JP4116105B2 - ガラス組成物、ガラスフリット、塗料製剤及びカラーペースト、ガラスエナメル及びセラミック装飾の製造方法、建築又は装置用ガラス並びにガラスフリットの製造方法 - Google Patents
ガラス組成物、ガラスフリット、塗料製剤及びカラーペースト、ガラスエナメル及びセラミック装飾の製造方法、建築又は装置用ガラス並びにガラスフリットの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規の鉛不含のガラス組成物、該組成物のガラスフリット及びその製造方法に関する。本発明のもう1つの対象は、本発明によるガラスフリットを含有する塗料製剤及び該製剤をガラス、特に建築用板ガラス並びに装置ガラス及びその他の焼付け可能な被塗物用のガラスエナメルを製造するために使用することに関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラス物品、特に板ガラスを装飾するためには、1種以上の着色成分及び1種以上のガラスフリットを含有するガラス塗料が使用される。該ガラス塗料は、被塗物に塗被した後に焼付けられる、その際ガラスエナメルが形成される。板ガラスにガラス塗料を塗被する際には、ガラス塗料の溶融特性を調質工程の典型的条件に合わせねばならない。典型的焼付け条件は、約600〜650℃のガラス温度及び数分間の焼付け時間である。建築及び装置用ガラス分野における板ガラスの彩色装飾のためには、ガラス塗料内に含有されたガラスフリットと通常の有色顔料との十分な相溶性が必要である。
【0003】
焼付けガラス塗料、即ちガラスエナメルの場合には、多くの適用分野、特に建築及び装置用ガラス分野においては、特に可能な限り低い温度での短い焼付け時間での良好な流延性、完全な亀裂不含性、酸及びアルカリに対する良好な化学的抵抗性並びに耐候性が必要とされる。最後に、ガラス塗料に含有されるガラスフリットはコストの理由から大量の高価な原料を含有すべきでなくかつ生態毒物学的理由から実質的に鉛もまたカドミウムも含有すべきでない。
【0004】
当業界においては、種々の用途、特に自動車窓ガラス、建築及び装置用ガラスにガラスエナメルを形成するための種々の鉛及びカドミウム不含のガラスフリット及び該ガラスフリットを含有する塗料が公知である。この場合、一般には、ビスマス−アルカリ−ホウケイ酸ガラス又はアルカリ−亜鉛−ホウケイ酸ガラスをベースとするフリット系又はその混合物が該当する。
【0005】
公知のガラスフリット系は前記の要求を部分的に満足するに過ぎない:例えば、欧州特許出願公開第0267154号明細書に記載の鉛及びカドミウム不含のガラスフリットはNa2O、ZnO、B2O3及びSiO2をベースとしかつ若干の別の酸化物、例えばBi2O3及びLi2Oを含有することができる。しかし、実施例が示すように、Bi2O3及びLi2Oを含有するガラスフリットだけがガラスに使用するために必要とされる明らかに650℃未満の溶融範囲を満足するにすぎない。リチウム含有ガラスフリットの欠点は、それに伴い該フリットでエナメル塗被された板ガラスの破壊強度の低下が生じることにある。まさに建築用板ガラスの場合には、Li含有ガラスフリットの場合には該ガラスフリットを含有する塗料内にガラスエナメルの焼付け中にエナメルのLiとガラスのNaとの交換及びそれに引き続いて引張り応力及び亀裂形成が生じる。
【0006】
