O3、Yb2O3、Nd2O3中两种组合而成；在铝硅酸盐玻璃基础配方中加入复合性能增强剂，一方面可以增强铝硅酸盐玻璃熔制过程中的澄清性能，提高玻璃强度及力学、化学稳定性能；另一方面可以通过稀土元素的加入改变玻璃本体的结构，提高玻璃本体性能；两者互相融合后产生复合效应，提升铝硅酸盐玻璃的力学性能，从而使得铝硅酸盐玻璃能够具有更好的环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及铝硅酸盐玻璃领域，更确切地说涉及一种用于提高铝硅酸盐玻璃力学性能、化学稳定性，降低高温粘度的复合性能增强剂。
背景技术
近十年来，电子信息产业得到了飞跃式的发展，便携式电子设备手机、笔记本电脑乃至平板电脑，越来越多的走进了人们的生活，给人类的生产生活带来了便利。无论这些电子设备的功能有多少不同，其都不可避免的使用玻璃作为显示系统的主要组成部分，传统使用的纳钙硅玻璃的机械强度和耐磨性不佳，不能适应长时间的使用以及在特殊环境下的使用。尤其是当这些电子设备采用触摸控制或者手写输入时，其表面将被手指或手写笔等尖锐物体划伤，从而影响电子设备的使用寿命。因此，需要增加设计一种保护屏玻璃，用以保护电子设备不被划伤或者意外冲击损坏，延长其使用寿命。
公开号为CN101269909中国专利公开了一种浮法玻璃，其中添加了镧、铈、镨、钇、钕中的至少三种，其适用玻璃组分为普通浮法玻璃组成，其中二氧化硅为70～75%，三氧化二铝为0.01～2%，其发明目的是降低玻璃的熔化温度，与本发明在使用范围和目的上有明显不同。
公开号为CN101062834的中国专利液晶显示器玻璃基板，描述了一种掺杂有稀土元素的液晶玻璃基板，其中含有镧、铈、钇、钕等稀土元素，其玻璃基本组成中不含有碱金属成分，其目的是改善玻璃的熔化、减少玻璃的析晶，从而使其能够适应于浮法生产。本发明只针对玻璃基础成份中含有碱金属的铝硅酸盐玻璃的生产，而不用于液晶玻璃基板的制备，两者在组份上、目的上有明显区别。
公开号为CN101243018A的中国专利中描述了一种用于液晶显示器基板的玻璃，其中以硅铝为主要成分，并含Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等稀土元素，其基本组成中不含有碱金属，与本发明在基本构架上形成本质区别，且其主要论述液晶玻璃基板的生产制备方法，不涉及玻璃本体的力学性能增强。
以上检索的公开文献，其共同点是在玻璃基础组成中添加了稀土元素，其目的是降低熔化温度、减少玻璃析晶，目标主要针对制备普通的浮法玻璃或者不含有碱金属的液晶显示器玻璃，不涉及铝硅酸盐玻璃本体强度、力学及化学稳定性能的提高和制备铝硅酸盐玻璃过程中的澄清。
发明内容
本发明提供一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，旨在增强铝硅酸盐玻璃熔制过程中的澄清性能，提高玻璃本体的强度、力学及化学稳定性能，提高转变点，从而满足日益严苛的使用环境要求，提高产品的耐用性和运用面。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的，一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，其特征在于，至少包含金属化合物K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、KNO3、NaNO3、LiNO3、SnO2、Sb2O3中两种与稀土金属氧化物La2O3、CeO2、Sm2O3、Yb2O3、Nd2O3中两种组合而成。
按质量百分比计，其中金属化合物占60%～90%，稀土金属氧化物占10%～40%。
所述铝硅酸盐玻璃基础成分质量百分比为：SiO2 55～75%、Al2O3 8～25%、MgO 0～10%、K2O 1～15%、Na2O4～20%、Li2O 0～5%、CaO 0～10%、B2O3 0～10%，TiO20～10%，ZrO20～10%。
复合性能增强剂的添加量占铝硅酸盐玻璃基础成分配合料质量的10～40%。
所述复合性能增强剂添加量中金属含量小于或等于铝硅酸盐玻璃基础成分配合料中金属含量。
SiO2作为玻璃形成体引入，是玻璃骨架的主要构成物，其含量不足50%时候，玻璃基片的物理化学性能较差，其含量超过75%后，玻璃的熔制温度升高，不利于大规模制备，本配方中优选55%～70%之间组成，进一步优选是60%～68%；
