CN109071320B - 具有镨和钕的多色玻璃 - Google Patents
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Abstract
玻璃包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3。此外,玻璃中的选自V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3的任意发色团之和小于0.1摩尔%。玻璃可以表征为在暴露于白炽光光源之后明显粉色颜色,以及暴露于荧光光源之后明显绿色颜色。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。
Description
本申请根据35U.S.C.§119,要求2016年04月14日提交的美国临时申请系列第62/322,562号的优先权,本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本说明书一般地涉及颜色变化的玻璃和包含颜色变化的材料的玻璃制品,更具体来说,涉及可定制化多色玻璃和包含多色材料的玻璃制品。
背景技术
已知一些玻璃组合物当暴露于变化的光照条件时发生颜色变化。但是,这些玻璃中的颜色改变不是可定制化的,因而,它们不适用于许多用途,特别是防伪方案。此外,这些玻璃中的一些的颜色改变对于艺术目的和/或对于装饰应用而言,在美观上是不令人愉悦的。
对于消费者产品(包括好酒、手表、珠宝和其他受到大量假冒活动影响的产品),已经开发了各种防伪方案。这些方案中的许多依靠“黑匣子”传感器来确定特定商品是正品或者是伪造的。不幸的是,这些方案普遍遭受假冒“黑匣子”的问题,所述假冒“黑匣子”为特定商品提供了作为正品的虚假指示。
因此,当暴露于变化的光照条件时具有受控的颜色变化能力的玻璃具有许多诱人的应用。此外,还需要可以直接被消费者使用而不需要额外传感器的防伪方案。
发明内容
根据一个实施方式,提供了一种玻璃,其包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于1且小于1.9。此外,如果存在的话,CoO小于0.01摩尔%,以及如果存在的话,Fe2O3小于0.004摩尔%。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,玻璃可任选地包含至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,从而使得V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3之和小于0.1摩尔%。
在另一个实施方式中,提供了一种玻璃,其包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3。此外,玻璃中的V2O5、Cr2O3、Mn2O3,、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3发色团之和小于0.1摩尔%,如果存在任何这些发色团的话。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,这种玻璃的一个方面包括至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3。
在另一个实施方式中,提供了一种玻璃,其包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于或等于0.9且小于或等于2.0。此外,如果存在的话,Ce2O3小于1摩尔%;如果存在的话,Fe2O3小于0.4摩尔%;如果存在的话,Mn2O3小于0.04摩尔%;如果存在的话,Er2O3小于1摩尔%;以及如果存在的话,Nb2O5小于0.5摩尔%。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,玻璃可任选地包含至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,从而使得V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3之和小于0.1摩尔%。
在另一个实施方式中,提供了一种玻璃,其包含大于70摩尔%的SiO2,以及Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3。此外,如果存在任何的话,Fe2O3、CeO2与TiO2之和小于1摩尔%。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,玻璃可任选地包含至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,从而使得V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3之和小于0.1摩尔%。
在另一个实施方式中,任意前述玻璃可表征为:在暴露于白炽光光源之后具有第一颜色,以及在暴露于荧光光源之后具有第二颜色,所述第一和第二颜色是相互不同的。例如,在这些玻璃的一个方面中,第一颜色是明显粉色,以及第二颜色是明显绿色。此外,这些玻璃的方面还可表征为,在经受D65-10照明条件和F02-10照明条件的情况下,至少3.0的颜色差异(CD)。
在这些玻璃的另一个方面,Nd2O3与Pr2O3之比大于0.75且小于2.0。在另一个方面,Nd2O3与Pr2O3之比大于1.1且小于1.9。此外,在其他方面,在某些实践方式中,Pr2O3可以是约0.7至约3.0摩尔%,以及Nd2O3可以是约1.0至约4摩尔%。
在本公开的另一个方面,提供了一种玻璃制品,其包括具有第一玻璃组合物的第一多色部分;和具有第二玻璃组合物的第二多色部分,所述第二玻璃组合物包括的组成不同于所述第一玻璃组合物。所述第一玻璃组合物包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3。此外,玻璃中的V2O5、Cr2O3、Mn2O3,、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3发色团之和小于0.1摩尔%,如果存在任何这些发色团的话。在某些方面,第一和第二多色部分导致制品在经受从第一光源变化至第二光源的光源变化之后,制品中出现图案或者图案消失。
在本公开的另一个方面,提供了一种玻璃制品,所述玻璃制品包括基材,所述基材包括根据前述任意组合物的玻璃。基材还包括压缩应力区域,其具有至少50MPa的最大压缩应力,和厚度中至少15微米的层深度(DOL)。
在本公开的另一个方面,提供了一种玻璃制品,所述玻璃制品包括容器,所述容器包括根据前述任意组合物的玻璃。此外,容器构造成装纳至少一种液体或固体介质。在一些方面,容器构造成香水瓶、古龙水瓶、药瓶、或者电子器件外壳。在另一个方面,玻璃还构造为防伪系统。
在以下的详细描述中给出了附加特征和优点,通过所作的描述,其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言是显而易见的,或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所描述的实施方式而被认识。
应理解,前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了各种实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步理解,附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各种实施方式,且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