欧州特許出願公開第0370683号明細書には、ガラスエナメルを製造するめのBi2O345〜65重量%を有するガラスフラックス並びに該ガラスフラックスを含有する塗料が記載されている。この種の塗料製剤の使用は、エナメル塗被した自動車窓ガラスの製造のため及び別のガラス物品の装飾のために好適である。高いビスマス含量を有するガラスフリットは確かに低い軟化点及び良好な溶融特性を示すが、しかしこのようなフリットはビスマス含量に依存してビスマス分の少ない又はビスマス不含のガラスフリットよりも著しく高価である。更に、欧州特許出願公開第0370683号明細書によるガラスフラックスもLi2O2〜6重量%を含有する。このことは特に高い層厚さ、例えば多重印刷又は吹付け塗被の場合には、既に述べたエナメル塗被したガラスの破壊強度の劣化を惹起する。
【0007】
特開昭56−155040号公報は、SiO220〜60重量%、 B2O310〜30重量%、Na2O10〜30重量%、K2O1〜15重量%、Li2O1〜10重量%、ZnO1〜10重量%及びTiO21〜15重量%を含有するホウケイ酸ガラスをベースとするガラスフリットを開示した。 Li2Oの含量は必須要件として記載されており、このことはすでに述べた欠点を伴う。この刊行文献には、フリットバッチにフッ素を併用することはそれと結び付いた大きな危険のために止めるべきであると記載されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、従来の公知の系よりも、うわ薬、エナメル、特に建築及び装置用ガラスのためのガラスエナメル、及びその他のセラミック装飾被覆材料を製造するために一層好適であり、特に低い焼付け温度で亀裂を形成することなく塗被することができかつ良好な耐酸性を示す、特にガラスフリットの形の、新規のガラス組成物を提供することである。3〜5分間焼付けにおける焼付け範囲は、有利には600℃と650℃未満との間であるべきである。該新規のガラス組成物は、実質的に鉛、カドミウム、リチウム及びP2O5不含であり、かつ高価なBi2O3の使用は、この成分の既に述べた不利な影響を回避するために、できるだけ必要とすべきでない。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、モル%で、
Na2O 10〜15
K2O 0.1〜2
Li2O 0.5未満
SiO2 40〜50
B2O3 8〜12
TiO2 4〜7
Al2O3 0.1〜3
ZnO 13〜17
F 1〜5
並びに一連のPbO,CdO,P2O5 からなる酸化物及びアルカリ土類金属酸化物それぞれ0.5重量%未満を含有するガラス組成物により解決される。
【0010】
有利には、該ガラス組成物は、 Li2O0.1モル%未満、特に実質的にLi2Oを含有しない。好ましくは、該組成物は、先に挙げた金属酸化物以外のものを5重量%未満含有する。1つの有利なガラス組成物は、主として成分(モル%):
Na2O 10〜14
K2O 0.5〜2
SiO2 40〜50
B2O3 8〜12
TiO2 4〜7
Al2O3 0.5〜2
ZnO 13〜17
F 1〜5
からなる。
【0011】
特に有利なガラス組成物は、(モル%):
Na2O 11〜14
K2O 1〜2
SiO2 40〜45
B2O3 9〜11
TiO2 4〜7
Al2O3 1〜2
ZnO 14〜16
F 1〜3
からなる。
【0012】
一般に、DSC法(示差走査熱量分析法)を用いて測定した転移点Tgは500℃未満及び軟化点は600℃未満である。
【0013】
先に示したように、本発明によるフリットは、 Na2O、K2O、 B2O3、 Al2O3、 TiO2、 ZnO及びSiO2をベースとするガラス組成物をベースとし、この場合ガラスマトリックス内には酸素のほかにアニオン性成分としてフッ素が含有されている。更に本発明において重要なことは、該フリットが実質的にLi2O、PbO、CdO、P2O5並びにアルカリ土類金属酸化物を含まないことである。自体で好ましくない酸化物の僅少量の成分(0.5重量%未満)は、一方ではガラス製造のための使用原料中の不純物として、他方ではこれらの好ましくない物質を含有するガラスの残滓により使用ガラス溶融炉内で本発明による新規のガラス組成物中に入り込むことがある。有利には、このれらの好ましくない酸化物の存在はできるだけ少なく保持すべきである。これらの酸化物の存在は完全に回避するのが有利である。