Al2O3作为网络中间体氧化物引入，其能够大幅度的提高玻璃的化学稳定性，弹性模量及硬度等特征，但是Al2O3加入量较大时，会提高玻璃的熔化温度，增大玻璃黏度，本配方中综合各优缺点，优选Al2O3含量8%以上，25%以下，进一步优选10%以上，22%以下，此时能够保证玻璃基片：（1）具备良好的物理化学性能；（2）能够简便的使用现行制备工艺制备。
CaO作为网络外体氧化物引入，其能够降低玻璃在高温时的黏度，促进玻璃的熔化和澄清，但是含量较高时，容易使玻璃发脆，本配方中优选0～10%，进一步优选0～6%；
MgO作为网络外体氧化物引入，其能够提高玻璃本体的弹性模量并且以少量的MgO代替CaO能够降低玻璃的硬化速度，改善成型性能，本配方中优选0～10%，进一步优选0～6%；
K2O作为网络外体氧化物引入，其能够降低玻璃的熔制温度，但是含量较高会降低玻璃本体的各种性能，本配方中优选含量1～15%，进一步优选1～10%；
Na2O作为网络外体氧化物引入，其能够降低玻璃熔制温度和高温黏度，但引入量过多会降低玻璃本体的物理化学性能，本配方中优选含量4～20%，进一步优选4～15%，其能够实现以下目的：（1）玻璃本体较好的物理化学性质不会受到较大影响；（2）玻璃具有较好的可制备性，降低现行工艺制备产品的难度；（3）提高后续化学钢化离子交换的效果。
Li2O作为网络外体氧化物引入，其能够在配合料的熔化过程中产生强烈的助熔作用，本配方中为了降低玻璃的制备难度，并且避免玻璃成分对后续的化学钢化过程产生影响，优选Li2O在0～5%，进一步优选0～3%；
B2O3作为网络形成体氧化物加入，并且其加入可以使碱金属带入的非桥氧键变为桥氧键，从而提高玻璃的性能，并且其可以降低玻璃的高温黏度，提高工艺的适配性，本配方中优选0～10%，进一步优选1～8%；
TiO2在玻璃中作为网络外体引入，但在高碱玻璃中其可能进入网络内。其加入能够降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的耐酸碱性。本配方中优选0～10%，进一步优选0～8%。
ZrO2在玻璃中作为网络外体引入，其加入能够降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的耐碱性，但同时也会提高玻璃的高温粘度，本配方中优选0～10%，进一步优选0～8%。
复合性能增强剂中金属化合物的加入，可以使玻璃产生逐级澄清的效果，具体的说是使不同的化合物在低、中、高温等不同的温度段分解，不断带动玻璃熔制过程中产生的气体排出，从而延长玻璃液的澄清时间，产生复合澄清效果，提高玻璃液的澄清质量。其中Sb2O3的分解温度段为1000～1300℃，硫酸盐的分解温度段为1200～1500℃，SnO2的作为一种有效的高温澄清剂，需要在1500℃以上发挥澄清效果。通过复合增强剂所添加的金属含量小于或等于铝硅酸盐玻璃基础成分配合料中金属含量，铝硅酸盐玻璃基础成分配合料中金属含量通常采用的碳酸盐或者氢氧化物引入，其一可以减少生产制备成本，提高经济效益，第二可以使得复合增强剂与原始碳酸盐成分产生复合效应，进一步提高玻璃液的澄清质量，提高产品的力学性能。复合性能增强剂中金属元素的引入具有以下有益效果：（1）降低玻璃液的高温粘度，提升玻璃液的易制备性；（2）通过引入化合物的分解，带动玻璃液中气体的溢出，从而提高玻璃熔制过程中的澄清效果，减少玻璃成品中的气泡缺陷，提高玻璃力学性能。
加入稀土金属的主要目的是为了提升玻璃原片的力学性能，并同时提升玻璃样品部分光学性能，从而满足严苛的使用环境要求，其中：
镧元素在玻璃中作为网络外体存在，其能够降低玻璃的热膨胀系数，改善玻璃的色散性能，从而提高电子显示器件的性能要求，并且镧元素的加入能够增强玻璃本体的耐酸碱性及耐水性，提高产品使用寿命，扩大产品的运用面。
铈元素在玻璃中主要产生以下作用：（1）其在玻璃熔制过程中能分解出氧，从而作为澄清剂使用，与添加的其他物质一起作为复合澄清剂产生作用，减少玻璃液中的气泡，提高玻璃原片质量。（2）铈元素的存在可以提高玻璃吸收紫外线的能力，确保玻璃基片在强辐射条件下不变色，保持良好的光学稳定性。
钐、镱、钕稀土元素的加入能够增强玻璃原片的化学稳定性，提高转变点，减少其在酸碱条件下的损失，提高耐候性及可制备性，扩大玻璃原片的使用范围。
添加的稀土金属以氧化物形式引入，能够更好的进入到玻璃结构中，从而使其能够更好的发挥作用，同时熔化过程中不会产生其它有害物质对熔窑产生破坏，保证了生产的顺利进行。另外，添加的稀土元素价格较为昂贵，会提升产品制备成本，因此添加含量为玻璃原料总含量的0.5～10%，从而保证产品经济效益。
