DE2140914A1 - Thermisch dunkelbares, photochromes Glas - Google Patents

Thermisch dunkelbares, photochromes Glas

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DE2140914A1
DE2140914A1 DE19712140914 DE2140914A DE2140914A1 DE 2140914 A1 DE2140914 A1 DE 2140914A1 DE 19712140914 DE19712140914 DE 19712140914 DE 2140914 A DE2140914 A DE 2140914A DE 2140914 A1 DE2140914 A1 DE 2140914A1
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glass
photochromic
silver
halides
glass according
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DE19712140914
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English (en)
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Lyman James Seward Thomas Philip Corning NY Randall (V St A )
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Corning Glass Works
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Corning Glass Works
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C4/00Compositions for glass with special properties
    • C03C4/04Compositions for glass with special properties for photosensitive glass
    • C03C4/06Compositions for glass with special properties for photosensitive glass for phototropic or photochromic glass
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Description

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, H. Y09 USA
Thermisch dunkelbares9 photochromes Glas
Die Erfindung "betrifft ein photochromes Glas mit thermischer Dunklungsfähigkeit auf der Basis von Lanthan-Borat-Gläsern mit einer Kristallphase von Sirberhalidkristallen und ein Verfahren zu seiner Herstellung,=
Das auf dem Gebiet der photochrome Glastechnik grundlegende USA Patent 3,208,860 beschreibt eniiiduagsfreie, wiederholbar dunklungs- und bleichungsfähige photochrome Silikatglaser mit einem Anteil an kristallinen Silberhaliden=,
Die Erfindung hat ein photochromes Glas sur Aufgabe, das thermisch derart beeinflussbar ist, dass ©s im stabilen Ausgangszustand dunkel und durch Einwirkung aktiniseh@r Strahlung zum mehr oder weniger klaren Glas gebleicht werden kann, und das gegebenenfalls auch durch Einwirkung sichtbaren Lichts Information aufnehmen und speichern kann.
209809/1146
2U09H
-z-
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil einer Lanthan-Borat-Glasphase Mikrokristalle wenigstens eines der Silberhalide Silberchlorid, Silberbromid, Silberjodid in einer Menge von mindestens 0,005 VoI.%, sowie wenigstens 0,04% OuO, in Gew.%, auf Oxidbasis und errechnet nach dem Ansatz enthält.
Weitere günstige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Unteransprüchen.
Die optische Dick« des im stabilen Zustand dunklen Glases der Erfindung nimmt mit steigender Temperatur zu. Durch Einwirkung sichtbaren Lichts bleicht es mit einer der Lichtintensität entsprechenden und mit ihr steigenden Geschwindigkeit zum klaren Glas. Hört die Bestrahlung auf, so kehrt das Glas mit einer von der Temperatur abhängigen Geschwindigkeit zu seinem stabilen, dunklen Ausgangszustand zurück. So kann das Glas ζ. B. bei Zimmertemperatur mit verhältnismässig geringen Lichtquanten gebleicht werden, während es z. B. bei 300° auch bei intensiverer Bestrahlung dunkel bleibt. Bei mittleren Werten von Temperatur und Lichtintensität ergeben sich mittlere Durchlässigkeitswerte.
Wird die Glastemperatur über einen kritischen Wert erhöht, so wird das Glas ohne Rücksicht auf eine etwaige Bleichungsstrahlung diskontinuierlich farblos.
209609/1140
2UQ914
Die Ursachen für die Stabilität des dunklen Zustande sind nicht genau bekannt, hängen aber wahrscheinlich mit der Kristallinität der Silberhalide in dem Lanthan-Borat-Gästglas zusammen. Sicher gilt dies für die Bleichung und erneute Dunklung im kritischen Temperaturbereich. So werden beispielsweise mit Silberchlorid dotierte Gläser bei etwa 4-50° klar und dunkeln wieder bei etwa 325°· Diese Temperaturen entsprechen der Schmelztemperatur bzw. der homogenen Kernbildungstemperatur für die Kristallisierung von Süberchlorid.