具体实施方式
因此,希望提供的玻璃当经受、暴露于或者任意其他方式受到变化的光照条件照明时,具有受控的颜色变化能力。还希望提供廉价的防伪方案,其可以被结合到制品中,允许购买者更容易地确定商品是正品还是伪造的。
因此,本公开的颜色变化的玻璃提供了以下一个或多个优点。例如,颜色变化的玻璃实施方式不需要昂贵的宝石矿石或者单晶添加剂来实现颜色变换。此外,使得本公开的玻璃具有颜色变化的变化的光照条件对于消费者是容易得到的。这些条件包括全谱光(例如,日光和白炽光)以及荧光照明的窄原子发射线。来自LED和移动装置显示器的RGB白光提供了能够赋予额外颜色的另一种照明源。通过本公开的玻璃提供的防伪方案可以依靠人眼,不需要它们自身就可能被伪造的额外传感器。本公开的玻璃的另一个好处在于,它们的颜色变换是令人感兴趣的,并且可以经过调节用于特定的装饰或艺术作用。另一个好处在于,艺术品可以含有本公开的多种玻璃组合物,以产生令人感兴趣的图案(例如,作为层状复合物)。这些图案可以是当照明条件变化时相对于它们的背景变换颜色或者图案消除或出现。另一个好处在于,基础玻璃组合物是灵活的,其可以包括可离子交换和抗破坏组合物(例如,Gorilla)和廉价的钠钙硅酸盐组合物。
下面将具体参照实施方式,其包括颜色变化的玻璃,所述玻璃包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3。Pr2O3和Nd2O3可分别设定为约0.065%至约20摩尔%。玻璃可包含一种或多种可视荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。荧光可以是在可见光谱中的(例如,Tb3+发射或者任意其他方式发出绿光荧光),从而有助于例如防伪方案或者安全设备等中的消费者鉴定。荧光也可以是在红外谱中的(例如,Yb3+发射或者任意其他方式发出976nm和1060nm的荧光),从而例如,有助于(例如对于具有此红外发光设备的)消费者或者其他防伪方案或安全设备中的其他授权个体进行鉴定。此外,玻璃可以不包含发色团,或者包含选自V2O5、Cr2O3、Mn2O3,、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3的至少一种发色团,使得发色团之和小于0.1摩尔%。本文将更详细地描述颜色变化玻璃的各种实施方式。
根据一个实施方式,提供了一种颜色变化的玻璃,其包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于1且小于1.9。此外,如果存在的话,CoO小于0.01摩尔%,以及如果存在的话,Fe2O3小于0.004摩尔%。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,玻璃可任选地包含至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、CuO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,从而使得V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3之和小于0.1摩尔%。
在另一个实施方式中,提供了一种颜色变化的玻璃,其包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3。此外,玻璃中的V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3发色团之和小于0.1摩尔%,如果存在任何这些发色团的话。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,这种玻璃的一个方面包括至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3。
在另一个实施方式中,提供了一种颜色变化的玻璃,其包含Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于或等于0.9且小于或等于2.0。此外,如果存在的话,Ce2O3小于1摩尔%;如果存在的话,Fe2O3小于0.4摩尔%;如果存在的话,Mn2O3小于0.04摩尔%;如果存在的话,Er2O3小于1摩尔%;以及如果存在的话,Nb2O5小于0.5摩尔%。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,玻璃可任选地包含至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,从而使得V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3之和小于0.1摩尔%。
在另一个实施方式中,提供了一种颜色变化的玻璃,其包含大于70摩尔%的SiO2,以及Pr2O3和Nd2O3,使得Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3。此外,如果存在任何的话,Fe2O3、CeO2与TiO2之和小于1摩尔%。对于玻璃中存在Mn2O3和NiO的情况,Mn2O3、Fe2O3、NiO和CeO2之和应该小于2摩尔%。玻璃可任选地包含一种或多种荧光离子,其选自下组元素的氧化物:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm及其组合,从而使得荧光离子的总浓度是大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%。此外,玻璃可任选地包含至少一种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、NiO、CuO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,从而使得V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、NiO、CuO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3之和小于0.1摩尔%。
本文所揭示的玻璃的实施方式涉及颜色变化的玻璃,例如,颜色变化的铝硅酸盐玻璃和颜色变化的碱性铝硅酸盐玻璃。根据一些实施方式,下文列出了硅酸盐玻璃的组成;但是应理解的是,玻璃的组成没有具体受限于硅酸盐玻璃,并且可以将发色团和荧光化合物添加到其他类型的玻璃陶瓷、聚合物、单晶和玻璃,包括但不限于:硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、碲酸盐玻璃和铝酸盐玻璃。在一些实施方式中,可以使用硫属化物玻璃,例如硫化物玻璃。在其他实施方式中,可以使用在可见光谱中没有强烈吸收的任何材料。
如本文所用,“多色”涉及的是玻璃在用不同光源照明之后展现出颜色变换的能力,所述不同光源包括光谱变化和/或强度变化。如本文所用,“位变异构(metamerism)”涉及的是玻璃在经受第一和第二光源、暴露于第一和第二光源、或者任意其他方式受到第一和第二光源照明之后,展现出颜色变换的能力。如本文所用,“颜色差异(CD)”或者“色差异(CD)”显示了两种不同光源之间的颜色的差异。颜色差异(CD)由如下等式(1)得到:
