CN109437598A - 一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法及钠钙硅离子增强玻璃 - Google Patents

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刘海鹏
于鹏程
杨永强
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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    • C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
    • C03C21/001—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in liquid phase, e.g. molten salts, solutions
    • C03C21/002—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in liquid phase, e.g. molten salts, solutions to perform ion-exchange between alkali ions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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Abstract

本发明目的在于提供一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法及钠钙硅离子增强玻璃，属于玻璃强化处理技术领域，具体涉及一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法，包括如下步骤：提供钠钙硅玻璃制品，用去离子水清洗；提供包括离子交换材料的水溶液，将所述水溶液均匀喷涂在模具型腔内部；将经过清洗的玻璃制品放置在模具型腔内部；将内置有玻璃制品的模具放置在感应加热器上，进行离子交换增强；停止加热，将玻璃制品从模具中取出，置于空气中自然冷却，超声波清洗后烘干，得到离子交换增强后的钠钙硅玻璃制品。本发明极大缩短了钠钙硅玻璃的离子增强时间，且能使较难发生离子交换的离子，如Ca2+、Al3+等发生交换，提高了生产效率，降低了成本和能源消耗，为提高钠钙硅玻璃强度提供一条新途径。

Description

一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法及钠钙硅离子增强玻璃
技术领域
本发明属于玻璃强化处理技术领域，涉及到一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法及钠钙硅离子增强玻璃。
背景技术
食品级容器玻璃主要是钠钙硅玻璃，随着人们生活水平的提高，对钠钙硅玻璃的性能的要求越来越高。高强度的钠钙硅玻璃可以应用于高端玻璃产品。离子交换是提高钠钙硅玻璃强度的有效方法，其增强机理是利用玻璃表面离子的迁移和扩散这种特性，使玻璃表面层的成分发生变化，从而提高玻璃的强度。
现如今，离子交换增强通常是将玻璃原片放入特定熔盐的熔池中进行离子交换，经过熔盐法增强的玻璃制品，其强度明显优于原始玻璃，且使用过程十分安全。但是，这种工艺都往往只应用于小批量的特种玻璃。因为熔盐法的离子交换时间长达几十小时，最短也得十几小时以上)，这显然不适于大批量的生产流水线，而且熔盐成分多变使生产不易控制，大型盐浴不仅需要大量投资和能源，而且带来环境污染和生产的不安全性。
CN105967531A公开了一种适合钠钙硅玻璃的快速增强方法，采用可变温度控制离子增强技术，进行逐级的交换。该方法将离子增强时间缩短为4h。压应力为570MPa，应力层厚度为27μm。但该方法需要2-10个熔盐池，能源消耗大。
因此，需要提供一种成本低，容易控制，适于大规模工业化生产的快速离子增强方法。本发明可在10s完成离子交换过程，过程中不需要大量的熔盐池，因此该方法不仅大大的缩短了离子交换的时间，还不会存在浪费资源的问题，同时也解决不能大批量生产的缺陷，并且能显著提高压应力和应力层厚度。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种适合钠钙硅玻璃的快速离子增强方法，极大缩短了钠钙硅玻璃的离子增强时间，且能使较难发生离子交换的离子，如Ca2+、Al3+等发生交换，提高了生产效率，降低了成本和能源消耗，为提高钠钙硅玻璃强度提供一条新途径，通过该方法制得的钠钙硅玻璃制品的表面压应力为580-700MPa，相应的应力层厚度为15-40μm。
本发明的技术方案通过一下方式实现：一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法，包括如下步骤：
(1)提供钠钙硅玻璃制品，用去离子水清洗；
(2)提供包括离子交换材料的水溶液，将所述水溶液均匀喷涂在模具型腔内部；
(3)将经过清洗的玻璃制品放置在模具型腔内部；
(4)将内置有玻璃制品的模具放置在感应加热器上，进行离子交换增强；
(5)停止加热，将玻璃制品从模具中取出，置于空气中自然冷却，超声波清洗后烘干，得到离子交换增强后的钠钙硅玻璃制品。
优选的，所述玻璃的厚度为4-5mm，所述玻璃制品为酒瓶或酒杯等。
优选的，步骤(2)中所述包括离子交换材料的水溶液为硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙或硝酸铝溶液的至少一种，所述硝酸钾的浓度为10-20wt％，硝酸钠的浓度为10-25wt％，所述硝酸钙溶液的浓度为10-25wt％，所述硝酸铝的浓度为10-20wt％。
优选的，步骤(4)中所述感应加热器的功率为10kW-60kW，加热时间为10-60s，离子交换增强的温度为600-900℃。
本发明还提供了一种采用上述方法制备的玻璃制品，离子交换强化后的钠钙硅玻璃制品的表面压应力为580-700MPa，相应的应力层厚度为15-40μm。
