DE102008046044A1 - Producing thermally tempered glasses, comprises heating the glasses in a first process stage and then subjecting to a sudden cooling with media in a second process stage - Google Patents

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Abstract

The method comprises heating the glasses in a first process stage and then subjecting to a sudden cooling with media in a second process stage. Measurements are seized before or during the first process stage, where measurements increase the strength of the glass. The media have thermal transition coefficients in the application of greater than 400 W/m 2>K. Before or during the first process stage, the glasses are subjected to a laser separation process, flame glazing and/or treatment with aluminum chloride. The sudden cooling is carried out under the use of liquid phase. The method comprises heating the glasses in a first process stage and then subjecting to a sudden cooling with media in a second process stage. Measurements are seized before or during the first process stage, where measurements increase the strength of the glass. The media have thermal transition coefficients in the application of greater than 400 W/m 2>K. Before or during the first process stage, the glasses are subjected to a laser separation process, flame glazing and/or treatment with aluminum chloride. The sudden cooling is carried out under the use of liquid phase, and is carried out with ammonium sulfate solution, sulfuric acid, aqueous silicon dioxide suspension and water vapor.

Description

Oberflächenveredelte Gläser spielen wirtschaftlich eine immer größere Rolle, wobei thermisch gehärtete Gläser einen wesentlichen Teil dieser Gruppe ausmachen. Diese Art der Oberflächenveredlung findet insbesondere dort eine Anwendung, wo mechanische Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten gefordert werden, z. B. im Automobilsektor, in der Architektur und in der Nutzung der Solarenergie. Die so genannten Einscheibensicherheitsgläser (ESG) sind in einer speziellen Norm hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Prüfmethoden etc. definiert [1]. Bemerkenswert ist, dass diese Norm nur für Gläser bis zu einer minimalen Dicke von 3 mm existiert. Eine Marktanalyse zeigt, dass tatsächlich ESG Gläser nur mit einer Dicke von größer gleich 2,8 mm auf dem Markt erhältlich sind. Dünne thermisch gehärtete Gläser mit Dicken deutlich unter 2,8 mm, mit gleichen oder sogar deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften als ESG Gläser würden eine strategische Optimierung in den verschiedensten Anwendungsfeldern zur Folge haben, von Gewichtsreduzierungen, Kostensenkungen, verbesserten Transmissionseigenschaften bis hin zu logistischen Vorteilen. Als Bestandteil von Produkten wie Verbundsicherheitsglas (VSG), Panzerglas oder Vakuumisoliergläsern sind wiederum eine große Anzahl neuer Anwendungsfelder, Märkte und Kostensenkungen vorstellbar.Coated glasses play an increasingly important role economically, with thermally tempered glasses a make up a substantial part of this group. This type of surface finishing finds an application where mechanical properties, particular strengths are required, for. In the automotive sector, in architecture and in the use of solar energy. The so-called Single-pane safety glass (ESG) are in a specific standard in terms of their properties, Test Methods etc. defined [1]. It is noteworthy that this standard is only for glasses up to a minimum thickness of 3 mm exists. A market analysis shows that actually ESG glasses only with a thickness greater than or equal 2.8 mm available on the market are. thin thermally tempered glasses with Thicknesses well below 2.8 mm, with the same or even significantly improved Mechanical properties as ESG glasses would be a strategic optimization in the most diverse fields of application, of weight reductions, Cost reductions, improved transmission properties up to for logistical advantages. As a component of products such as laminated safety glass (VSG), bulletproof glass or vacuum insulating glass are in turn a large number new fields of application, markets and cost reductions conceivable.

