JP2000505412A - 強力に紫外線を吸収するガラス - Google Patents

強力に紫外線を吸収するガラス

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、カチオンパーセントで表して、15-30%のSiO2、50-60%のB23、2-5%のAl23、0-6%のLi2O、0-3.0%のNa2O、14-20%のK2O、0.5-1.0%のCuO、0.4-0.7%のSnO2、0.5-1.5%のCl、および0.7-1.5%のBrから実質的になる強力に紫外線を吸収するガラスに関するものである。このガラスの実質的に曇りのない種類が開示されている。本発明のガラスの粉砕された粒子を適切なマトリクス中に懸濁させることにより製造された紫外線吸収コーティング材料もまた開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 強力に紫外線を吸収するガラス 本出願は、「強力に紫外線を吸収するガラス」と題する、1996年2月21日に出 願された米国特許仮出願第60/011,995号の恩恵を受けるものである。 発明の背景 最近、人間に対する紫外線(UV)の有害な影響が非常に注目されている。そ のような注目の多くは、紫外線の目に対する影響に関するものである。したがっ て、眼鏡の強力な紫外線吸収値が認識されている。 紫外線により、塗料、織物およびプラスチックのような品物が劣化および変色 し得ることがよく知られている。したがって、建築用透明フイルムにより紫外線 を強力に吸収することが有益である。太陽は、紫外線を放出する唯一の光源では ない。ハロゲンランプのような様々な種類の人工照明にも、紫外線を放出するも のがある。したがって、同様に人工光源により放出される紫外線を最小にするこ とにも関心が寄せられている。このことは、ランプの外囲容器、反射器およびレ ンズの製造に紫外線吸収ガラスを使用することにより達成されるであろう。 フォトクロミックガラスが紫外線により活性化されることがよく知られている 。そのようなガラスの最も明白な用途は、可視光の透過を制御することにある。 しかしながら、本来、それらのガラスは、紫外線の透過強度にも強く影響を与え ている。この挙動は、吸収される光のみが化学的変化を生じることができること を述べているグロートゥス−ドレーパーの法則により容易に理解される。 ハロゲン化銀結晶を含有するフォトクロミックガラスは、320nmより短い波 長で強力に吸収を行うが、320nmから400nmまでの間の間隔では弱くしか吸収 を行わない。320-400nmの波長範囲の放射線は、それより短い波長領域ほどは 有害ではないけれども、ある用途に関しては、同様にこの放射線の透過を除くこ とが望ましい。したがって、このことを達成するために、いくつかの提案がなさ れている。例えば、上述したガラスに、紫外線をさらに吸収するイオンを添加す ることが提案されている。 銅および/またはカドミウムのハロゲン化物を含有するフォトクロミックガラ スもまた知られているが、市販されていない。そのようなガラスは元々、米国特 許第3,325,299号(Araujo I)に開示されたものである。これらのガラスにおけ る透過カットオフは、約400nmで生じ、ハロゲン化銀ガラスにおけるものより もずっと急勾配である。その結果、これらのガラスにおいては、追加の添加物が なくても、紫外線に対する保護は完全である。これらのガラスにおけるハロゲン 化銅相の析出は、ハロゲン化銀のフォトクロミックガラスにおけるハロゲン化銀 相のものと同様である。その析出には、関心のある銅およびハロゲンのイオンを 溶液中に含有するガラスの加熱が必要かもしれない。この特許に教示されている ように、このガラスは、短時間に亘りアニール点よりもいくぶん高い温度に維持 される。 米国特許第4,166,745号(Araujo II)には、1.52-1.54の屈折率を有し、ナト リウムイオンをリチウムイオンと交換することにより強化されるであろう銅−カ ドミウムフォトクロミックガラスが開示されている。 