CN112174520A - 一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于浮法玻璃制造技术领域，具体涉及一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料及制备方法。提出的适合侧光式面光源导光板用玻璃材料的基本组成及质量百分比为：SiO265.5~71.0%，Al2O32.0~3.5%，P2O50.5~2.5%，Na2O9.5~12.5%，CaO6.5~11.5%，MgO0.1~1.0%，BaO2.0~4.5%，SrO3.0~6.5%，CeO20.01~0.03%；其中，SiO2+Al2O3合量为67.5~74.5%。本发明具有高透过、高折射、低密度、良好耐水耐热性、高表面硬度、低热膨胀系数、熔制温度适宜、气泡性质优良的特性，满足了侧光式面光源导光板所需玻璃的性能要求。

Description

一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料及制备方法
技术领域
本发明属于浮法玻璃制造技术领域，具体涉及一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料及制备方法。
背景技术
导光板是面光源背光模组的主要组成部件，它可以将线光源或点光源变成面光源，广泛应用于液晶显示屏、照明用面光源等。目前，面光源背光模组中多使用塑料基PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）压克力导光板，但传统的压克力导光板越来越不能满足人们对产品轻薄化的需求；这是因为，亚克力导光板遇热和受潮时，材料会扭曲和膨胀，从而影响其光学性能和机械性能；为了防止这些问题，在设计时会增加一个较宽的边框和一个间隙较厚的背光源，以弥补材料尺寸变动，因此，很难满足产品薄型化及窄边框化的要求。
作为不同于传统导光板的材料，玻璃与PMMA相比，其硬度强36倍，耐热性能更好，温度在600℃左右才会产生变形问题，因此允许光源和导光板更接近，这种结构可提升10%~15%的入光效率，有益于提升整个显示亮度。如果玻璃材料可以应用于导光板，则面光源整体厚度可以大大降低，尤其有助于液晶显示屏在超高品质和轻薄化高端市场上发挥优势。
现有技术中已有少部分性能优良的玻璃用于导光板的制造，为满足导光板的使用要求，这些玻璃材料都有专门的配方设计；而现有技术所提供的玻璃配方设计，存在玻璃熔制温度高、澄清时间长、有特殊成型工艺要求等特点，较难适应于国内现有的浮法工艺生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料及制备方法，使其能满足导光板对玻璃材料高透过率等性能方面的要求，并适合浮法工艺生产，澄清效果好，成品率高。
本发明为完成上述目的采用如下技术方案：
一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，所述玻璃材料的基本组成及质量百分比为：SiO265.5~71.0%，Al2O32.0~3.5%，P2O50.5~2.5%，Na2O9.5~12.5%，CaO6.5~11.5%，MgO0.1~1.0%，BaO2.0~4.5%，SrO3.0~6.5%，CeO20.01~0.03%；其中，SiO2+Al2O3合量为67.5~74.5%；Na2O以纯碱、硝酸钠和芒硝三种形式共同引入，且m(Na2SO4)/m(NaNO3)的质量比值为0.01~0.03、m(Na2SO4＋NaNO3) /m(Na2CO3)的质量比值为0.06~0.09；m(CeO2)/m(Na2SO4+NaNO3)的质量比值为0.03~0.07。
所述的玻璃材料换算为2.5mm的厚度，可见光透过率不小于91.5%；密度2.56~2.64g/cm3，显微硬度550.5~570.0，折射率≥1.515，膨胀系数70~80×10-7/℃，化学稳定性优良。
所述的SiO2在玻璃的熔制过程中由SiO2≥99.0%的石英砂引入；石英砂的粒度分布控制为：无≥800µm颗粒，710µm~800µm颗粒不大于0.1％，≤106µm颗粒不大于4％，并严格控制粒径大于0.20mm的难熔物；要求Fe2O3≤0.003%、TiO2≤0.005%、Cr2O3≤0.001%、MnO2≤0.001%、Ni2O≤0.001%。
