CN107698143A - 铝硅酸盐玻璃组合物、铝硅酸盐玻璃及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝硅酸盐玻璃组合物、铝硅酸盐玻璃及其制备方法和应用，属于玻璃加工领域，其中所述的玻璃组合物以重量份计包括如下组分：SiO2：100份，Al2O3：18‑30份，Na2O：15‑25份，K2O：5‑13份，MgO：7‑13份，ZrO2：0.5‑4份。本发明的组合物制备的铝硅酸盐玻璃的表面压应力和表面压应力深度较高，可以很好地应用于显示屏的保护中。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃制造、加工领域，具体涉及一种强化用玻璃及其强化玻璃的制备、加工方法和其应用。
背景技术
随着显示技术的发展，液晶电视、平板电脑、移动电话、数码相机等电子产品都可以看到触摸屏。在这些显示产品的使用过程中往往发生接触和摩擦，加上不经意的刻划、碰触，由此产生的划痕影响使用效果，更有可能导致屏幕破裂，特别是在移动终端设备中，容易产生划痕和裂纹，掉落时容易破裂。
随着社会的发展，玻璃应用的领域越来越广泛；覆盖玻璃可以有效保护触摸屏。目前，常用的保护用覆盖玻璃主要有钠钙玻璃和铝硅酸盐玻璃。钠钙玻璃，其表面强度不高，且由于CaO的影响，即使经过化学强化后，其表面压应力CS和压应力深度DOL增幅仍不高，保护效果差；铝硅酸盐玻璃，相对于钠钙玻璃，其表面强度较高，且经过化学强化后，其表面强度增幅较高，能达到较高的CS和DOL，对触摸屏可以起到较好保护作用。
随着厚度的降低，无论是钠钙玻璃还是普通的铝硅酸盐玻璃，其表面强度均下降，且受限于表面结构的影响，化学强化后的表面强度增加到一定程度后不再增加，且相对于钢化前，增幅不大。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝硅酸盐玻璃组合物，本发明申请的组合物通过增加Al2O3来改变铝硅酸盐玻璃表面结构，使其更有利于化学强化，从而达到较高的CS和DOL。
本发明实施例还提供了一种铝硅酸盐玻璃及其制备方法和应用。
第一方面，本发明提供了一种铝硅酸盐玻璃组合物，所述的玻璃组合物以重量份计包括如下组分：SiO2：100份，Al2O3：18-30份，Na2O：15-25份，K2O：5-13份，MgO：7-13份，ZrO2：0.5-4份。
进一步的，所述的组合物以重量份计包括如下组分：SiO2：100份，Al2O3：21-25份，Na2O：19-24份，K2O：8-12份，MgO：8-12份，ZrO2：2-4份。
进一步的，所述的组合物中R的质量百分含量≥97％；所述的R为所述的SiO2、Al2O3、Na2O、K2O和MgO。
进一步的，Al2O3与组分A的重量比为0.5-0.9；所述的组分A为所述的Na2O和K2O。
第二方面，本发明还提供了一种铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括如下步骤：
称取原料：所述的原料为上述的组合物；
将上述原料经熔化、成型和退火后得到所述的铝硅酸盐玻璃。
进一步的，所述的退火后还包括化学强化步骤，所述的化学强化的参数为：强化温度为380-420℃，强化时间为4-8h。
进一步的，所述的熔化和成型步骤之间还包括消泡和均一化步骤。
进一步的，所述铝硅酸盐玻璃的厚度为0.3-1.5mm。
第三方面，本发明还提供了一种铝硅酸盐玻璃，所述的铝硅酸盐玻璃由上述的制备方法制备而得。
进一步的，所述的铝硅酸盐玻璃表面压应力CS≥800Mpa，表面压应力深度≥35μm。
第四方面，本发明还提供了一种上述的铝硅酸盐玻璃用组合物或铝硅酸盐玻璃在制备显示器中的应用。
进一步的，将所述的铝硅酸盐玻璃作为手机显示器的覆盖玻璃。
与现有技术相比，本发明铝硅酸盐玻璃组合物、铝硅酸盐玻璃及其制备方法和应用至少具有如下有益效果：