【0014】
好ましくは、本発明によるガラス組成物はガラスフリットの形で存在する。ガラスフリットは自体公知の方法で、通常のガラス原料を、製造すべきガラスフリットの組成に実質的に相当するモル組成で一緒に溶融し、該溶融物を例えば該溶融物流を水中に流入させることにより急冷しかつその際得られた破砕性の材料を粉砕することにより得られる。本発明によるガラスフリットを製造するための原料としては、Na2O及びK2Oを通常の方法で酸化物を形成する原料の形で、大抵は炭酸塩又は全部又は部分的にフッ化物として使用する。好ましくは、Al2O3は無水のアルミナとして及び/又はクリオライトとして、B2O3はホウ酸として及び/又はアルカリ金属ホウ酸塩として、ZnO、TiO2及びSiO2は酸化物の形でガラスバッチに装入する。
【0015】
フッ素含量を調整するためには、フッ素をフリット内の所望の含量に対して過剰で、一般に1〜数倍、特に1〜3倍のモル過剰でフッ化物の形で使用する。フッ素はガラス溶融中に部分的にHFとして及び/又は別の形で排出される。環境保護及び/又は作業衛生を守るために、ガラス溶融炉は有効なフッ素吸収装置を備えているべきである。無水の原料及び一連のNaF、KF、ZnF2、Na3ALF6からなるフッ化物を使用すればフッ素排出は最低になる。
【0016】
以下に、ガラスフリットのガラス組成物の成分の重要な機能について説明する:
アルカリ金属成分としては、ガラス組成物中に典型的には酸化ナトリウム及び酸化カリウムのみが存在する。Na2Oを一部分K2Oにより置換することにより、融点の明らかな低下が生じる(Mischalieffekt)。アルカリ金属含量を総計17モル%より多くに高めることにより、確かに融点を低くすることができるが、この場合には熱膨張係数が建築用ガラス適用のためには認容されない好ましくない形で上昇する。K2O量には制限がある。それというのも、2モル%を越えてある程度増大すると望ましくない結晶化効果が生じるからである。 Na2OとK2Oの和は有利には約13〜15モル%である。ホウ酸によりフリットの融点は下げられるが、同時に存在する酸化亜鉛と結び付き12モル%を越える量では耐酸性の望ましくない劣化が生じる。良好な耐酸性に関しては、ZnO含量も狭い限界に保持される。二酸化チタンが存在することにより耐酸性が高められる。意想外にも、本発明によるガラス組成物中の請求項に記載した二酸化チタン含量にもかかわらず該ガラスフリットは均質にかつ早期の結晶化効果を生じることなく溶融することができる。SiO2はガラス結合剤として役立ち、 SiO240モル%未満の含量は耐酸性の望ましくない低下を生じ、50モル%を越える含量は融点を上昇させる。酸化アルミニウムは化学的抵抗を高めるために必須成分として僅少量でガラス組成物中に含有されている。より多量では融点が著しく高められる。一方では化学的安定性を高め、他方では融点を低下させる酸化ビスマスは確かに存在してもよいが、これは不必要である。コストの理由から、Bi2O3を使用しないのが有利である。ガラスフリットの融点を低下させかつ焼付け温度を低下させるためは、請求項記載の範囲内でできるだけ高いF含量がガラス組成物中に存在するのが有利である。F含量が高すぎれば、化学的安定性が低下しかつガラスフリットの混濁が生じる。ガラスバッチには、ガラス1モルに対してフッ素5〜10モル%を使用するのが有利である。
【0017】