所述的Al2O3在玻璃的熔制过程中由Al2O3≥65.0%的氢氧化铝粉引入；氢氧化铝粉的粒度分布控制为：无≥180µm颗粒，150µm~180µm颗粒不大于2.0％，≤75µm颗粒不大于18％；氢氧化铝粉中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.01%范围内。
所述的P2O5在玻璃的熔制过程中由P2O5≥54.0%的磷酸铝引入；磷酸铝中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.03%范围内。
所述的Na2O在玻璃的熔制过程中由Na2CO3≥98.5%的纯碱，NaNO3≥99.0%的硝酸钠，Na2SO4≥99.0%的芒硝共同引入。其中，纯碱中Fe2O3≤0.003%；硝酸钠中Fe2O3≤0.001%；芒硝中Fe2O3≤0.001%。
所述的CaO、MgO在玻璃的熔制过程中由CaO≥54.0%、MgO≤1.0%的方解石引入；方解石的粒度分布控制为：无≥2mm颗粒，≤106µm颗粒不大于6.0％；方解石中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.005%范围内。
所述的BaO在玻璃的熔制过程中由BaCO3≥99.0%的碳酸钡引入；碳酸钡的粒度分布控制为：≥850µm颗粒不大于1％，≤125µm颗粒不大于0.2％；碳酸钡中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.01%范围内。
所述的SrO在玻璃的熔制过程中由SrCO3≥99.0%的碳酸锶引入；碳酸锶的粒度分布控制为：150µm~850µm颗粒不小于98.0％；碳酸锶中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.005%范围内。
所述的CeO2在玻璃的熔制过程中由CeO2≥99.9%的氧化铈引入；氧化铈中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.01%范围内。
一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料的制备方法，在玻璃材料的熔制过程中，铁含量是一个重要参数，玻璃中铁是以Fe2+和Fe3+两种价态存在的；Fe2+在波长1080nm附近具有吸收峰，降低长波长侧可见区域中的透过率；Fe3+在波长380nm附近具有吸收峰，降低紫外区域、短波长侧可见区域中的透过率；在玻璃的性能研究中，Fe离子的浓度、Fe2+/ Fe3+的比值、Fe离子配位数以及其形成的络合物等都会影响玻璃的光学性能，少量的铁就会对玻璃的透过率造成较大的影响。除此之外，Fe2+/ Fe3+的比值还可以表征玻璃的氧化还原状态，而玻璃的氧化还原状态又和玻璃成品的气泡数量之间存在着一定的关系。同时，Fe2+的含量对玻璃熔制过程的热传递有明显作用，将直接影响熔窑内玻璃液的温度分布，从而影响玻璃的熔制与澄清；本发明一种适合侧光式面光源导光板用的玻璃材料，其Fe2O3含量的总量为45~60ppm。
一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料的制备方法，在玻璃材料的熔制过程中，还可能从原料中引入其它影响玻璃透过率的着色金属氧化物，在生产过程中应尽量减少玻璃板中着色金属氧化物的含量，尤其需要控制与Fe元素的着色成互补色的Er,Er2O3的含量小于60ppm。
一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料的制备方法：将石英砂、方解石、氢氧化铝、碳酸钡、碳酸锶、纯碱、磷酸铝、硫酸钠、硝酸钠、氧化铈按照SiO265.5~71.0%，Al2O32.0~3.5%，P2O50.5~2.5%，Na2O9.5~12.5%，CaO6.5~11.5%，MgO0.1~1.0%，BaO2.0~4.5%，SrO3.0~6.5%，CeO20.01~0.03%的比例均匀混合制备配合料；然后将配合料在玻璃熔炉中进行熔制，在1530~1560℃保温3小时；退火的方式可以设定为575℃，退火时间2h，随后105min降至470℃，25min降至420℃。退火后可以将玻璃冷却至室温，进行研磨和抛光等冷加工处理后即可得到玻璃成品。
