CN104496162A - 一种含铯的化学钢化玻璃的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学钢化工艺，旨在提供一种含铯的化学钢化玻璃的制备方法。该种含铯的化学钢化玻璃的制备方法包括步骤：将原片玻璃超声清洗、用去离子水和无水乙醇润洗再烘干后，置于容器A中，配置熔盐置于容器B中；将容器A与容器B同时放入快速升温电阻炉中，当快速升温电阻炉的温度升至设定的钢化温度后，将原片玻璃置于搅拌均匀后的熔盐中进行钢化；钢化结束后，将原片玻璃取出、冷却、润洗并烘干后，即得到含铯的化学钢化玻璃。本发明钢化的玻璃，弯曲弹性模量和最大弯曲力都得到大幅提升，同时缩短钢化时间、减少能耗、简化制备过程、降低生产成本。

Description

一种含铯的化学钢化玻璃的制备方法

技术领域

本发明是关于化学钢化工艺领域，特别涉及一种含铯的化学钢化玻璃的制备方法。

背景技术

随着高速铁路网的逐渐完善，航空航天事业的蓬勃发展，普通玻璃已经无法满足高铁、动车组列车、航空航天飞行器对玻璃的要求。另一方面，人民的安全防护意识也越来越强，对安全防护玻璃的性能提出了更高要求。普通玻璃的实际使用强度很低，稍受碰撞和冲击，会产生裂纹或破碎。对于玻璃这种脆性材料，抗弯强度最能反映其力学性能。测试结果表明：普通硅酸盐玻璃平均抗弯强度低于100MPa。

对玻璃进行钢化处理则能够大幅提升其抗弯强度。钢化一般分为物理钢化与化学钢化。物理钢化后的玻璃具有易变形、易自爆、不能进行二次加工等缺陷，而化学钢化的玻璃则不存在这种缺陷。相较之下，化学钢化能够获得更高的表面压应力，从而得到更高的强度和更好的力学性能，并且具有无软化变形、钢化后可再次进行切割和加工、不会产生光学畸变等优点。此外，化学钢化能够对较薄的玻璃及外形复杂的玻璃进行钢化，并且能够避免物理钢化会出现的自爆现象，安全性更高。化学钢化工艺主要应用于航空航天飞行器的座舱玻璃、高速列车的车窗玻璃、军用及民用防护玻璃等要求苛刻的领域。

中国发明专利CN1369449A公开了通过一种基于化学钢化与表面处理保护相结合的玻璃综合增强法，将普通平板玻璃的弯曲强度提高到1000MPa以上。但该专利实施过程中要求最佳的化学钢化工艺参数为450℃下交换20小时，交换时间较长，温度较高，在实际大规模生产中，该方法能耗较大，效率较低。中国发明专利CN102690050A公开了一种化学钢化玻璃的加工方法，通过将玻璃浸入硝酸钾和硅酸的混合液体中在370～440℃下进行离子交换5～8小时。减少了钢化时间，降低了钢化温度。但忽略了一个重要因素：硝酸钾中常常混有Ca²⁺、Mg²⁺等杂质离子，在离子交换时会沉积在玻璃表层，减弱化学钢化效果。中国发明专利CN102503178A公开了一种含铯、铷的化学钢化玻璃及其制备方法，提高了单片防火玻璃的抗弯强度。但这种制备方法为两步钢化法，并且其熔盐中添加剂种类较多，同时含有硝酸铷等价格较高的原料。因此在实际大规模生产过程中此加工工艺较为复杂，生产成本较高，推广应用难度大。

为解决和克服现有化学钢化玻璃温度高、时间长、成本高等问题，本发明。具体方法为：添加剂中引入铯，增强了钢化效果；引入K₂CO₃，清除了阻碍钢化过程中Mg²⁺、Ca²⁺等二价离子的阻碍作用；引入Al₂O₃及硅藻土，清除了难熔物的屏蔽效应；通过降低温度、缩短时间，降低了成本。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种采用玻璃原片预处理及一步钢化法，能够降低钢化温度、缩短钢化时间、降低成本的化学钢化玻璃制备方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种含铯的化学钢化玻璃的制备方法，具体包括下述步骤：

(1)取原片玻璃置于腐蚀性酸液中进行超声清洗15～20分钟，超声清洗完毕后，对处理后的原片玻璃先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗，最后将润洗后的原片玻璃烘干并置于容器A中；

(2)配置熔盐置于容器B中，并搅拌均匀；所述熔盐包括主体成分和添加剂，主体成分为KNO₃；以质量份数计算，按熔盐中添加100份KNO₃为基准，添加剂的添加份数如下所述：

(3)将盛放有原片玻璃的容器A与盛放有混合熔盐的容器B同时放入快速升温电阻炉中，钢化温度设置为370～420℃，升温时间设置为40～50分钟；当快速升温电阻炉的温度升至设定的钢化温度后，对熔盐进行两次搅拌均匀后，将原片玻璃置于熔盐中继续保温10～14小时进行钢化；

(4)钢化结束后，将原片玻璃自熔盐中取出，在室温下自然冷却后，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗并烘干，即得到含铯的化学钢化玻璃。

