JP6593227B2 - 化学強化ガラスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は化学強化ガラスの製造方法に関する。
デジタルカメラ、携帯電話または携帯情報端末ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）等に用いられるフラットパネルディスプレイ装置において、ディスプレイの保護および美観を高めるために、画像表示部分よりも広い領域となるように薄い板状のカバーガラスをディスプレイの前面に配置することが行われている。ガラスは理論強度が高いものの、傷がつくことで強度が大幅に低下するため、強度が求められるカバーガラスには、無機塩を用いたイオン交換等によりガラス表面に圧縮応力層を形成した化学強化ガラスが用いられている。
従来、ガラス強化用無機塩において、Ｌｉ、Ｎａなどのアルカリ金属不純物濃度が高まった場合に、それらを除去するためにピロリン酸カリウムやオルトリン酸カリウム、ピロアンチモン酸カリウムなどの添加物を添加することが行われていた（特許文献１および２並びに非特許文献１）。
Ｄｏｋｌａｄｙ Ａｋａｄｅｍｉｉ Ｎａｕｋ ＳＳＳＲ（１９７５），２２５（６），１３７３−６［Ｃｈｅｍ．Ｔｅｃｈ．］．
しかしながら、アルカリ金属不純物以外にもごく微量のＭｇやＣａなどのアルカリ土類金属不純物がガラス強化用無機塩中に存在することにより、ガラスの強化が適切に行われなくなる場合があることを、本発明者らは見出した。
本発明は、ガラスの化学強化が十分に行われる化学強化ガラスの製造方法および化学強化が十分に行われた化学強化ガラスを提供することを目的とする。
本発明者らは、化学強化用の無機塩中に特定アニオンを有する塩を存在させることで、マグネシウムやカルシウムによる影響を抑制でき、ガラス表面に対し適切な強化が可能となることを見出し本発明を完成させた。
すなわち本発明は以下の通りである。
硝酸カリウムを含む無機塩とガラスとを接触させることによって、前記ガラス中のＮａと前記無機塩中のＫとをイオン交換する工程を含む化学強化ガラスの製造方法であって、
前記イオン交換の前に、前記無機塩中に、ＳＯ４ ２−、ＣＯ３ ２−、ＨＣＯ３ −、ＰＯ４ ３−、ＨＰＯ４ ２−およびＨ２ＰＯ４ −からなる群より選ばれる少なくとも一種のアニオンを有する塩を添加する工程を有し、
前記添加前において、前記無機塩はＭｇ２＋およびＣａ２＋の少なくとも一方を含有し、Ｍｇ２＋含有量が５質量ｐｐｍ以上、および、Ｃａ２＋含有量が５０質量ｐｐｍ以上のいずれかの条件を満たす、化学強化ガラスの製造方法。
すなわち本発明は以下の通りである。
硝酸カリウムを含む無機塩とガラスとを接触させることによって、前記ガラス中のＮａと前記無機塩中のＫとをイオン交換する工程を含む化学強化ガラスの製造方法であって、
前記イオン交換の前に、前記無機塩中に、ＳＯ４ ２−、ＣＯ３ ２−、ＨＣＯ３ −、ＰＯ４ ３−、ＨＰＯ４ ２−およびＨ２ＰＯ４ −からなる群より選ばれる少なくとも一種のアニオンを有する塩を添加する工程を有し、
前記添加前において、前記無機塩はＭｇ２＋およびＣａ２＋の少なくとも一方を含有し、Ｍｇ２＋含有量が５質量ｐｐｍ以上、および、Ｃａ２＋含有量が５０質量ｐｐｍ以上のいずれかの条件を満たす、化学強化ガラスの製造方法。
本発明によればガラス表面に圧縮応力層を安定的に付与でき、適切な強化が可能となる。
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。
＜化学強化ガラスの製造方法＞
本発明に係る製造方法は、硝酸カリウムを含む無機塩とガラスとを接触させることによって、ガラス中のＮａと無機塩中のＫとをイオン交換する工程を含み、イオン交換の前に、無機塩中に特定アニオンを有する塩を添加する工程を有し、さらに、特定アニオンを有する塩の添加前において、無機塩はＭｇ２＋およびＣａ２＋の少なくとも一方を含有し、Ｍｇ２＋含有量が５質量ｐｐｍ以上、および、Ｃａ２＋含有量が５０質量ｐｐｍ以上のいずれかの条件を満たすことを特徴とする。
本発明に係る製造方法は、硝酸カリウムを含む無機塩とガラスとを接触させることによって、ガラス中のＮａと無機塩中のＫとをイオン交換する工程を含み、イオン交換の前に、無機塩中に特定アニオンを有する塩を添加する工程を有し、さらに、特定アニオンを有する塩の添加前において、無機塩はＭｇ２＋およびＣａ２＋の少なくとも一方を含有し、Ｍｇ２＋含有量が５質量ｐｐｍ以上、および、Ｃａ２＋含有量が５０質量ｐｐｍ以上のいずれかの条件を満たすことを特徴とする。
（ガラス組成）
本発明で使用されるガラスはナトリウムを含んでいればよく、成形、化学強化処理による強化が可能な組成を有するものである限り、種々の組成のものを使用することができる。具体的には、例えば、アルミノシリケートガラス、ソーダライムガラス、ボロシリケートガラス（ホウ珪酸ガラス）、鉛ガラス、アルカリバリウムガラスおよびアルミノボロシリケートガラス（アルミノホウ珪酸ガラス）等が挙げられる。中でも、本発明の効果が得られやすい観点から、ソーダライムガラスが好ましい。
本発明で使用されるガラスはナトリウムを含んでいればよく、成形、化学強化処理による強化が可能な組成を有するものである限り、種々の組成のものを使用することができる。具体的には、例えば、アルミノシリケートガラス、ソーダライムガラス、ボロシリケートガラス（ホウ珪酸ガラス）、鉛ガラス、アルカリバリウムガラスおよびアルミノボロシリケートガラス（アルミノホウ珪酸ガラス）等が挙げられる。中でも、本発明の効果が得られやすい観点から、ソーダライムガラスが好ましい。