所述的玻璃材料特征粘度点的温度分别为：10Pa·s粘度的温度在1530℃~1560℃；1010Pa·s粘度的温度在600℃以上；1012.4Pa·s粘度的温度在567℃以上；1013.6Pa·s粘度的温度在540℃以上。
所述的玻璃材料的熔融温度1560℃，玻璃带自身抛光区温度1036℃~1138℃，拉薄区域温度783℃~927℃，退火点温度范围539℃~587℃，温度特征适合于浮法成型。
本发明提供一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料及制备方法，采用浮法工艺进行玻璃生产时，本发明在原材料的优选和加工过程中有效的降低铁含量，更有利于生产出铁含量低的玻璃，以满足导光板用玻璃高透过率的要求；同时由于浮法具有成本低、质量好的优势，有利于大规模的玻璃生产；另一方面，铁含量低的玻璃导热系数是普通玻璃的3~4倍，玻璃液在水平方向上对流强度大，垂直方向温度梯度小，玻璃液上下温差小，对流减少，存在澄清困难的问题，本发明所设计的玻璃配方与制备方法，使用浮法工艺生产时可以得到气泡性质优良的玻璃板。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供的玻璃材料具有低密度、高透过、高折射、良好耐水耐热性、高表面硬度、低热膨胀系数等特性，在熔制过程中，可以克服低铁含量玻璃液导热系数较高而带来的澄清困难问题，得到气泡性质优良的玻璃板，同时具有适宜的熔制温度，更适应于玻璃的浮法生产，且不会影响高温设备的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，所给出的实施例不构成对本发明的任何限制：
本发明的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，所述玻璃材料的基本组成及重量百分比为：SiO265.5~71.0%，Al2O32.0~3.5%，P2O50.5~2.5%，Na2O9.5~12.5%，CaO6.5~11.5%，MgO0.1~1.0%，BaO2.0~4.5%，SrO3.0~6.5%，CeO20.01~0.03%；其中，SiO2+Al2O3合量为67.5~74.5%；Na2O以纯碱、硝酸钠和芒硝三种形式共同引入，且m(Na2SO4)/m(NaNO3)的质量比值为0.01~0.03、m(Na2SO4＋NaNO3) /m(Na2CO3)的质量比值为0.06~0.09；m(CeO2)/m(Na2SO4+NaNO3)的质量比值为0.03~0.07。
下面示出如上述那样限制各成分含量的理由：
SiO2是重要的玻璃网络形成氧化物，可以降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度等；但它又是较难熔化的物质，当SiO2含量较高时，高温粘度增加，且析晶倾向增大，同时过多的SiO2原料比重会导致铁含量偏高，影响玻璃的光学性能。本发明所限定的SiO2含量百分比为65.5~71.0%，优选为67.0~69.5%。
Al2O3属于中间体氧化物，能抑制成型时方石英的失透物的析出，降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度等；但当Al2O3含量较高时，则液相温度升高，导致玻璃的熔制温度升高。本发明所限定的Al2O3含量百分比为2.0~3.5%，优选为2.5~3.2%。
P2O5是玻璃形成体氧化物，多以磷氧四面体[PO4]进入硅酸盐网络，与Na2O、CaO、MgO等发生媒合作用，可有效降低玻璃的析晶倾向，提高折射率、紫外透过率；当有一定量Al存在时 ，可以破坏P=O双键，形成Al-O-P的链接，从而增强玻璃网络结构，提高机械性能；当P2O5含量增加时，会增大玻璃的热膨胀系数，降低玻璃的热稳定性、化学稳定性。本发明所限定的P2O5含量百分比为0.5~2.5%，优选为1.0~2.0%。
Na2O是玻璃网络外体氧化物，引入后能使硅氧四面体[SiO4]所形成的网络松弛、断裂，可以解决SiO2难熔化的问题，可以降低玻璃液的粘度，因而可作为原料成分中的主要助熔剂。然而，Na2O会增大玻璃的热膨胀系数，降低玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械性能，而且会使耐火材料的侵蚀性增加。本发明所限定的Na2O含量百分比为9.5~12.5%，优选为10.0~12.0%。
CaO是网络外体氧化物，可提高玻璃的硬度、化学稳定性能和机械性能；但当含量太高时，会使玻璃的析晶倾向增大，容易使玻璃发脆。本发明所限定的CaO含量百分比为6.5~11.5%，优选为8.0~10.0%。
