CN1162363C - 化学钢化玻璃的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是在硝酸钾熔盐中添加氢氧化钾、三氧化二铝和硅藻土添加剂，制成硝酸钾混合熔盐，该混合熔盐用量按一定比例配置，将配置好的硝酸钾混合熔盐加热到400℃～500℃保温，将预先清洗、烘干好的玻璃预热到350℃，恒温30分钟，将玻璃浸入熔盐中，恒定在400℃左右温度下3～8小时，后将玻璃从熔盐中缓慢取出，进入一个温度与熔盐温度非常接近的退火炉内退火到室温，便制成本发明的化学钢化玻璃，这种玻璃的优点是，明显提高了离子交换速度和交换深度，大大提高了生产效率，用此工艺生产的化学钢化玻璃的表面应力是普通玻璃的6～10倍，是风钢化玻璃的3～5倍，而且比较适用于厚度小于6mm的薄玻璃和形状复杂的玻璃制品，尤其适用于厚度小于3mm的超薄玻璃，钢化后无光畸变、玻璃平整度好。
Description
技术领域
本发明涉及低温化学钢化玻璃生产工艺和反应用熔融液的配方，属于建筑材料领域。
背景技术
玻璃表面增强技术不仅包括通常意义的风钢化(空气喷射增强)措施，而且包括化学钢化技术。化学钢化技术的实质是改变玻璃表面的结构，从而增强玻璃表面的强度。化学钢化通常分：1)玻璃表面烷基化处理2)在玻璃表面镀制一层低膨胀系数的玻璃质材料3)碱金属离子交换。在此所述的化学钢化是指离子交换增强。通常离子交换增强方式又分为二种方法：高温离子交换、低温离子交换。
高温离子交换增强：指在玻璃应变温度以上，用低热膨胀系数的玻璃质材料在玻璃表面形成变质层。典型的高温离子交换是将含有Na2O和K2O的玻璃加热到应变温度以上，在低于软化温度时将其浸入含有Li+的熔盐中，加热玻璃和熔盐到应变温度以上，此时玻璃网络较松弛，表面易改变，促使玻璃和熔盐之间进行Na+或K+与Li+之间的离子交换。经过一段时间玻璃表面Li+与Na+或K+的离子交换，取出玻璃退火、冷却到室温时，在玻璃表面形成一层富含Li+离子层，由于Li+层的膨胀系数远低于含Na+或K+的离子层，冷却过程玻璃表面和内部收缩量不同，因此在玻璃表面形成残余的压应力层，在玻璃内部产生张应力层(富含钠、钾的玻璃和富含锂的玻璃具有不同的热膨胀系数)。若玻璃中亦含有AL2O3和TiO2，则离子交换时将形成热膨胀系数更小的TiO2-AL2O3-4SiO4晶体，冷却后将产生非常大的压应力。然高温离子交换易产生光畸变，玻璃易变形。生产过程中熔盐温度较高，产生大量的挥发物，污染环境，而且熔盐易失效。
低温离子交换：低温离子交换比较普遍，其原理是：在低于玻璃应变温度的情况下，将玻璃浸没于离子半径大于玻璃中所含碱金属离子的碱金属化合物熔盐中，熔盐中体积大的离子挤入玻璃网络中原先由体积小的离子所占用的空间，体积小的离子被置换进入熔盐中。当玻璃冷却后，玻璃网络收缩，体积大的离子需要较大的空间，从而导致玻璃表面产生挤压应力，此表面挤压应力随玻璃冷却过程将残留其中，由此形成玻璃表面致密的压缩层。存在这一压缩层将减少玻璃表面的微裂纹，在玻璃表面形成预压应力层，从而大大提高玻璃的抗弯曲强度和抗冲击强度。
定性考虑低温离子的原理，压应力的产生主要由于大体积的碱金属离子按一定比例侵入玻璃，占据玻璃中原来碱金属离子的空间，并且假设在一定温度下变化量引起应力松弛的比例与瞬时温度....对应，由此残余应力表示为：
ε＝Δ1+Δ2
Δ1为应力松弛引起的压力减少，Δ2为大离子侵入而产生的应力增加。
Δε/Δt＝(Δε1/Δt)+(Δε2/Δt)＝-αε+β(δc/δt)
α为压力松弛率，β为由于离子交换产生的压力变化率
β＝(EδV)/3V(1-γ)
侵入离子扩散浓度由FICK第二定理决定。在此假设通常将钠钙硅玻璃浸入450℃的硝酸钾盐中，产生钾与钠离子之间的交换此时的扩散系数根据D＝0.1μ/分，不同的处理时间段，K+在厚度方向的扩散浓度不同。处理方案的不同，K+在厚度方向扩散浓度的模式也不同。然而离子扩散系数并不是恒定不变的，随K+扩散浓度的变化而变化，K+离子浓度增加，扩散系数会逐步减小。
发明内容
本发明的目的在于提高离子交换的速度和深度，提高交换后玻璃表面大直径离子的浓度，缩短反应时间，提高生产效率，实现此目的方案是，在硝酸钾熔盐中添加合适的添加剂和最佳的用量，提高离子扩散系数，从而缩短离子交换时间，提高玻璃表面离子交换浓度和交换深度，从而增强化学钢化玻璃机械强度，该方案是：
