CN112209617A - 一种紫外线波段高透过率多组分硅酸盐玻璃及其制备方法 - Google Patents

一种紫外线波段高透过率多组分硅酸盐玻璃及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种紫外波段高透过率的多组分硅酸盐玻璃与其制备方法。一种紫外波段高透过率的多组分硅酸盐玻璃，包括以下重量百分比的原料，SiO2:65‑75%，B2O3:2‑10%，BaO 3‑10%，Al2O3:1‑5%，Na2O:2‑15%，K2O:2‑15%，Li2O:0‑5%，NaCl:0.2‑1%；多组分硅酸盐玻璃中杂质铁、钛、铈、锰、铬元素总含量小于100ppm。制备方法，包括以下步骤：1）称取原料，额外加入10‑1000 ppm外掺重量的亚硫酸钠或硫化钠还原剂，搅拌混匀；2）所得混合料在1400‑1600摄氏度条件下融化，并在过程中保持还原气氛；3）所得玻璃制品保温，退火后降至室温。多组分硅酸盐玻璃化学稳定性好，环境友好，具有195纳米波长以下透过率为零、UVA，UVB和UVC波段高透过率、软化点温度在600‑750摄氏度之间易加工等特征，可用于无臭氧紫外消毒和紫外探测等方面。

Description

一种紫外线波段高透过率多组分硅酸盐玻璃及其制备方法
技术领域
本发明属于玻璃制备领域，涉及多组分硅酸盐玻璃领域，具体涉及一种紫外线波段高透过率的硅酸盐玻璃及其制备方法。
背景技术
紫外线是波长比可见光更短的光辐射，其中200到400纳米波长范围的紫外线通常分为UVA（315-400纳米）、UVB（280-315纳米）和UVC（200-280纳米）。由于紫外线比可见光更具穿透能力，所以紫外线常被用于进行透视或鉴定的工作。特别是UVC波段的紫外线具有杀菌消毒作用，在医疗卫生、食品安全、公共卫生等领域有着重要应用。
石英玻璃是最常见的紫外透过材料之一，但是石英玻璃至少存在以下三方面问题：制备条件苛刻，软化点温度过高，超过一千五百摄氏度，不适合批量生产加工；石英玻璃膨胀系数低，和封装支撑材料的机械性能不匹配；石英玻璃160-195纳米之间透光，深紫外辐射引起氧气电离臭氧有致癌风险。而氟化物和磷酸盐玻璃作为紫外透过材料，化学稳定性较差，易受潮且机械强度较低。欧洲国家紫外消毒灯具出于环境考虑，已经摒弃石英玻璃，采用硅酸盐玻璃。现有作为紫外高透的高硼硅玻璃，原料要求苛刻，如CN110255898A要求各玻璃原料不含有过渡金属氧化物Fe2O3、TiO2等杂质，或杂质含量小1ppm，原料成本过高；30-300摄氏度的平均热膨胀系数50×10-7/℃左右，185纳米处透过率大于50%，尚不能满足无臭氧环境友好紫外消毒灯的应用需求。
发明内容
为了克服现有石英玻璃、氟化物玻璃、磷酸盐紫外高透玻璃等存在的缺陷，本发明的目的是提供一种紫外波段高透过率的多组分硅酸盐玻璃及其制备方法。本发明通过一种新的组分设计和制备工艺，实现化学稳定性好，环境友好和机械强度高的紫外高透玻璃，具有195纳米波长以下透过率为零、UVA，UVB和UVC波段具有高透过率、软化点温度在600-750摄氏度之间易加工，30-300摄氏度平均线性膨胀系数80-100×10-7/℃等特征。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种紫外波段高透过率的多组分硅酸盐玻璃，包括以下重量百分比的原料，SiO2: 65-75%，B2O3: 2-10%，BaO 3-10%，Al2O3: 1-5%，Na2O: 2-15%，K2O: 2-15%，Li2O: 0-5%，NaCl:0.2-1%；所述的多组分硅酸盐玻璃中杂质铁、钛、铈、锰、铬元素总含量小于100ppm。
所述的多组分硅酸盐玻璃，包括以下重量百分比的原料，SiO2: 67-72%，B2O3: 2-4%，BaO 3-8%，Al2O3: 1-3%，Na2O: 7-10%，K2O: 7-10%， Li2O: 0.5-2%，NaCl: 0.2-1%。
所述紫外波段高透过率多组分硅酸盐玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1）称取原料，额外加入10-1000 ppm外掺重量的亚硫酸钠或硫化钠还原剂，搅拌混匀；
2）所得混合料在1400-1600摄氏度条件下融化，并在融化过程中保持还原气氛；
3）所得玻璃制品在600-750摄氏度下保温，退火消除内应力，再以0.5-5摄氏度每分钟的速度降至室温。
步骤2）在融化过程中保持还原气氛：采用持续通入氩氢混合气或高纯天然气，或炉顶放置碳粉提供一氧化碳。
步骤3）所得玻璃制品包括玻璃片、玻璃块和玻璃管。
所述的制备方法，通过调控玻璃组分，进而调制玻璃的光学碱度、能带和化学键，实现紫外截止波长、热膨胀系数和软化温度的调控。
本发明的有益效果：
1. 采用本发明制备的多组分硅酸盐玻璃具有紫外波段高透过率，1毫米样品，UVA，UVB，UVC波段均具有高透过率，253.7纳米处透过率可达75%以上。
2. 通过在原料和熔制阶段加入还原剂和保护气氛，达到在一定杂质含量下实现UVC波段高透，通过组分设计实现195纳米波长透过率为0。