MgO能降低玻璃的析晶倾向和析晶速度，提高化学稳定性能和机械性能。MgO对玻璃的粘度有复杂的作用，900~1200℃使玻璃液黏度增加，高于1200℃使玻璃液粘度降低，玻璃发脆，成型难度增大。本发明所限定的MgO含量百分比为0.1~1.0%，优选为0.2~0.5%。
BaO和SrO的作用和CaO类似，可有效提高玻璃的折射率，修饰玻璃的光学性能，以满足玻璃材料在侧光式背光导光板中的使用要求。然而，随着金属离子半径的增大，紫外截止波长向长波方向移动，容易增大紫光区的吸收。为满足侧光式背光导光板对玻璃材料的要求，本发明所限定的BaO含量百分比为2.0~4.5%，优选为2.5~3.5%；本发明所限定的SrO含量百分比为3.0~6.5%，优选为3.5~5.8%。
CeO2可以对玻璃液起到澄清的作用，同时作为玻璃的氧化剂、着色剂起作用，可以调节玻璃中的Fe2+的量，使其所熔制的玻璃达到导光板所需求的性能；CeO2含量高时会引起气泡，并使玻璃着色。本发明所限定的CeO2含量百分比为0.01~0.03%，优选为0.015~0.025%。
本发明又一方面提供一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料的制备方法，该方法包括将上述玻璃用组合物依次进行熔融和退火：将含SiO2、Al2O3、P2O5、Na2O、CaO、MgO、BaO、SrO、CeO2以上各组分的石英砂（SiO2≥99.0%）、氢氧化铝粉（Al2O3≥65.0%）、磷酸铝（P2O5≥54.0%）、纯碱（Na2CO3≥98.5%）、硝酸钠（NaNO3≥99.0%）、芒硝（Na2SO4≥99.0%）、方解石（CaO≥54.0%、MgO≤1.0%）、碳酸钡（BaCO3≥99.0%）、碳酸锶（SrCO3≥99.0%）、氧化铈（CeO2≥99.9%），按照组分所给出的比例精确称量并均匀混合，制备成合格的配合料。然后将配合料在玻璃熔炉中进行熔制，在1530~1560℃保温3小时；退火的方式可以设定为575℃，退火时间2h，随后105min降至470℃，25min降至420℃。退火后可以将玻璃冷却至室温，进行研磨和抛光等冷加工处理后即可得到玻璃成品。
本发明中玻璃各项性能的测试、熔制温度的制定按照以下方法进行：
密度采用阿基米德法进行测定；硬度是表示物体抵抗其它物体侵入的能力，显微硬度值越大，其耐抗划伤能力越强，本发明玻璃显微硬度采用HXD-2000TMC/LCD维氏显微硬度仪，测试力300g，保荷时间10s，物镜倍数40x；化学稳定性采用98℃下的粉末法对玻璃耐水性进行测试；玻璃可见光透过率采用GB5433-85，经Cary500型分光光度计测试；折射率是光学玻璃最重要的参数，选用波长为546.1nm的He-Ne激光进行折射率nD的检测；测试玻璃不同的粘度值采用的测试方法及仪器有所不同，高温粘度测量参考ASTMC-965标准，采用RSV-1600旋转高温粘度计；低温粘度测量参考ASTMC-965标准，应用L75膨胀系数测定仪；玻璃澄清过程利用高温成像观察仪进行观测；熔制玻璃的最佳温度制度，包括加料温度、熔化温度以及退火温度，结合VFT公式及无机玻璃计算机软件计算的结果，经过多次实验而确定。
以下结合具体实施例对上述一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料及制备方法进行详细说明。
表1实施例组分及性能
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2特征温度点
Figure 879391DEST_PATH_IMAGE002

Claims (10)

1.一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：玻璃材料的基本组成及质量百分比为：SiO265.5~71.0%，Al2O32.0~3.5%，P2O50.5~2.5%，Na2O9.5~12.5%，CaO6.5~11.5%，MgO0.1~1.0%，BaO2.0~4.5%，SrO3.0~6.5%，CeO20.01~0.03%；其中，SiO2+Al2O3合量为67.5~74.5%；Na2O以纯碱、硝酸钠和芒硝三种形式共同引入，且m(Na2SO4)/m(NaNO3)的质量比值为0.01~0.03、m(Na2SO4＋NaNO3) /m(Na2CO3)的质量比值为0.06~0.09；m(CeO2)/m(Na2SO4+NaNO3)的质量比值为0.03~0.07。