ガラスの製造方法は特に限定されず、所望のガラス原料を連続溶融炉に投入し、ガラス原料を好ましくは１５００〜１６００℃で加熱溶融し、清澄した後、成形装置に供給した上で溶融ガラスを板状に成形し、徐冷することにより製造することができる。
なお、ガラスの成形には種々の方法を採用することができる。例えば、ダウンドロー法（例えば、オーバーフローダウンドロー法、スロットダウン法およびリドロー法等）、フロート法、ロールアウト法およびプレス法等の様々な成形方法を採用することができる。
ガラスの厚みは、特に制限されるものではないが、化学強化処理を効果的に行うために、通常５ｍｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以下であることがより好ましい。
本発明におけるガラスの組成としては特に限定されないが、例えば、以下の組成が挙げられる。
（ｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を２〜２５％、Ｌｉ２Ｏを０〜１０％、Ｎａ２Ｏを０〜１８％、Ｋ２Ｏを０〜１０％、ＭｇＯを０〜１５％、ＣａＯを０〜５％およびＺｒＯ２を０〜５％を含むガラス
（ｉｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を５０〜７４％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０％、Ｎａ２Ｏを６〜１４％、Ｋ２Ｏを３〜１１％、ＭｇＯを２〜１５％、ＣａＯを０〜６％およびＺｒＯ２を０〜５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７５％以下、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２５％、ＭｇＯおよびＣａＯの含有量の合計が７〜１５％であるガラス
（ｉｉｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６８〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を４〜１０％、Ｎａ２Ｏを５〜１５％、Ｋ２Ｏを０〜１％、ＭｇＯを４〜１５％およびＺｒＯ２を０〜１％含有するガラス
（ｉｖ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６７〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜４％、Ｎａ２Ｏを７〜１５％、Ｋ２Ｏを１〜９％、ＭｇＯを６〜１４％およびＺｒＯ２を０〜１．５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７１〜７５％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２０％であり、ＣａＯを含有する場合その含有量が１％未満であるガラス
（ｖ）酸化物基準の質量％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０．１〜５％、ＭｇＯを１〜６％、ＣａＯを１〜１５％含有し、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１０〜１８％であるガラス
（ｖｉ）酸化物基準の質量％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６５〜７２％、Ａｌ２Ｏ３を３．４〜８．６％、ＭｇＯを３．３〜６％、ＣａＯを６．５〜９％、Ｎａ２Ｏを１３〜１６％、Ｋ２Ｏを０〜１％、ＴｉＯ２を０〜０．２％、Ｆｅ２Ｏ３を０．０１〜０．１５％、ＳＯ３を０．０２〜０．４％含有し、（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３が１．８〜５．０であるガラス
（ｖｉｉ）酸化物基準の質量％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６０〜７２％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０％、ＭｇＯを５〜１２％、ＣａＯを０．１〜５％、Ｎａ２Ｏを１３〜１９％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、ＲＯ／（ＲＯ＋Ｒ２Ｏ）が０．２０以上、０．４２以下（式中、ＲＯとはアルカリ土類金属酸化物、Ｒ２Ｏはアルカリ金属酸化物を示す。）であるガラス
（ｖｉｉｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６７〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜５％、ＣａＯを１〜１５％含有し、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１０〜１８％であるガラス
（ｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を２〜２５％、Ｌｉ２Ｏを０〜１０％、Ｎａ２Ｏを０〜１８％、Ｋ２Ｏを０〜１０％、ＭｇＯを０〜１５％、ＣａＯを０〜５％およびＺｒＯ２を０〜５％を含むガラス
（ｉｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を５０〜７４％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０％、Ｎａ２Ｏを６〜１４％、Ｋ２Ｏを３〜１１％、ＭｇＯを２〜１５％、ＣａＯを０〜６％およびＺｒＯ２を０〜５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７５％以下、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２５％、ＭｇＯおよびＣａＯの含有量の合計が７〜１５％であるガラス
（ｉｉｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６８〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を４〜１０％、Ｎａ２Ｏを５〜１５％、Ｋ２Ｏを０〜１％、ＭｇＯを４〜１５％およびＺｒＯ２を０〜１％含有するガラス
（ｉｖ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６７〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜４％、Ｎａ２Ｏを７〜１５％、Ｋ２Ｏを１〜９％、ＭｇＯを６〜１４％およびＺｒＯ２を０〜１．５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７１〜７５％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２０％であり、ＣａＯを含有する場合その含有量が１％未満であるガラス
（ｖ）酸化物基準の質量％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６５〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０．１〜５％、ＭｇＯを１〜６％、ＣａＯを１〜１５％含有し、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１０〜１８％であるガラス
（ｖｉ）酸化物基準の質量％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６５〜７２％、Ａｌ２Ｏ３を３．４〜８．６％、ＭｇＯを３．３〜６％、ＣａＯを６．５〜９％、Ｎａ２Ｏを１３〜１６％、Ｋ２Ｏを０〜１％、ＴｉＯ２を０〜０．２％、Ｆｅ２Ｏ３を０．０１〜０．１５％、ＳＯ３を０．０２〜０．４％含有し、（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／Ａｌ２Ｏ３が１．８〜５．０であるガラス
（ｖｉｉ）酸化物基準の質量％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６０〜７２％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０％、ＭｇＯを５〜１２％、ＣａＯを０．１〜５％、Ｎａ２Ｏを１３〜１９％、Ｋ２Ｏを０〜５％含有し、ＲＯ／（ＲＯ＋Ｒ２Ｏ）が０．２０以上、０．４２以下（式中、ＲＯとはアルカリ土類金属酸化物、Ｒ２Ｏはアルカリ金属酸化物を示す。）であるガラス
（ｖｉｉｉ）酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６７〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜５％、ＣａＯを１〜１５％含有し、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１０〜１８％であるガラス
（化学強化）
本発明に係る化学強化ガラスの製造方法では、ガラスの表面にイオン交換処理を施し、圧縮応力が残留する表面層（圧縮応力層）を形成させることで、ガラス表面を強化する。イオン交換とは一般的に、ガラス転移点以下の温度で、イオン交換によりガラス表面のイオン半径が小さなアルカリ金属イオン（典型的には、Ｌｉイオン、Ｎａイオン）をイオン半径のより大きいアルカリイオン（典型的には、Ｌｉイオンに対してはＮａイオンまたはＫイオンであり、Ｎａイオンに対してはＫイオン）に置換する。これにより、ガラスの表面に圧縮応力が残留し、ガラスの強度が向上する。
本発明に係る化学強化ガラスの製造方法では、ガラスの表面にイオン交換処理を施し、圧縮応力が残留する表面層（圧縮応力層）を形成させることで、ガラス表面を強化する。イオン交換とは一般的に、ガラス転移点以下の温度で、イオン交換によりガラス表面のイオン半径が小さなアルカリ金属イオン（典型的には、Ｌｉイオン、Ｎａイオン）をイオン半径のより大きいアルカリイオン（典型的には、Ｌｉイオンに対してはＮａイオンまたはＫイオンであり、Ｎａイオンに対してはＫイオン）に置換する。これにより、ガラスの表面に圧縮応力が残留し、ガラスの強度が向上する。
本発明の製造方法において、化学強化は硝酸カリウム（ＫＮＯ３）を含有する無機塩にガラスを接触させることにより行なわれる。これによりガラス表面のＮａイオンと無機塩中のＫイオンとがイオン交換されることで高密度な圧縮応力層が形成される。無機塩にガラスを接触させる方法としては、ペースト状の無機塩を塗布する方法、無機塩の水溶液をガラスに噴射する方法、無機塩を融点以上に加熱した溶融塩の塩浴にガラスを浸漬させる方法などが可能であるが、これらの中では、溶融塩に浸漬させる方法が好ましい。
