TW201429909A - 用於玻璃容器的表面處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種玻璃容器(10)，及一種使用離子交換法化學修改玻璃容器之表面部分(22)的方法。將玻璃容器之至少一部分浸入或接觸包含至少一種第IA族鹼金屬之鹽且溫度為70至100℃的電解質水溶液，而將玻璃容器表面部分之可交換鹼金屬離子以電解質溶液中的鹼金屬離子交換或取代。

Description

用於玻璃容器的表面處理方法
本發明關於一種使用離子交換法處理玻璃容器表面的方法。
現已發展各離子交換法以修改玻璃表面。例如美國專利第3,844,754號揭示一種在玻璃表面上形成鹼金屬鹽固體層，然後將該玻璃物品及該固體層在高溫加熱以進行離子交換，而強化玻璃物品的方法。該鹼金屬鹽必須含有鹼金屬碳酸鹽，且可藉由將該玻璃物品通過退火徐冷窯被而將玻璃物品加熱至適當的高溫。
依照本發明之一態樣，本發明之一般目的為提供一種降低玻璃容器之反光，但不降低通過玻璃容器之透光率(即不降低容器之清晰度)的表面處理方法。依照本發明之另一態樣，本發明之一般目的為提供一種強化玻璃容器的表面處理方法。依照本發明之又一態樣，本發明之一般目的為提供一種用於玻璃容器的表面處理方法，其可用以製備用於後續塗布一種或以上的冷端塗料的玻璃容器。
本發明包括許多個可彼此分別或組合而實施之態樣。
本發明之一態樣提供一種用於玻璃容器的表面處理方法，其包含：將玻璃容器之至少一部分接觸電解質水溶液，然後將具有該電解質水溶液的玻璃容器加熱至70℃至100℃之間的溫度歷時足以將玻璃容器表面部分中的鹼金屬鹽離子以電解質溶液中的鹼金屬離子交換之時間。該電解質水溶液包含至少一種第IA族鹼金屬之鹽，且鹽質量比率為10-50%之範圍。
本發明之另一態樣提供一種製造鹼石灰-氧化矽(soda-lime-silica)玻璃容器的方法，其步驟包括：(a)形成玻璃容器；(b)將該玻璃容器退火；(c)將該玻璃容器之至少一部分浸入含有第IA族鹼金屬之鹽的電解質水溶液中；然後(d)對該玻璃容器的外表面塗布冷端塗料。該電解質水溶液具有70℃至100℃之間的溫度，及10-50%之範圍的鹽質量比率。將該玻璃容器浸入該電解質水溶液中而將玻璃容器表面部分之離子以電解溶液中的至少一部分鹼金屬離子交換。
本發明之又一態樣提供一種用於基於氧化矽之玻璃容器的表面處理方法，該玻璃容器包含鈉(Na+)與鈣(Ca2+)至少之一的可交換金屬離子。該表面處理方法包括：將玻璃容器之至少一部分接觸包含第IA族鹼金屬離子之電解質水溶液，歷時足以將該基於氧化矽之玻璃容器中的至少一部分可交換金屬離子以電解質水溶液中的至少一部分第IA族鹼金屬離子交換之時間。該電解質水 溶液具有70℃至100℃之間的溫度，且包含離子半徑大於鈉(Na+)或鈣(Ca2+)離子之第IA族鹼金屬離子。
10‧‧‧玻璃容器
12‧‧‧基座壁
14‧‧‧側壁
16‧‧‧頸部
18‧‧‧內表面
20‧‧‧外表面
22‧‧‧表面部分
本發明連同其額外的目的、特點、優點、及態樣，可由以下的說明、附帶的申請專利範圍、及附圖而最佳地了解，其中：第1圖為本發明之一例示性具體實施例的玻璃容器之側視圖；第2圖為第1圖的玻璃容器之橫切面圖；第3圖為取自第2圖之圓圈3的部分玻璃容器之放大橫切面圖；第4圖描述未處理鹼石灰-氧化矽玻璃基板(標為「參考」)、及經本發明離子交換法之一例示性具體實施例處理的鹼石灰-氧化矽玻璃基板(標為「樣品」)之透光率(%)為波長(奈米)的函數之圖；及第5圖描述未處理鹼石灰-氧化矽玻璃基板(標為「參考」)、及兩種經本發明離子交換法之例示性具體實施例處理的鹼石灰-氧化矽玻璃基板(標為「樣品1」及「樣品2」)的累積失效機率(%)相對於施力(牛頓)之魏普(Weibull)圖。