本发明申请通过适当提高Al2O3含量，来提高铝氧四面体[AlO4]取代硅氧四面体[SiO4]，从而增大玻璃组合物结构空隙和疏松程度，更利于碱金属离子的活动，从而提升组合物在化学强化过程中的离子交换速率和交换程度，更大限度的增强表面CS和DOL，使玻璃组合物表面强度更大化。
增加Al2O3含量时，玻璃组合物粘度会变大，本发明申请通过控制Na2O和K2O的含量(合理的Al2O3与Na2O和K2O的含量之和的比值)，可以有效的降低粘度，消除因Al2O3含量增加带来的不利影响。
本发明中的组合物制备的铝硅酸盐玻璃经化学强化后表面压应力CS≥800Mpa，压应力深度DOL≥35μm，应用在显示屏上可以很好地保护显示屏。
具体实施方式
下面结合较佳实施例对本发明作进一步详细描述，应当理解，较佳实施例是为了方便对本发明方案的理解，而不作为对本发明的限定。
本发明申请的原理：通过适当提高Al2O3含量，来提高铝氧四面体[AlO4]取代硅氧四面体[SiO4]，从而增大玻璃组合物结构空隙和疏松程度，更利于碱金属离子的活动，从而提升组合物在化学强化过程中的离子交换速率和交换程度，更大限度的增强表面CS和DOL，使玻璃组合物表面强度更大化。而增加Al2O3含量时，玻璃组合物粘度会变大，而通过控制Al2O3与Na2O和K2O的含量之和的比值，可以有效的降低粘度，消除因Al2O3含量增加带来的不利影响。
发明方案如下：
第一方面，本发明提供了一种铝硅酸盐玻璃组合物，所述的玻璃组合物以重量份计包括如下组分：SiO2：100份，Al2O3：18-30份，Na2O：15-25份，K2O：5-13份，MgO：7-13份，ZrO2：0.5-4份。
进一步的，所述的组合物以重量份计包括如下组分：SiO2：100份，Al2O3：21-25份，Na2O：19-24份，K2O：8-12份，MgO：8-12份，ZrO2：2-4份。
这里要说明的是：本发明的玻璃用组合物中，SiO2是是构成玻璃骨架的成分，含量过低，易导致应变点降低，热膨胀系数增大，不易形成玻璃，且耐酸性、耐碱性下降；提高SiO2含量能够降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性等性能，但含量过高对设备的成本要求很高，增加设备投入成本；含量过高还会导致玻璃高温下粘度很高、容易析晶。
组合物中的Al2O3属于中间体氧化物，对化学强化处理后的玻璃强度具有较好的促进作用，在制备铝硅酸盐玻璃时，Al2O3在加工中形成铝氧四面体，该体积比硅氧四面体的大，在玻璃结构中产生更大的缝隙，有利于离子交换，最终使得化学强化效果更好有助于提高表面压应力和压应力深度。但Al2O3含量过高，玻璃容易析晶，难以熔制；因此，相对于100重量份的SiO2，Al2O3的优选范围为18.15-21.1重量份或21.1-22.60重量份或22.60-23.3重量份或23.3-23.65重量份或23.65-24.1重量份或24.1-24.50重量份或24.50-30重量份。
组合物中Na2O是离子交换的主要物质，与熔盐中的钾离子交换达到提高玻璃强度的效果，Na2O起助熔作用，使得玻璃熔化温度降低；相对于100重量份的SiO2，Na2O的优选范围可以是15-19.85重量份或19.85-20.40重量份或20.40-22.25重量份或22.25-22.6重量份或22.6-23.4重量份或23.4-23.8重量份或23.8-24.2重量份。
组合物中K2O能够降低玻璃高温粘度，使玻璃的熔融性及成形性提高，且在与Na+离子交换时通过互扩散提高化学强化中的离子交换速度来获得所需的表面应力和加深应力层的厚度；相对于100重量份的SiO2，K2O的优选范围可以是5-8.65重量份或8.65-8.95重量份或8.95-9.2重量份或9.2-9.5重量份或9.5-10.7重量份或10.7-12.1重量份或12.1-12.2重量份。