3. 本发明制备的紫外高透多组分硅酸盐玻璃，化学稳定性好，制备工艺简单，环境友好，软化点温度低易加工。
4. 30-300摄氏度平均线性膨胀系数80-100×10-7/℃等特征。可与普通硅酸盐玻璃管或可阀合金等封接。
5. 制备方法通过调控玻璃组分，进而调制玻璃的光学碱度、能带和化学键，实现紫外截止波长、热膨胀系数和软化温度等关键参数的调控。多组分硅酸盐玻璃包含硼硅酸盐玻璃，高钡玻璃，高钾玻璃等。
附图说明
图1为本发明实施例2样品3的紫外波可见波段190-450纳米间的透过率曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
1、按表1中组分1列出的重量百分比称取各原料，外加500ppm还原剂Na2SO3，所用的原料都是优级纯，杂质铁、钛、铈、锰、铬等总含量小于100ppm，将称好的原料搅拌混匀。
Figure 252403DEST_PATH_IMAGE001
2、将混合料倒入高温熔炉，在常压1450摄氏度条件下融化5个小时，此过程炉内需要炉顶放置碳粉提供一氧化碳等提供一定气氛保护。
3、熔化过程中如果有需要可进行搅拌使玻璃更均匀。熔化阶段完成后，在1500摄氏度条件下澄清，将气泡完全排除。
4、澄清结束后，将熔融玻璃液浇铸成所需要的玻璃块。然后进行退火处理，再冷却得到透紫外多组分硅酸盐玻璃样品1。
实施例2
1、按表1中组分3列出的重量百分比称取各原料，外加1000ppm还原剂Na2SO3，所用的原料都是优级纯，杂质铁、钛、铈、锰、铬等总含量小于100ppm，将称好的原料搅拌混匀。
2、将混合料倒入高温熔炉，在常压1480摄氏度条件下融化6个小时，此过程炉内需要通入氩氢混合气提供一定气氛保护。
3、熔化过程中如果有需要可进行搅拌使玻璃更均匀。熔化阶段完成后，在1520摄氏度条件下澄清，将气泡完全排除。
4、澄清结束后，将熔融玻璃液浇注成玻璃片。然后进行退火处理，再冷却得到透紫外多组分硅酸盐玻璃样品3。
实施例3
1、按表1中列出的重量百分比称取各原料，外加10ppm还原剂Na2SO3，所用的原料都是优级纯，杂质铁、钛、铈、锰、铬等总含量小于100ppm，将称好的原料搅拌混匀。
2、将混合料倒入高温熔炉，在常压1500摄氏度条件下融化6个小时，此过程炉内需要通入高纯天然气提供一定气氛保护。
3、熔化过程中如果有需要可进行搅拌使玻璃更均匀。熔化阶段完成后，在1550摄氏度条件下澄清，将气泡完全排除。
4、澄清结束后，将熔融玻璃液浇加工成玻璃管。然后进行退火处理，再冷却得到透紫外多组分硅酸盐玻璃样品5。
对以上所得到的玻璃样品进行切割，磨抛得到1毫米厚度样品。其测试性能如表1所示，波长195 nm处紫外光透过率为0，253.7 nm处紫外线透过率在75%以上； 30-300℃的平均线膨胀系数80-100×10-7/℃；软化温度600-750 ℃。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种紫外波段高透过率的多组分硅酸盐玻璃，其特征在于：包括以下重量百分比的原料，SiO2: 65-75%，B2O3: 2-10%，BaO 3-10%，Al2O3: 1-5%，Na2O: 2-15%，K2O: 2-15%，Li2O:0-5%，NaCl: 0.2-1%；所述的多组分硅酸盐玻璃中杂质铁、钛、铈、锰、铬元素总含量小于100ppm。
2. 根据权利要求1所述的紫外波段高透过率的多组分硅酸盐玻璃，其特征在于：包括以下重量百分比的原料，SiO2: 67-72%，B2O3: 2-4%，BaO 3-8%，Al2O3: 1-3%，Na2O: 7-10%，K2O: 7-10%， Li2O: 0.5-2%，NaCl: 0.2-1%。
3.根据权利要求1或2所述的紫外波段高透过率多组分硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）称取原料，额外加入10-1000 ppm外掺重量的亚硫酸钠或硫化钠还原剂，搅拌混匀；
2）所得混合料在1400-1600摄氏度条件下融化，并在融化过程中保持还原气氛；
3）所得玻璃制品在600-750摄氏度下保温，退火消除内应力，再以0.5-5摄氏度每分钟的速度降至室温。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2）在融化过程中保持还原气氛：采用持续通入氩氢混合气或高纯天然气，或炉顶放置碳粉提供一氧化碳。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所得玻璃制品包括玻璃片、玻璃块和玻璃管。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：通过调控玻璃组分，进而调制玻璃的光学碱度、能带和化学键，实现紫外截止波长、热膨胀系数和软化温度的调控。
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