式中,L*1、a*1、b*1是第一光源(例如,D65光源)下的CIELab*色坐标(即,国际照明委员会在1976年所采用的),以及L*2、a*2、b*2是同一样品在第二光源(例如,F02光源)下的CIELab*色坐标。此外,本文所记录的所有颜色差异(CD)测量是通过如下方式测得的:测量切割成40x 40mm正方形,厚度为2mm,在两侧用氧化铈抛光介质进行抛光的样品。然后用特定光源(例如,F02光源)以反射模式通过每个样品的厚度在X-Rite Color i7TM台式分光光度计上(每个样品后面具有白色背衬基材)测得色坐标。
含镨和钕的玻璃
在示例性硅酸盐玻璃组合物中,SiO2是最主要的组分,由此,SiO2是由玻璃组合物所形成的玻璃网络的主要组分。纯SiO2具有较低的热膨胀系数(CTE)。但是,纯SiO2具有高熔点。因此,如果玻璃组合物中SiO2的浓度过高,则玻璃组合物的可成形性会降低,因为较高的SiO2浓度增加了熔化玻璃的难度,这进而对玻璃的可成形性造成不利的影响。低SiO2玻璃,例如具有少于约40摩尔%的SiO2的玻璃倾向于具有糟糕的耐久性和耐失透性,因此,实践中为了成形方便而使玻璃具有超过40摩尔%的SiO2和超过50摩尔%的SiO2。具有至少70摩尔%的SiO2的玻璃具有优异的耐久性并且适用于外部应用和安装。但是,应理解的是,不包含二氧化硅的玻璃也可用于实施方式中。例如,根据实施方式,可以使用磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、重金属氟化物和其他非二氧化硅玻璃。
在一些实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约40摩尔%至小于或等于约80摩尔%,例如从大于或等于约50摩尔%至小于或等于约75摩尔%的SiO2。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约55摩尔%至小于或等于约70摩尔%,例如从大于或等于约62摩尔%至小于或等于约69摩尔%的SiO2。在其他实施方式中,(例如,出于增加耐久性)玻璃组合物可以包含浓度大于或等于70摩尔%的SiO2。
如上文所述,玻璃组合物的实施方式涉及铝硅酸盐玻璃。因此,实施方式的玻璃组合物除了SiO2以外还可包含Al2O3。与SiO2相似,Al2O3能够起到玻璃网络形成体的作用。Al2O3可以增加玻璃组合物的粘度,因为它在由恰当设计的玻璃组合物形成的玻璃熔体中是四面体配位的。但是,当Al2O3的浓度与玻璃组合物中SiO2的浓度以及任选的碱性氧化物的浓度平衡时,Al2O3会降低玻璃熔体的液相线温度,由此增强液相线粘度并改善玻璃组合物与某些成形工艺的相容性。Al2O3还起到助剂的作用,增加玻璃中的稀土掺杂剂(特别是Pr和Nd)以及其他任选的稀土掺杂剂(例如,Ho、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、和Tm)的溶解度。因此,对于希望较短光路长度或者较薄制品的玻璃而言,需要更多的Pr2O3与Nd2O3组合,因而希望玻璃具有超过1摩尔%的Al2O3。对于具有超过10摩尔%的(Pr2O3+Nd2O3)的玻璃,希望具有至少10摩尔%的Al2O3。当Al2O3的浓度超过30摩尔%时,玻璃的液相线温度增加,并且玻璃的可成形性发生问题。因此,出于易于玻璃成形,通常希望采用小于30摩尔%Al2O3,以及出于(例如,在制造规模操作中)制造更大体积的本公开的玻璃,希望采用小于20摩尔%Al2O3。在纯SiO2中,稀土氧化物浓度大于500-1000ppm会导致相分离或失透,但是铝硅酸盐可以具有最高至25摩尔%的稀土氧化物并且仍然是稳定的,例如,Hwa,L.G.等人的39Material ResearchBulletin(材料研究报告)33(2004)和Clayden N.J.等人的258J.Non-Crystalline Solids(非结晶固体)11(1999)中列出,其全文通过引用结合入本文。另外,Al2O3能够增强碱性硅酸盐的离子交换性能。对于化学强化的碱性铝硅酸盐玻璃,Al2O3含量可以是5-25摩尔%。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约5.0摩尔%至小于或等于约25摩尔%,例如从大于或等于约7.0摩尔%至小于或等于约17摩尔%的Al2O3。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约8.0摩尔%至小于或等于约14摩尔%,例如从大于或等于约9.0摩尔%至小于或等于约10摩尔%的Al2O3。但是,应理解的是,玻璃体系没有特别的限制,因此,在一些实施方式中,可以使用含有大于或等于约25%至小于或等于约50%Al2O3的玻璃。在其他实施方式中,玻璃体系可以不包含Al2O3。
Na2O是可以降低玻璃粘度以改善其可熔融性和可成形性的组分。当Na2O的含量过高时,玻璃的热膨胀系数(CTE)变得过大,玻璃的耐热冲击性可能降低。碱性氧化物(例如,Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、和Cs2O)还可实现离子交换用于对玻璃的应力和折射率分布进行改性,这可以通过离子交换实现化学强化和波导书写,这可以提供额外的安全特征。例如,可以在含Ag+离子的浴中对含碱性玻璃进行离子交换,使得Ag+离子会与玻璃中的单价碱金属交换,从而将Ag+离子结合到玻璃中。结合到玻璃中的Ag+离子会提升含有Li2O、Na2O、K2O和Rb2O中的一种或多种的玻璃的折射率,并且当暴露于紫外(UV)激发光时,来发射或者任意其他方式发出荧光绿色。可以通过对暴露于含有Ag+离子的浴的玻璃进行部分掩膜,来进行图案化的离子交换,以产生Ag+波导或荧光图案。碱性氧化物没有增加玻璃的颜色,并且对于位变异构或荧光具有可忽略不计的影响。在玻璃用作Si基电子件(例如,LCD显示器)的基材的情况下,碱性离子(例如,Na+)会使得Si晶体管中毒,性能劣化;因此,对于这些应用,会希望是不含碱性的组合物。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约5摩尔%至小于或等于约25摩尔%,例如从大于或等于约10摩尔%至小于或等于约20摩尔%的Na2O。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约11摩尔%至小于或等于约17摩尔%,例如从大于或等于约12摩尔%至小于或等于约15摩尔%的Na2O。在其他实施方式中,玻璃组合物可以包含浓度约为14摩尔%的Na2O。
在一些实施方式中,玻璃组合物可含有其它元素,例如碱土金属氧化物。在一些实施方式中,碱土金属氧化物可选自MgO、CaO、SrO、BaO以及它们的组合。可加入这些氧化物以增加可熔性、耐久性和玻璃稳定性。尽管ZnO不是碱土金属,但其为二价氧化物且能够发挥与上述碱土金属氧化物相似的功能,因此,可将ZnO加入玻璃组合物中。碱土金属氧化物可作为帮助防止玻璃组合物在暴露于环境条件后发生降解的稳定剂加入。但是,向玻璃组合物中添加过多的碱土金属氧化物会降低其可成形性。
在实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于0.0摩尔%至小于或等于约25摩尔%,例如从大于或等于约2.0摩尔%至小于或等于约20摩尔%的碱土金属氧化物。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约10摩尔%至小于或等于约17摩尔%,例如从大于或等于约12摩尔%至小于或等于约15摩尔%的碱土金属氧化物。