本发明的有益效果：在铝硅酸盐玻璃基础配方中加入复合性能增强剂，一方面可以增强铝硅酸盐玻璃熔制过程中的澄清性能，提高玻璃强度及力学、化学稳定性能；另一方面可以通过稀土元素的加入改变玻璃本体的结构，提高玻璃本体性能；两者互相融合后产生复合效应，提升铝硅酸盐玻璃的力学性能，从而使得制备成本较高的铝硅酸盐玻璃能够具有更好的环境适应性，本发明提供的增强剂能够在垂直引上法、浮法、溢流下拉法、窄缝下拉法等多种玻璃生产方法中运用，并且不需要对现有熔窑设备进行改动，具有良好且广泛的适用性。
具体实施方式
实施例一
（1）表1为对比组基础成分设计，采用实验室熔炉熔制铝硅酸盐玻璃，将配置好的玻璃配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表1 实施例一玻璃基础组成（单位：克）
| SiO2 | Al2O3 | MgO | K2O | Na2O | CaO | B2O3 |
| 262 | 96.5 | 16.5 | 7.5 | 53.5 | 2 | 34 |
（2）按表2配置好的复合增强剂加入与表1对比组相同的玻璃基础配合料中，将混合配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表2 实施例一复合增强剂组成（单位：克）
| Na2SO4 | K2SO4 | Sb2O3 | SnO2 | CeO2 | La2O3 | Sm2O3 | Yb2O3 | Nd2O3 |
| 50 | 6 | 0 | 2.5 | 0.5 | 5 | 15 | 2.5 | 2.5 |
（3）将两次样品进行测试、对比，测试结果如表3所示，表明复合增强剂达到良好效果。
表3 实施例一样品测试结果
| 测试内容 | 应变点（℃） | 耐酸性（质量损失g） | 耐碱性（质量损失g） |
| 原 片 | 702 | 0.5 | 0.4 |
| 增 强 片 | 710 | 0.12 | 0.15 |
实施例二
（1）表4为对比组基础成分设计，采用实验室熔炉熔制铝硅酸盐玻璃，将配置好的玻璃配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表4 实施例二玻璃基础配合料组成（单位：克）
| SiO2 | Al2O3 | MgO | K2O | Na2O | CaO | B2O3 |
| 276 | 91.5 | 16.5 | 7.5 | 48.5 | 2 | 20 |
（2）按表5配置好的复合增强剂加入与表4对比组相同的玻璃基础配合料中，将混合配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表5 实施例二复合增强剂组成（单位：克）
| Na2SO4 | KNO3 | Sb2O3 | SnO2 | CeO2 | La2O3 | Sm2O3 | Y2O3 | Nd2O3 |
| 40 | 6 | 3 | 0 | 0 | 5 | 20 | 5 | 5 |
（3）将两次制备的样品进行测试、对比，测试结果如表6所示，结果表明复合增强剂达到良好效果。
表6 实施例二样品测试结果
| 测试内容 | 应变点（℃） | 耐酸性（质量损失g） | 耐碱性（质量损失g） |
| 原 片 | 690 | 0.25 | 0.5 |
| 增 强 片 | 695 | 0.05 | 0.2 |
实施例三
（1）表7为对比组基础成分设计，采用实验室熔炉熔制铝硅酸盐玻璃，将配置好的玻璃配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表7 实施例三玻璃基础配合料组成（单位：克）
| SiO2 | Al2O3 | MgO | K2O | Na2O | CaO | B2O3 |
| 330 | 50 | 20 | 15 | 30 | 0 | 10 |
（2）按表8配置好的复合增强剂加入与表7对比组相同的玻璃基础配合料中，将混合配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表8 实施例三复合增强剂组成（单位：克）
| NaNO3 | K2SO4 | Sb2O3 | SnO2 | CeO2 | La2O3 | Sm2O3 | Yb2O3 | Nd2O3 |
| 40 | 11 | 2 | 2.5 | 0.5 | 10 | 15 | 2.5 | 7.5 |
（3）将两次制备的样品进行测试、对比，测试结果如表9所示，结果表明复合增强剂达到良好效果。
表9 实施例三样品测试结果
| 测试内容 | 应变点（℃） | 耐酸性（质量损失g） | 耐碱性（质量损失g） |
| 原 片 | 685 | 0.2 | 0.3 |
| 增 强 片 | 692 | 0.03 | 0.1 |
实施例四