Es erhebt sich daher die Frage, aus welchen Gründen diese dünnen, thermisch gehärteten Gläser mit hohen eingeprägten Druckspannungen nicht existieren. Hierzu muss man sich den Herstellungsprozess betrachten. Die ESG Gläser werden zunächst erhitzt, bei normaler Kalk-Natron-Silikatglaszusammensetzung wie z. B. Floatglas bis etwa 680°C. Danach findet eine Schockkühlung mit Luftduschen statt, die zunächst die Oberfläche abkühlt, wobei mit dem Aufbau eines Temperaturgradienten zunächst an der Oberfläche Zugspannungen aufgebaut werden, die bei Abkühlung bis zur Raumtemperatur des gesamten Glaskörpers sich in Druckspannungen an der Oberfläche umwandeln. Die Prozesse sind ausführlich in [2] beschrieben und quantifiziert worden. Für dünnere Gläser die thermisch gehärtet werden sind zur Erlangung gleicher Druckspannungen größere Temperaturgradienten notwendig, die nur durch eine intensivere Abkühlung möglich sind. Dies ist zwar prinzipiell möglich, z. B. durch Flüssigkeitskühlung [2], führt aber dazu, dass die beim Abkühlen erzeugten temporären Zugspannungen an der Oberfläche zur Zerstörung des Glases führen. Zwar werden Flüssigkeitskühlungen eingesetzt z. B. bei Borosilikatgläsern, was aber nur möglich ist, da diese einen deutlich geringeren Ausdehnungskoeffizienten haben, der nur etwa 40% eines handelsüblichen Floatglases beträgt. Damit besitzen aber die auftretenden Zugsspannungen und die eingeprägten permanenten Druckspannungen bei Raumtemperatur bei gleicher Kühlung auch nur einen entsprechend geringeren Wert. Würde man nun ein Kalk-Natron-Silikatglas stärker abkühlen, so würde der Festigkeitsverteilung einer Glascharge folgend mit steigender Abkühlgeschwindigkeit mehr und mehr Gläser während des Abkühlprozesses zerstört werden. Prinzipiell sind damit 2 mm ESG Gläser denkbar, allerdings würde nur ein Bruchteil einer Glascharge diesen Behandlungsschritt unzerstört überstehen, was die industrielle Nichtexistenz solcher Gläser bei vorhandenem starkem Marktinteresse erklärt.It Therefore raises the question of why these thin, thermal hardened Glasses with high embossed Compressive stresses do not exist. For this one has to look at the manufacturing process consider. The ESG glasses be first heated, with normal soda-lime silicate glass composition such as z. B. float glass to about 680 ° C. Then there is a shock cooling with air showers taking place first the surface cools, where with the construction of a temperature gradient first at the surface tensile stresses be built up, the cooling to room temperature of the entire glass body in compressive stresses on the surface convert. The processes are described in detail in [2] and been quantified. For thinner glasses which are thermally cured are larger temperature gradients necessary to obtain equal compressive stresses, which are only possible by a more intense cooling. This is true in principle possible, z. By liquid cooling [2], but leads to that during cooling generated temporary Tensile stresses on the surface to destruction lead the glass. Though become liquid cooling used z. B. borosilicate glasses, but this is only possible because they have a much lower coefficient of expansion, only about 40% of a commercial one Float glass is. However, this means that the tensile stresses that occur and the impressed permanent ones have Compressive stresses at room temperature with the same cooling also only a correspondingly lower value. Would you now cool a soda-lime silicate glass stronger, so would the Strength distribution of a glass batch following with increasing cooling rate more and more glasses while the cooling process destroyed become. In principle, 2 mm ESG glasses are conceivable, but only a fraction of a glass batch survives this treatment step undestroyed, what the industrial non-existence of such glasses with strong available Market interest explained.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von thermisch gehärteten Gläsern mit Dicken kleiner 2,8 mm zu entwickeln.Of the Invention is the technical object of a method for Production of thermally cured glass develop with thicknesses less than 2.8 mm.

Die Grundidee des neuen Verfahrens beruht nun darauf, dass die thermisch zu härtenden Gläser vor oder während des Aufheizprozesses Verfahren ausgesetzt werden, die die Festigkeit von Gläsern erhöhen. Hierzu eignen sich die auf dem Markt befindlichen Lasertrennverfahren, die die Biegefestigkeit um mehr als 100% erhöhen und die von den Kanten ausgehenden Bruchursachen verringern. Ergänzend oder alternativ kann eine Flammenpolitur vorgenommen werden oder eine Behandlung mit AlCl3 [3]. Die so erreichten Festigkeitssteigerungen ermöglichen nun höhere Zugspannungsbeanspruchungen währen der Abkühlphase, damit einen höheren Temperaturgradienten und damit letztlich entweder höhere Druckspannungen bei gleicher Dicke oder gleiche Druckspannungen bei geringerer Dicke bzw. eine Kombination aus beiden Eigenschaftsverbesserungen. Erreicht werden kann dies durch eine Schockkühlung mit Medien, die einen Wärmeübergangskoeffizienten in der Anwendung von größer 400 W/m2K haben. Verschiedene Kühlmethoden sind in [2] beschrieben, die einzeln oder in Kombination angewendet werden können.The basic idea of the new method is based on the fact that the glasses to be thermally cured before or during the heating process are exposed to methods that increase the strength of glasses. Suitable for this purpose are the laser separation processes available on the market, which increase the flexural strength by more than 100% and reduce the causes of breakage emanating from the edges. In addition or as an alternative, flame polishing or treatment with AlCl 3 [3] can be carried out. The thus achieved increases in strength now allow higher tensile stresses during the cooling phase, thus a higher temperature gradient and thus ultimately either higher compressive stresses at the same thickness or equal compressive stresses at a smaller thickness or a combination of both property improvements. This can be achieved by shock cooling with media having a heat transfer coefficient in the application of greater than 400 W / m 2 K. Various cooling methods are described in [2], which can be used individually or in combination.