本发明方法的关键优点在于能够在短时间内，获得高强度的钠钙硅玻璃制品。这种工艺突破了大批量生产特种玻璃的缺陷，可广泛应用于工业生产及加工。(1)采用感应加热的方式，促进了固相间的离子交换，也使得扩散的动力学特性明显增强。本方法可在短时间内达到甚至超过熔盐法所制备的玻璃制品的压应力以及应力层厚度的数值。(2)熔盐法在离子交换的过程中，通常都是将钾盐中的K-与玻璃中的Na+进行置换。而本发明在模具应力场的作用下，不仅使得K+、Na+发生置换，也使得在玻璃中的其它离子，如Ca2+和Al3+等也发生置换。这就极大地提高了离子的置换速度。另外，氧化钙和氧化铝在钠钙硅玻璃中起到增加玻璃的稳定和力学稳定度的作用。本发明方法使得Ca2+和Al3·在温度场和应力场的共同作用下发生置换，达到600℃温度时，玻璃处于一种粘流态，这种状态下，多种离子同时发生置换，可大大的缩短离子交换的时间，提高的离子交换的效果。与此同时也可以将钠钙硅玻璃中氧化钙和氧化铝的占比分别提高至18％，15％。，进一步强化玻璃制品。(3)采用感应加热的离子增强技术，在可提供应力场的模具中同时进行玻璃烧结成型以及离子交换，极大地缩短了离子强化需要的时间，高温情况下获得较高的离子交换深度和较高的表面压应力。通过感应加热带来的离子交换，玻璃在不超过30秒的时间内，即达到了传统离子交换技术10h的压应力值及应力层深度，本发明大大缩短了钠钙硅玻璃的离子增强时间，提高了生产效率。
本发明的有益效果是：在不超过60s的时间内，超过了传统离子交换技术十几个小时的压应力值及应力层深度。本发明大大缩短了钠钙硅玻璃的离子增强时间，提高了表面压应力和应力层深度，提高了生产效率，降低了成本，节约了能源。
附图说明
图1离子交换装置示意图
图2玻璃样品在不同加热功率下离子交换30s的应力分布，不同加热功率对玻璃表面应力和应力层厚度的影响。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法，包括如下步骤：
步骤S1提供钠钙硅玻璃制品，用去离子水清洗；
钠钙硅玻璃的组成中主要包括氧化硅：60-75％、氧化钙：5-8％、氧化钠8-10％、氧化铝5-10％。氧化硅是玻璃的主要成分，提高玻璃的强度和化学稳定性，但含量过高致使玻璃难以熔化；氧化钠是玻璃在进行离子交换所必需的成分，它可以增加玻璃的热膨胀系数，使得玻璃易于熔化，但含量过高时使坡璃的耐候性变差；氧化钙和氧化铝均可以提高玻璃的力学强度和化学稳定性。离子交换前玻璃的强度大约为350-400MPa。所述玻璃的厚度为4-5mm，所述玻璃制品为酒瓶、酒杯。
步骤S2提供包括离子交换材料的水溶液，将所述水溶液均匀喷涂在模具型腔内部；
所述水溶液是包括硝酸钾和硝酸钠的水溶液，或者是硝酸钾、硝酸钠和硝酸钙的水溶液，或者硝酸钾、硝酸钠和硝酸铝的水溶液，所述硝酸钾的浓度为10-20wt％，硝酸钠的浓度为10-25wt％，所述硝酸钙溶液的浓度为10-25wt％，所述硝酸铝的浓度为10-20wt％；采用、硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙、硝酸铝的水溶液不仅经济环保，还方便控制材料的纯度。采用喷壶进行喷涂，喷涂多次，通过控制喷涂的次数控制模具型腔表面水膜的厚度，厚度为0.5-1.5mm，优选0.8mm。
步骤S3将经过清洗的玻璃制品放置在模具型腔内部；
步骤S4将内置有玻璃制品的模具放置在感应加热器上，进行离子交换增强；
步骤S5停止加热，将玻璃制品从模具中取出，置于空气中自然冷却，超声波清洗后烘干，得到离子交换增强后的钠钙硅玻璃制品。
以下具体实施例对上述钠钙硅玻璃的快速离子增强方法进行详细说明，实施例1-8如下表1所示：
从表1中可以看出，实施例1-5中，实施例3-5的效果较优，相同温度和时间的条件下，实施例3-5所采用的水溶液中K+和Na+的浓度达到均衡，离子交换过程更加平衡；与实施例1-5相比，实施例6-8的压应力和应力层深度均更优，说明本发明通过在提供应力场的模具中进行感应加热，能实现了多种不同离子进行离子交换，在温度场和应力场共同作用下发生置换，当Ca2+、Al3+参加离子交换时，要比单纯的K+、Na+单独的交换效果要更优，强度至少提高了12％，应力层厚度至少增加了10μm。图2是采用了实施例3的水溶液，在不同加热功率(30kW加热功率获得600℃，40kW的加热功率获得700℃，50kW的加热功率获得800℃)下K+、Na+进行30s离子交换的压应力、应力层深度对比图，说明通过本发明的方法在离子交换时间较短时就可以得到高的压应力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。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，包括各个技术特征以任何其他的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供钠钙硅玻璃制品，用去离子水清洗；
(2)提供包括离子交换材料的水溶液，将所述水溶液均匀喷涂在模具型腔内部；
(3)将经过清洗的玻璃制品放置在模具型腔内部；
(4)将内置有玻璃制品的模具放置在感应加热器上，进行离子交换增强；
(5)停止加热，将玻璃制品从模具中取出，置于空气中自然冷却，超声波清洗后烘干，得到离子交换增强后的钠钙硅玻璃制品。
2.根据权利要求1所述的快速离子增强方法，其特征在于：所述玻璃的厚度为4-5mm，所述玻璃制品为酒瓶或酒杯等。
3.根据权利要求1所述的快速离子增强方法，其特征在于：步骤(2)中所述包括离子交换材料的水溶液为硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙或硝酸铝溶液的至少一种，所述硝酸钾的浓度为10-20wt％，硝酸钠的浓度为10-25wt％，所述硝酸钙溶液的浓度为10-25wt％，所述硝酸铝的浓度为10-20wt％。
4.根据权利要求1所述的快速离子增强方法，其特征在于：步骤(4)中所述感应加热装置的功率为10kW-60kW，加热时间为10-60s，离子交换增强的温度为600-900°。
5.一种采用如权利要求1-4中任一项所述方法制备的玻璃制品，其特征在于，离子交换强化后的钠钙硅玻璃制品的表面压应力为580-700MPa，应力层厚度为15-40μm。
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