米国特許第4,222,781号(Morse等)には、基礎ガラス中のアルカリ金属酸化物 、Al23およびB23の濃度を制御することにより、および/またはMoO3 またはWO3を組成物に加えることにより、良好な光学的透明度およびフォトク ロミック特性が提供される、ハロゲン化銅に基づくフオトクロミックガラスが開 示されている。 ヨーロッパ特許公開番号0456351A2号[米国特許第5,145,805号](Tarumi等) には、15%までハロゲン化銅を含有する二つのガラス群が開示されている。非リ ン酸塩群は、重量パーセントで表して、20-85%のSiO2、2-75%のB23、15 %までのAl23、30%までのアルカリ金属酸化物、10重量%までの二価金属酸 化物、並びに10%までの、ZrO2、La23、Y23、Ta23およびGd23 のうちの少なくとも一つからなる。この開示の広い範囲には、本発明の重要な 特徴が開示されていない。 銅または銅−カドミウムのハロゲン化物ガラス中に固有の急勾配の紫外線カッ トオフを有するガラスには、数多くの用途がある。しかしながら、多くの場合、 そのような用途には、紫外線、例えば、日光に露出されたフォトクロミックガラ ス中に生じるような可視吸収の変化を避ける必要がある。多くの紫外線材料は、 ある用途にとって許容されない黄色を示す。米国特許第5,322,819号(Araujo II I)には、可視光と紫外線との間の波長間隔の透過において急勾配のカットオフ を示す非フォトクロミックのハロゲン化銅含有紫外線吸収ガラスが開示されてい る。特に、Araujo IIIの文献('819)には、析出した第一銅または第一銅−カド ミウムのハロゲン化物結晶相を含有し、約400nmで急勾配のスペクトルのカッ トオフを有する非フォトクロミックR2O−B23−SiO2ガラスであって、そ のガラス組成が、カチオンパーセントで表して、35-73%のSiO2、15-45%の B23、0-12%のAl23(SiO2が55%より多い場台、Al23は10%未満 )、0-12%のLi2O、0-20%のNa2O、0-12%のK2O(Li2O+Na2O+ K2Oは4.75-20%)、0-5%のCaO+BaO+SrO、0.125-1.0%のCu2O 、0-1%のCdO、0-5%のZrO2、0-0.75%のSnO2、0-1%のAs23、お よび/またはSb23から実質的になり、重量パーセントで表して、0-1.25%の Cl、0-1%のBr(0.25-2.O%のCl+Br)、および0-2%のFを含有するガ ラスが開示されている。 人間の皮膚および複雑な形状およびサイズを有する製品の保護のようなある用 途に関しては、必要な保護を与えるのに、現在市販されている紫外線吸収ガラス では実用的ではないかもしれない。したがって、'819号の特許に開示されている ガラスは、紫外線を吸収するのに非常に効果的であることが示されているけれど も、そのようなガラスは一般的に、バルク形態で得られ、例えば、紫外線吸収塗 料およびワニス並びに紫外線吸収スキンクリームのようなある用途にとっては、 実用的ではない。したがって、そのような用途に容易に用いることのできる形態 の紫外線吸収ガラスを提供することが本発明の主な目的である。 発明の概要 本発明の目的は、複雑な形状を有する製品を紫外線から保護するのに適した形 態にある紫外線吸収ガラスを提供することにより達成される。本発明の紫外線吸 収ガラスの適切な形態の例としては、(1)皮膚を保護するローションまたはクリ ームのような液体、(2)複雑な形状およびサイズを有する製品上に施す塗料およ びワニス、および(3)それにより衣類を含浸して、紫外線吸収衣類を形成する溶 液が挙 げられる。 手短に言うと、本発明は、カチオンパーセントで表して、15-30%のSiO2、 50-60%のB23、2-5%のAl23、0-6%のLi2O、0-3.0%のNa2O、14-2 0%のK2O、0.5-1.0%のCuO、0.4-0.7%のSnO2、0.5-1.5%のCl、およ び0.7-1.5%のBrから実質的になる強力に紫外線を吸収するガラスに関するも のである。 別の態様において、本発明は、 a) 紫外線吸収ガラスを提供し、 b) このガラスを1-5ミクロンの範囲の平均粒径を有する微細粉末に粉砕し 、 c) この微細粉末をマトリクス中に懸濁させて、液体を形成することにより 、紫外線吸収液体またはゲルを製造する方法に関するものである。 