第1圖描述玻璃容器10之一例示性具體實施例，其可依照以下所揭示的製造方法製造。玻璃容器10包括基座壁12、與基座壁12整合而形成的連續側壁14、及從側壁14延伸的頸部16。如第2圖所示，玻璃容器 10為中空，且具有內表面18及外表面20。玻璃容器10的基座壁12、側壁14、及/或頸部16之合適厚度(從內表面18測量至外表面20，或反之)為1-5毫米之範圍。
第3圖為取自玻璃容器10的一部分側壁14之放大橫切面圖，且描述已藉離子交換法化學修改玻璃容器10的表面部分22，其中表面部分22中的可交換鹼金屬離子係被離子半徑更小或更大的鹼金屬離子交換或取代。以此方式修改玻璃容器10的表面部分22，則玻璃容器10的表面粗度增加且玻璃容器10的總反光降低。另外，當表面部分22中的可交換鹼金屬離子被離子半徑更大的鹼金屬離子交換或取代時，在玻璃容器10的表面部分22形成壓縮應力層，其改良玻璃容器之總強度。
在第3圖之例示性具體實施例中，經化學修改表面22係從玻璃容器10的外表面20延伸。但是在其他具體實施例中，玻璃容器10的內表面18、或玻璃容器10的內與外表面18、20，均可被本發明之離子交換法化學修改。
玻璃容器較佳為由基於無機氧化矽之玻璃製成，如鹼石灰-氧化矽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、或鋁矽酸鹽玻璃。
較佳的鹼石灰-氧化矽玻璃組成物可包含重量為以下範圍之以下材料：60-75% SiO2 7-15% Na2O 6-12% CaO 0.1-3% Al2O3 0-2% MgO 0-2% K2O。
較佳的硼矽酸鹽玻璃組成物可包含重量為以下範圍之以下材料：70-85% SiO2 8-15% B2O3 3-5% Na2O 2-3% Al2O3 0-1% K2O。
較佳的鋁矽酸鹽玻璃組成物可包含重量為以下範圍之以下材料：50-65% SiO2 20-40% Al2O3 7-12% MgO 5-10% CaO 3-4% B2O3 0-1% Na2O。
玻璃容器亦可包括相當少量的其他材料。例如玻璃容器可包括少量TiO2、Fe2O3等。此材料可為用以製造玻璃容器之原料中的添加劑及/或雜質。此材料可以微量存在於玻璃容器中，例如玻璃容器中的其他材料之質量比率可小於0.2%。
玻璃容器可藉任何合適的方法製造。例如玻 璃容器可在連續操作的玻璃製造設施中製造，其一般包括具有引入原料之上游端、及從其分配熔融玻璃之下游端的玻璃爐。組成及熔化製造玻璃容器之例示性條件及步驟可在例如Fay V.Tooley之玻璃製造手冊(The Handbook of Glass Manufacture)(第3版，Ashlee Publishing 1984)中發現。
在習知的玻璃容器製造設施中，熔融玻璃從玻璃爐穿越通過一個或以上的前爐至複數個成形機，其剪下已稱重的熔融玻璃「膏球」。將該玻璃膏球裝載至成形機之個別段，在此按所欲容器設計而模塑。然後將玻璃容器傳送通過退火徐冷窯，在此將其依照預定溫度線圖重新加熱及緩慢冷卻，而移除應力點及防止玻璃容器變脆。
玻璃容器製造方法(例如玻璃熔化、成形、及退火程序)之上游部分一般稱為「熱端」程序，而下游部分(例如玻璃容器檢查、貼標籤、及包裝程序)一般稱為「冷端」程序。習知上將二氧化錫(SnO2)或二氧化鈦(TiO2)塗料在新形成的玻璃容器通過退火徐冷窯之前塗布，且此塗料常稱為「熱端塗料」。此熱端塗料通常設計為保護玻璃容器表面不受損，及製備用於後續塗布一種或以上的「冷端塗料」之容器，其一般在玻璃容器離開退火徐冷窯之後塗布。冷端塗料係設計為保護玻璃容器表面不受損，及防止容器在輸送帶上運輸時黏附在一起。