Diese Methode, aufbauend auf vor geschalteten Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung ist für beliebige Glaszusammensetzungen möglich, wobei die Abkühlrate ausgehend von dem ursprünglichen Ausdehnungskoeffizienten jeweils in dem Maße gesteigert werden kann, indem die kurzzeitige Zugfestigkeitssteigerung während des Abkühlvorgangs wirksam ist.These Method based on upstream measures to increase strength is for any Glass compositions possible, the cooling rate starting from the original expansion coefficient in each case to the extent can be increased by the short-term increase in tensile strength while the cooling process effective is.

Die Möglichkeit zum thermischen Härten von Kalk-Natron-Silikatgläsern nun Flüssigphasen einzusetzen, birgt neben einer erheblichen Kosteneinsparung weitere Vorteile in sich. Häufig sind Oberflächenveredelungen erwünscht, z. B. hinsichtlich der optischen Eigenschaften und der chemischen Beständigkeit. Dies kann bekannterweise dauerhaft durch eine Anreicherung von SiO2 an der Oberfläche erreicht werden, wobei mit dem verringertem Brechungsindex die Reflexionsverluste verringert werden und die Transmission erhöht wird bei gleichzeitiger Steigerung der chemischen Beständigkeit. Dies kann durch zwei prinzipielle Maßnahmen erreicht werden:

  • 1.) Eine Abreicherung anderer Elemente, z. B. eine Entalkalisierung. Beispiel: Durch eine Kühlung mit einer 3% (Gewicht) Ammoniumsulfat Lösung kann die hydrolytische Beständigkeit verdoppelt werden bei gleichzeitiger Verbesserung der Transmission um 0,5% auf Kosten der Reflexion.
  • 2.) Eine Zuführung von SiO2 Suspension mit der wässrigen Lösung während der Kühlung, wobei die aus der Sol-Gel Technologie bekannten Lösungen benutzt werden können, um eine zusätzliche Eigenschaftsoptimierung hinsichtlich mechanischer, chemischer und optischer Eigenschaften zu erreichen.
The possibility of thermal curing of soda-lime silicate glasses now to use liquid phases, in addition to a considerable cost savings further advantages in itself. Often surface finishes are desired, for. B. in terms of optical properties and chemical resistance. As is known, this can be achieved permanently by enrichment of SiO 2 at the surface, with the reduced Bre index of reflection losses are reduced and the transmission is increased while increasing the chemical resistance. This can be achieved by two principal measures:
  • 1.) A depletion of other elements, eg. B. a dealkalization. Example: By cooling with a 3% (weight) ammonium sulfate solution, the hydrolytic resistance can be doubled while at the same time improving the transmission by 0.5% at the expense of reflection.
  • 2.) Feeding of SiO 2 suspension with the aqueous solution during cooling, whereby solutions known from sol-gel technology can be used to achieve additional property optimization in terms of mechanical, chemical and optical properties.

Dieser reaktive Dünnschichtfilmauftrag wird dabei mit der Methode des thermischen Härtens kombiniert, ermöglicht durch die Nutzung flüssiger Phasen zur Abkühlung von Gläsern auch mit hohem Ausdehnungskoeffizienten, was wiederum erst durch die Anwendung Festigkeit steigernder Maßnahmen ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand folgender Beispiele erläutert werden:This reactive thin film coating is combined with the method of thermal curing, made possible by the use of liquid phases to cool down of glasses also with a high expansion coefficient, which in turn only through the Application strength-increasing measures is possible. The inventive method should illustrated by the following examples become:

Beispiel 1example 1

Eine Floatglasscheibe auf kommerzieller Kalknatronsilikatglasbasis mit einer Dicke von 4 mm, zugeschnitten durch Lasertrennung, wird auf eine integrale Temperatur vom 680°C aufgeheizt und nach dem Herausfahren aus dem Ofen mittels Sprühkühlung für maximal 30 Sekunden mit 1 l/Minute auf einer Fläche von 2 mal 100 cm2 beidseitig abgekühlt. Unter Verwendung eines genormten kommerziell erhältlichen Schlagkörpers wird das in 1 dargestellte Fehlbild erhalten. Eine nicht durch Lasertrennung zugeschnittene vergleichbare Floatglasschreibe ging bei der Sprühkühlung zu Bruch.A commercially available soda lime silicate glass float glass sheet 4 mm thick cut by laser separation is heated to an integral temperature of 680 ° C and, after leaving the oven by spray cooling, for a maximum of 30 seconds at 1 liter / minute over an area of 2 times 100 cm 2 cooled on both sides. Using a standard commercially available impactor, the in 1 obtained misrepresentation. A comparable float glass writing not cut by laser separation broke with the spray cooling.