在硝酸钾熔盐中添加氢氧化钾、三氧化二铝和硅藻土添加剂，制成硝酸钾混合熔盐，添加剂的用量比例为：若以KOH/KNO3重量百分比为1，则Al2O3/KNO3重量百分比10～30、硅藻土/KNO3重量百分比100～150，将配置好的硝酸钾混合熔盐加热到400℃～500℃保温，将预先清洗、烘干好的玻璃预热到350℃，恒温30分钟，将玻璃浸入熔盐中，恒定在400℃左右温度下3～8小时，后将玻璃从熔盐中缓慢取出，进入一个温度与熔盐温度非常接近的退火炉内退火到室温。
所述硝酸钾混合熔盐的配置方法是：将硝酸钾加入不锈钢熔盐槽中，缓慢加热硝酸钾和熔盐槽到300℃以上，硝酸钾逐步熔融成液态，进行搅拌使混合均匀，经过1.5小时后逐步冷却固化，精确计算硝酸钾重量，当硝酸钾冷却到室温后，根据比例要求精确称量Al2O3和硅藻土的重量，在固化的熔盐中加入Al2O3和硅藻土，再次升温到350℃将混合物融化成液态，充分搅拌2小时，使所有物质混合均匀后冷却到室温固化，根据上述用量比例精确称量KOH，迅速加入混合盐中，立即升温，逐步加热到350℃，充分搅拌3小时，使与原先混合熔融盐充分混合。
用此生产工艺制成化学钢化玻璃，明显提高了离子交换速度和交换深度，大大提高了生产效率，用此工艺生产的化学钢化玻璃的表面应力是普通玻璃的6～10倍，是风钢化玻璃的3～5倍，而且比较适用于厚度小于6mm的薄玻璃和形状复杂的玻璃制品；尤其适用于厚度小于3mm的超薄玻璃，钢化后无光畸变、玻璃平整度好。
附图说明
附图是本发明的硝酸钾混合熔盐与普通熔盐反应温度试验的比较曲线。
具体实施方式
在配制硝酸钾混合熔盐工艺过程中，在将KOH迅速加入混合盐中时，避免长时间在空气中停留，否则，导致KOH吸潮成为液度，加热时造成KOH的损失；下面是用纯KNO3熔盐和用本发明配制的熔盐，进行试验的结果如下表：
| 测试项目 | 纯KNO3熔盐 | 配制熔盐 |
| 离子交换时间(hr) | 6～15 | 2～6 |
| 交换深度(微米) | 1～5 | 10～20 |
| 表面离子浓度(％) | 2～3 | 15～20 |
| (227g)钢球冲击高度m | 2 | 4～6 |
可见离子交换时间，缩短了三到四倍，离子交换深度提高了近十倍，表面离子浓度提高了八倍多，大大提高了生产效率。
附图是用普通熔盐和用本发明的混合熔盐，进行了反应温度的比较试验曲线，从图中可以看出，采用本发明配方的熔盐反应所需温度略微降低，效率明显增高，节约能源。
本发明配制的混合熔盐，具有前述的重要效果，是基于以下主要原理：
1.加快离子交换速度首先必须促使玻璃表面的网络结构开放化，本发明配方的混合熔盐具有断开部分玻璃表面的硅氧键，使玻璃表面网络结构开放化，促使K+更容易扩散进入玻璃，而Na+离子也更能够较轻松地从玻璃中溢出。
2.随着使用次数和时间的增多，多数熔盐会由于来自玻璃和外界各种杂质的影响，产生离子交换速度和交换效率的明显下降，俗称“熔盐中毒”，这严重影响化学钢化的生产效率和生产周期。本发明所用的熔盐具有自清洁作用，避免熔盐中杂质对离子交换的影响，保持生产全过程交换效率和交换速度不变。
3.浮法玻璃具有空气面和锡液面二种不同结构的表面，对离子交换的影响非常明显，普通化学钢化熔盐进行离子交换后，将造成二面应力相差悬殊，由此产生光畸变和玻璃强度下降。本发明熔盐削弱了锡液面和空气面对化学钢化的影响，使钢化后玻璃二个面上的应力基本均匀，消除光畸变，提高化学钢化玻璃的强度。
Claims (2)
1.一种化学钢化玻璃的生产工艺，其特征在于：在硝酸钾熔盐中添加氢氧化钾、三氧化二铝和硅藻土添加剂，制成硝酸钾混合熔盐，添加剂的用量比例为：以KOH/KNO3重量百分比为1，Al2O3/KNO3重量百分比10～30、硅藻土/KNO3重量百分比100～150，将配置好的硝酸钾混合熔盐加热到400℃～500℃保温，将预先清洗、烘干好的玻璃预热到350℃，恒温30分钟，将玻璃浸入熔盐中，恒定在400℃温度下3～8小时，后将玻璃从熔盐中缓慢取出，进入一个温度与熔盐温度非常接近的退火炉内退火到室温。
2.按权利要求1所述的化学钢化玻璃的生产工艺，其特征在于：硝酸钾混合熔盐的配置方法是：将硝酸钾加入不锈钢熔盐槽中，缓慢加热硝酸钾和熔盐槽到300℃以上，硝酸钾逐步熔融成液态，进行搅拌使混合均匀，经过1.5小时后逐步冷却固化，精确计算硝酸钾重量，当硝酸钾冷却到室温后，根据比例要求精确称量Al2O3和硅藻土的重量，在固化的熔盐中加入Al2O3和硅藻土，再次升温到350℃将混合物融化成液态，充分搅拌2小时，使所有物质混合均匀后冷却到室温固化，根据上述用量比例精确称量KOH，迅速加入混合盐中，立即升温，逐步加热到350℃，充分搅拌3小时，使与原先混合熔融盐充分混合。
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