CN106698928A - 一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃及制备方法，一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃的质量百分比组分为：59.2％≤SiO2≤63.9％，15％≤Al2O3≤19.51％，1％≤B2O3≤5.7％，11.54％≤Na2O≤13.36％，0≤K2O≤5％，1.35％≤MgO≤3％，0≤CaO≤0.42％和0.1％≤SnO2≤0.4％。本发明的玻璃具有较高的表面压应力及较深的离子交换层深度，表面压应力达到850MPa以上，离子交换层深度达到57μm以上，耐刮耐划，达到产品的使用性能要求。

Description

一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃及制备方法
技术领域
本发明属于玻璃生产技术领域，特别涉及一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃及制备方法。
背景技术
随着现代科技的迅猛发展，先进的电子平板显示产品层出不穷，这些显示产品的表面放置一层保护玻璃，这种保护玻璃的材料为碱性铝硅酸盐玻璃，要求其具有机械强度高、耐磨损、化学稳定性好的特性，这样可以有效地防止显示产品表面免受冲击和划伤伤害，延长电子显示产品的使用寿命，因此，需要通过钢化的方法使玻璃表面产生压缩应力层，来提高玻璃的表面强度。
目前，在玻璃表面形成压缩应力层的方法有物理钢化和化学钢化两种方法，物理钢化法是把玻璃加热到低于软化温度后进行均匀的快速冷却而得。玻璃外部因迅速冷却而固化，而内部冷却较慢。当内部继续收缩时使玻璃表面产生压应力，从而获得较高的强度。但由于保护玻璃厚度较小，物理钢化时很容易因应力不均而破裂，无法获得期望的高强度性能。
化学钢化即是指离子交换的增强处理方法，比较常用的是低温型离子交换法，即在不高于玻璃的转变温度范围内，将玻璃浸在含有比玻璃中碱金属半径大的碱金属熔盐中，用离子半径较大的碱金属阳离子去交换玻璃表面离子半径较小的碱金属阳离子，从而使玻璃表面形成含有较大容积碱离子的表面层，由于体积效应使玻璃表面产生压缩应力，而玻璃内部展现出拉伸应力。压缩应力起了有效阻挡裂纹发生和蔓延的作用。半径较大的碱金属离子进入玻璃内部，产生一定深度的离子交换层，这个离子交换层有效阻碍了裂纹朝着垂直于玻璃表面的方向延伸，在对玻璃进行弯曲的过程中起了强度限制裂纹的作用，从而提高玻璃强度，但是这种方法离子交换层的深度浅和表面压应力不够高，导致耐刮耐划性低，越来越不能满足产品的使用性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃及制备方法，以解决现有技术中离子交换层的深度浅和表面压应力不够高的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃的质量百分比组分为：59.2％≤SiO2≤63.9％，15％≤Al2O3≤19.51％，1％≤B2O3≤5.7％，11.54％≤Na2O≤13.36％，0≤K2O≤5％，1.35％≤MgO≤3％，0≤CaO≤0.42％和0.1％≤SnO2≤0.4％。
进一步的，Al2O3的原料为氧化铝和氢氧化铝中的任意一种或其组合。
进一步的，B2O3的原料为氧化硼和硼酸中的任意一种或其组合。
进一步的，Na2O的原料为碳酸钠和硝酸钠中的任意一种或其组合。
进一步的，MgO的原料为氧化镁和碳酸镁中的任意一种或其组合。
进一步的，77.8％≤SiO2+Al2O3≤81.96％。
进一步的，12.5％≤Na2O+K2O≤18％。
进一步的，0.66≤(Na2O+K2O)/Al2O3≤1.2。
进一步的，玻璃的熔融温度≤1600℃。
进一步的，一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1)根据设计的玻璃组成，进行原料的选择、计算、称量及混合；
2)将混合均匀的粉料倒入铂金坩埚中，在1550℃～1600℃下保温2～5h，然后将熔制好的玻璃液倒入已经预热的模具中成型；
3)将成型后的块状样品放入已升至600℃～750℃的退火炉中，随后将退火后的样品切成薄片并研磨抛光，清洗干净；
4)将清洗干净后的薄片样品置于390℃～440℃的纯度≥99.95％的KNO3熔融化学强化液中处理4h～8h，使玻璃中的Na+与熔融液中的K+进行离子交换，在玻璃表面形成一层压应力层。
与现有技术相比，本发明有以下技术功效：
本发明的玻璃具有较高的表面压应力及较深的离子交换层深度，表面压应力达到850MPa以上，离子交换层深度达到57μm以上，耐刮耐划，达到产品的使用性能要求。
本发明包含有氢氧化铝、硼酸、硝酸钠、碳酸镁等易于熔融和/或有助于澄清的原材料，使玻璃可在较低温度下熔融，降低了燃料的消耗，同时减少了对环境的污染。
具体实施方式
本发明所涉及的保护玻璃中，SiO2是玻璃形成体氧化物，是构成玻璃骨架的必需成分，它可以提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、硬度、机械强度等，但含量过多则会增加玻璃的高温粘度，使玻璃难于融化并可能导致析晶。因此SiO2含量在52.9％～63.9％之间，优选是61.5％～63％之间。