無機塩としては化学強化を行うガラスの歪点（通常５００〜６００℃）以下に融点を有するものが好ましい観点から、本発明においては硝酸カリウム（融点３３０℃）を含有する。硝酸カリウムを含有することでガラスの歪点以下で溶融状態であり、かつ使用温度領域においてハンドリングが容易となる。無機塩における硝酸カリウムの含有量は５０質量％以上であることが好ましい。
本発明の製造方法では、ガラスをイオン交換に供する前に、無機塩に対し、ＳＯ４ ２−、ＣＯ３ ２−、ＨＣＯ３ −、ＰＯ４ ３−、ＨＰＯ４ ２−およびＨ２ＰＯ４ −からなる群より選ばれる少なくとも一種のアニオン（以下、「特定アニオン」とも総括する）を有する塩を添加する。無機塩を用いてイオン交換するにあたり、無機塩を液体状態の液相塩とするが、本発明ではこの液相塩中にＭｇ２＋やＣａ２＋が存在することにより、ガラス表面で圧縮応力層が形成されにくいことが見出された。そこで本発明の製造方法では、Ｍｇ２＋（マグネシウムイオン）やＣａ２＋（カルシウムイオン）の少なくとも一方を含有する無機塩に対し、上記特定アニオンを有する塩を添加することにより、無機塩中のＭｇ２＋やＣａ２＋がトラップされ、上記特定アニオンとのマグネシウム塩やカルシウム塩の固体となって沈殿するため、液相塩中のＭｇ２＋やＣａ２＋が低減される。
特定アニオンを有する塩の添加前の無機塩（液相塩）は、Ｍｇ２＋含有量が５質量ｐｐｍ以上、および、Ｃａ２＋含有量が５０質量ｐｐｍ以上のいずれかの条件を満たす。特定アニオンを有する塩の添加量は、液相塩におけるＭｇ２＋やＣａ２＋が十分低減される量であればよく特に制限されないが、添加後の無機塩のうち、液相塩のＭｇ２＋濃度が５質量ｐｐｍ未満でかつ、液相塩のＣａ２＋濃度が５０質量ｐｐｍ未満となるように添加することが好ましい。
特定アニオンとしては、Ｍｇ２＋やＣａ２＋の捕捉（トラップ）のしやすさの観点からＳＯ４ ２−またはＣＯ３ ２−が好ましい。
また、特定アニオンを有する塩におけるカウンターカチオンとしては、例えばＫ＋、Ｎａ＋およびＬｉ＋等が挙げられ、Ｋ＋またはＮａ＋が好ましい。
特定アニオンを有する塩としては、Ｋ２ＳＯ４、ＫＮａＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、Ｋ２ＣＯ３、ＫＮａＣＯ３およびＮａ２ＣＯ３からなる群より選ばれる少なくとも一種の塩が好ましく、特に、イオン交換を阻害しないという観点から、Ｋ２ＳＯ４またはＫ２ＣＯ３が好ましい。なお、特定アニオンを有する塩の添加後の無機塩におけるＫ２ＳＯ４の含有量は０．５質量％以上が好ましい。特定アニオンを有する塩の添加後の無機塩におけるＫ２ＣＯ３の含有量は０．５質量％以上が好ましい。
また特定アニオンを有する塩は、単独で添加しても複数種を組み合わせて添加してもよい。
また特定アニオンを有する塩は、単独で添加しても複数種を組み合わせて添加してもよい。
無機塩は、硝酸カリウム及び特定アニオンを有する塩の他に、本発明の効果を阻害しない範囲で他の化学種を含んでいてもよく、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、ホウ酸ナトリウムおよびホウ酸カリウム等のアルカリ塩化塩またはアルカリホウ酸塩などが挙げられる。これらは単独で含有しても、複数種を組み合わせて含有してもよい。
上記のように調製されたガラス強化用無機塩は、特定アニオンを有する塩を含有することによって、硝酸カリウムの融点以上かつ６００℃以下において、液体状態の液相塩と、固体状態の固相塩とを含有し、液相塩におけるＭｇ２＋濃度が５質量ｐｐｍ未満であり、かつ、前記液相塩におけるＣａ２＋濃度が５０質量ｐｐｍ未満であることが好ましい。そして固相塩は特定アニオンとのマグネシウム塩及び特定アニオンとのカルシウム塩のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。すなわち固相塩は硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸水素カルシウム、リン酸水素マグネシウム、リン酸水素カルシウム、リン酸二水素マグネシウム、リン酸二水素カルシウム、リン酸マグネシウム及びリン酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１の塩を含有することが好ましい。
固相塩はＭｇ２＋含有量が１００質量ｐｐｍ以上であるか、Ｃａ２＋含有量が１００質量ｐｐｍ以上であることが好ましい。
固相塩はＭｇ２＋含有量が１００質量ｐｐｍ以上であるか、Ｃａ２＋含有量が１００質量ｐｐｍ以上であることが好ましい。
以下、ガラスを溶融塩に浸漬させる方法により化学強化を行う態様を例に、本発明の製造方法を説明する。
（１−１）溶融塩の製造１
溶融塩は下記に示す工程により製造することができる。
工程１ａ：硝酸カリウム溶融塩の調製
工程２ａ：硝酸カリウム溶融塩への特定アニオンを有する塩の添加
溶融塩は下記に示す工程により製造することができる。
工程１ａ：硝酸カリウム溶融塩の調製
工程２ａ：硝酸カリウム溶融塩への特定アニオンを有する塩の添加
（工程１ａ−硝酸カリウム溶融塩の調製−）