さらに別に態様において、本発明は、実質的に曇りのない(すなわち、透明な )、強力に紫外線を吸収するガラスを製造する方法であって、 a) 既知の屈折率を有し、銅およびハロゲン化物を含有する強力に紫外線を 吸収するガラスを提供し、 b) このガラスを溶融し、 c) このガラスを薄いロールまたはリボンに圧延することにより、ガラスを 急冷し、 d) このリボンを熱処理して、実質的に曇りのない紫外線吸収ガラスを形成 することによる方法に関するものである。加熱工程により、ガラス中にハロゲン 化銅の結晶が成長する。 必要に応じて、製品上にガラスのロールまたはリボンを施すのが実用的ではな い用途に関しては、紫外線吸収ガラスリボンは、次いで保護すべき製品の表面に 施すことのできる紫外線吸収液体を形成するのにマトリクス中に懸濁できる微細 粉末に粉砕することができる。透明性を必要とする用途に関しては、マトリクス の屈折率は好ましくは、紫外線吸収ガラスの屈折率と同一または実質的に同一で ある。そのような用途にとって特に有用なマトリクスは、屈折率整合油である。 液体形態を使用することが有用であるかもしれない用途の例としては、紫外線吸 収塗料およびワニス、紫外線吸収ボディーローションまたはクリーム、自動車お よびボートのような対象用のスプレーとして、並びに他の同様の用途が挙げられ る。さらなる態様において、本発明は、透明な紫外線吸収液体を製造する方法で あって、 a) カチオンパーセントで表して、15-30%のSiO2、50-60%のB23、2 -5%のAl23、0-6%のLi2O、0-0.7%のNa2O、14-20%のK2O、0.5-1. 0%のCuO、0.4-0.7%のSnO2、0.5-1.5%のCl、および0.7-1.5%のBr から実質的になる強力に紫外線を吸収するガラスを提供し、 b) このガラスを溶融し、 c) この溶融物を薄いガラスシートに形成して、ガラスを急冷し、 d) このガラスを熱処理して、ガラス中にCuClの小さな結晶を成長させ 、 e) この熱処理したガラスシートを、1-5ミクロンの範囲の平均粒径を有す る微細粉末に粉砕して、 f) この微細粉末を透明液体に懸濁させて、透明な紫外線吸収液体を形成す ることによる方法に関するものである。 さらなる態様において、本発明は、保護すべき製品の表面上に本発明の紫外線 吸収液体のコーティングを施すことにより、紫外線からこの製品を保護する方法 に関するものである。 発明の詳細な説明 米国特許第5,322,819号に開示されているような、強力に紫外線を吸収する透 明無色のガラスにおける紫外線吸収は、ハロゲン化第一銅のわずかな微結晶の懸 濁によるものである。微細に粉砕されたフォトクロミックガラスを懸濁させるこ とによりフォトクロミックプラスチックを製造するという以前の試みは、フォト クロミックガラスを、有機マトリクス中の透明な懸濁液を製造するのに十分に微 細に粉砕した場合、フォトクロミズムが観察されないので失敗であった。さらに 、微細に粉砕したフォトクロミックガラスは、顕著な灰色を示した。フォトクロ ミズムのこの損失および色の変化の理由は示されていないが、粉砕工程中に亀裂 が速く伝搬することに関連する放射線により、ガラス中に懸濁されたハロゲン化 銀が光分解され、それによって、灰色となり、フォトクロミズムが破壊されたと 広く考えられている。 この背景に関して、紫外線吸収特性を同様に損失せずに、紫外線吸収ガラスの 微細に粉砕された粉末をマトリクス中に懸濁させることにより、紫外線吸収材料 を製造できることは明白ではない。したがって、本発明の第一部は、ハロゲン化 銀がフォトクロミックガラス中で破壊されたのと同様に、粉砕により紫外線吸収 ガラス内のハロゲン化第一銅粒子が破壊されるか否かを決定することにあった。 これは、以下の実施例1の主題である。実施例に記載したように、粉砕により、 ハロゲン化第一銅の結晶は破壊されない。理論により限定することを意図するも のではなく、フォトクロミックガラス中の状況とは異なり、これらのガラスにお いては、放射線により、微結晶は光分解されないと考えられる。