2.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的SiO2在玻璃的熔制过程中由SiO2≥99.0%的石英砂引入；石英砂中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.003%范围内。
3.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的Al2O3在玻璃的熔制过程中由Al2O3≥65.0%的氢氧化铝粉引入；氢氧化铝粉中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.01%范围内。
4.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的P2O5在玻璃的熔制过程中由P2O5≥54.0%的磷酸铝引入；磷酸铝中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.03%范围内。
5.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的Na2O在玻璃的熔制过程中由Na2CO3≥98.5%的纯碱，NaNO3≥99.0%的硝酸钠，Na2SO4≥99.0%的芒硝共同引入；其中，纯碱中Fe2O3≤0.003%；硝酸钠中Fe2O3≤0.001%；芒硝中Fe2O3≤0.001%。
6.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的CaO、MgO在玻璃的熔制过程中由CaO≥54.0%、MgO≤1.0%的方解石引入；方解石中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.005%范围内。
7.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的BaO在玻璃的熔制过程中由BaCO3≥99.0%的碳酸钡引入；碳酸钡中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.01%范围内。
8.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的SrO在玻璃的熔制过程中由SrCO3≥99.0%的碳酸锶引入;碳酸锶中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.005%范围内。
9.如权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料，其特征在于：所述的CeO2在玻璃的熔制过程中由CeO2≥99.9%的氧化铈引入；氧化铈中Fe2O3的含量控制在Fe2O3≤0.01%范围内。
10.制备权利要求1所述的一种适合侧光式面光源导光板用玻璃材料的制备方法，其特征在于：将石英砂、方解石、氢氧化铝、碳酸钡、碳酸锶、纯碱、磷酸铝、硫酸钠、硝酸钠、氧化铈按照SiO265.5~71.0%，Al2O32.0~3.5%，P2O50.5~2.5%，Na2O9.5~12.5%，CaO6.5~11.5%，MgO0.1~1.0%，BaO2.0~4.5%，SrO3.0~6.5%，CeO20.01~0.03%的比例均匀混合制备配合料；然后将配合料在玻璃熔炉中进行熔制，在1530~1560℃保温3小时；退火的方式可以设定为575℃，退火时间2h，随后105min降至470℃，25min降至420℃；退火后可以将玻璃冷却至室温，进行研磨和抛光、冷加工处理后即可得到玻璃成品；所述的玻璃材料特征粘度点的温度分别为：10Pa·s粘度的温度在1530℃~1560℃；1010Pa·s粘度的温度在600℃以上；1012.4Pa·s粘度的温度在567℃以上；1013.6Pa·s粘度的温度在540℃以上；所述的玻璃材料的熔融温度1530~1560℃，玻璃带自身抛光区温度1036℃~1138℃，拉薄区域温度783℃~927℃，退火点温度范围539℃~587℃，温度特征适合于浮法成型。
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