工程１ａでは、硝酸カリウムを容器に投入し、融点以上の温度に加熱して溶融することで、溶融塩を調製する。溶融は硝酸カリウムの融点（３３０℃）と沸点（５００℃）の範囲内の温度で行う。特に溶融温度を３５０〜４７０℃とすることが、ガラスに付与できる表面圧縮応力（ＣＳ）と圧縮応力層深さ（ＤＯＬ）のバランスおよび強化時間の点からより好ましい。
工程１ａでは、硝酸カリウムを容器に投入し、融点以上の温度に加熱して溶融することで、溶融塩を調製する。溶融は硝酸カリウムの融点（３３０℃）と沸点（５００℃）の範囲内の温度で行う。特に溶融温度を３５０〜４７０℃とすることが、ガラスに付与できる表面圧縮応力（ＣＳ）と圧縮応力層深さ（ＤＯＬ）のバランスおよび強化時間の点からより好ましい。
硝酸カリウムを溶融する容器としては、金属、石英またはセラミックスなどを用いることができる。中でも、耐久性の観点から金属材質が好ましく、耐食性の観点からはステンレススチール（ＳＵＳ）材質が好ましい。
（工程２ａ−硝酸カリウム溶融塩への特定アニオンを有する塩の添加−）
工程２ａでは、工程１ａで調製した硝酸カリウム溶融塩中に、先述した特定アニオンを有する塩を添加し、温度を一定範囲に保ちながら、攪拌翼などにより、全体が均一になるように混合する。特定アニオンを有する塩を複数種併用する場合、添加順序は限定されず、同時に添加してもよい。
温度は硝酸カリウムの融点以上、すなわち３３０℃以上が好ましく、３５０〜５００℃がより好ましい。また、攪拌時間は１分〜１０時間が好ましく、１０分〜２時間がより好ましい。
工程２ａでは、工程１ａで調製した硝酸カリウム溶融塩中に、先述した特定アニオンを有する塩を添加し、温度を一定範囲に保ちながら、攪拌翼などにより、全体が均一になるように混合する。特定アニオンを有する塩を複数種併用する場合、添加順序は限定されず、同時に添加してもよい。
温度は硝酸カリウムの融点以上、すなわち３３０℃以上が好ましく、３５０〜５００℃がより好ましい。また、攪拌時間は１分〜１０時間が好ましく、１０分〜２時間がより好ましい。
（１−２）溶融塩の製造２
上記の溶融塩の製造１では、硝酸カリウムの溶融後に特定アニオンを有する塩を添加する方法を例示したが、溶融塩はまた、下記に示す工程により製造することができる。
工程１ｂ：硝酸カリウムと特定アニオンを有する塩の混合
工程２ｂ：混合塩の溶融
上記の溶融塩の製造１では、硝酸カリウムの溶融後に特定アニオンを有する塩を添加する方法を例示したが、溶融塩はまた、下記に示す工程により製造することができる。
工程１ｂ：硝酸カリウムと特定アニオンを有する塩の混合
工程２ｂ：混合塩の溶融
（工程１ｂ―硝酸カリウムと特定アニオンを有する塩の混合―）
工程１ｂでは、硝酸カリウムと特定アニオンを有する塩とを容器に投入して、攪拌翼などにより混合し、混合塩とする。複数の塩を併用する場合、添加順序は限定されず、同時に添加してもよい。容器は上記工程１ａで用いるものと同様のものを用いることができる。
工程１ｂでは、硝酸カリウムと特定アニオンを有する塩とを容器に投入して、攪拌翼などにより混合し、混合塩とする。複数の塩を併用する場合、添加順序は限定されず、同時に添加してもよい。容器は上記工程１ａで用いるものと同様のものを用いることができる。
（工程２ｂ―混合塩の溶融―）
工程２ｂでは、工程１ｂにより得られる混合塩を加熱して溶融する。溶融温度は、上記工程１ａと同様である。また全体が均一になるように撹拌翼などにより撹拌しながら溶融することが好ましく、撹拌時間は１分〜１０時間が好ましく、１０分〜２時間がより好ましい。
工程２ｂでは、工程１ｂにより得られる混合塩を加熱して溶融する。溶融温度は、上記工程１ａと同様である。また全体が均一になるように撹拌翼などにより撹拌しながら溶融することが好ましく、撹拌時間は１分〜１０時間が好ましく、１０分〜２時間がより好ましい。
上記溶融塩の製造１または製造２により得られる溶融塩において、特定アニオンを有する塩の添加により析出物が発生するため、ガラスの化学強化処理を行う前に、当該析出物が容器の底に沈殿するまで静置することが好ましい。この析出物には、特定アニオンのマグネシウム塩及びカルシウム塩等が含まれる。
（２）イオン交換
次に、調製した溶融塩を用いてガラスの化学強化処理を行う。化学強化処理は、ガラスを溶融塩に浸漬し、ガラス中の金属イオン（Ｎａイオン）を、溶融塩中のイオン半径の大きな金属イオン（Ｋイオン）と置換することで行われる。イオン交換によってガラス表面の組成を変化させ、ガラス表面が高密度化した圧縮応力層を形成することができ、このガラス表面の高密度化によって圧縮応力が発生することから、ガラスを強化することができる。
本発明における化学強化処理は、具体的には、下記工程３により行うことができる。
次に、調製した溶融塩を用いてガラスの化学強化処理を行う。化学強化処理は、ガラスを溶融塩に浸漬し、ガラス中の金属イオン（Ｎａイオン）を、溶融塩中のイオン半径の大きな金属イオン（Ｋイオン）と置換することで行われる。イオン交換によってガラス表面の組成を変化させ、ガラス表面が高密度化した圧縮応力層を形成することができ、このガラス表面の高密度化によって圧縮応力が発生することから、ガラスを強化することができる。
本発明における化学強化処理は、具体的には、下記工程３により行うことができる。
（工程３−ガラスの化学強化処理−）
まず、ガラスを予熱し、また、上記により製造した溶融塩を化学強化を行う温度に調整する。次いで予熱したガラスを溶融塩中に所定の時間浸漬したのち、ガラスを溶融塩中から引き上げ、放冷する。