これらのガラス において観察される鋭い紫外線吸収は、励起子に対応する。励起子のエネルギー は直ちに、格子モードの励起において消費され、結晶がその基底状態にゆるむ。 したがって、粉砕によりエネルギー放射線が発生したとしても、ハロゲン化第一 銅の光分解により、問題が生じそうにない。 調査すべき別の疑問は、ハロゲン化第一銅のより高密度の粒子が、以前に製造 されてきたよりも、ガラス中に析出できるか否かである。このことが起こらなけ れば、薄いフイルムにおける紫外線吸収強度が、意図する多くの用途にとって弱 すぎるので、このことは重要であった。したがって、非常に高レベルの酸化ホウ 素および比較的低レベルのシリカを含有するガラスの群が、現在市販されている 紫外線吸収ガラスよりも強力に紫外線を吸収することを発見した。このガラスの 群の例が以下の表1に記載されている。 ハロゲン化銀またはハロゲン化第一銅の析出は、ガラスの熱処理中のホウ素の 結合における変化によりシミュレートされることが知られている。その結果、析 出するハロゲン化物の量は、ガラス中の酸化ホウ素の量が増大するにつれて、増 大する傾向にある。この理由のために、本発明のガラス組成物は好ましくは、シ リカが少なくて、酸化ホウ素が多い。 本発明のガラスの別の群は、銅およびハロゲン化物のレベルが高いものである 。本発明のこの群のガラスにおいて強力な紫外線吸収が観察されたけれども、析 出するハロゲン化第一銅が増大するにつれ、ガラスの曇りレベルもまた増大する ことが分かった。強力に紫外線を吸収するこの群のガラスは概して、カチオンパ ーセントで表して、15-30%のSiO2、50-60%のB23、2-5%のAl23、0- 6%のLi2O、0-3.0%のNa2O、14-20%のK2O、0.5-1.0%のCuO、0.4-0 .7%のSnO2、0.5-1.5%のCl、および0.7-1.5%のBrから実質的になる。 Na2Oの量が多くなればなるほど、ガラスの紫外線吸収が低下することに注意 すべきである。特に有用な実施の形態の一つにおいて、Na2Oの好ましい範囲 は、0.2-0.7%の範囲である。 ガラスを溶融物から急冷し(例えば、薄いリボンに圧延することにより)、続 いて、低温で非常に長い期間に亘り圧延したガラスを加熱した場合、比較的低レ ベルの曇りで、強力な紫外線吸収が得られることを発見した。このことが、以下 の実施例3および4に示されている。例として、ガラスを圧延する方法の一つは 、溶融物をスチール板中に注ぎ入れ、溶融物をスチールローラで圧延することに よるものである。圧延の作用により、ガラスが急冷(急速に冷却)され、ガラス を透明に維持する。ガラスの大きな結晶が成長するのを避けることにより、曇り を低レベルに維持する。圧延したガラスの低温処理により、小さなハロゲン化銅 結晶(例えば、CuCl)が、曇りがなく強力な紫外線吸収が達成されるように 成長できる。 上述したように、銅およびハロゲン化物のレベルが高くなればなるほど、ガラ ス中の曇りのレベルも高くなる。したがって、上述したガラス組成物中に測定さ れたような強力な紫外線吸収が、ガラス中の銅およびハロゲン化物の量を実質的 に増大させることにより達成されることが予測される。しかしながら、不透明ガ ラス中の紫外線吸収レベルは測定することができないので、銅およびハロゲン化 物の上限を定義することも、またはそのような限界が紫外線吸収目的に存在する か否かを決定することもできない。その結果、透明性が必須または有用ではない 用途において、例えば、紫外線吸収ガラスを塗料、ローション等に加えるべき場 合、銅およびハロゲン化物の両方を相当多量に加えても差し支えない。例えば、 そのような用途にとって、5%までまたはそれ以上の量の銅、および3%までま たはそれ以上のハロゲン化物を用いても差し支えないと予測される。 熱処理し圧延したガラスまたはガラスのリボンを必要に応じて、好ましくは1- 5ミクロンの範囲に平均粒径を有する微細粉末に粉砕しても差し支えない。例え ば、紫外線吸収液体を形成することが望ましい場合には、ガラス粉末を液体のよ うなマトリクス中に懸濁させて、紫外線吸収液体を形成しても差し支えない。