Das photochrome, thermisch dunkelbare Glas der Erfindung enthält wenigstens 0,005% des Glasvolumens ausmachende Mikrokristalle aus einem oder mehreren der Silberhalide Silb-erchlorid, -bromid oder -jodid. Das Glas enthält wenigstens etwa 0,15% Ag, und eines oder mehrere von etwa 0,1% 01, 0,1% Br, 0,1% I, mindestens etwa 0,004% OuO, bei einem Gewichtsverhältnis Ag:Halid von wenigstens 1:1.
Günstige, in den Bereich des Erfindungsgedankens fallende Gläser erhält man z. B. durch Erschmelzen eines Ansatzes enthaltend in Gew.% auf Oxidbasis, 15-75% La2O, und 13-65% B2O,, denen 0,004-0,4% GuO, 0,2-6% Ag und wenigstens eines der Halide 0,2-1,5% 01, 0,2-1,5% Br, 0,2-1,5% I zugesetzt werden, wobei Ag, OuO und die Halide im Überschuss zur Glaszusammensetzung errechnet sind.
- 4 209809/1140
2H091A
Verschiedene weitere verträgliche Oxide können ohne Verlust der photochromen Eigenschaft zur Stabilitätsverbesserung beigegeben werden, sofern die Summe La2O^ und B2O, wenigstens 35% (Gew.%) des Ansatzes beträgt. In Frage kommen hierfür . z.B. 0-40%. La2O55 0-40% Nb2O5, 0-15% Al2O5, 0-45% ThO2, 0-15% TiO2, 0-15% ZrO2 und 0-30% EO, wobei RO aus einem oder mehreren der zweiwertigen Metalloxide ZnO, OdO, OaO, SrO, BaO, MgO oder FbO besteht.
Geringe Mengen von anderen, in Gläsern brauchbaren und die thermische Dunklungsfähigkeit nicht beeinträchtigenden Oxiden, beispielsweise Alkalimetalloxiden wie LipO, KpO, Na2O, Os2O und RbpO können ebenfalls zugesetzt werden, aber nur in geringen Mengen, weniger als 1%, da sonst das Glas trübe wird. Weitere, in Gläsern übliche Oxide sind möglich, wenn sie die photochromen Eigenschaften nicht beeinträchtigen, jedoch soll SiO2 bis auf geringe Mengen, nicht mehr als 10%, vermieden werden, weil das Produkt opal wird und seine photochromen Eigenschaften verliert.
Chlorid wird als mindestens eines der Halide bevorzugt, ferner wird vorzugsweise im Ansatz ein Silber-Halidverhältnis von ' mindestens 1:1 vorgesehen. Dabei wird die Konzentration während der weiteren Behandlung durch die Flüchtigkeit dieser Komponenten beeinflusst.
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2H0914
Alle Gläser der angegebenen Zusammensetzung sind thermisch dunkerbar, jedoch in verschiedenem, von den folgenden Bedingungen "beeinflusstem Masse»
Erforderlich aber auch genügend ist ein lanthan-Borat-Glas im angegebenen Zusammensetzungsbereiehs die Dunklungsfähigkeit hängt also nicht von \feiteren glasMldenden Komponenten ab. Für die meisten Zusammensetzungen wird durch die Neigung zur Entglasung beim Kühlen ein® obere und durch die Weigung zur Entglasung bzw«, sur Bildung einer zweiten Phase beim !Formen eine untere G-renze d©s LapO-,-Gehalts gesetzt, und zwar von etwa 75 bzw. 15%° Bei mehr als etxfa 65% 3O^ ^^l^®n sich leicht zwei flüssig© Phasen in dsr Schmelze9 während bei weniger als ©twa 13% eine Sntglasung eintreten kanno für andere Komponenten besteht meist ein.® sehr hoch liegende o"b©r@ Grenze, je nach dem einzelnen System, üb©r der die thermische Dunklungsfähigkeit abnimat oder aufhörte
Der thermische Bunklungseffsirt ist vurhältnismässig empfindlieh gegenüber dem Sirfo®rgahalt uad d®a Silb@r-=Halid-¥@rhältnis· Die optimalen Mengen wa& ¥©rb.ältnisw®rte richten sich nach der Glaszusaamensetzung. Zu weaig Silber schwächt die Dunklungswirkung, bei zu hohem Silbergehalt entsteht ein Opalglas. Die besten Ergebnisse erhält man im Bereich von 0,4-1,25 Gew.%, sowie bei einem SiXbergehalt vo^4in- bis
- 6 209809/1146
2U0914
vierfachen des oder der Halide. Bei geringerem Halidgehalt entsteht eine Eosafärbung des Glases, die auch durch anschliessende Bestrahlung mit sichtbarem Licht nicht beseitigt werden kann, während bei höheren Mengen die thermische Dunklungsfähigkeit und im Extremfall sogar die Durchsichtigkeit des Glases verlorengeht, das Glas also opak wird.