在本发明中，所述步骤(1)中的腐蚀性酸液采用混合酸液(即质量分数为5％的氢氟酸与铬酸混合溶液)；所述混合酸液的制备方法为：取等质量的氢氟酸和铬酸作为酸液，按照酸液与去离子水质量比为5∶95混合均匀，即制得混合酸液。

在本发明中，所述步骤(1)中超声清洗的频率为40KHz。

在本发明中，所述步骤(3)中具体操作为：当快速升温电阻炉的温度升至设定的钢化温度后将盛有液体熔盐的容器B第一次取出，搅拌均匀后放入快速升温电阻炉中，继续保温10分钟；然后将盛有液体熔盐的容器B第二次取出，搅拌均匀后放入快速升温电阻炉中，继续保温10分钟后，将容器A中的原片玻璃倒入容器B，并使原片玻璃浸没在容器B的熔盐中，再继续放入快速升温电阻炉中保温10～14小时。

在本发明中，所述容器A采用玻璃烧杯，容器B采用不锈钢容器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明钢化的玻璃，在不需要附加其他任何条件的情况下，可实现K⁺扩散深度达25μm左右，抗弯强度比原片玻璃提高了约5倍，弯曲弹性模量和最大弯曲力都得到大幅提升，同时缩短钢化时间、减少能耗、简化制备过程、降低生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1所制得的含铯化学钢化玻璃与原片玻璃的透光率对比图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种含铯的化学钢化玻璃的制备方法，具体包括下述步骤：

(1)取原片玻璃置于腐蚀性酸液中，采用频率为40KHz的超声清洗15～20分钟，超声清洗完毕后，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗，最后将润洗后的原片玻璃烘干并置于容器A中；所述腐蚀性酸液采用质量分数为5％的氢氟酸与铬酸混合溶液，制备方法为：取等质量的氢氟酸和铬酸作为酸液，按照酸液与去离子水质量比为5∶95混合均匀。

(2)配置熔盐置于不锈钢容器B中，并搅拌均匀；所述熔盐包括主体成分和添加剂，主体成分为KNO₃；以质量份数计算，按熔盐中添加100份KNO₃为基准，添加剂的添加份数如下所述：

添加剂中引入铯，增强钢化效果；添加KOH，不但对玻璃表面进行二次腐蚀除去玻璃表面原有的微裂纹等缺陷，还通过OH-的较强的极性增加扩散反应的推动力，加速离子交换反应；引入K₂CO₃，清除阻碍钢化过程中Mg²⁺、Ca²⁺等二价离子的阻碍作用；引入Al₂O₃及硅藻土，清除难熔物的屏蔽效应。

(3)将盛放有原片玻璃的容器A与盛放有混合熔盐的容器B同时放入快速升温电阻炉中，钢化温度设置为370～420℃，升温时间设置为40～50分钟。当快速升温电阻炉的温度升至设定的钢化温度后，将盛有液体熔盐的容器B第一次取出，搅拌均匀后放入快速升温电阻炉中，继续保温10分钟；然后将盛有液体熔盐的容器B第二次取出，搅拌均匀后放入快速升温电阻炉中，继续保温10分钟后，将容器A中的原片玻璃倒入容器B，并使其浸没在熔盐中，再继续保温10～14小时进行钢化。

(4)钢化结束后，将原片玻璃自熔盐中取出，在室温下自然冷却后，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗并烘干，即得到含铯的化学钢化玻璃。

下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。其中，本实施例中的KNO₃购于国药集团化学试剂有限公司。

实施例1

玻璃原片置于质量分数为5％的氢氟酸与铬酸混合溶液中，进行超声清洗(频率为40KHz)，时间为15分钟，超声清洗完毕后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗，最后烘干并置于容器A，即玻璃烧杯中。

按照以下比例配制熔盐，主体部分为KNO₃，以KNO₃质量为100份计算。添加剂的质量配比为：

将混合后的熔盐置于不锈钢容器B中，并搅拌均匀。

将盛放有玻璃的容器A与盛放有混合熔盐的容器B同时放入快速升温电阻炉中。钢化温度设置为400℃，升温时间设置为45分钟。温度升至设定温度后，将液体熔盐第一次取出搅拌均匀，继续保温10分钟后将液体熔盐第二次取出搅拌均匀。继续保温10分钟后将容器A中的原片玻璃倒入容器B，并使其浸没在熔盐中，保温10小时。

钢化结束后将玻璃从熔盐中取出，在室温下自然冷却后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗并烘干，即得到含铯的钢化玻璃，其抗弯强度为332MPa，弯曲弹性模量为351MPa。且可参考附图1中，制得的含铯的钢化玻璃与原片玻璃的透光率对比图。

实施例2

玻璃原片置于质量分数为5％的氢氟酸与铬酸混合溶液中，进行超声清洗(频率为40KHz)，时间为17分钟，超声清洗完毕后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗，最后烘干并置于容器A，即玻璃烧杯中。

