CN103332868A - 一种梯度折射率玻璃片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度折射率玻璃片及其制备方法,玻璃片由玻璃基片及其表面的多层玻璃膜组成,其中最内层玻璃膜材料的折射率等于或大于玻璃基片材料的折射率,然后由内向外,玻璃膜层材料的折射率逐层增加。制备采用丝网印刷工艺,在玻璃基片表面涂覆多层含高折射率纳米颗粒的玻璃浆料层(纳米颗粒掺量逐层变化),浆料主要成分包括低温玻璃粉、高折射率纳米颗粒、粘合剂、分散剂等。对涂覆有多层浆料的玻璃基片进行烧结,通过控温烧结工艺得到具有梯度折射率的玻璃片。该玻璃片具有折射率调控范围大(Δn≥0.1),结构和工艺简单,适宜于规模化生产。

Description

一种梯度折射率玻璃片及其制备方法
技术领域
本发明属于玻璃制备技术,具体涉及一种具有较大折射率梯度的玻璃片及其制备方法。
背景技术
玻璃具有物化性能稳定(耐热和抗湿性强)、透明度高、制备工艺简单等优点,是一种非常理想的光学材料。但对于光电器件(如光伏组件、LED器件等)封装而言,由于全反射作用,采用单一折射率玻璃(均质材料,材料内部各处的折射率为常数)难以满足封装要求。研究发现,采用梯度折射率玻璃(非均质材料,其组分和结构在材料内部按一定规律连续变化,从而使折射率相应地呈连续变化)有助于提高出光效率。
目前常用的梯度折射率玻璃制备技术主要包括:1)离子交换法。在玻璃软化点以下的熔盐中,玻璃中的金属离子与熔盐中的金属离子进行扩散交换,逐步形成所交换离子的浓度梯度,从而形成折射率梯度。该法的缺点是扩散深度小,只能在玻璃表面形成折射率差较小(Δn≤0.1)的梯度结构,且不能制备大尺寸的梯度材料,因此其应用仅限于微型光学系统;2)化学气相沉积法。将具有不同折射率的材料逐层沉积,得到折射率呈阶梯型分布的材料,该法成本极高,也难于制作大尺寸梯度材料;3)采用具有不同折射率的多层玻璃进行叠加,玻璃层间的相邻面上设置有限光结构,玻璃层间通过具有相同折射率的粘结层进行填充和粘结,从而形成具有渐变折射率的大尺寸玻璃结构。但由于金字塔型的限光结构需采用激光开槽工艺制作,成本高,难以得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足,提出一种折射率差值较大(Δn≥0.1)的梯度折射率玻璃片及其制备方法。
本发明提供的一种梯度折射率玻璃片,其特征在于,它由玻璃基片及其表面的多层玻璃膜组成,其中最内层玻璃膜材料的折射率等于或大于玻璃基片材料的折射率,然后由内向外,玻璃膜层材料的折射率逐层增加。
本发明提供的一种梯度折射率玻璃片制备方法,包括以下步骤:
第1步采用丝网印刷工艺在洁净玻璃基片表面涂覆含高折射率纳米颗粒、厚度均匀的玻璃浆料;
第2步依次增加玻璃浆料中高折射率纳米颗粒掺量,并逐层涂覆形成多层的玻璃浆料层;
第3步将表面涂覆有多层玻璃浆料层的玻璃基片进行烧结,使玻璃浆料玻璃化,形成透明的多层玻璃膜,得到具有梯度折射率的玻璃片。
与现有技术相比,本发明具有以下显著优点:1)通过掺加具有高折射率的纳米颗粒来调节玻璃膜层的折射率,具有折射率调控范围大(Δn≥0.1),成本低等优点;2)采用多次丝网印刷与控温烧结技术,制备出具有梯度折射率的多层结构玻璃片,工艺简单,适宜于规模化生产。该荧光玻璃片用途广泛,如应用于光伏组件封装,可提高光伏器件的吸光效率和光电转换效率;用于大功率LED封装,可提高LED灯具的发光效率。
附图说明
图1为本发明具有梯度折射率的玻璃片示意图,图中,1为玻璃基片,2为高折射率纳米颗粒,3为玻璃膜(多层)。
图2为本发明具有梯度折射率的玻璃片制备流程图,图中,1为玻璃基片,2为纳米TiO2颗粒,3为玻璃浆料(层),4为丝网印刷板,5为刮板,6为烧结后得到的玻璃膜。
具体实施方式
本发明通过多次丝网印刷形成多层玻璃浆料,低温烧结后制备出具有梯度折射率的玻璃片。由于采用了低温玻璃粉与控温烧结工艺,降低了玻璃片内的热应力,提高了其使用性能。
本发明提供的一种具有梯度折射率的玻璃片,具体由玻璃基片及其表面的多层玻璃膜组成,如图1所示。其中,玻璃膜单层厚度为20微米至200微米,各层厚度可以相等或不等;玻璃膜层数可以根据需要确定,通常为2-4层。玻璃膜材料的折射率取决于具有高折射率的纳米颗粒掺量,其中,最内层玻璃膜材料的折射率等于或大于玻璃基片折射率,然后由内向外,玻璃膜层材料的折射率逐层增加。玻璃膜的层间折射率差值优选为0.1至0.3。
由于复合材料的折射率值具有加成特性,因此在制备玻璃膜层,其材料折射率n0可通过如下公式计算:
n0=n1(1-X)+n2X
其中,n1为玻璃粉材料的折射率,n2为高折射率纳米颗粒材料的折射率,X为高折射率纳米颗粒材料的掺量。
梯度折射率玻璃片制备过程包括以下步骤:
1)对玻璃基片表面进行清洗;
2)配制玻璃浆料,玻璃浆料组分包括低温玻璃粉、高折射率纳米颗粒、粘合剂、分散剂等。其中:
低温玻璃粉为高铅玻璃、硼铝酸盐玻璃等,其折射率为1.4~1.6,玻璃化转变温度低于800℃;
高折射率纳米颗粒是指折射率大于2.0的纳米颗粒,如纳米TiO2颗粒(折射率为2.4-2.6)、纳米硅粉(折射率为3.4-3.5)等,其直径为5.0-40.0nm,初始掺量(最内层)为玻璃粉重量的10%-20%;
粘合剂为松油醇、聚乙烯醇、羧甲基纤维素等,掺量为玻璃粉重量的60%-100%;
分散剂为鱼油、纤维素及其衍生物、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、聚丙烯酰胺等,掺量为玻璃粉重量的1%-5%;
3)采用丝网印刷工艺在玻璃基片表面涂覆形成厚度均匀的玻璃浆料层。各玻璃浆料层厚度可以相等或不等,均在20-200μm之间;
4)依次增加高折射率纳米颗粒掺量(每次增加量为玻璃粉重量的10%-30%),重新配置玻璃浆料并涂覆形成多层玻璃浆料层;
高折射率纳米颗粒的最高掺量可以达到玻璃粉重量的100%。
5)将表面涂覆有多层玻璃浆料层的玻璃基片进行烧结,使玻璃浆料玻璃化,形成透明的多层玻璃膜,得到具有梯度折射率的玻璃片。
玻璃浆料层的烧结温度高于低温玻璃粉的玻璃化转变温度,但比玻璃基片的玻璃化转变温度低50℃以上。
最内层玻璃膜材料的折射率等于或大于玻璃基片材料的折射率,然后由内向外,玻璃膜层材料的折射率逐层增加。
本发明中,所使用的玻璃基片优选厚度为0.1毫米至1.0毫米,透光率>80%,折射率为1.4~1.6。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各种实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图2所示,本实例的过程为:
1)选取厚度为0.5mm的硼硅酸盐玻璃片1(型号为Pyrex 7740,玻璃化转变温度为821℃,折射率1.48,透光率大于85%),采用丙酮溶液超声清洗,烘干后备用;
2)称取60克松油醇,加入1克纤维素和10克纳米TiO2颗粒(平均粒径为5nm),在70℃下超声搅拌成混合溶液,然后加入100克低温玻璃粉(主要成分为PbO-B2O3,玻璃化转变温度为650℃,折射率为1.45),在球磨机中混合搅拌30分钟,制备成均质的玻璃浆料3;
3)采用丝网印刷工艺,在玻璃基片1表面均匀涂覆一层厚度为50um的玻璃浆料层3;
4)依次增加纳米TiO2掺量为30克和50克,重复上述步骤2)和3);
5)将完成涂覆后的玻璃基片置于高温炉内,由室温升至700℃,保温烧结30分钟,随后以10℃/min的速率降至300℃,保温退火30分钟,之后随炉冷却至室温,得到表面为三层玻璃膜6的梯度折射率玻璃片。实施例2
1)选取厚度为1.0mm的硼硅酸盐玻璃片(玻璃化转变温度为640℃,折射率1.40,透光率大于80%),采用丙酮溶液超声清洗,烘干后备用;
2)称取80克聚乙烯醇,加入3克鱼油和5克纳米硅粉(平均粒径为20nm),在70℃下超声搅拌成溶液,然后加入100克低温玻璃粉(主要成分为B2O3+Al2O3+Na2O,玻璃化转变温度为450℃,折射率为1.40),在球磨机中混合搅拌60分钟,制备成均质的玻璃浆料;
3)采用丝网印刷工艺,在玻璃基片表面涂覆形成厚度为100um的玻璃浆料层;
4)增加纳米硅粉掺量为20克,重复上述步骤2)和3);
5)将完成涂覆后的玻璃基片置于高温炉内,由室温升至500℃,保温烧结30分钟,随后以10℃/min的速率降至300℃,保温退火30分钟,之后随炉冷却至室温,得到表面为两层玻璃膜的梯度折射率玻璃片。
实施例3
1)选取厚度为0.3mm的硼硅酸盐玻璃片(玻璃化转变温度为780℃,折射率1.60,透光率大于90%),采用丙酮溶液超声清洗,烘干后备用;
2)称取100克羧甲基纤维素,加入5克甲基戊醇和10克纳米TiO2(平均粒径为40nm),在60℃下超声搅拌成溶液,然后加入100克硼铝酸盐玻璃粉(主要成分为B2O3+Al2O3+Na2O,玻璃化转变温度为500℃,折射率为1.56),在球磨机中混合搅拌60分钟,制备成均质的玻璃浆料;
3)采用丝网印刷工艺,在玻璃基片表面涂覆性能厚度为80um的玻璃浆料层;
4)依次增加纳米TiO2掺量为40克和70克,重复上述步骤2)和3);
5)将完成涂覆后的玻璃片置于高温炉内,由室温升至600℃,保温烧结30分钟,随后以10℃/min的速率降至300℃,保温退火30分钟,之后随炉冷却至室温,得到表面为三层玻璃膜的梯度折射率玻璃片。
实施例4-6
实施例4-6所采用的原料及工艺参数选择如表一所示,按照上述实例的操作过程可以制备得到具有本发明技术效果的梯度折射率玻璃片。
以上所述为本发明的较佳实施例而已,但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本发明保护的范围。
表一
Figure BDA00003396093700071