なお、ガラスには、化学強化処理の前に、用途に応じた形状加工、例えば、切断、端面加工および穴あけ加工などの機械的加工を行うことが好ましい。また、ガラスは、必要に応じて化学強化前に研磨してもよい。
まず、ガラスを予熱し、また、上記により製造した溶融塩を化学強化を行う温度に調整する。次いで予熱したガラスを溶融塩中に所定の時間浸漬したのち、ガラスを溶融塩中から引き上げ、放冷する。
なお、ガラスには、化学強化処理の前に、用途に応じた形状加工、例えば、切断、端面加工および穴あけ加工などの機械的加工を行うことが好ましい。また、ガラスは、必要に応じて化学強化前に研磨してもよい。
ガラスの予熱温度は、溶融塩に浸漬する温度に依存するが、一般に１００℃以上であることが好ましい。
化学強化温度は、被強化ガラスの歪点（通常５００〜６００℃）以下が好ましく、より深い圧縮応力層深さを得るためには特に３５０℃以上が好ましい。
ガラスの溶融塩への浸漬時間は１分〜１０時間が好ましく、５分〜８時間がより好ましく、１０分〜４時間がさらに好ましい。かかる範囲にあれば、表面圧縮応力（ＣＳ）と圧縮応力層深さ（ＤＯＬ）のバランスに優れた化学強化ガラスを得ることができる。
（工程４−ガラスの洗浄−）
続いて、工程４ではイオン交換後のガラスの洗浄を行う。洗浄には工業用水、イオン交換水等を用いることができ、中でもイオン交換水が好ましい。洗浄の条件は用いる洗浄液によっても異なるが、イオン交換水を用いる場合には０〜１００℃で洗浄することが付着した塩を完全に除去させる点から好ましい。
続いて、工程４ではイオン交換後のガラスの洗浄を行う。洗浄には工業用水、イオン交換水等を用いることができ、中でもイオン交換水が好ましい。洗浄の条件は用いる洗浄液によっても異なるが、イオン交換水を用いる場合には０〜１００℃で洗浄することが付着した塩を完全に除去させる点から好ましい。
＜化学強化ガラス＞
上記本発明の製造方法により得られる化学強化ガラスについて説明する。
上記本発明の製造方法により得られる化学強化ガラスについて説明する。
（圧縮応力値（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒｅｓｓ：ＣＳ））
本発明の製造方法により得られる化学強化ガラスは、表面圧縮応力層の圧縮応力値が好ましくは５００ＭＰａ以上、より好ましくは５５０ＭＰａ以上、特に好ましくは６００ＭＰａ以上である。本発明の製造方法により、不純物であるＭｇ２＋やＣａ２＋が低減された無機塩を用いた化学強化を行うことで、所望の表面圧縮応力が付与されたガラスを得ることができる。
本発明の製造方法により得られる化学強化ガラスは、表面圧縮応力層の圧縮応力値が好ましくは５００ＭＰａ以上、より好ましくは５５０ＭＰａ以上、特に好ましくは６００ＭＰａ以上である。本発明の製造方法により、不純物であるＭｇ２＋やＣａ２＋が低減された無機塩を用いた化学強化を行うことで、所望の表面圧縮応力が付与されたガラスを得ることができる。
（圧縮応力層深さ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｌａｙｅｒ：ＤＯＬ））
本発明の化学強化ガラスは、表面圧縮応力層の圧縮応力層深さが好ましくは３μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上である。
本発明の化学強化ガラスは、表面圧縮応力層の圧縮応力層深さが好ましくは３μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上である。
圧縮応力層の圧縮応力値および圧縮応力層深さは、表面応力計（例えば、折原製作所製ＦＳＭ−６０００）等を用いて測定することができる。また、圧縮応力層深さは、ＥＰＭＡ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏ ａｎａｌｙｚｅｒ）等を用いて測定したイオン交換深さによって代用することができる。
以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
＜評価方法＞
本実施例における各種評価は以下に示す分析方法により行った。
本実施例における各種評価は以下に示す分析方法により行った。
（ガラスの評価：表面応力）
表面圧縮応力値（ＣＳ、単位はＭＰａ）および圧縮応力層深さ（ＤＯＬ、単位はμｍ）は折原製作所社製表面応力計（ＦＳＭ−６０００）を用いて測定した。
表面圧縮応力値（ＣＳ、単位はＭＰａ）および圧縮応力層深さ（ＤＯＬ、単位はμｍ）は折原製作所社製表面応力計（ＦＳＭ−６０００）を用いて測定した。
下記各試験例のうち、例１〜例５、及び、例９〜例１２は実施例であり、例６〜例８、及び、例１３〜例１５は比較例である。
（例１）
ＳＵＳ製のカップに、表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウム９８００ｇを投入し、マントルヒーターで４５０℃まで加熱して、硝酸カリウム溶融塩を調製した。ここに硫酸カリウム２００ｇを添加し、硫酸カリウム２質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した。添加後のＭｇ２＋及びＣａ２＋量を表１に示す。なおＭｇ２＋量及びＣａ２＋量はＩＣＰ発光分光分析法により測定した。ＩＣＰ発光分光分析装置はエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製ＳＰＳ３１００を用いた。