依照本發明之具體實施例，將新形成且已退 火的玻璃容器之一個或以上的表面，在將玻璃容器塗以冷端塗料之前，藉離子交換法化學修改。本發明之表面處理方法增加玻璃容器之表面粗度，因此適當製備用於後續塗布冷端塗料之玻璃容器。因而本發明之表面處理方法可對未塗覆玻璃容器實行而製備用以塗布一種或以上的冷端塗料之容器。在此情形，塗布二氧化錫(SnO2)或二氧化鈦(TiO2)熱端塗料可能不必要。
本發明之表面處理方法包括將玻璃容器之至少一部分浸入電解質水溶液中，而將玻璃容器表面部分之可交換離子以電解質溶液中的鹼金屬離子交換或取代。
合適的電解質水溶液包含至少一種第IA族鹼金屬之鹽。例如電解質溶液可包含鋰(Li)、鈉(Na)及/或鉀(K)之氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽及/或碳酸鹽。電解質溶液中的鹼金屬鹽之質量比率可為約30%。例如電解質溶液中的鹼金屬鹽之質量比率可為10-50%之範圍。玻璃容器表面部分之可交換金屬離子可包括鈉離子(Na+)及/或鈣離子(Ca2+)。在浸入程序期間，玻璃容器表面部分之一些鈉離子(Na+)及/或鈣離子(Ca2+)被電解質溶液中的一些鋰(Li+)、鈉(Na+)及/或鉀(K+)離子交換或取代。
玻璃容器被浸入適當加熱的電解質溶液中歷時足以形成經離子交換或經處理的表面部分之時間，該表面蔀分從玻璃容器的內表面或外表面延伸約50微米之深度。例如可實行離子交換法而形成經處理表面部分，其從玻璃容器的內或外表面延伸1-100微米之範圍 的深度。適當加熱的電解質溶液可具有約75℃之溫度。例如在離子交換程序期間可將電解質溶液之溫度維持在70℃至100℃之間。玻璃容器可被浸入適當加熱的電解質溶液中歷時約24小時。例如玻璃容器可被浸入電解質溶液中歷時約10小時至30小時之間的時間，而形成適當深度的經離子交換或處理表面部分。
在離子交換程序期間可將全部玻璃容器或僅其一部分浸入電解質溶液中。在一具體實施例中，將玻璃容器浸入電解質溶液中而使玻璃容器之外表面或內表面接觸電解質溶液。在另一具體實施例中，將玻璃容器浸入電解質溶液中而使玻璃容器之外表面與內表面均接觸電解質溶液。在又一具體實施例中，將遮罩置於玻璃容器上而使僅玻璃容器之特定部分接觸電解質溶液。
本發明之表面處理方法可進一步包括將玻璃容器從電解質溶液移除，且將玻璃容器以液體(例如水)清洗或洗滌而從經處理表面移除任何殘餘電解質溶液。清洗係在玻璃容器已冷卻至室溫(例如20℃至30℃之間)之後適當實行。用以清洗玻璃容器之液體的溫度可為20℃至100℃之間。
在已將玻璃容器以本發明之離子交換法處理之後，可對其塗布一種或以上的冷端塗料。合適的冷端塗料包括聚乙烯、硬脂酸酯、及/或油酸塗料。
經處理玻璃容器可經任何合適的方式檢查任何合適的特徵。例如可人工或自動檢查玻璃容器的裂痕、夾雜物、表面不規則及/或其相似物。在檢查後可將 經處理玻璃容器以任何合適方式貼標籤及/或包裝。
該製造方法可或不包括全部在此所揭示的步驟，且所揭示的步驟可或不按照上述順序實行。
本發明可對所屬技術領域提供一種或以上的進展。例如本發明之表面處理方法可用以降低鹼石灰玻璃玻璃容器之總反光。另一實例為本發明之表面處理方法可用以增加通過玻璃容器之透光率。又一實例為本發明之表面處理方法可用以改良玻璃容器之機械強度。
各種基於氧化矽之塗料均可用以降低鹼石灰-氧化矽玻璃容器之反光。然而，市售基於氧化矽之塗料昂貴，且必須在將其均勻塗布於玻璃容器之後，例如藉由將經塗覆玻璃容器在高溫爐中加熱，或者藉由將玻璃容器暴露於紫外線(UV)光，以製造固態功能塗層而固化。此方法消耗大量能量，完成要花費長時間，且增加製造成本。但是本發明之表面處理方法可在相對低溫以單一步驟實行而無需昂貴的塗覆材料。因此，本發明之表面處理方法對玻璃容器製造技藝之已知問題提供簡單的解答。