Gläser mit höherem Lanthangehalt erfordern meist weniger Silber und ein niedrigeres Silber-Halid-Verhältnis, als Gläser mit niedrigem Lanthangehalt, um eine gute thermische Dunklung zu erzielen. Bekanntlich neigen die Halide beim Schmelzen zur Verflüchtigung. Die Verluste können je nach der Schmelztemperatur und -dauer, dem Schmelzgefäss und der Konzentration der Halide mehr als 50% ausmachen. Auch Silberverluste entstehen beim Schmelzen, wahrscheinlich infolge von Verflüchtigung der Silberhalide, aber die Verluste betragen meist nur etwa 20% der zugegebenen Mengen. Die nach dem Ansatz errechneten Silber- und Halidmengen entsprechen daher nicht den Konzentrationen im fertigen Glas, die wohl annähernd 4-% bzw. 1,5% nicht übersteigen werden. Die Zusammensetzung des Ansatzes kann diese Verluste entsprechend berücksichtigen.
Für die optische Bleichung des thermisch gedunkelten Glases ist ein geringer OuO-Gehalt erforderlich. Bevorzugt werden etwa 0,016 - 0,064 Gew.%.
_ π
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2H09H - 7 -
Zur Verbesserung der Schmelzeigenschaften "bzw. als Schmelzhilfe kann dem Ansatz Fluor beigegeben werden. Obwohl der Einfluss dieses Zusatzes auf die thermische Dunklungsfähigkeit unbekannt ist, soweit er überhaupt besteht, wird der Zusatz zwecks Vermeidung der Ausfällung von Fluoriden niedrig gehalten.
Die Tabelle I enthält nicht beschränkend aufzufassende Beispiele von Gläsern, die nach geeigneter Wärmebehandlung thermisch dunkelbar sind. Die Angabe erfolgt in Gew.%, errechnet nach dem Ansatz. Wie üblich sind Silber, die Halogene und der Sensibilisator Kupferoxid im Überschuss zu den 100% ausmachenden Grundkomponenten angegeben.