下記組成のガラスＡ（ソーダライムガラス）（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．９５ｍｍ）を２００〜４００℃に予熱した後、４５０℃の溶融塩に２時間浸漬し、イオン交換処理した後、室温付近まで冷却することにより化学強化処理を行った。得られた化学強化ガラスは純水で洗浄した。
ガラスＡ組成（酸化物基準のモル％表示）：ＳｉＯ２ ７１．１％、Ａｌ２Ｏ３ １．１％、Ｎａ２Ｏ １２．４％、Ｋ２Ｏ ０．２％、ＭｇＯ ６．９％、ＣａＯ ８．３％
ＳＵＳ製のカップに、表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウム９８００ｇを投入し、マントルヒーターで４５０℃まで加熱して、硝酸カリウム溶融塩を調製した。ここに硫酸カリウム２００ｇを添加し、硫酸カリウム２質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した。添加後のＭｇ２＋及びＣａ２＋量を表１に示す。なおＭｇ２＋量及びＣａ２＋量はＩＣＰ発光分光分析法により測定した。ＩＣＰ発光分光分析装置はエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製ＳＰＳ３１００を用いた。
下記組成のガラスＡ（ソーダライムガラス）（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．９５ｍｍ）を２００〜４００℃に予熱した後、４５０℃の溶融塩に２時間浸漬し、イオン交換処理した後、室温付近まで冷却することにより化学強化処理を行った。得られた化学強化ガラスは純水で洗浄した。
ガラスＡ組成（酸化物基準のモル％表示）：ＳｉＯ２ ７１．１％、Ａｌ２Ｏ３ １．１％、Ｎａ２Ｏ １２．４％、Ｋ２Ｏ ０．２％、ＭｇＯ ６．９％、ＣａＯ ８．３％
（例２）
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例３）
硫酸カリウムに代えて炭酸カリウムを２００ｇ添加し、炭酸カリウム２質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
硫酸カリウムに代えて炭酸カリウムを２００ｇ添加し、炭酸カリウム２質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例４）
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例３と同様に、化学強化ガラスを得た。
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例３と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例５）
ガラスＡに代えて、下記組成のガラスＢ（アルミノシリケートガラス）（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．９５ｍｍ）を用いた以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
ガラスＢ組成（酸化物基準のモル％表示）：ＳｉＯ２ ６４．４％、Ａｌ２Ｏ３ ８．０％、Ｎａ２Ｏ １２．５％、Ｋ２Ｏ ４．０％、ＭｇＯ １０．５％、ＣａＯ ０．１％、ＳｒＯ ０．１％、ＢａＯ ０．１％、ＺｒＯ２ ０．５％
ガラスＡに代えて、下記組成のガラスＢ（アルミノシリケートガラス）（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．９５ｍｍ）を用いた以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
ガラスＢ組成（酸化物基準のモル％表示）：ＳｉＯ２ ６４．４％、Ａｌ２Ｏ３ ８．０％、Ｎａ２Ｏ １２．５％、Ｋ２Ｏ ４．０％、ＭｇＯ １０．５％、ＣａＯ ０．１％、ＳｒＯ ０．１％、ＢａＯ ０．１％、ＺｒＯ２ ０．５％
（例９）
ガラスＡに代えて、下記組成のガラスＣ（ソーダライムガラス）（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．７ｍｍ）を用いた以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
ガラスＣ組成（酸化物基準のモル％表示）：ＳｉＯ２ ６８．７４％、Ａｌ２Ｏ３ ２．９６％、Ｎａ２Ｏ １４．２０％、Ｋ２Ｏ ０．１５％、ＭｇＯ ６．１６％、ＣａＯ ７．７５％、ＳｒＯ ０．００％、ＢａＯ ０．００％、ＺｒＯ２ ０．００％、ＴｉＯ２ ０．０２％
ガラスＡに代えて、下記組成のガラスＣ（ソーダライムガラス）（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．７ｍｍ）を用いた以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
ガラスＣ組成（酸化物基準のモル％表示）：ＳｉＯ２ ６８．７４％、Ａｌ２Ｏ３ ２．９６％、Ｎａ２Ｏ １４．２０％、Ｋ２Ｏ ０．１５％、ＭｇＯ ６．１６％、ＣａＯ ７．７５％、ＳｒＯ ０．００％、ＢａＯ ０．００％、ＺｒＯ２ ０．００％、ＴｉＯ２ ０．０２％
（例１０）