在一些实施方式中,玻璃组合物可以包含B2O3(本文也称作“氧化硼”)。B2O3使得玻璃软化,可以增加碱土掺杂剂的溶解度;以及使得玻璃易于熔融和成形。但是,在非常高浓度B2O3时,玻璃耐久性发生问题并且会发生相分离。因此,优选希望维持B2O3含量低于25摩尔%。B2O3还可用于降低玻璃的热膨胀系数(CTE)和液相线温度。在一些实施方式中,玻璃组合物可以包含浓度从大于或等于0.0摩尔%(例如,包含痕量或更少量)至小于或等于约25摩尔%的B2O3。在一个实践方式中,玻璃可以包含浓度从大于或等于约1.0摩尔%至小于或等于约20摩尔%的B2O3。在其他实践方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约1.5摩尔%至小于或等于约10摩尔%的B2O3。例如,在某些实施方式中,此类玻璃可以包含浓度水平大于或等于约7摩尔%至小于或等于约17摩尔%的B2O3。
在实施方式中,玻璃组合物可包含澄清剂,例如SnO2、硫酸盐、氯化物、溴化物、Sb2O3、As2O3和CeO2。在高浓度时,CeO2会赋予颜色并且压制旨在具有多色能力的玻璃在没有其的情况下会展现出来的多种颜色。因此,对于玻璃中的高浓度Pr和Nd(例如,Pr2O3和Nd2O3之和超过5摩尔%),CeO2的浓度应该限制到小于1摩尔%。对于玻璃中的更为中度浓度的Pr和Nd(例如,Pr2O3和Nd2O3之和是1-5摩尔%),CeO2的浓度应该限制到小于0.5摩尔%。对于玻璃中的较低浓度的Pr和Nd(例如,Pr2O3和Nd2O3之和小于1摩尔%),CeO2的浓度应该限制到小于0.1摩尔%。当在玻璃中存在Ce3+和Ce4+离子的混合物时,Ce离子产生了大部分的颜色和吸收,以及吸收强度与它们浓度的乘积成比例;因此,希望对含Ce的玻璃进行强烈氧化从而维持大部分的Ce(如果不是全部的Ce的话)维持Ce4+状态,或者对玻璃进行强烈还原,从而维持大部分的Ce(如果不是全部的Ce的话)维持Ce3+状态,以使得玻璃中Ce的掩蔽效应最小化。强还原条件还增加了蓝色荧光,因为Ce3+具有蓝色荧光,而Ce4+则没有。对于SnO2、氯化物、溴化物、Sb2O3和As2O3,这些澄清剂没有向玻璃赋予太多的颜色,但是它们的溶解度限制了它们的使用低于约1摩尔%或更低。但是,Sn2+和Sb3+离子都发出带点蓝色的白色荧光,这可以与本公开的(例如,归属于Pr和Nd相关贡献的)玻璃的多色效应结合,增加额外的防伪特征、安全特征等。更一般来说,本公开的玻璃中所采用的澄清剂的水平是约0.05至约5摩尔%,以提供澄清功能,以及在一些情况下,还提供荧光(例如,对于含Sn2+和Sb3+的澄清剂)。在一个优选的方面,选择SnO2作为澄清剂因为其是无毒的(例如,相比于Sb2O3和As2O3而言)。在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于0.0摩尔%至小于或等于约1.0摩尔%,例如从大于或等于约0.002摩尔%至小于或等于约0.9摩尔%的澄清剂。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约0.05摩尔%至小于或等于约0.8摩尔%,例如从大于或等于约0.1摩尔%至小于或等于约0.7摩尔%的澄清剂。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约0.1摩尔%至小于或等于约0.3摩尔%(例如,约约0.15摩尔%)的澄清剂。在采用硫酸盐作为澄清剂的实施方式中,包含的硫酸盐的量可以是大于或等于约0.001摩尔%至小于或等于约0.1摩尔%。应注意的是,如下文所述,实施方式也可以包含Sn2+作为荧光离子。因此,在一些实施方式中,不会将SnO2用作澄清剂,从而其没有与玻璃的荧光性质发生干扰。此外,在使用Sn离子作为荧光体的实施方式中,Sn的浓度可以与其他澄清剂是平衡的。
除了上文所述的硅酸盐玻璃组分之外,根据本文所述实施方式的玻璃组合物还包含Pr2O3和Nd2O3。添加Pr2O3和Nd2O3的组合为玻璃组合物增加了颜色和颜色变化能力。在这些玻璃中,Pr2O3和Nd2O3之和大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3,以实现颜色变化能力。Pr2O3和Nd2O3可分别设定为约0.065%至约20摩尔%。在这些Pr2O3和Nd2O3水平下,当在日光、白炽光或全谱白光中观察时,这些玻璃展现出粉色颜色。当在典型的荧光光源(例如,在545nm和620nm具有尖锐的发射带)下观察时,这些玻璃展现出绿色颜色。此外,当用LED手电筒或LED照明灯具(例如,蓝色LED与Ce:YAG黄色磷光体)照明时,这些玻璃呈现黄色。因此,这些玻璃是多色的,能够从粉色变化成绿色变化成黄色,或者以其他顺序发生粉色、绿色和黄色变化,这取决于照明条件(例如,照亮它们的光源的光谱)。
在另一个优选方面,在本公开的Nd2O3/Pr2O3比例是0.75-2.0的玻璃中,可以观察到大的颜色变换。本公开的其他方面涉及Nd2O3/Pr2O3比例是1-1.9的玻璃组合物。本公开的另一个方面涉及Nd2O3/Pr2O3比例设定为大于或等于0.9且小于或等于2.0的玻璃组合物。在Nd2O3/Pr2O3比例是1.1-1.5的这些玻璃的一些实施方式中,甚至更强烈的颜色变化也是可能的。
当Nd2O3/Pr2O3比例小于0.5时,绿色的Pr2O3颜色占主导,并且难以观察到这些颜色变化。相反地,当Nd2O3/Pr2O3比例大于4时,紫色的Nd2O3颜色占主导,并且难以观察到颜色变化。由此,通常应该将Nd2O3/Pr2O3比例控制在0.5至4,以确保玻璃展现出明显的多色、颜色变化能力。因此,在本公开的玻璃的某些实践方式中,Nd2O3/Pr2O3比例可以设定为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0,以及这些例子之间的所有比例。
在某些优选实践方式中,Pr2O3可以是约0.7至约3摩尔%,以及Nd2O3可以是约1.0至约4摩尔%,从而获得颜色变化的效果。例如,Pr2O3可以设定为0.5摩尔%、0.6摩尔%、0.7摩尔%、0.8摩尔%、0.9摩尔%、1.0摩尔%、1.1摩尔%、1.2摩尔%、1.3摩尔%、1.4摩尔%、1.5摩尔%、1.6摩尔%、1.7摩尔%、1.8摩尔%、1.9摩尔%、2.0摩尔%、2.1摩尔%、2.2摩尔%、2.3摩尔%、2.4摩尔%、2.5摩尔%、2.6摩尔%、2.7摩尔%、2.8摩尔%、2.9摩尔%、3.0摩尔%,以及这些量之间的所有值。类似地,Nd2O3可以设定为例如1.0摩尔%、1.1摩尔%、1.2摩尔%、1.3摩尔%、1.4摩尔%、1.5摩尔%、1.6摩尔%、1.7摩尔%、1.8摩尔%、1.9摩尔%、2.0摩尔%、2.1摩尔%、2.2摩尔%、2.3摩尔%、2.4摩尔%、2.5摩尔%、2.6摩尔%、2.7摩尔%、2.8摩尔%、2.9摩尔%、3.0摩尔%、3.1摩尔%、3.2摩尔%、3.3摩尔%、3.4摩尔%、3.5摩尔%、3.6摩尔%、3.7摩尔%、3.8摩尔%、3.9摩尔%、4.0摩尔%,以及这些量之间的所有值。在一个额外优选方面,Pr2O3可以是约0.5至约1摩尔%,以及Nd2O3可以是约1至约2摩尔%,从而获得强烈的颜色变化效果。此外,本公开的玻璃的其他方面可以包括Pr2O3水平高于3摩尔%以及Nd2O3水平高于4摩尔%。Pr2O3高于3摩尔%和Nd2O3高于4摩尔%的这些较高水平特别适用于Pr和Nd添加剂的成本会受到限制的薄玻璃和玻璃制品。考虑到颜色的强度与掺杂剂水平和玻璃制品的厚度相关,Pr2O3高于3摩尔%和Nd2O3高于4摩尔%的这些较高水平还适用于薄玻璃。由此,较薄的玻璃制品需要愈加更高的掺杂剂浓度,以实现与较厚玻璃制品相同的颜色强度水平。从实践标准而言,Pr2O3和Nd2O3的总浓度会限制到约50摩尔%(例如,在薄玻璃制品中),因为玻璃中更高水平的稀土氧化物会使得玻璃是不稳定的并且倾向于结晶。