本発明によるガラスフリットは孔不含のガラス層に溶融させることができる。元来の溶融工程後に、結晶化効果又は混濁が生じない。このことは該ガラスフリットの建築用ガラス分野のための光沢のあるガラス塗料での実用性に関して重要である。ガラスフリットの溶融特性は、DSC(示差走査熱量分析法)を用いて測定することができる。それによれば、転移温度Tgは一般に500℃未満、大抵は470〜490℃であり、軟化点(endset)は600℃未満、大抵560〜590℃である。実地のために重要であるのは、最低溶融温度である。有利な本発明によるガラスフリットの最低焼付け温度は3〜5分間焼付けで640℃未満、有利には600〜630℃の範囲内にある。最低溶融温度はTs例えば被塗物としてのガラスへの3分間焼付けで測定され、この場合判定基準としては溶融した、ひいては焼付けたガラスフリットを採用する。特に有利なガラスフリットは良好に3分間焼付けにおいて620〜630℃で焼付けることができる。使用に関してより低い最低溶融温度が所望であれば、このような温度は場合により低下した耐酸性又は高いコストを甘受して本発明によるガラスフリットと、より低い溶融温度を有する公知の鉛不含のガラスフリットとの混合物を使用することにより達成することができる。
【0018】
本発明によるガラスフリットの物質を選択しかつ狭く制限した組成により、室温で5分間作用させた場合3重量%の塩酸に対する良好な耐酸性並びに10重量%のNaOHに対する極めて良好な耐アルカリ性を呈するガラスエナメル装飾を達成することが可能になったのである。
【0019】
5段階の判定スケール(1=溶離、2=剥離可能、3=曇り、4=弱い作用、5=作用せず)を基礎として、焼付けた本発明によるガラスフリットは大抵耐酸性はほぼ4にかつ耐アルカリ性は常に5に配属される。
【0020】
本発明によるガラスフリットの予測されなかった好ましい特性像に基づき、本発明による組成を有するガラスフリットはガラスエナメル及びその他のセラミック装飾に使用することができる。このような目的のためには、少なくとも1種のガラスフリット及び無機セラミック有色顔料及び/又は有色フリットを含有する塗料製剤が使用される。従って、本発明による塗料製剤は本発明によるガラスフリットを含有することを特徴とする。有利な塗料製剤は、1種以上の本発明によるガラスフリットを35〜97重量%の量で、1種以上の有色顔料を3〜30重量%の量で、及び1種以上の別の鉛不含のガラスフリットを0〜35重量%の量で、及び前記に引用した文献に記載されているようなものを含有する。有色顔料としては、それらが焼付け条件下で安定である限り、公知の酸化物系、硫化物系及び窒化物系有色顔料が適当である。建築用ガラス分野のためのガラス塗料の場合には、酸化物系の顔料、例えばスピネルをベースとするものを使用するのが有利である。
【0021】
本発明による塗料製剤は、乾式塗被で又は有利には通常の媒体を使用して塗料ペーストに転化した後に吹付け、流延又はスクリーン印刷を用いて被塗物に塗被することができる。塗料ペーストは、吹付け、流延又はシルクスクリーン印刷可能な粘稠度を有するような量の前記の塗料製剤を含有する。塗料ペーストを製造するには、この種の目的のために市販の媒体を使用する。スクリーン印刷媒体は、主として固体を懸濁させるために適当な液状の、有機、有機−水性又は水性溶剤、ポリマーの有機結合剤及び必要に応じてペーストの流動学的特性を調整するため並びに印刷後の乾燥を促進するための助剤を含有する。
【0022】
焼付け可能な被塗物のガラスエナメル又はその他のセラミック装飾を製造するためには、被塗物へのエナメルもしくは装飾形成組成物の層の塗被後に被塗物に適した温度で焼付ける。
【0023】