组合物中MgO有效控制玻璃液的硬化速度和析晶性能，控制析晶性能，防止玻璃液在冷却过程中变成晶体而不透明或退火时炸裂；同时改善玻璃的熔化性能，起助熔作用，相对于100重量份的SiO2，MgO的优选范围可以是7-8重量份或8-9.55重量份或9.55-9.88重量份或9.88-10.35重量份或10.35-12.01重量份或12.01-12.10重量份或12.10-13重量份。
在玻璃加工中，还可能有一些杂质(CaO、B2O3和Fe2O3等，一般相对于100份的二氧化硅含有0-8份的CaO，0-6份的B2O3为常见的也是正常的)产生，组合物中不可避免的杂质质量百分含量≤3％制备出的玻璃具有较好的表面压应力和压应力深度，可以满足显示屏的保护的要求，杂质含量过高将会造成玻璃的表面压应力和压应力深度等难以达到所需的要求，过低将会对原料的选取和加工程序要求很苛刻，对玻璃的品质改善并不大。
作为优选，Al2O3与组分A的质量比为0.5-0.9；所述的组分A为所述的Na2O和K2O。
这里要说明的是：Al2O3含量的增加将会造成玻璃高温下粘度的升高，控制Al2O3与Na2O和K2O的含量比例可以有效降低粘度，有利于玻璃的熔制；Al2O3与组分A的质量比的比值的优选范围可以是0.5-0.569或0.569-0.733或0.733-0.855或0.855-0.9。
第二方面，本发明实施例还提供了一种铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括如下步骤：
称取原料：所述的原料包括SiO2：100份，Al2O3：18-30份，Na2O：15-25份，K2O：5-13份，MgO：7-13份，ZrO2：0.5-4份；
将上述原料经熔化、成型和退火后得到所述的铝硅酸盐玻璃。
作为优选，所述的退火后还包括化学强化步骤，所述的化学强化的参数为：强化温度为380-420℃，强化时间为4-8h。
这里要说明的是：熔化和成型之间还可包括消泡和均一化步骤，本发明的方法中，对熔化、消泡、均一化、成型和退火的条件及设备没有特殊要求，可以为本领域常规的加工方法，对于退火后还可以对得到的产品根据需要进行适当的机械加工处理，对于机械加工处理没有特别的限定，可以为本领域常见的各种机械加工方式，例如可以为将退火处理得到的产物进行切割、研磨、抛光等，本方法制备的铝硅酸盐玻璃在0.3-1.5mm厚度时仍具有较高的表面压应力和表面压应力深度。
第三方面，本发明实施例还提供了一种铝硅酸盐玻璃，所述的铝硅酸盐玻璃由上述的制备方法制备而得。
作为优选，所述的铝硅酸盐玻璃表面压应力CS≥800Mpa，表面压应力深度≥35μm。
这里要说明的是：本发明申请的铝硅酸盐玻璃的表面压应力和表面压应力深度可以满足目前显示屏等的保护的需要。
第四方面，本发明提供了本发明所述的铝硅酸盐玻璃用组合物或铝硅酸盐玻璃在制备显示器中的应用。对于显示器没有特别的限定，可以为电子产品领域常见的各种显示器，例如可以为液晶电视、平板电脑、触摸屏手机等显示器，具体地，可以用于制备显示器件用覆盖玻璃。
下面是具体实施例：
表1为实施例1-8中组合物成分及玻璃参数表，如表1，实施例1-8为按不同组分制备的玻璃组合物以及测得的相应性能参数；表2为对比例1-3中组合物成分及玻璃参数表，如表2，对比例1为钠钙玻璃组分制得的玻璃组合物以及测得的相应性能参数；对比例2为普通铝硅酸盐玻璃组分制得的玻璃组合物以及测得的相应性能参数；对比例3为与实施例4相比较，增大Al2O3/(Na2O+K2O)比值时制得的玻璃组合物以及测得的相应性能参数。
按表1和表2中各组分的重量配比秤取各种原料后混合均匀(对其中的主要杂质进行了测定，详细含量见表1和2)，放入铂金坩埚加热至约1500～1600℃进行熔化，使用高温粘度计测定1550℃时玻璃粘度，待玻璃液消泡、均一化后，倒入模具进行成型、退火处理，制备获得玻璃片，再将玻璃片经过切割、研磨、CNC磨边处理制得145mm*73mm、厚度为0.5mm的玻璃样片，将玻璃样片放入400℃、Na+浓度约为1030ppm的强化液中强化4.5h，将强化后的玻璃样片使用型号为FSM-6000L的表面压应力测试仪进行表面压应力和压应力层厚度测试。
表1
表2