こ の本発明により考えられるように、粉末を例えば、ボディーローションに加えて 、そのようなローションを紫外線吸収性にし、それによって、皮膚を紫外線から 保護してもよい。さらに、粉末を塗料またはワニスに加えて、この塗料およびワ ニスを紫外線吸収性にしてもよい。本発明の紫外線吸収液体の別の考えられる用 途には、例えば、衣類の製品に施し、それによって、そのような衣類を紫外線吸 収性にすることがある。本発明の紫外線吸収液体の潜在的な用途の上述した例は 、説 明のみのためであり、網羅しているものではない。他の同様な用途は、当業者に とって明白である。 ある好ましい実施の形態において、透明な紫外線吸収液体を、カチオンパーセ ントで表して、15-30%のSiO2、50-60%のB23、2-5%のAl23、0-6% のLi2O、0-3.0%のNa2O、14-20%のK2O、0.5-1.0%のCuO、0.4-0.7 %のSnO2、0.5-1.5%のCl、および0.7-1.5%のBrから実質的になるガラ ス組成物を溶融し;この溶融物を薄いガラスシートに形成して、ガラスを急冷し ;急冷したガラスシートを525℃の温度で約96時間に亘り熱処理し;熱処理した シートを3ミクロンの平均粒径に粉砕し;粉砕したガラスを屈折率整合油のマト リクス中に懸濁させることにより形成した。次いで、得られた透明な紫外線吸収 液体の薄膜またはコーティングを、紫外線吸収から保護すべき支持体または製品 の表面上に施しても差し支えない。好ましくは、そのようなコーティングは、0. 1から1mmの範囲の厚さである。 本発明の様々な態様を、表1に示したガラス組成物を用いて、以下の実施例を 参照して記載する。 実施例 実施例1. この実験の目的は、粉砕の工程が、ガラスの紫外線吸収の強度を低 下させるか否かを決定することにあった。 以下の組成:57.5%のSiO2、26%のB23、2.0%のAl23、3.0%のZ rO2、2.5%のLi2O、7.5%のNa2O、1.5%のK2O、0.35%のCuO、0. 2%のSnO2、0.75%のCl、および1.0%のBrを有する比較用紫外線吸収ガ ラス(ガラス1)を3ミクロンの平均粒径まで粉砕して、屈折率整合油中に懸濁 させた。この懸濁液は、15重量%の粉砕ガラスを含んでいた。この油の密度は、 0.88g/ccであった。ガラスの密度は2.4g/ccであったと推測された。そ して、容積分画は0.055であった。次いで、この材料の透過率スペクトルを測定 した。 バルクガラスの380nmでの吸収係数は112.6cm-1であり、一方粉砕ガラスの 吸収係数は121.9cm-1であると測定された。一致は、実験誤差の範囲内である。 したがって、フォトクロミックガラスとは異なり、紫外線吸収ガラスは、紫外線 吸収強度を低下させずに粉砕することができる。 実施例2. この実験の目的は、実施例1のガラス懸濁液のコーティングまたは 薄膜が、その表面に施されるそのようなコーティングまたは薄いフイルムを有す る光学ガラスの紫外線透過率を減少させるのに効果的であるか否かを決定ことに あった。 1ミリメートル厚の実施例1のガラス懸濁液のコーティングを顕微鏡スライド の表面に施した。ガラスの紫外線透過率は、約二分の一に減少した。 実施例3. この実験の目的は、熱処理前のガラスの急冷が、曇りレベルを低く 維持するのに効果的であることを示すことにあった。 上記表1にその組成が示されている本発明のガラス(ガラス5)の急冷した薄 いリボンを72時間に亘り525℃で熱処理した。このリボンを約0.25mm厚まで研 削し、標準的な曇り試験が1.16%を示した。 同一のガラスの4ミリメートル厚の試験片に同一の熱処理を行い、次いで、約 0.25mm厚に研削した。5.52%の曇りが測定された。 実施例4. この実験の目的は、本発明のガラスおよび熱処理の効力を示すこと にあった。 ガラス5の急冷した薄いリボンを96時間に亘り525℃で熱処理した。紫外線吸 収係数が357cm-1であることが分かった。このことは、実施例1の比較ガラス のものより3.2倍改良されていることを示している。 上述した実施例により示されるように、本発明のガラスは非常に強力な紫外線 吸収を示しており、多くの場合、385nmで250cm-1を越える吸収係数が観察さ れた。