建築用ガラス分野のためのエナメル塗被した板ガラスを製造するには、通常の方法で該塗料をスクリーン印刷、吹付け又は流延法で塗被する。乾燥後、調質過程で焼付けを行う。本発明によるガラスフリットの良好な溶融及び焼付け特性並びに通常の条件下で殆ど生じない結晶化の危険は、該ガラスフリットをガラス被塗物の一般に6〜12ないしは3〜12mmの範囲内の厚さを有する建築用ガラス及び装置用ガラス用のガラスエナメルとして使用することを可能にする。建築用ガラス上のガラスエナメル装飾の湿層厚さは屡々ほぼ200mmであるので、この場合も数分以内でガラスフリットの平滑な溶融が保証されていなければならない。該ガラスフリットはLi不含であることにより、被塗物ガラスとのイオン交換が生ぜず、従って引張り応力が構成されず、かつ装飾に亀裂形成の危険が生じない。
【0024】
【実施例】
例B1〜B5及び比較例VB1〜VB5
本発明によるフリットと本発明によらないフリットを溶融させるためのバッチの若干の組成(モル%)は、以下の表にまとめられている。更に該表には、
測定した特性:DSC法を用いた転移点Tg及び軟化点TEP、ガラス上での3分間焼付けの際の最低溶融温度Ts並びに室温で5分間作用させた後の3%のHClに対する焼付けた塗料の耐酸性(SB)(5段階スケール:1=溶離、2=剥離可能、3=曇り、4=弱い作用、5=作用せず)が記載されている。以下の原料を使用した:苛性ソーダ、苛性カリ、アルミナ及び/又はクリオライト、酸化亜鉛、二酸化チタン、デヒボル(Dehybor)、珪酸。この原料を1100℃の温度で溶融させ、該溶融物を水中に注入することにより急冷した。
【0025】
【表1】
【0026】
VB1及びVB3は、Li含有フリットは確かに十分に低いTs値をもたらすが、程度の差こそあれ顕著な亀裂形成が建築用ガラス用のエナメルガラスフリットに対する品質要求に反することを示す。VB2及びVB4によるフッ素不含及びLi不含のフリットは要求される最低溶融温度Tsを満足しない。更に、TiO2含量が高くなると、結晶化傾向が増大する(VB4)。フッ素添加により確かにTsは低下するが、この場合(VB5)もTiO29モル%では結晶化傾向が生じる。本発明による全てのガラスフリット(B1〜B5)は要求される溶融特性及び満足〜良好な耐酸性値(3〜4)を示す。Bi2O3添加(B4)は、大した特性変化を惹起しない。
【0027】
例6
厚さ6mmの建築用板ガラスへの黒色エナメル層の製造。該方法は以下の手段を含む:
原料を混合した:
例1によるフリット、微粉砕(d50≒5μm) 61kg
黒色色素体:CuCr−スピネル(Cerdec 24052) 11kg
スクリーン印刷媒体(Cerdec 80858) 28kg
フリット、色素粉末及び媒体を通常の撹拌機で混合してペーストにし、かつ3本ロール圧延機で均質にした。
【0028】
更に媒体を添加することにより印刷粘度を約9Pa・sに調整した。
【0029】
スクリーン印刷可能なペーストをcm当たり43本の糸を有するポリエステル織布を有するスクリーン印刷機で調整した6mmの板ガラスに印刷した。湿層厚さは約37μmであった。
【0030】
乾燥はIR工業用乾燥器で行った。
【0031】
塗料の焼付けは、工業用転炉内で635℃のガラス温度で行った。
【0032】
焼付けた塗料は、光沢のある黒色の、完全に亀裂不含の表面を呈しかつ耐酸性4及び体アルカリ性5を有していた。
【0033】
【発明の効果】
本発明によるガラス組成物並びにそれにより製造された対象物は一連の顕著な特性により優れている:これらは実質的に鉛及びカドミウム不含であり、このことは環境及び毒物学的理由から重要である。リチウム化合物が一般に完全に不在であることにより、装飾内の亀裂形成及び該ガラス組成物でエナメル塗被された板ガラスの破壊強度の低下は生じない。本発明によるガラス組成物は一般に酸化ビスマスを含有していないので、高価な酸化ビスマスを使用する必要がない。本発明によるガラス組成物を使用して製造されたガラスエナメルは、優れた孔不含の溶融特性を示す。冒頭に引用した特開昭56−155040号公報にはフッ素を使用することは止めるべきであると記載されているにもかかわらず、フッ素をガラス構造に導入することにより、溶融及び焼付け特性に関するガラスフリットの特性像を意想外にも改良することができた。最後に、本発明によるガラス組成物を使用して得られたガラスエナメル又はセラミック装飾の耐酸性にも注目されるべきである。