Claims (10)

1.一种梯度折射率玻璃片,其特征在于,它由玻璃基片及其表面的多层玻璃膜组成,其中最内层玻璃膜材料的折射率等于或大于玻璃基片材料的折射率,然后由内向外,玻璃膜层材料的折射率逐层增加。
2.根据权利要求1所述的梯度折射率玻璃片,其特征在于,单层玻璃膜厚度为20微米至200微米。
3.根据权利要求1所述的梯度折射率玻璃片,其特征在于,玻璃膜的层间折射率差值为0.1至0.3。
4.一种梯度折射率玻璃片制备方法,包括以下步骤:
第1步采用丝网印刷工艺在洁净玻璃基片表面涂覆含高折射率纳米颗粒、厚度均匀的玻璃浆料;
第2步依次增加玻璃浆料中高折射率纳米颗粒掺量,并逐层涂覆形成多层的玻璃浆料层;
第3步将表面涂覆有多层玻璃浆料层的玻璃基片进行烧结,使玻璃浆料玻璃化,形成透明的多层玻璃膜,得到具有梯度折射率的玻璃片。
5.根据权利要求4所述的梯度折射率玻璃片制备方法,其特征在于,第1步中,玻璃浆料的组分包括低温玻璃粉、高折射率纳米颗粒、粘合剂和分散剂;其中:
低温玻璃粉是指玻璃化转变温度低于800℃的玻璃粉;
高折射率纳米颗粒是指折射率大于2.0,平均直径为5.0nm-40.0nm的纳米颗粒;初始掺量为玻璃粉重量10.0%-20.0%;
粘合剂为松油醇、聚乙烯醇或羧甲基纤维素,掺量为玻璃粉重量的60%-100%;
余量为分散剂,分散剂为鱼油、纤维素及其衍生物、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇或聚丙烯酰胺。
6.根据权利要求4或5所述的梯度折射率玻璃片制备方法,其特征在于,第2步,随着玻璃膜层数增加而逐渐增加高折射率纳米颗粒掺量,使得玻璃膜的层间折射率差值为0.1至0.3。
7.根据权利要求4或5所述的梯度折射率玻璃片制备方法,其特征在于,第3步中,玻璃浆料的烧结温度高于低温玻璃粉的玻璃化转变温度,但比玻璃基片的玻璃化转变温度低50℃以上。
8.根据权利要求4或5所述的梯度折射率玻璃片制备方法,其特征在于,各玻璃浆料层厚度在20微米至200微米之间,玻璃浆料层的层数为2-4层。
9.根据权利要求4或5所述的梯度折射率玻璃片制备方法,其特征在于,所述高折射率纳米颗粒为纳米二氧化钛或纳米硅粉。
10.根据权利要求4或5所述的梯度折射率玻璃片制备方法,其特征在于,所述玻璃基片厚度为0.1毫米至1.0毫米,透光率>80%,折射率为1.4~1.6。
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Denomination of invention: Gradient refractive index glass sheet and preparation method thereof

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Registration number: Y2022420000066

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