CN1161298C - 一种玻璃综合增强方法 - Google Patents

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Abstract

采用化学钢化与表面处理、表面保护相结合，来增强平板玻璃或玻璃制品的方法。它包括玻璃表面预处理、化学钢化、表面后处理、表面保护四个过程，可以将普通平板玻璃的弯曲强度提高到1000Mpa以上。

Description

一种玻璃综合增强方法
本发明阐述一种能够大幅度提高玻璃弯曲强度的增强方法，它的特征是采用化学钢化、化学腐蚀和涂层保护相结合的综合途径，来增强玻璃的韧性和强度。
普通平板玻璃实际强度只有50～80Mpa左右，而玻璃的理论强度可达到10000～20000Mpa。这之间2～3个数量级的巨大差异，主要是由于玻璃内、外部的缺陷造成的，其中表面缺陷特别是裂纹的影响更为显著。目前，玻璃增强主要采取在表面造成压缩应力层的方法，如风钢化、液体钢化、固体微粒钢化、化学钢化等，已取得广泛的实际应用。表面压应力增强方法的局限在于表层产生压缩应力的同时，在玻璃内部产生相应的与之平衡的张应力，因而，引入的压应力值不能过高，增强效果受到限制。依据工艺方法的不同，玻璃弯曲强度一般可提高到150～450MPa之间；化学腐蚀也是玻璃增强的一种方法，它是通过化学处理，去除玻璃表面缺陷层，使表面趋于“无缺陷”的理想状态，从而恢复玻璃固有的高强度。化学腐蚀存在的主要问题，一是腐蚀过程经常引起玻璃表面光学性能的降低；二是恢复的强度不能持久，衰减十分严重。
为提高玻璃强度，前人在综合增强方面做过一些探索。US3287200，采用风钢化结合化学钢化的方式。风钢化形成的压缩应力层厚但表面应力小；化学钢化的表面应力层薄但表面应力大。该专利希望能够综合两种钢化增强方法的优点，形成表面应力大并且应力层厚的制品。但实际上，该专利的可行性存在问题，实践表明，在450℃的化学钢化温度下，风钢化产生的应力会迅速松弛，失去增强效果，无法形成复合应力层。
用化学溶液特别是酸溶液如HF酸腐蚀增强玻璃的案例更多的见于实验室结果，实际商业应用很少。主要原因是表面腐蚀增强虽然暂时都能得到较高的强度值，但玻璃表面由于环境作用产生缺陷后，强度会急剧丧失，失去增强效果。即便在玻璃腐蚀后用有机涂层形成保护，这种单纯依靠表面增强的结构仍然具有很大的脆弱性，强度值分散程度较大。RU649672提供一种用HF酸和熔盐先后腐蚀、再进行化学钢化的综合增强方法，可以提高增强后制品强度的高温稳定性。从数据看，其强度仅能提高3～4倍，与单纯化学钢化的效果相差不大。
本专利更加完善地提出表面预处理、钢化、表面后处理、表面保护的综合增强方法。其目的就是稳定地大幅度提高并保持玻璃(制品)的强度。
本发明的具体描述如下：
玻璃的预处理。目的是为了在钢化前最大程度去除玻璃表面的微裂纹、划伤等微观宏观缺陷，提高玻璃强度，并且增加表面离子可交换性，促进化学钢化。预处理液的适宜组分为：HF酸浓度6.0N～8.5N，磷酸和硫酸分别占总溶液总重的5～8％，起缓冲作用的NH4F加入量8～10％。表面处理时间是室温下5～15分钟，表面去除厚度50～90微米。以下是最佳参数：
                                                                        表1
 HF酸浓度 磷酸浓度  硫酸浓度   NH4F浓度  表面处理时间  表面去除厚度
   7.2N   5％     8％     8.5％     12分钟     80微米
化学钢化。表面预处理后的制品用去离子水洗净，在无尘的洁净环境下自然干燥后进行钢化增强。化学钢化的最佳工艺参数控制为：交换温度420～480℃，交换时间6～30小时。推荐参数为交换温度450℃，交换时间20小时。
表面后处理。目的是在已形成应力层的玻璃表面进一步消除缺陷。后处理液可以与预处理液成分相同，但处理时间要短。表面腐蚀深度不能超过钢化应力层的厚度。最佳的条件是在室温下处理1～2分钟，腐蚀深度5～15微米。表面后处理后的制品用无水乙醇或异丙醇脱水10～20分钟，在无尘的洁净环境下自然干燥。
表面保护。表面保护的目的是保持酸液后处理的效果，防止在外界影响下制品强度的下降。形成保护层的材料为有机涂料，特别推荐有机硅改性丙烯酸、改性环氧树脂和PVB醇溶液。保护层的施加方法为喷涂或浸渍。涂层后的制品在红外干燥箱于60～100℃下干燥。
本发明与已知的玻璃增强或综合增强方法相比，显著优点是解决了增强后的玻璃制品强度衰减问题，降低了强度分散性，能够大幅度提高普通平板玻璃或制品的强度，玻璃双环抗弯强度可以稳定地提高到800～1000Mpa，最大达到1400Mpa。
实施例：
100×100×3mm浮法玻璃样品，成分如下：
                                                               表2
    SiO2     Al2O3     CaO     MgO     Na2O     K2O
    72     1.8     7.2     4.0     14.5     0.5
用去离子水清洗干净自然干燥，在环境温度25℃，湿度40％条件下，在表1所示地腐蚀液中处理12分钟，其中前10分钟用洁净气体鼓泡搅拌，后2分钟停止搅拌。处理后的样品在25℃的洁净环境自然干燥1小时，之后在450℃的KNO3熔盐中离子交换增强(化学钢化)20小时。钢化后的制品用清水和去离子水洗净，在同样成分的处理液中处理1分钟。处理后的样品在25℃的洁净环境自然干燥0.5小时，之后用有机硅改性丙烯酸液浸涂两次。涂层后的制品在红外干燥箱80℃下干燥24小时。
干燥后的样品用WD-5A万能材料试验机采用双环抗弯方法测试。原片玻璃及增强后的玻璃强度测试结果分别见表3和表4：
                                                                         表3
样品编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均强度
强度MPa 80 77 85 92 71 104 124 65 73 62 83
                                                                                       表4
样品编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  平均强度
强度MPa 956 1031 982 1153 947 978 1205 994 1298 1194 1058

Claims (7)

1、一种大幅度提高玻璃强度的增强方法，该方法包括以下步骤：
(a)用以HF酸为主的腐蚀性溶液对玻璃进行表面处理；
(b)对处理过的玻璃进行化学钢化增强；
(c)用以HF酸为主的腐蚀性溶液对化学钢化后的玻璃进行表面后处理，腐蚀深度不超过步骤(b)钢化应力层的厚度；
(d)用有机涂料在经过表面后处理之后的玻璃表面形成保护层。
2、按权利要求1的方法，玻璃是指普通Na-Ca-Si平板玻璃或玻璃制品。
3、按权利要求1的方法，其中步骤(a)和步骤(c)所指表面处理液是以HF酸为主、其它组分为磷酸、盐酸和NH4F，对玻璃表面具有腐蚀性的液体。
4、按权利要求1的方法，玻璃在经过表面后处理之后要经过一个溶剂脱水过程。
5、按权利要求4的方法，脱水溶剂为无水乙醇或异丙醇。
6、按权利要求1的方法，其中步骤(d)所指有机涂料是有机硅改性丙烯酸涂料。
7、按权利要求6的方法，有机保护涂层是在新形成的无损伤的玻璃表面形成。
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