随着照明从白炽光或日光(即,D65标准光源)变化到荧光(即,F02标准光源),纯的Nd和Pr掺杂玻璃的外观会从粉色变为绿色。随着照明从白炽光或日光变化到荧光,Nd2O3/Pr2O3之比约为1.222的这些玻璃的某些方面展现出8.8的颜色差异(CD)(参见例如,表1和2中的实施例1)。因此,当玻璃经受、暴露或任意其他方式照明的光的类型发生变化时,用镨和钕掺杂的玻璃产生了颜色变化。但是,当使用纯的Nd和Pr离子组合时,观察到的颜色基于Nd和Pr的浓度变化是有限的。例如,如果玻璃用于防伪测量,玻璃的颜色变换可以被例如伪造者复制。
根据一些实施方式,为了定制含Pr和Nd的硅酸盐玻璃中的颜色变换,可以向玻璃组合物添加各种发色团。发色团可以选自V、Cr、Mn、Fe、Ho、Co、Ni、Nb、Cu、Se、Bi、Er、Yb的离子,及其组合。在实施方式中,上述发色团的离子可以作为氧化物存在。当光照从白炽光变化为荧光时,这些发色团可分别用于赋予独特的颜色变换。例如,当向含Pr和Nd的硅酸盐玻璃添加约0.0015摩尔%Co3O4时,当入射光(光源)从白炽光变化到荧光时,玻璃的颜色变换是从紫色到翡翠绿。当向含Pr和Nd的硅酸盐玻璃添加约0.003摩尔%Co3O4时,当入射光从白炽光变化到荧光时,玻璃的颜色变换是从蓝色到带蓝色的绿色(teal)。
虽然可以向本公开的含Pr和Nd的玻璃添加一种或多种发色团,但是某些实施方式需要一定的考虑以确保与Nd2O3/Pr2O3比例和总体含量相关的位变异构没有被发色团掺杂剂所压制。例如,Co3O4具有非常稳定的蓝色颜色,并且在玻璃中包含太多的Co3O4会导致玻璃在任何光源下都是蓝色。更具体来说,大于或等于0.01摩尔%Co3O4会压制本公开的含Pr和Nd的玻璃粉色-绿色-黄色色调,导致不依赖于光源仅有蓝色颜色。因此,采用Co3O4(或CoO)作为玻璃中的发色团的实施方式应该将Co3O4(和CoO)限制到小于0.01摩尔%。其他实施方式应该将Co3O4(和CoO)限制到限于0.01*(Nd2O3+Pr2O3)(以摩尔%计)。虽然通常不将Nb2O5视作发色团,但是由于还原的Nb物质和污染物,其通常在高浓度下赋予呈绿色的颜色。此外,Nb2O5是昂贵的,并且增加了玻璃的密度。因此,希望控制Nb2O5含量低于1摩尔%,更优选低于0.5摩尔%,以及最优选低于0.25摩尔%,从而防止Nb2O5赋予的泥绿色颜色压制或者掩盖了在没有它的情况下本公开的玻璃的多色特性所观察到的颜色。此外,本公开的玻璃实施方式包含小于0.04摩尔%Mn2O3。此外,本公开的其他实施方式包含一种或多种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,使得玻璃中包含的发色团之和小于0.1摩尔%,或者更优选小于0.05摩尔%。包含更大浓度的任意这些发色团(单独或者组合形式)可能影响本公开的含Pr和Nd的玻璃的位变异构。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于0.001摩尔%至小于或等于约1.5摩尔%,例如从大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约1.0摩尔%的发色团。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约0.1摩尔%至小于或等于约0.8摩尔%,例如从大于或等于约0.15摩尔%至小于或等于约0.6摩尔%的发色团。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约0.2摩尔%至小于或等于约0.5摩尔%的发色团。在实施方式中,第二发色团的浓度可以小于或等于Pr2O3和Nd2O3的浓度,以避免压制含Pr和Nd的玻璃的位变异构。在其他实施方式中,第二发色团的浓度可以小于或等于Pr2O3和Nd2O3浓度的1/10,以避免压制含Pr和Nd的玻璃的位变异构。在优选实施方式中,第二发色团的浓度可以小于或等于Pr2O3和Nd2O3浓度的1/100,以避免压制含Pr和Nd的玻璃的位变异构。
除了过渡金属离子发色团之外,玻璃组合物的实施方式可以包含稀土离子作为着色剂,其可以作为稀土氧化物存在于实施方式中。在实施方式中,可以向玻璃组合物添加Ce和Er的离子,作为稀土离子着色剂。在实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%,例如从大于或等于约0.05摩尔%至小于或等于约2.0摩尔%的稀土离子。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度小于1摩尔%Ce2O3。在另一个实施方式中,玻璃组合物包含浓度小于1摩尔%Er2O3。稀土离子是比过渡金属离子弱的着色剂,因而在一些实施方式中,会需要较高浓度的稀土离子。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约40摩尔%至小于或等于约80摩尔%,例如从大于或等于约50摩尔%至小于或等于约75摩尔%的SiO2。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约55摩尔%至小于或等于约70摩尔%,例如从大于或等于约62摩尔%至小于或等于约69摩尔%的SiO2。
如上文所述,玻璃组合物的实施方式涉及铝硅酸盐玻璃。因此,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约5.0摩尔%至小于或等于约25摩尔%,例如从大于或等于约7.0摩尔%至小于或等于约17摩尔%的Al2O3。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约8.0摩尔%至小于或等于约14摩尔%,例如从大于或等于约9.0摩尔%至小于或等于约10摩尔%的Al2O3。但是,应理解的是,玻璃体系没有特别的限制,因此,在一些实施方式中,可以使用含有大于或等于约25%至小于或等于约50%Al2O3的玻璃。在其他实施方式中,玻璃体系可以不包含Al2O3。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约5摩尔%至小于或等于约25摩尔%,例如从大于或等于约10摩尔%至小于或等于约20摩尔%的Na2O。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约11摩尔%至小于或等于约17摩尔%,例如从大于或等于约12摩尔%至小于或等于约15摩尔%的Na2O。在其他实施方式中,玻璃组合物可以包含浓度约为14摩尔%的Na2O。
除了Na2O之外,玻璃组合物中可以包含其他碱金属氧化物。在实施方式中,玻璃组合物可以包含Li2O和/或K2O。在一些实施方式中,额外的碱金属氧化物的浓度可以等于玻璃中Na2O的浓度。在其他实施方式中,额外的碱金属氧化物的浓度可以不同于玻璃组合物中Na2O的浓度。但是,在实施方式中,玻璃组合物中的碱金属氧化物的总浓度可以小于或等于约18摩尔%,例如小于或等于约16摩尔%。在实施方式中,玻璃组合物中的碱金属氧化物的总浓度可以小于或等于约14摩尔%,例如小于或等于约12摩尔%。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约2.0摩尔%至小于或等于约10摩尔%,例如从大于或等于约4.0摩尔%至小于或等于约8.0摩尔%的Li2O和/或K2O。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约6.0摩尔%至小于或等于约7.0摩尔%的Li2O和/或K2O。