从表1实施例3-5可以看出，在保持Al2O3与Na2O和K2O的含量之和的比值的前提下，提升玻璃组合物中的Al2O3含量，经过相同的化学强化条件进行强化后，玻璃组合物的表面压应力CS和表面压应力深度DOL都随着玻璃组合物中的Al2O3含量的提升而增大，表面强度增强；
从表2对比例1、2与表1中实施例1-8可以看出，普通钠钙玻璃和铝硅酸盐玻璃与本发明的玻璃组合物相比，经过相同的化学强化条件进行强化后，其CS和DOL仍相对较低，表面强度不及本发明的玻璃组合物；
从对比例3与实施例4可以看出，在Al2O3含量相同的条件下，当Al2O3与Na2O和K2O的含量之和的比值从0.73变大支0.94时，玻璃组合物在1550℃时的粘度值增加较大，这样不利于玻璃熔化成型。
综上，本发明通过玻璃组合物不同组分的配比，在控制Al2O3与Na2O和K2O的含量之和的比值下适量增加Al2O3含量，从而增大玻璃组合物结构空隙和疏松程度，更利于碱金属离子的活动，从而提升组合物在化学强化过程中的离子交换速率和交换程度，更大限度的增强表面CS和DOL，更大限度地提升玻璃组合物表面强度。且消除了因Al2O3含量增加玻璃组合物粘度增大从而影响熔化成型的因素。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种铝硅酸盐玻璃组合物，其特征在于，所述的玻璃组合物以重量份计包括如下组分：SiO2：100份，Al2O3：18-30份，Na2O：15-25份，K2O：5-13份，MgO：7-13份，ZrO2：0.5-4份。
2.根据权利要求1所述的铝硅酸盐玻璃组合物，其特征在于，所述的组合物以重量份计包括如下组分：SiO2：100份，Al2O3：21-25份，Na2O：19-24份，K2O：8-12份，MgO：8-12份，ZrO2：2-4份。
3.根据权利要求1或2所述的铝硅酸盐玻璃组合物，其特征在于，所述的组合物中R的质量百分含量≥97％；所述的R为所述的SiO2、Al2O3、Na2O、K2O和MgO。
4.根据权利要求1或2所述的铝硅酸盐玻璃组合物，其特征在于，Al2O3与组分A的重量比为0.5-0.9；所述的组分A为所述的Na2O和K2O。
5.一种铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
称取原料：所述的原料为权利要求1-4任意一项所述的组合物；
将上述原料经熔化、成型和退火后得到所述的铝硅酸盐玻璃。
6.根据权利要求5所述的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述的退火后还包括化学强化步骤，所述的化学强化的参数为：强化温度为380-420℃，强化时间为4-8h。
7.根据权利要求5或6所述的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述的熔化和成型步骤之间还包括消泡和均一化步骤。
8.根据权利要求5或6所述的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述的铝硅酸盐玻璃的厚度为0.3-1.5mm。
9.一种铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述的铝硅酸盐玻璃由权利要求5-8任意一项所述的制备方法制备而得。
10.根据权利要求9所述的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述的铝硅酸盐玻璃表面压应力CS≥800Mpa，表面压应力深度≥35μm。
11.权利要求1-4中任意一项所述的铝硅酸盐玻璃用组合物或权利要求9或10所述的铝硅酸盐玻璃在制备显示器中的应用。
12.根据权利要求11所述的铝硅酸盐玻璃在制备显示器中的应用，其特征在于，将所述的铝硅酸盐玻璃作为手机显示器的盖板玻璃。
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