〔實施例〕
使用例示性電解質配方處理許多個厚度為3.2毫米之2”×2”鹼石灰玻璃基板。然後測量各經處理玻璃基板之透光率及強度。未處理鹼石灰玻璃基板有90.22%之550奈米入射光穿透，且波長為400奈米至1250奈米之間的入射光有平均82.96%穿透。未處理鹼石灰玻璃基板(標為「參考」)之透光率(%)為波長(奈米) 的函數之圖示於第4圖，及未處理鹼石灰玻璃基板之累積失效機率(%)相對於施力(牛頓)之魏普(Weibull)圖使用圓形資料標記(亦標為「參考」)示於第5圖。
〔實施例1〕
將200克之氯化鋰(LiCl)、與100克之硝酸鉀(KNO3)溶於700毫升之去離子水，而製備本發明之另一具體實施例的例示性電解質溶液。將2”×2”玻璃基板浸入該電解質溶液，然後將溶液加熱至約75℃之溫度。在24小時後，將該玻璃基板從電解質溶液移除，以去離子水清洗或洗滌，及風乾15分鐘。然後使用PerkinElmer Lambda 900 UV/VIS/NIR光譜光度計測量通過經處理玻璃基板之透光率。另外，使用Shimadzu之機電通用測試機(Electromechanical Universal Testing Machine)AGS-X-5kN進行環對環(ring-on-ring)測試而評定經處理玻璃基板之強度。
經實施例1之方法處理的玻璃基板有90.34%之550奈米入射光穿透，且波長為400奈米至1250奈米之間的入射光有平均83.13%穿透。因此，可適當使用實施例1之二元(LiCl-KNO3)電解質溶液將穿透通過鹼石灰玻璃基板之光量增加0.17%。
經實施例1之方法處理的鹼石灰玻璃基板之累積失效機率(%)相對於施力(牛頓)之魏普圖使用鑽石形資料標記(標為「樣品1」)示於第5圖。該魏普圖顯示，實施例1之二元(LiCl-KNO3)電解質溶液不明顯影響鹼石灰玻璃基板之強度。
〔實施例2〕
將200克之硝酸鉀(KNO3)、與100克之氯化鉀(KCl)溶於700毫升之去離子水，而製備本發明之又一具體實施例的例示性電解質溶液。將2”×2”玻璃基板浸入該電解質溶液，然後將溶液加熱至約75℃之溫度。在24小時後，將該玻璃基板從電解質溶液移除，以去離子水清洗或洗滌，及風乾15分鐘。然後使用PerkinElmer Lambda 900 UV/VIS/NIR光譜光度計測量通過經處理玻璃基板之透光率。另外，使用Shimadzu之機電通用測試機(Electromechanical Universal Testing Machine)AGS-X-5kN實行環對環測試而評定經處理玻璃基板之強度。
經實施例2之方法處理的鹼石灰玻璃基板(標為「樣品」)之透光率(%)為波長(奈米)的函數之圖示於第4圖。以此方法處理的玻璃基板有96.11%之550奈米入射光穿透，且波長為400奈米至1250奈米之間的入射光有平均87.91%穿透。因此，可適當使用實施例2之二元(KNO3-KCl)電解質溶液將通過鹼石灰玻璃基板之總透光率增加4.94%。另外，相較於實施例1，此實施例顯示使用含有鉀(K+1)之鹼金屬離子的電解質溶液可使通過鹼石灰玻璃基板之透光率比含有鉀(K+1)與鋰(Li+1)之鹼金屬離子的電解質溶液增加更多。
經實施例2之方法處理的鹼石灰玻璃基板之累積失效機率(%)相對於施力(牛頓)之魏普圖使用三角形資料標記(標為「樣品2」)示於第5圖。該魏普圖 顯示，實施例2之二元(KNO3-KCl)電解質溶液可用以增加鹼石灰玻璃基板之強度。