在一些实施方式中,玻璃组合物可含有其它元素,例如碱土金属氧化物。在实施方式中,碱土金属氧化物可选自MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO(其作用类似于碱土金属氧化物)以及它们的组合。在实施方式中,碱土金属氧化物的浓度可以是从大于或等于0.0摩尔%至小于或等于约25摩尔%,例如从大于或等于约2.0摩尔%至小于或等于约20摩尔%。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约10摩尔%至小于或等于约17摩尔%,例如从大于或等于约12摩尔%至小于或等于约15摩尔%的碱土金属氧化物。
在实施方式中,玻璃组合物包含的每种碱土金属氧化物的浓度是从大于或等于0.0摩尔%至小于或等于约9.0摩尔%,例如从大于或等于约2.0摩尔%至小于或等于约8.0摩尔%。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约3.0摩尔%至小于或等于约7.0摩尔%,例如从大于或等于约4.0摩尔%至小于或等于约6.0摩尔%的碱土金属氧化物。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度约为5.0摩尔%的碱土金属氧化物。
荧光玻璃
玻璃组合物的实施方式可以包含荧光离子。在一些实施方式中,荧光离子用于替代发色团。但是,在其他实施方式中,存在的荧光离子是作为发色团的补充。在实施方式中,荧光离子可以选自如下离子:Cu、Sn、Mn、Sb、Ag、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm,及其组合。在实施方式中,荧光离子可以作为氧化物存在。
使用荧光离子允许当玻璃被某些光波长激发时,玻璃组合物发射不同颜色的可见光。可以在没有赋予任何可见颜色的情况下向本公开的含Pr和Nd的玻璃添加荧光离子,并且仍然能够使得玻璃在UV光诱发的激发下发荧光。在实施方式中,当用第一波长(例如,365nm)的光激发时,荧光离子的颜色可以发射一种颜色,以及当用第二波长(例如,405nm)的光激发时,其可以发射第二种颜色。例如,对于Eu3+掺杂的玻璃和Tb3+掺杂的玻璃,无论是否含有Pr和Nd,当暴露于365nm光时,分别发射红光和绿光。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于0.01摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%,例如从大于或等于约0.05摩尔%至小于或等于约2.0摩尔%的荧光离子。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约0.1摩尔%至小于或等于约1.0摩尔%,例如从大于或等于约0.15摩尔%至小于或等于约0.6摩尔%的荧光离子。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约0.2摩尔%至小于或等于约0.5摩尔%的荧光离子。
多荧光玻璃
玻璃组合物的实施方式可以包含两种或更多种荧光离子。在实施方式中,荧光离子可以选自:Cu、Sn、Mn、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Tm、Sm、Dy,及其组合。在实施方式中,荧光离子可以作为氧化物存在。使用多荧光离子允许当玻璃被某些光波长激发时,玻璃组合物发射不同颜色的可见光。在实施方式中,玻璃组合物可以以第一波长(其是大于或等于约300nm至小于或等于约400nm,例如,大于或等于约310nm至小于或等于约390nm)发射第一颜色的荧光。玻璃组合物可以以第二波长(其是大于或等于约400nm至小于或等于约475nm,例如,大于或等于约410nm至小于或等于约465nm)发射第二颜色的荧光。玻璃组合物可以以第三波长(其是大于或等于约475nm至小于或等于约500nm,例如,大于或等于约480nm至小于或等于约495nm)发射第三颜色的荧光。
例如,在实施方式中,当用第一波长(例如,365nm)的光激发时,荧光离子的颜色可以发射一种颜色,当用第二波长(例如,405nm)的光激发时,其可以发射第二种颜色,以及当用第三波长(例如,488nm)的光激发时,其可以发射第三种颜色。例如,实施方式可以包括包含Eu的氧化物和Tb的氧化物作为其荧光离子的玻璃。Eu3+掺杂的玻璃当受到合适的光波长激发时通常发出红色,以及Tb3+掺杂的玻璃当受到合适的光波长激发时通常发出绿色。但是,当Eu的氧化物与Tb的氧化物在玻璃组合物中结合时,当受到波长为365nm的光激发时,玻璃组合物会发出红色、绿色、橙色、黄色或者这些颜色的组合的光,准确的颜色取决于玻璃中Eu3+和Tb3+离子混合物的比例。但是,当用405nm波长的光激发玻璃时,仅Eu3+受到激发并发射红光,以及当用488nm光激发玻璃时,仅Tb3+受到激发并发射绿光,这是当Eu3+浓度足够低以防止能量从Tb3+转移到Eu3+时的情况。玻璃中的Eu2O3含量应该小于约0.1摩尔%,以防止能量转移,并且优选是小于0.05摩尔%。因此,玻璃的实施方式可以构造成取决于用于激发玻璃组合物的光波长,发射三种不同的颜色。如果玻璃以略微还原状态熔融,则部分或全部的Eu3+会被还原到Eu2+,当以低于400nm波长激发时,这发射出蓝光。当以约365nm波长激发时,用Tb3+进行共掺杂的此类玻璃会发生白光(Eu2+、Eu3+和Tb3+发射),当以约394nm波长激发时,会发出粉色(Eu2+和Eu3+发射),当以约310或330nm波长激发时,会发出蓝色(仅Eu2+发射),当以约342nm波长激发时,会发出浅绿色(Eu2+和Tb3+发射),当以约484nm波长激发时,会发出绿色(仅Tb3+发射),以及当以约464nm波长激发时,会发出红色(仅Eu3+发射)。
一些荧光离子会相互交叉松弛或淬冷,因而需要对每种离子的选择和浓度进行工程加工,以确保两种离子都得到发射。例如,当Eu2O3的浓度超过约2摩尔%时,在Tb3+发射玻璃中,大部分激发的Tb3+离子会将它们的能量转移到相邻的Eu3+离子,以及即使激发波长仅激发了Tb3+离子,也仅会留下Eu3+离子发射红光。这种能量转移机制还可被用于使得荧光离子变灵敏,以增加泵能量的有效吸收。作为另一个例子,包含的CeO2掺杂剂应该被Eu2O3和Tb2O3平衡(如果存在的话)。由于Ce4+离子是允许的f-d跃迁,而其他稀土元素是以禁止的f-f跃迁为例,因此Ce4+f-d跃迁比其他稀土元素强大几个数量级。因此,CeO2含量不应该超过Eu2O3的含量和Tb2O3的含量(如果它们存在的话),否则的话Ce2O3发射的蓝光会压制较弱的红色Eu3+和绿色Tb3+离子。
在实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于0.01摩尔%至小于或等于约5摩尔%,例如从大于或等于约0.05摩尔%至小于或等于约2.0摩尔%的两种或更多种荧光离子。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约0.1摩尔%至小于或等于约1摩尔%,例如从大于或等于约0.15摩尔%至小于或等于约0.6摩尔%的两种或更多种荧光离子。在其他实施方式中,玻璃组合物可包含浓度从大于或等于约0.2摩尔%至小于或等于约0.5摩尔%的两种或更多种荧光离子。