本发明所涉及的保护玻璃中，Al2O3能够大幅度的提高玻璃的化学稳定性，弹性模量及硬度等，且它在含有碱金属氧化物的体系中形成铝氧四面体【AlO4】，它较硅氧四面体【SiO4】有较大的体积，因而结构疏松，空隙大，有利于碱金属离子的活动；但含量过高会增加熔制困难，且使玻璃容易析晶，因此本发明引入15％～19.51％的Al2O3，且0.66≤(Na2O+K2O)/Al2O3≤1.2，优选是1≤(Na2O+K2O)/Al2O3≤1.2，既有利于离子交换又不使熔融温度过高，有利于降低产线动能的损耗。
本发明所涉及的保护玻璃中，B2O3在玻璃中的作用比较特殊，它在高温下以硼氧三角体【BO3】存在，而在低温下以硼氧四面体【BO4】的形式存在，即高温降粘低温增粘；本发明引入1％～5.7％的B2O3，降低其在低温下形成的硼氧四面体【BO4】使玻璃结构紧密而造成的不利于离子交换的负面作用。
本发明所涉及的保护玻璃中，Na2O和K2O是化学强化处理过程中的主要交换离子，Na+与K+离子在结构中主要起断网作用，可明显地降低玻璃粘度，使熔融温度降低，有利于减少燃料的消耗，减少对环境的污染，提高工艺的适配性；但其含量过高时，会降低玻璃本体的各种性能，因此选择引入的12.5％≤Na2O+K2O≤18％。
本发明所涉及的保护玻璃中，MgO为碱土金属氧化物，可以提高玻璃的化学稳定性、机械强度和弹性模量，促进玻璃熔化，但Mg2+与非桥氧相互作用较与桥氧离子作用更为激烈，容易堵塞碱离子交换通道，因此，本说明中1.35％≤MgO≤3％。；
本发明所涉及的保护玻璃中，CaO亦为碱土金属氧化物，Ca+有与Mg2+相同的作用，不利于离子交换；但它可在高温下降低粘度，促进玻璃的熔融和澄清，减少能源消耗，减小对环境的污染，因此，本发明中0≤CaO≤0.42％。
本发明所涉及的保护玻璃中，SnO2可作为澄清剂使用，有利于玻璃熔制过程中气泡的排出，但含量过多则容易形成结石，因此本发明中0.1％≤SnO2≤0.4％。
本发明在实施时，采用下述步骤具体实施：
步骤一：根据设计的玻璃组成，进行原料的选择、计算、称量及混合。
步骤二：将混合均匀的粉料倒入铂金坩埚中，在1550℃～1600℃下保温2～5h，然后将熔制好的玻璃液倒入已经预热的模具中成型。
步骤三：将成型后的块状样品放入已升至600℃～750℃的退火炉中，通过退火消除玻璃样品中的应力，进行基本理化性能测试。随后将退火后的样品切成薄片并研磨抛光，清洗干净。
步骤四：将清洗干净后的薄片样品置于390℃～440℃的纯度≥99.95％的KNO3熔融化学强化液中处理4h～8h，使玻璃中的Na+与熔融液中的K+进行离子交换，在玻璃表面形成一层压应力层，从而达到增加强度的目的。
为更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释说明。
实施例1：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：61.65％的SiO2，19.51％的Al2O3，4.15％的B2O3，12.95％的Na2O，0.01％的K2O，1.46％的MgO，0.03％的CaO和0.23％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在390℃的KNO3熔融化学强化液中放置7h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为907.3MPa，强化后的离子交换层深度为61.5μm。
实施例2：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：62.9％的SiO2，15％的Al2O3，1.0％的B2O3，13.0％的Na2O，5.0％的K2O，3.0％的MgO，和0.1％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在410℃的KNO3熔融化学强化液中放置6h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为893.7MPa，强化后的离子交换层深度为63.2μm。
实施例3：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：62.58％的SiO2，16.89％的Al2O3，4.59％的B2O3，13.36％的Na2O，0.01％的K2O，1.9％的MgO，0.27％的CaO和0.4％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在440℃的KNO3熔融化学强化液中放置5h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为853.6MPa，强化后的离子交换层深度为57.3μm。
实施例4：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：61.53％的SiO2，18.75％的Al2O3，4.43％的B2O3，11.99％的Na2O，1.59％的K2O，1.35％的MgO，和0.34％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在430℃的KNO3熔融化学强化液中放置4h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为867.2MPa，强化后的离子交换层深度为58.1μm。