按照以下比例配制熔盐，主体部分为KNO₃，以KNO₃质量为100份计算。添加剂的质量配比为：

将混合后的熔盐置于不锈钢容器B中，并搅拌均匀。

将盛放有玻璃的容器A与盛放有混合熔盐的容器B同时放入快速升温电阻炉中。钢化温度设置为370℃，升温时间设置为40分钟。温度升至设定温度后，将液体熔盐第一次取出搅拌均匀，继续保温10分钟后将液体熔盐第二次取出搅拌均匀。继续保温10分钟后将容器A中的原片玻璃倒入容器B，并使其浸没在熔盐中，保温11小时。

钢化结束后将玻璃自熔盐中取出，在室温下自然冷却后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗并烘干，即得到含铯的钢化玻璃，其抗弯强度为315MPa，弯曲弹性模量为366MPa。

实施例3

玻璃原片置于质量分数为5％的氢氟酸与铬酸混合溶液中，进行超声清洗(频率为40KHz)，时间为20分钟，超声清洗完毕后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗，最后烘干并置于容器A，即玻璃烧杯中。

按照以下比例配制熔盐，主体部分为KNO₃，以KNO₃质量为100份计算。添加剂的质量配比为：

将混合后的熔盐置于不锈钢容器B中，并搅拌均匀。

将盛放有玻璃的容器A与盛放有混合熔盐的容器B同时放入快速升温电阻炉中。钢化温度设置为420℃，升温时间设置为50分钟。温度升至设定温度后，将液体熔盐第一次取出搅拌均匀，继续保温10分钟后将液体熔盐第二次取出搅拌均匀。继续保温10分钟后将容器A中的原片玻璃倒入容器B，并使其浸没在熔盐中，保温14小时。

钢化结束后将玻璃自熔盐中取出，在室温下自然冷却后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗并烘干，即得到含铯的钢化玻璃，其抗弯强度为326MPa，弯曲弹性模量为354MPa。

实施例4

玻璃原片置于质量分数为5％的氢氟酸与铬酸混合溶液中，进行超声清洗(频率为40KHz)，时间为15分钟，超声清洗完毕后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗，最后烘干并置于容器A，即玻璃烧杯中。

按照以下比例配制熔盐，主体部分为KNO₃，以KNO₃质量为100份计算。添加剂的质量配比为：

将混合后的熔盐置于不锈钢容器B中，并搅拌均匀。

将盛放有玻璃的容器A与盛放有混合熔盐的容器B同时放入快速升温电阻炉中。钢化温度设置为410℃，升温时间设置为50分钟。温度升至设定温度后，将液体熔盐第一次取出搅拌均匀，继续保温10分钟后将液体熔盐第二次取出搅拌均匀。继续保温10分钟后将容器A中的原片玻璃倒入容器B，并使其浸没在熔盐中，保温12小时。

钢化结束后将玻璃自熔盐中取出，在室温下自然冷却后先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗并烘干，即得到含铯的钢化玻璃，其抗弯强度为336MPa，弯曲弹性模量为364MPa。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种含铯的化学钢化玻璃的制备方法，其特征在于，具体包括下述步骤：

(1)取原片玻璃置于腐蚀性酸液中进行超声清洗15～20分钟，超声清洗完毕后，对处理后的原片玻璃先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗，最后将润洗后的原片玻璃烘干并置于容器A中；

(2)配置熔盐置于容器B中，并搅拌均匀；所述熔盐包括主体成分和添加剂，主体成分为KNO₃；以质量份数计算，按熔盐中添加100份KNO₃为基准，添加剂的添加份数如下所述：

(3)将盛放有原片玻璃的容器A与盛放有混合熔盐的容器B同时放入快速升温电阻炉中，钢化温度设置为370～420℃，升温时间设置为40～50分钟；当快速升温电阻炉的温度升至设定的钢化温度后，对熔盐进行两次搅拌均匀后，将原片玻璃置于熔盐中继续保温10～14小时进行钢化；

(4)钢化结束后，将原片玻璃自熔盐中取出，在室温下自然冷却后，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇润洗并烘干，即得到含铯的化学钢化玻璃。

2.根据权利要求1所述的含铯的化学钢化玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的腐蚀性酸液采用混合酸液；所述混合酸液的制备方法为：取等质量的氢氟酸和铬酸作为酸液，按照酸液与去离子水质量比为5∶95混合均匀，即制得混合酸液。

3.根据权利要求1所述的含铯的化学钢化玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中超声清洗的频率为40KHz。

4.根据权利要求1所述的含铯的化学钢化玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中具体操作为：当快速升温电阻炉的温度升至设定的钢化温度后将盛有液体熔盐的容器B第一次取出，搅拌均匀后放入快速升温电阻炉中，继续保温10分钟；然后将盛有液体熔盐的容器B第二次取出，搅拌均匀后放入快速升温电阻炉中，继续保温10分钟后，将容器A中的原片玻璃倒入容器B，并使原片玻璃浸没在容器B的熔盐中，再继续放入快速升温电阻炉中保温10～14小时。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的含铯的化学钢化玻璃的制备方法，其特征在于，所述容器A采用玻璃烧杯，容器B采用不锈钢容器。