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例９と同様に、化学強化ガラスを得た。
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例９と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例１１）
硫酸カリウムに代えて炭酸カリウムを２００ｇ添加し、炭酸カリウム２質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した以外は例９と同様に、化学強化ガラスを得た。
硫酸カリウムに代えて炭酸カリウムを２００ｇ添加し、炭酸カリウム２質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した以外は例９と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例１２）
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例１１と同様に、化学強化ガラスを得た。
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例１１と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例６）
硫酸カリウムを添加しなかった以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
硫酸カリウムを添加しなかった以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例７）
硫酸カリウムを添加しなかった以外は例２と同様に、化学強化ガラスを得た。
硫酸カリウムを添加しなかった以外は例２と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例８）
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用い、硫酸カリウムを添加しなかった以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用い、硫酸カリウムを添加しなかった以外は例１と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例１３）
硫酸カリウムを添加しなかった以外は例９と同様に、化学強化ガラスを得た。
硫酸カリウムを添加しなかった以外は例９と同様に、化学強化ガラスを得た。
（例１４、例１５）
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例１３と同様に、化学強化ガラスを得た。
表１に示す量のＭｇ２＋及びＣａ２＋を含む硝酸カリウムを用いた以外は例１３と同様に、化学強化ガラスを得た。
得られた化学強化ガラスの評価結果を表１に示す。
上記表１の結果より、例１、３、５、９および１１ではＭｇ２＋含有量が５質量ｐｐｍ以上の無機塩を用いても、ＣＳが５００ＭＰａ以上であるガラスが得られた。また、例２、４、１０および１２ではＣａ２＋含有量が５０質量ｐｐｍ以上の無機塩を用いても、ＣＳが５００ＭＰａ以上であるガラスが得られた。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１５年３月２７日出願の日本特許出願２０１５−０６７２２９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本出願は、２０１５年３月２７日出願の日本特許出願２０１５−０６７２２９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
Claims (3)
- 硝酸カリウムを含む無機塩とガラスとを接触させることによって、前記ガラス中のＮａと前記無機塩中のＫとをイオン交換する工程を含み、
前記イオン交換の前に、前記無機塩中に、ＳＯ４ ２−、ＣＯ３ ２−、ＨＣＯ３ −、ＰＯ４ ３−、ＨＰＯ４ ２−およびＨ２ＰＯ４ −からなる群より選ばれる少なくとも一種のアニオンを有する塩を添加する工程を有し、
前記添加前において、前記無機塩はＭｇ２＋およびＣａ２＋の少なくとも一方を含有し、Ｍｇ２＋含有量が５質量ｐｐｍ以上、および、Ｃａ２＋含有量が５０質量ｐｐｍ以上のいずれかの条件を満たす、化学強化ガラスの製造方法であって、
前記添加する塩がＳＯ ４ ２− を有する塩である化学強化ガラスの製造方法。 - 前記添加後の前記無機塩のうち、液体状態の液相塩のＭｇ２＋濃度は５質量ｐｐｍ未満であり、かつ、前記液相塩のＣａ２＋濃度は５０質量ｐｐｍ未満である、請求項１に記載の化学強化ガラスの製造方法。
- 前記ガラスが、酸化物基準のモル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を６７〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜５％、ＣａＯを１〜１５％含有し、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１０〜１８％であるガラスである、請求項１または請求項２に記載の化学強化ガラスの製造方法。
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