实施例5：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：62.28％的SiO2，18.25％的Al2O3，4.43％的B2O3，12.14％的Na2O，0.99％的K2O，1.55％的MgO，和0.34％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在420℃的KNO3熔融化学强化液中放置4h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为879.4MPa，强化后的离子交换层深度为57.9μm。
实施例6：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：59.2％的SiO2，18.1％的Al2O3，5.7％的B2O3，12.4％的Na2O，1.55％的K2O，2.1％的MgO，0.13％的CaO和0.32％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在400℃的KNO3熔融化学强化液中放置5h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为884.9MPa，强化后的离子交换层深度为60.3μm。
实施例7：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：62.28％的SiO2，18.25％的Al2O3，4.43％的B2O3，11.74％的Na2O，1.39％的K2O，1.55％的MgO，和0.34％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在400℃的KNO3熔融化学强化液中放置5h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为901.3MPa，强化后的离子交换层深度为59.8μm。
实施例8：
一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，按总体质量百分比计算，其组分包括：61.78％的SiO2，18.75％的Al2O3，4.43％的B2O3，11.54％的Na2O，1.59％的K2O，1.55％的MgO，和0.34％的SnO2。
将根据上述步骤一至三得到的薄片玻璃，在420℃的KNO3熔融化学强化液中放置8h。将化学强化玻璃后的样品擦拭干净后，放在涂有折射液的三棱镜上，通过表面应力仪测得该样品强化后的表面压应力为862.3MPa，强化后的离子交换层深度为61.2μm。

Claims (10)

1.一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃的质量百分比组分为：59.2％≤SiO2≤63.9％，15％≤Al2O3≤19.51％，1％≤B2O3≤5.7％，11.54％≤Na2O≤13.36％，0≤K2O≤5％，1.35％≤MgO≤3％，0≤CaO≤0.42％和0.1％≤SnO2≤0.4％。
2.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，Al2O3的原料为氧化铝和氢氧化铝中的任意一种或其组合。
3.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，B2O3的原料为氧化硼和硼酸中的任意一种或其组合。
4.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，Na2O的原料为碳酸钠和硝酸钠中的任意一种或其组合。
5.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，MgO的原料为氧化镁和碳酸镁中的任意一种或其组合。
6.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，77.8％≤SiO2+Al2O3≤81.96％。
7.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，12.5％≤Na2O+K2O≤18％。
8.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，0.66≤(Na2O+K2O)/Al2O3≤1.2。
9.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃，其特征在于，玻璃的熔融温度≤1600℃。
10.根据权利要求1所述的一种可离子交换的碱性铝硅酸盐保护玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据设计的玻璃组成，进行原料的选择、计算、称量及混合；
2)将混合均匀的粉料倒入铂金坩埚中，在1550℃～1600℃下保温2～5h，然后将熔制好的玻璃液倒入已经预热的模具中成型；
3)将成型后的块状样品放入已升至600℃～750℃的退火炉中，随后将退火后的样品切成薄片并研磨抛光，清洗干净；
4)将清洗干净后的薄片样品置于390℃～440℃的纯度≥99.95％的KNO3熔融化学强化液中处理4h～8h，使玻璃中的Na+与熔融液中的K+进行离子交换，在玻璃表面形成一层压应力层。
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