（1）表10为对比组基础成分设计，采用实验室熔炉熔制铝硅酸盐玻璃，将配置好的玻璃配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表10 实施例四玻璃基础配合料组成（单位：克）
| SiO2 | Al2O3 | MgO | K2O | Na2O | CaO | B2O3 |
| 325 | 65 | 10 | 10 | 45 | 0 | 20 |
（2）按表11配置好的复合增强剂加入与表10对比组相同的玻璃基础配合料中，将混合配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表11 实施例四复合增强剂组成（单位：克）
| LiNO3 | Li2SO4 | Sb2O3 | SnO2 | CeO2 | La2O3 | Sm2O3 | Yb2O3 | Nd2O3 |
| 13 | 13 | 2 | 2 | 1 | 2.5 | 7.5 | 0 | 9 |
（3）将两次制备的样品进行测试、对比，测试结果如表12所示，结果表明复合增强剂达到良好效果。
表12 实施例四样品测试结果
| 测试内容 | 应变点（℃） | 耐酸性（质量损失g） | 耐碱性（质量损失g） |
| 原 片 | 680 | 0.3 | 0.35 |
| 增 强 片 | 689 | 0.04 | 0.15 |
实施例五
（1）表13为对比组基础成分设计，采用实验室熔炉熔制铝硅酸盐玻璃，将配置好的玻璃配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表13 实施例五玻璃基础配合料组成（单位：克）
| SiO2 | Al2O3 | MgO | K2O | Na2O | CaO | B2O3 |
| 330 | 50 | 20 | 15 | 30 | 0 | 10 |
（2）按表14配置好的复合增强剂加入与表13对比组相同的玻璃基础配合料中，将混合配合料放入硅钼炉中，以3～5℃/min的速度升温至1650℃后保温两个小时，然后将熔制好的玻璃液倾倒于模具中成型，然后送入退火炉退火，以2℃/min的降温速度退火，退火温度500℃～600℃，直至冷却至室温，将样品取出切割、抛光、测试。
表14 实施例五复合增强剂组成（单位：克）
| Na2SO4 | KNO3 | Y2O3 | Nd2O3 |
| 42 | 7.5 | 2.5 | 3 |
（3）将两次制备的样品进行测试、对比，测试结果如表15所示，结果表明复合增强剂达到良好效果。
表15 实施例五样品测试结果
| 测试内容 | 应变点（℃） | 耐酸性（质量损失g） | 耐碱性（质量损失g） |
| 原 片 | 678 | 0.22 | 0.28 |
| 增 强 片 | 690 | 0.11 | 0.14 |
Claims (5)
1.一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，其特征在于，至少包含金属化合物K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、KNO3、NaNO3、LiNO3、SnO2、Sb2O3中两种与稀土金属氧化物La2O3、CeO2、Sm2O3、Yb2O3、Nd2O3中两种组合而成。
2.根据权利要求1所述一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，其特征在于，按质量百分比计，其中金属化合物占60%～90%，稀土金属氧化物占10%～40%。
3.根据权利要求1所述一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，其特征在于，所述铝硅酸盐玻璃基础成分质量百分比为：SiO2 55～75%、Al2O3 8～25%、MgO 0～10%、K2O 1～15%、Na2O4～20%、Li2O 0～5%、CaO 0～10%、B2O3 0～10%，TiO20～10%，ZrO20～10%。
4.根据权利要求3所述一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，其特征在于，复合性能增强剂的添加量占铝硅酸盐玻璃基础成分配合料质量的10～40%。
5.根据权利要求4所述一种用于生产铝硅酸盐玻璃的复合性能增强剂，其特征在于，所述复合性能增强剂添加量中金属含量小于或等于铝硅酸盐玻璃基础成分配合料中金属含量。
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