1 Tabelle I 1 4 1
54,4 2 29,5 58,8 29,5
B2O3 65,9 59,2 49,5 50,0 59,1
La2O3 1,0 59,1 20,9 10,9 1,5
OdO - 1,0 - - 9,8
ZnO 0,7 - 0,5 0,5 0,5
Al2O3 0,74 0,7 0,74 1,02 0,74
Ag 0,49 0,74 0,75 0,50 0,75
01 0,49 0,49 - - -
F 0,05 0,49 o,05 0,05 0,05
OuO 0,05
209809/1US
2H0914
- 8 Tabelle I (Fortsetzung)
6 1 8 1 10
B2O3" 39,3 44,5 42,1 39,7 21,7
La2O3 39,4 44,5 46,8 49,5 50,6
OdO 1,3 0,9 0,9 0,5 0,7
ZnO 19,7. - - - -
OaO - 9,8 - - -
SrO - . .. - 9,9
BaO - - - 9,9
SiO2 - . - - - 1,9
Al2O3 0,3 0,3 0,3 0,3 1,0
Ta2O5 - - - 24,1
Ag 0,75 1,25 1,00 0,75 0,75
σι 0,73 0,50 0,50 0,30 0,30
F - - - - 0,50
OuO 0,03 0,032 0,032 0,032 0,032
H I2. 11 14
B2O3 21,3 21,3 25,4 20,2 37,2 -
La2O3 49,6 49,6 49,3 47,0 57,0
OdO 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5
SiO2 3,8 -
TiO2 - - _ 8,9 -
ThO2 5,0
Al2O3 1,0 4,8 0,6 0,9 0,3
Ta2O5 23,6 23,6 24,1 22,4
Ag 0,75 0,75 1,00 0,75 0,75
01 0,30 0,30 0,25 0,30 0,30
F 0,50 0,50 0,50 0,50
OuO 0,032 0,032 0,032 0,032· 0,032
2098Q9/1U6
2UQ914
_ 9 17 18 19 20
BpO, 34,7 34-, 6 32,2 15,8 17,2
La2O, 44,7 54-, 6 47,1 19,3 56,3
GdO 0,6 0,6 0,6 5,0 1,1
ZnO - - 4,6 -
ThO2 19,7 - 27,5 -
Al2O3 0,3 0,3 0,3 1,2 0,8
Fb2O5 - 9,9 19,8 13,8 -
Ta2O5 - - - H5O 24,6
As2O, - - _ 1,8 _
Ag 0,75 0,75 0,75 2,00 0,75
Gl 0,30 0,30 0,30 3,00 0,50
F - _ - 0,50
CuO 0,032 0,032 0,032 0,032 0,032
21 22 22 24
B2O3 22,1 25,0 25,0 27,1 29,4
La0O,
2 3
CdO
46,8
1,0
4-9,Q
1,1
49,1
0,6
56,8
0,6
59,0
1,1
Al2O3 0,7 0,3 0,8 0,7 0,7
Ta2O5 29,4- 24,6 24,5 14,8 9,8
Ag 0,75 0,75 1,25 0,75 o,75
Gl 0,50 0,50 0,25 0,25 0,50
F 0,50 - 0,50 0,50 0,50
GuO 0,032 0,032 0,032 0,032 0,032
- 10 -
2H0914
- ίο -
Tabelle I (Fortsetzung)
26 22 28 22 30
B2O5 39,2 22,2 22,1 22,3 22,3
La2O5 54,0 52,1 51,6 52,0 52,0
OdO 1,1 0,7 1,5 0,7 0,7
Al2O3 0,8 0,3 0,3 0,3 0,3
Ta2O5 4,9 24,7 24,5 24,7 24,7
Ag 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75
Cl 0,50 0,20 0,75 0,30 0,30
Br - 0,30 - - -
I - - 0,30 - -
j? 0,50 - - - -
CuO 0,032 0,032 0,032 0,004 0,25
Gläser der obigen Zusammensetzung werden in bekannter Weise durch Mischen des Ansatzes in der Kugelmühle oder im Taumler und Schmelzen in einer nicht reduzierenden Atmosphäre bei 1200 - 1400° während etwa 1-8 Std. hergestellt und dann zum Glase gekühlt.
Der Photochromismus dieser Gläser beruht auf submikroskopischen Silberhalidkristallen, die im Glasgefüge dispergiert sind. Diese Kristalle entstehen durch verhältnismässig langsames Kühlen der Schmelze, was aber häufig eine nicht gleichmassige Entwicklung der photochromen Eigenschaften und bei
- 11 209809/1U6
2U0914 - li -
Silberlialidkonzentrationen über etwa 1% oft eine Opalbildung ·. ' zur Folge hat., wohl infolge des Wachstums einer erheblichen Anzahl von Kristallen zu lichtstreuenden Grossen. Eine genauere Kontrolle der Grosse und Gleichmässigkeit der submikroskopischen Kristalle erhält man durch rasches Kühlen der Schmelze zum Glas, so dass keine oder nur wenige Silberhalidkristallite entstehen. Das Glas wird dann solange auf eine über der Entspannungstemperatur (strain point) liegende Temperatur erhitzt, bis Silberhalid im Glas ausfällt.