除了荧光离子之外,玻璃组合物的实施方式还可包含稀土离子作为着色剂。在实施方式中,稀土离子可以作为稀土氧化物存在。在实施方式中,可以向玻璃组合物添加Er和Ce的离子,作为稀土离子着色剂。在实施方式中,Er和Ce的离子可以在玻璃中作为氧化物存在。在实施方式中,玻璃组合物中的稀土离子浓度可以小于玻璃组合物中的荧光离子浓度。在一些实施方式中,玻璃组合物中的Ce2O3浓度小于玻璃组合物中的荧光离子浓度。
多荧光玻璃还可掺杂过渡金属离子,以赋予除了多荧光效应之外的颜色。如果玻璃在靠近荧光波长处强烈吸收,则荧光会被吸收或淬灭。为了避免荧光淬灭,这些掺杂剂的浓度应该保持低于0.5摩尔%,以及对于诸如Co2+和Ni2+离子之外的强发色团,应该保持低于0.1摩尔%。在发色团的吸收与荧光重叠的情况下(例如,Eu3+的红色发射会被Co2+的红色吸收所消灭),发色团浓度应该低于0.02摩尔%。
在实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约0.1摩尔%至小于或等于约10摩尔%,例如从大于或等于约0.2摩尔%至小于或等于约7.0摩尔%的稀土离子。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约0.3摩尔%至小于或等于约5.0摩尔%,例如从大于或等于约0.4摩尔%至小于或等于约3.0摩尔%的稀土离子。在其他实施方式中,玻璃组合物包含浓度从大于或等于约0.5摩尔%至小于或等于约2.0摩尔%,例如从大于或等于约0.8摩尔%至小于或等于约1.0摩尔%的稀土离子。
根据实施方式的颜色变化玻璃可用于许多不同应用。例如,发生颜色变化的玻璃可用作例如衣服,电子产品(例如手机背壳和外壳)和包装(例如香水瓶)的美学装饰。这些颜色发生变化的玻璃还可用于取决于光照条件发生颜色变化的艺术品。可以在结合了这些玻璃的装置、包装、艺术品、雕刻品和其他产品和形式中包含小型节能LED,以确保通过用不同波长光照明玻璃组合物时,这些玻璃的荧光和/或吸收颜色会发生变化。由可单独寻址的红色、绿色和蓝色LED构成的颜色可调节的白色LED可以通过UV LED和宽带磷光LED进行增强,从而可以通过这些LED改变颜色,或者可以将所述可调节的白色LED嵌入玻璃的底座或边缘中,用于得到令人惊叹和惊讶的色彩视觉效果。还可在玻璃中嵌入波导,用于得到光源本身不在视野范围内的甚至更复杂的视觉效果。
此外,颜色变化的玻璃可用作防伪系统。例如,根据实施方式的玻璃可以形成为具有在宽谱白光中具有第一定制颜色和在荧光中具有第二定制颜色,或者可以通过使用不同荧光离子使得玻璃形成为发射定制的荧光颜色。以这种方式,通过简单地观察玻璃在不同白光源中的颜色,可以容易地检测商品是否是伪造的。
现应理解的是,本文所述的玻璃组合物是颜色变化的玻璃,其包含镨和钕,发色团和/或荧光离子。优选地,这些玻璃包含镨和钕,且任选地含有发色团和/或荧光离子。镨和钕,发色团,和荧光离子中的一种或多种的各种组合实现了玻璃颜色取决于照明曝光的可定制化和可变性。可定制化和可变化的颜色实现了将玻璃用作装饰玻璃和用作防伪方案。例如,玻璃可以包含Eu2+和Tb3+离子,从而当以约310或约330nm波长激发时,玻璃发出蓝色(仅Eu2+发射),当以约342nm波长激发时,玻璃发出浅绿色(Eu2+和Tb3+发射),当以约484nm波长激发时,玻璃发出绿色(仅Tb3+发射)。然后,可以将这种玻璃暴露于这些不同光波长,以及如果它没有适当地发出荧光的话,则可以确定商品是伪造的。使用这种防伪系统,可以容易且快速地检测出伪造商品。相反地,已经开发出来的许多已知防伪方案采用隐秘昂贵的“黑匣子”传感器来指示商品是正品或是伪造的。但是,这些防伪方案很多需要专门的设备,这对于要确定商品是正品或是伪造的消费者而言通常是难以得到的。还存在将商品虚假地指示为正品的伪造“黑匣子”问题。此外,防伪方案通常无法以美观上令人愉悦的方式结合到制品中。
除了添加作为美学装饰之外,根据实施方式的玻璃还可用作商品的瓶子和容器。例如,香水、古龙水、烈酒、药品和电子件常常遭遇到伪造,因而这些商品的容器可以由根据本公开实施方式的颜色变化玻璃来制造。为了符合这些各种用途,可以通过任何合适的玻璃成形方法将根据实施方式的玻璃形成为诸如瓶和玻璃片之类的制品。例如,通过玻璃成形方法(包括例如,吹塑、冲压成型、冲压和吹塑以及其他合适的模制工艺),可以将颜色变化的玻璃瓶制造成许多形状和尺寸。根据一些实施方式,颜色变化的玻璃可以通过如下方法(例如,美国专利第3,338,696号和第3,682,609号所揭示的浮法和熔融拉制,其全文通过引用结合入本文)被形成为可用于例如电子件的玻璃片。
在一些实施方式中,本文所揭示的玻璃可以经过物理或化学强化。例如,可以通过热处理对玻璃进行回火或者通过离子交换进行强化。在离子交换过程中,玻璃可以暴露于含碱性离子的溶液(例如,KNO3或NaNO3)。在暴露于含碱性离子的溶液之后,玻璃中较小的碱性离子(例如,Li和Na离子)与较大离子(例如,Na和K)发生交换。这种离子交换加固了玻璃基质并且会强化玻璃。在某些实践方式中,强化导致建立起了压缩应力区域,其具有至少50MPa的最大压缩应力(通常是在玻璃的一个或多个主表面处),其跨过玻璃内的一定深度(本文称作“层深度”或“DOL”)。典型的DOL水平是厚度中至少15微米。合适的离子交换方法公开于美国专利第5,674,790号,其全文通过引用结合入本文。除了对玻璃进行强化之外,强化过程可以使得玻璃组合物是易碎的,从而如果玻璃被伪造(tamper)的话,它就会破碎。在防伪系统中,玻璃的易碎性是有利的防伪元素。
实施例
通过以下实施例进一步阐述实施方式,这些实施例的意图仅限于非限制性和说明性。
实施例1
含镨和钕的玻璃
通过如下方式制备具有下表1和2所公开的组成的玻璃组合物:混合1kg的砂、氧化铝、硫酸钠、硝酸钾、氧化镁、碳酸钙、碳酸钡、氧化锌、硼砂、氧化镨和氧化钕,以及对于某些实施例而言还有氧化钴的批料。然后将批料装载到铂坩埚中,在1325℃熔融5小时,然后倒入水桶中,制得碎玻璃。然后碎玻璃碾碎并在1475℃再熔融6小时,使得玻璃均匀化。然后将熔体倒到钢台上,在550℃退火2小时,之后冷却到室温。将得到的玻璃饼切割成玻璃样品,然后出于颜色测定和颜色坐标测量的目的进行抛光。具体来说,对玻璃样品进行抛光,使得它们的外表面光滑,从而改善光学质量和降低颜色坐标测量过程中穿过样品厚度的光的散射。如同本公开内容领域技术人员所理解的那样,出于颜色测定和颜色坐标测量,基于样品的尺寸改变抛光时间和条件。
表1中的实施例1至7(“实施例1-7”)涉及包含根据本文所揭示的实施方式出现的镨和钕的玻璃。在这些实施例中,镨水平是0.7摩尔%至0.9摩尔%,以及钕水平是1.1摩尔%至1.3摩尔%。此外,镨-钕的比例是1.222(实施例1、7)至1.857(实施例5)。所有这些实施例都是展现出位变异构的多色玻璃。具体来说,它们中的每一个在暴露于白炽光或日光之后呈现粉色,在暴露于荧光之后呈现绿色,以及在暴露于LED光之后呈现黄色。例如,实施例1在荧光下是绿色的,与仅掺杂Pr3+离子而没有掺杂Nd3+离子的玻璃具有近乎相同的颜色。此外,实施例1中的玻璃在日光、白炽光或者全谱白光中的真实颜色是粉色。此外,在LED照明下(例如,现代低能耗灯具或LED手电筒),玻璃呈现黄色。
表1中的实施例8至11(“实施例8-11”)涉及根据本文所揭示的实施方式包含镨和钕以及至少一种发色团(例如,Co3O4)的玻璃。表1中的实施例8-11显示,即使Pr2O3浓度是0.7-0.8摩尔%、Nd2O3浓度是1.2-1.3摩尔%、以及Co3O4浓度范围是0.0029-0.0133摩尔%,仍然出现位变异构,以及分别地,样品在白炽光或者全谱白光下看上去是紫色、蓝色、蓝色或紫色,以及在荧光下是翡翠绿色、带蓝色的绿色、呈绿色的蓝色或绿色。因此,维持CoO的浓度水平低于0.015摩尔%(或者,维持Co3O4浓度水平低于0.01摩尔%)确保了这些含镨和钕的玻璃在掺杂了发色团之后保持位变异构。