將基板加熱至490℃之溫度歷時2.5小時，而測試經實施例2之方法處理的鹼石灰玻璃基板之熱安定性。然後再度測量通過該玻璃基板之透光率。亦經經實施例2之方法處理的熱處理鹼石灰玻璃基板有96.33%之550奈米入射光穿透，且波長為400奈米至1250奈米之間的入射光有平均87.33%穿透。因而由實施例2之方法賦與玻璃基板之抗反射性質為熱安定性。
因此已揭示至少部分滿足一個或以上的前述目的及目標之用於玻璃容器的表面處理方法。本發明已結合許多例示性具體實施例而表現，且已討論額外的修改及變化。參考以上的討論，則其他的修改及變化將自行建議給所屬技術領域者。
10‧‧‧玻璃容器
12‧‧‧基座壁
14‧‧‧側壁
16‧‧‧頸部
18‧‧‧內表面
20‧‧‧外表面
22‧‧‧表面部分

Claims (13)

  1. 一種用於玻璃容器(10)的表面處理方法，其包含：將該玻璃容器之至少一部分接觸包含至少一種第IA族鹼金屬之鹽的電解質水溶液，該電解質水溶液具有10-50%之範圍的鹽質量比率；及然後將具有該電解質水溶液的該玻璃容器加熱至70℃至100℃之間的溫度，歷時足以將該玻璃容器表面部分(22)之鹼金屬離子以該電解質溶液中的鹼金屬離子交換之時間。
  2. 如請求項第1項所述之方法，其進一步包含：將該玻璃容器從該電解質水溶液移除；及然後將該玻璃容器以液體洗滌而從其移除任何殘留鹽。
  3. 如請求項第1項所述之方法，其中將具有該電解質水溶液的該玻璃容器加熱10小時至30小時。
  4. 如請求項第1項所述之方法，其中該電解質溶液中的鹼金屬離子包括鋰(Li+)、鈉(Na+)、鉀(K+)、或其組合。
  5. 如請求項第1項所述之方法，其中該至少一種第IA族鹼金屬之鹽包括氯化鋰(LiCl)、硝酸鋰(LiNO3)、硫酸鋰(Li2SO4)、碳酸鋰(Li2CO3)、氯化鉀(KCl)、硝酸鉀(KNO3)、硫酸鉀(K2SO4)、碳酸鉀(K2CO3)、或其組合。
  6. 如請求項第1項所述之方法，其中該玻璃容器係由鹼石灰-氧化矽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、或鋁矽酸鹽玻璃製成。
  7. 如請求項第6項所述之方法，其中將具有該電解質水溶液的該玻璃容器加熱，歷時足以將該玻璃容器表面部分之鈉離子(Na+)以該電解質溶液中的鉀離子(K+)交換之時間。
  8. 一種玻璃容器，其係由如請求項第1項所述之方法製造。
  9. 一種用於包含鈉(Na+)、鈣(Ca2+)、或鈉與鈣之可交換金屬離子的基於氧化矽之玻璃容器(10)的表面處理方法，該表面處理方法包括：將該玻璃容器之至少一部分接觸溫度為70℃至100℃之間，且包含離子半徑大於鈉(Na+)或鈣(Ca2+)之第IA族鹼金屬離子的電解質水溶液；及將該玻璃容器與該電解質水溶液之間的接觸維持足以將該基於氧化矽之玻璃容器的至少一部分可交換金屬離子以該電解質水溶液中的至少一部分第IA族鹼金屬離子交換之時間。
  10. 如請求項第9項所述之方法，其中該電解質水溶液中的第IA族鹼金屬離子為鉀離子(K+1)。
  11. 如請求項第9項所述之方法，其中將該玻璃容器接觸該電解質水溶液，持續足以在該玻璃容器表面部分(22)形成壓縮應力層之時間。
  12. 一種基於氧化矽之玻璃容器，其係由如請求項第18項所述之方法製造，其中在該玻璃容器的該表面部分所形成的該壓縮應力層從該玻璃容器的內表面或外表面延伸1-100微米之範圍的深度。
  13. 一種基於氧化矽之玻璃容器，其係由如請求項第9項所述之方法製造。
TW102142759A 2012-11-30 2013-11-25 用於玻璃容器的表面處理方法 TW201429909A (zh)

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