観察された吸収係数は、液晶ディスプレーへの使用、および他の用途を意 図したガラス1のようなガラスに観察されたのよりも著しく大きい。実施例1に 示したように、そのようなガラスについて測定した吸収係数は、100cm-1の領 域にあった。 実施例5. この実験の目的は、本発明のガラスの紫外線吸収特性への粉砕の影 響を示すことにあった。 実施例3および4のガラス(ガラス5)を3ミクロンの平均粒径まで粉砕して 、懸濁液が約15重量%の粉砕ガラスからなるように、透明な屈折率整合油中に懸 濁させた。実施例1におけるように、油の密度は0.88g/ccであった。ガラス 5 の密度は、約2.4g/ccであると推測されるので、懸濁液の容積分画は、約0.5 5%であった。次いで、マトリクスの透過率スペクトルを測定した。 観察した吸収係数は、178cm-1であった。この液体状体において、実施例1 の比較ガラスの紫外線吸収より優れた改良は、1.5倍まで低下した。懸濁液(実 施例5)内のガラスの紫外線吸収係数が、バルク(実施例3および4)において 測定した値とは異なる理由は知られていない。 本発明より考えられるように、紫外線吸収ガラスおよび透明な屈折率整合油の ようなマトリクスのこの液体の組合せを製品表面に施して、紫外線からこの製品 を保護することができる。透明用途に関しては、マトリクスは、ガラスと同一の 屈折率を有して、透明性を確実にしなければならない。 上述した実施の形態に加えて、本発明の意図する精神および範囲から逸脱せず に、本発明について数多くの変更および改変を行っても差し支えないことが当業 者には明白である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F21V 9/06 F21V 9/06

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.カチオンパーセントで表して、15-30%のSiO2、50-60%のB23、2-5% のAl23、0-6%のLi2O、0-3.0%のNa2O、14-20%のK2O、0.5-1.0% のCuO、0.4-0.7%のSnO2、0.5-1.5%のCl、および0.7-1.5%のBrから 実質的になる、強力に紫外線を吸収するガラス。 2.前記Na2Oの量が0.2-0.7%の範囲にあることを特徴とする請求の範囲第1 項記載の紫外線吸収ガラス。 3.請求の範囲第1項記載の紫外線吸収ガラスの微細に粉砕した粒子のマトリク ス中の懸濁液からなる紫外線吸収材料。 4.前記紫外線吸収ガラスが既知の屈折率を有する透明ガラスであることを特徴 とする請求の範囲第3項記載の紫外線吸収材料。 5.前記マトリクスが、前記紫外線吸収ガラスの屈折率と実質的に等しい屈折率 を有する液体であることを特徴とする請求の範囲第4項記載の紫外線吸収ガラス 。 6.前記マトリクスがゲルであることを特徴とする請求の範囲第3項記載の紫外 線吸収材料。 7.請求の範囲第3項記載の紫外線吸収材料の薄いフイルムまたはコーティング を支持体上に施すことにより形成された製品。 8.前記フイルムまたはコーティングが0.1mmから1mmまでの範囲の厚さで あることを特徴とする請求の範囲第7項記載の製品。 9.実質的に曇りのない強力な紫外線吸収ガラスを製造する方法であって、 a) カチオンパーセントで表して、15-30%のSiO2、50-60%のB23、2 -5%のAl23、0-6%のLi2O、0.2-0.7%のNa2O、14-20%のK2O、 0.5-1.0%のCuO、0.4-0.7%のSnO2、0.5-1.5%のCl、および0.7-1. 5%のBrから実質的になる組成物を有するガラスを提供し、 b) 該ガラスを溶融させ、 c) 該ガラスを薄いリボンに圧延することによりこのガラスを急冷し、 d) 該リボンを熱処理して、実質的に曇りのない紫外線吸収ガラスを形成す ることを特徴とする方法。 10.前記リボンを、60時間から100時間までの範囲の期間に亘り500℃から550℃ までの範囲の温度で熱処理することを特徴とする請求の範囲第9項記載の方法。
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