Zusammensetzungen mit weniger als etwa 1% Silberhaliden können z. B. durch Giessen der Schmelze auf eine Stahlplatte hinreichend schnell gekühlt werden. Bei höherem Silberhalidgehalt als etwa 1% sollte die Dicke des gegossenen Glases ca. 6 mm nicht übersteigen, oder es wird zweckmässig zwischen wassergekühlten Metallwalzen zu 6 mm starken Bändern gezogen.
Die rasch gekühlten Gläser können anschliessend angelassen und sodann zur Ausfällung des Silberhalids und zur Entwicklung der photochromen Eigenschaften wärmebehandeltr werden. Hierbei kommen wegen der unerwünschten Verformung Temperaturen über der Erweichungstemperatur meist nicht in Frage. Günstig sind 600 - 800° während 1/4 bis 8 Stunden. Verhältnismässig niedrige Temperaturen sind zur Vermeidung einer Verformung meist bei hohem Gehalt an RO, also zweiwertigen Metalloxiden, erforderlich.
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2Ί409Η
Die Tabelle II enthält zur Entwicklung der photochromen Eigenschaften der Gläser der Tabelle I beispielsweise ■brauchbare Verfahren zur Formung und Wärmebehandlung.
Tabelle II
Formverfahren A - auf kalte Stahlplatten gegossen
- B - zwischen wassergekühlte Walzen gegossen
Wärmebehandlung A-I Std. bei 700°
B-I Std. bei 725°
C-I Std. bei 750°
Das thermische Dunklungsverhalten wurde nach Formen und Warmbehandeln gem. der Tabelle II durch Messen der optischen Durchlässigkeit einer Glasplatte nach Bleichung mit sichtbarem Licht und erneutes Messen nach Erhitzen für eine bestimmte Dauer und auf eine bestimmte Temperatur ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle III wiedergegeben, wobei ΤΛ die sichtbare Durchlässigkeit in Prozent eines klaren, durch Bestrahlen mit einer 250 Watt-Infrarotflutlichtlampe aus einer Entfernung von etwa 5 ca über einen für Strahlen, unter 5000 £ opaken UV-Filter gebleichtes Glas bezeichnet. Das Glas wurde beim Bleichen durch Eintauchen in fliessendes Wasser gekühlt, um eine thermische Dunklung durch die Lampe zu verhindern.
- 13 209809/1146
2H0914
Die Durchlässigkeit des gedunkelten Zustands T^ wurde bei Zimmertemperatur oder etwa 23° ? "bei 100° und bei 350° gemessen. Die Dunklung wurde hierbei erseugts bei Zimmertemperatur durch 96-stündiges Lagern in Dunkelheitj bei 100° , durch Erhitzen in siedendem Wasser während 5 Min»; und bei 350° durch Erhitzen in einem Elektroofen für 20 Mino Die Zeiten wurden für eine Sättigungsdunklung bei den angegebenen Temperaturen ausreichend gehalten« Alle Gläser wurden Tor der Messung soweit erforderlich auf Zimmertejape ratergekühlt* , |
Die optischen Bleichungsmerkmale der gedunkelten Gläser wurden durch Messung der durch Bestrahlen mit sichtbarem Licht verursachten Durchlässigkeitsänderung für sichtbare Strahlen bestimmt. Nach Messen der Durchlässigkeit des gedunkelten Glases, T-q, wurde dieses 30 Seko sichtbarer, von der erwähnten Flutlichtlampe aus einer Entfernung von 25 cm erzeugten, über einen UV-Filter geleiteten Strahlung ausgesetzt und die Durchlässigkeit erneut gemessen« Da in d@n meisten Fällen in 30 Sek. keine vollständige Bleichung eintritt, ist die Durch- " lässigkeit nach 30 Seke Bleichung, Tx, Rt im Vergleich zu der des dunklen Glases, T^, ein zuverlässiger Maßstab für die relativen Bleichungsmerkmale des Glases. Die Tabelle III zeigt die Bleichungscharakteristik dieser Gläser1 nach Dunklung bei Zimmertemperatur und bei 350°.