Beispiel 2Example 2

Eine Floatglasscheibe auf kommerzieller Kalknatronsilikatglasbasis mit einer Dicke von 2 mm, zugeschnitten durch Lasertrennung, wird auf eine integrale Temperatur vom 680°C aufgeheizt und nach dem Herausfahren aus dem Ofen mittels Sprühkühlung für maximal 30 Sekunden mit 2 l/Minute auf einer Fläche von 2 mal 100 cm2 beidseitig abgekühlt. Unter Verwendung eines genormten kommerziell erhältlichen Schlagkörpers wird das in 2 dargestellte Fehlbild erhalten. Eine nicht durch Lasertrennung zugeschnittene vergleichbare Floatglasschreibe ging bei der Sprühkühlung zu Bruch.A commercially available soda lime silicate glass float glass sheet 2 mm thick cut by laser separation is heated to an integral temperature of 680 ° C and, after leaving the oven, spray cooled for a maximum of 30 seconds at 2 liters / minute over an area of 2 times 100 cm 2 cooled on both sides. Using a standard commercially available impactor, the in 2 obtained misrepresentation. A comparable float glass writing not cut by laser separation broke with the spray cooling.

Beispiel 3Example 3

Eine Floatglasscheibe auf kommerzieller Kalknatronsilikatglasbasis mit einer Dicke von 2 mm, zugeschnitten durch Lasertrennung, wird auf eine integrale Temperatur vom 680°C aufgeheizt. Mit der Aufheizung erfolgt gleichzeitig eine Behandlung mit Aluminiumchlorid. Nach dem Herausfahren des Glases aus dem Ofen wird mittels Sprühkühlung für maximal 30 Sekunden mit 4 l/Minute auf einer Fläche von 2 mal 100 cm2 beidseitig abgekühlt. Unter Verwendung eines genormten kommerziell erhältlichen Schlagkerners wird das in 3 dargestellte Fehlbild erhalten. Eine nicht durch Lasertrennung zugeschnittene vergleichbare Floatglasschreibe ging bei der Sprühkühlung zu Bruch.A float glass disc on commercial soda-lime silicate glass base with a thickness of 2 mm cut by laser separation is heated to an integral temperature of 680 ° C. With the heating takes place at the same time a treatment with aluminum chloride. After the glass has been removed from the oven, it is cooled on both sides by means of spray cooling for a maximum of 30 seconds at 4 l / minute over an area of 2 × 100 cm 2 . Using a standard commercially available punch corer, the in 3 obtained misrepresentation. A comparable float glass writing not cut by laser separation broke with the spray cooling.

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  • [3] WO 2004/096724 A1 [3] WO 2004/096724 A1

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung von thermisch gehärteten Gläsern, indem die Gläser in einer ersten Verfahrensstufe erhitzt und in einer zweiten Verfahrensstufe einer Schockkühlung unterworfen werden, gekennzeichnet dadurch, dass vor oder während der ersten Verfahrensstufe Maßnahmen ergriffen werden, die die Festigkeit des Glases erhöhen, und in der zweiten Verfahrensstufe die Schockkühlung mit Medien durchgeführt wird, die einen Wärmeübergangskoeffizienten in der Anwendung von größer 400 W/m2K haben.Process for the preparation of thermally toughened glasses, in which the glasses are heated in a first process stage and subjected to shock cooling in a second process stage, characterized in that measures are taken before or during the first process stage, which increase the strength of the glass, and in the second stage of the process, the shock-cooling is carried out with media having a heat transfer coefficient in the application of greater than 400 W / m 2 K. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass vor oder während der ersten Verfahrensstufe die Gläser einem Lasertrennverfahren und/oder einer Flammenpolitur und/oder einer Behandlung mit AlCl3 unterworfen werden.A method according to claim 1, characterized in that before or during the first process stage, the glasses are subjected to a laser separation process and / or a flame polishing and / or a treatment with AlCl 3 . Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in der zweiten Verfahrensstufe die Schockkühlung unter Verwendung flüssiger Phasen durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that in the second process stage the shock cooling is carried out using liquid phases. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass in der zweiten Verfahrensstufe die Schockkühlung mit einer Ammoniumsulfatlösung durchgeführt wird.Method according to claims 1 and 3, characterized in that that in the second process stage the shock cooling is carried out with an ammonium sulfate solution. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass in der zweiten Verfahrensstufe die Schockkühlung mit schwefliger Säure durchgeführt wird.A method according to claim 1 and 3, characterized in that in the second process stage, the shock cooling durchge with sulfurous acid leads. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass in der zweiten Verfahrensstufe die Schockkühlung mit einer wäßrigen SiO2 – Suspension durchgeführt wird.A method according to claim 1 and 3, characterized in that in the second process stage the shock cooling is carried out with an aqueous SiO 2 - suspension. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in der zweiten Verfahrensstufe die Schockkühlung mit Wasserdampf durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that in the second process stage the shock cooling is carried out with water vapor.
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