表2显示对于实施例1,L*,a*,b*空间中的相应的颜色坐标与标准照明条件的关系,这是在X-Rite Color i7TM台式分光光度计上,样品后面具有白色背衬基材的情况下以反射模式通过样品(40x 40mm正方形测试试样,厚度在下文中提供)的厚度测得的。D65是天然日光,F-02是荧光,以及A-10对应白炽光。通过使用等式(1)获得记录的颜色差异(CD)数据。在全谱白光与荧光光源之间,存在明显的颜色坐标偏移。注意到的是,F02至A10序列(即,表2所示的“CD(F02-A10)”)显示对于这种玻璃17.53的最大颜色差异(CD)。
表1:含镨和钕的玻璃
表2
实施例2
多荧光玻璃
通过如下方式制备具有下表3所公开的组成的玻璃组合物:混合1kg的砂、氧化铝、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钾、氧化镁、碳酸钙、碳酸钡、氧化锌、和硼砂,以及氧化铕、氧化铽、氧化铈和/或氧化镧的批料,将它们装载到铂坩埚中,在1475℃熔融6小时。然后将熔体倒到钢台上,然后在530℃退火2小时,之后冷却到室温。将得到的玻璃饼切割成玻璃样品,然后出于颜色测定的目的进行抛光。具体来说,对玻璃样品进行抛光,使得它们的外表面光滑,从而改善光学质量。如同本公开内容领域技术人员所理解的那样,出于颜色测定,基于样品的尺寸改变抛光时间和条件。
具体来说,表3中的实施例12-18涉及根据本文所揭示的实施方式包含多荧光离子的玻璃,不存在镨和钕。由此,除非暴露于特定紫外波长(例如,365nm和405nm紫外光),否则它们是透澈的。例如,实施例15玻璃同时含有Eu3+和Tb3+离子,并且由于其Eu3+和Tb3+离子这两者的发射,当在365nm激发时炽热呈黄色。但是,同样的玻璃在405nm激发时炽热呈红色,因为405nm的光仅激发了发射红色的Eu3+离子。当在488nm激发时(优先激发发射绿色的Tb3+离子),其还炽热呈绿色。
还应理解的是,具有与如表3的实施例所示相同或相似荧光掺杂剂浓度的本公开的含镨和钕的玻璃的其他实施方式可以证实位变异构。此外,此类含镨和钕的玻璃在用特定波长(例如,365nm和405nm光)的紫外(UV)光激发之后,可以展现出与表3的实施例相同的荧光颜色。表4显示表3所提供的一种玻璃组合物所对应的颜色坐标。
表3:多荧光玻璃
表4
如上文所述,在实施方式中,在玻璃中,着色剂、发色团和荧光离子可以作为它们各自组分的氧化物存在。因此,应理解的是,当涉及上文所述的着色剂、发色团和荧光体的氧化物时,着色剂、发色团和荧光体可以作为除了氧化物之外的化合物存在。
本领域的技术人员显而易见的是,可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下,对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。例如,本公开的颜色变化和多色玻璃组合物可以与其他颜色变化玻璃以各种形式结合,例如,国际公开号WO2015/077136所含的玻璃(“WO‘136参考文献”),其公开于2015年5月28日,要求2013年11月19日提交的美国临时申请第61/905,958号的优先权,它们全文通过引用结合入本文。在一个示例性形式中,可以形成包括本公开的含Pr和Nd的粉色-绿色玻璃与WO‘136参考文献的含钬的绿色-粉色玻璃的交替玻璃层的复合结构,用于防伪特征或方案。因此,本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式,只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。
Claims (12)
1.一种玻璃,所述玻璃包括:
Pr2O3,其范围是0.7摩尔%至3摩尔%;和
Nd2O3,其范围是1.0摩尔%至4摩尔%,
其中,Nd2O3与Pr2O3之比大于1.1且小于1.5,以及
其中,如果存在的话,CoO小于0.01摩尔%,以及如果存在的话,Fe2O3小于0.004摩尔%。
2.如权利要求1所述的玻璃,其特征在于,如果存在的话,Nb2O5小于0.5摩尔%;如果存在的话,Ce2O3小于1摩尔%;以及如果存在的话,Er2O3小于1摩尔%。
3.如权利要求1或2所述的玻璃,所述玻璃还包括:
一种或多种荧光离子,其选自:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm的氧化物,及其组合,
其中,荧光离子的总浓度大于或等于0.01摩尔%至小于或等于5.0摩尔%。
4.如权利要求1或2所述的玻璃,所述玻璃还包括:
一种或多种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,
其中,V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3发色团之和小于0.1摩尔%。
5.如权利要求1或2所述的玻璃,其特征在于:
所述玻璃的特征在于:在暴露于白炽光光源之后具有第一颜色,以及在暴露于荧光光源之后具有第二颜色,所述第一和第二颜色是相互不同的;以及
所述玻璃的特征还在于,在经受D65-10照明条件和F02-10照明条件的情况下,至少3.0的颜色差异(CD)。
6.一种玻璃,所述玻璃包括:
SiO2大于70摩尔%;
Pr2O3,其范围是0.7摩尔%至3摩尔%;和
Nd2O3,其范围是1.0摩尔%至4摩尔%,
其中,(Pr2O3+Nd2O3)大于0.2摩尔%,以及Nd2O3与Pr2O3之比大于0.5且小于3,以及
其中,如果存在任何的话,Fe2O3、CeO2与TiO2之和小于1摩尔%。
7.如权利要求6所述的玻璃,其特征在于,如果存在任何的话,Mn2O3、Fe2O3、NiO与CeO2之和小于2摩尔%。
8.一种玻璃制品,所述玻璃制品包括:
基材,所述基材包括权利要求1或6所述的玻璃,其中,所述基材还包括压缩应力区域,其具有至少50MPa的最大压缩应力,和厚度中至少15微米的层深度(DOL)。
9.一种玻璃,其包含:
SiO2大于70摩尔%;
Pr2O3,其范围是0.7摩尔%至3摩尔%;和
Nd2O3,其范围是1.0摩尔%至4摩尔%,
其中,Nd2O3与Pr2O3之比大于1且小于1.9,以及
其中,如果存在任何的话,CoO小于0.01摩尔%,以及如果存在的话,Fe2O3小于0.004摩尔%。
10.如权利要求9所述的玻璃,其还包含:
一种或多种选自下组的发色团:V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3,
其中,V2O5、Cr2O3、MnO、Mn2O3、Fe2O3、CoO、Co3O4、CuO、NiO、Nb2O5、CeO2、Ho2O3和Er2O3发色团之和小于0.1摩尔%。
11.如权利要求9所述的玻璃,其还包含:
一种或多种荧光离子,其选自:Yb、Cu、Sn、Mn、Ag、Sb、Ce、Sm、Eu、Tb、Dy、Tm的氧化物,及其组合,
其中,荧光离子的总浓度大于或等于0.01摩尔%至小于或等于5.0摩尔%。
12.一种玻璃制品,所述玻璃制品包括:
基材,所述基材包括权利要求9或10所述的玻璃,其中,所述基材还包括压缩应力区域,其具有至少50MPa的最大压缩应力,和厚度中至少15微米的层深度(DOL)。
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含Nd2O3, Pr2O3变色釉的研究;王国梅等;《硅酸盐通报》;19890430(第4期);第54-60页 * |
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