- 14 209809/1146
2H09U
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2H0914
-' 16 -
Eine der bevorzugten Glasgruppen mit ausgezeichneter Dunklungsfähigkeit besteht, ohne Beschränkung, im wesentlichen in Gew.%, auf Oxidbasis und errechnet nach dem Ansatz, aus 45-65% La2O5, 25-^5% B2°3' wobei La2°3 + B2°3 wenigstens 70% betragen, 0-30% Ta9O5, 0-30% Nb3O5, 0-25% ThO2 und 3-25% EO, wobei EO aus einem oder mehreren zweiwertigen Metalloxiden ZnO, CdO, SrO, BaO, MgO, FbO besteht, 0,016-0,064-% OuO, 0,3-1,5% Ag, 0,2-1,5% Cl, mit einem Gewichtsverhältnis Ag:Cl von etwa 1:1-4:1.
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Claims (8)

  1. 2HQ'9U
    Patentansprüche
    Q.J Photochromes, thermisch dunkelbares Glas, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil einer Lanthan-Borat-Glasphase Mikrokristalle wenigstens eines der Silberhalide SiI-berchlörid, SiIt)erbromid, Silberjodid in einer Menge von mindestens 0,005 Volumen-%, sowie wenigstens 0,004·% GuO, in Gew„%, auf Oxidbasis und errechnet nach dem Insatz enthält=
  2. 2. Photochromes Glas gemäss Inspruch 1,- dadurch gekennzeieh- i net, dass es, in Gewe% auf Oxidbasis, 15-75% LapO^, 13-65% BpO^, mit mindestens 35% ^apO, + BpO^, v/enigstens 0,15% Ag, und wenigstens eines der Halide 0,1% 01, 0,1% Br, 0,1% I, mit einem Ag:Halid-Gewichtsverhältnis "von wenigstens lsi enthält.
  3. 3» Photochromes Glas gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,004-0,4% GuO, 0,2-6% Ag und eines oder mehrere der Halide 0,2-1,5% Gl, 0,2-1,5% Br, 0,2-1,5% I enthält.
    209309/1146
    21409H
  4. 4. Fhotochromes Glas gemäss Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass es, in Gew.% auf Oxidbasis errechnet nach dem Ansatz eines oder mehrere der Oxide enthält: 0-40% LapOr, 0-40% Nb2O5, 0-15% Al2O3, 0-45% ThO2, 0-15% TiO2, 0-15% ZrO2, 0-30% RO, wobei RO aus einem oder mehreren der zweiwertigen Metalloxide ZnO, GdO, CaO, SrO, BaO, MgO, PbO besteht.
  5. 5· Photochromes Glas gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis Ag:Halide zwischen 1:1 und 4:1 liegt.
  6. 6. Fhotochromes Glas gemäss Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsmenge CuO 0,016-0,064% des Ansatzes beträgt .
  7. 7. Verfahren zum Herstellen eines potentiell photochromen, thermisch dunkelbaren Glases gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansatz erschmolzen, gekühlt, und aus diesem ein Gegenstand geformt und dieser auf eine zwischen der Entspannungstemperatur und der Erweichungstemperatur liegende Temperatur solange erhitzt wird, bis sich wenigstens 0,005 Vol.% einer sekundären Silberhalid-Kristallphase gebildet haben.
    209809/114$
    2H09U 13
  8. 8. Verfahren gemäss Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, dass der erschmolzene Ansatz durch Giessen zwischen wassergekühlte Metallwalzen oder auf eine Metallplatte zu einer Dicke von nicht mehr als 6 mm geformt wird.
    9· Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Körper auf 600 - 800° erhitzt und 1/4 8 Std. gehalten wird.
    2Q9809/1U6
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