Claims (13)
- モル%で、
Na2O 10〜15
K2O 0.1〜2
Li2O 0.5未満
SiO2 40〜50
B2O3 8〜12
TiO2 4〜7
Al2O3 0.1〜3
ZnO 13〜17
F 1〜5
並びに一連のPbO、CdO、P2O5からなる酸化物及びアルカリ土類金属酸化物それぞれ0.5重量%未満を含有するガラス組成物。 - 実質的にLi2Oを含有しない、請求項1記載のガラス組成物。
- 成分(モル%):
Na2O 10〜14
K2O 0.5〜2
SiO2 40〜50
B2O3 8〜12
TiO2 4〜7
Al2O3 0.5〜2
ZnO 13〜17
F 1〜5
からなる、請求項1又は2記載のガラス組成物。 - 成分(モル%):
Na2O 11〜14
K2O 1〜2
SiO2 40〜45
B2O3 9〜11
TiO2 4〜7
Al2O3 1〜2
ZnO 14〜16
F 1〜3
からなる、請求項3記載のガラス組成物。 - 請求項1から4までのいずれか1項記載のガラス組成物からなるガラスフリット。
- 3分間焼付けの際の最低溶融温度が600〜630℃である、請求項5記載のガラスフリット。
- 少なくとも1種のガラスフリット並びに無機セラミック有色顔料及び/又は有色フリットを含有する、ガラスエナメル及びセラミック装飾を製造するための塗料製剤において、請求項5又は6記載のガラスフリットを含有することを特徴とする塗料製剤。
- 1種以上の請求項5又は6記載のガラスフリット35〜97重量%、1種以上の有色顔料3〜30重量%及び1種以上の別の鉛不含のガラスフリット0〜35重量%を含有する、請求項7記載の塗料製剤。
- ガラスエナメル及びセラミック装飾を製造するためのカラーペーストにおいて、請求項7又は8記載の塗料製剤が液状媒体中に吹付け、流延又はスクリーン印刷可能な粘稠度のために相当する量で懸濁されていることを特徴とするカラーペースト。
- エナメル形成組成物の層を被塗物に塗被する工程及び被塗物に適合した温度で焼付ける工程を含む、焼付け可能な被塗物にガラスエナメルを製造する方法において、エナメル形成組成物として、請求項7又は8記載の塗料製剤又は請求項9記載のカラーペーストを使用することを特徴とする、ガラスエナメルの製造方法。
- エナメル形成組成物の層を被塗物に塗被する工程及び前記被塗物に適合した温度で焼付ける工程を含む、焼付け可能な被塗物にセラミック装飾を製造する方法において、エナメル形成組成物として、請求項7又は8記載の塗料製剤又は請求項9記載のカラーペーストを使用することを特徴とする、セラミック装飾の製造方法。
- ガラスエナメルで被覆された建築又は装置用ガラスにおいて、エナメルが、請求項10に記載の方法により得られることを特徴とする、建築又は装置用ガラス。
- 請求項5又は6に記載のガラスフリットを製造する方法において、通常のガラス原料を、ガラスフリット内のフッ素含量に対して数倍までの過剰で使用されるフッ素含有原料を除いて、請求項1から4までのいずれか1項記載のモル量のガラス組成に相当する量で1000〜1200℃で溶融させ、該溶融物を急冷しかつ得られた破砕性の材料を粉砕することを特徴とする、ガラスフリットの製造方法。
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