TWI413621B - A method of microwave assisted glass annealing - Google Patents

Description

利用微波輔助玻璃退火之方法

本發明是有關於一種利用微波輔助玻璃退火之方法，藉由活性碳粉末等微波吸收物質披覆玻璃，並控制微波功率以達到玻璃退火的目的，且提供較佳之成品品質及良率。

玻璃是一種經熔融、冷卻、固化而得到的非結晶流體，它的結構在原子、分子的尺寸內有一定的規則，但在巨觀範圍中卻呈無序狀態，使得玻璃具有下列獨特的性質：(1)等方向性：它的物理、化學性質在任一方向都是相同的。(2)無固定熔點：玻璃由液體轉變為固體是在某一溫度範圍內逐漸變化的，在這一範圍內可以用吹、拉、壓等多種方法成型。(3)組成和性能的可調性：玻璃的性能可隨成分在一定範圍內呈連續性的變化，因此藉由成分的調節，可使玻璃的性能滿足使用者的要求。

此外，玻璃工業係為一高溫(約1000℃~1,500℃熔解)、高耗能及高污染的資本密集工業，即使加入助熔劑也須要達到700℃~1000℃的高溫才能熔解，成型過程中經歷了激烈的溫度和形狀變化，這些變化會在玻璃內部留下熱應力，降低製品的強度和熱穩定性。

例如直接冷卻的玻璃，在後續的存放、運輸和使用過程中可能會自行破裂，俗稱「冷爆」。為了消除這一現 象，玻璃製品在成型後必須進行退火，也就是再加熱至某一溫度，保溫一段時間，然後再做充分的徐冷，以消除或減少玻璃中的熱應力。

目前，一般玻璃之冷卻步驟僅將高熱之玻璃置於室溫下或進入退火爐中，以消除或減少玻璃中的熱應力。藉由熱對流和輻射使玻璃漸漸降溫，其熱處理升溫時間受限於加熱體，可以衍生出一大堆缺點來，例如：

(1)加熱爐升溫及降溫麻煩，浪費時間：由室溫加熱至熱處理所需溫度之時間與完成退火後加熱爐降溫所需溫度之時間若能縮短，將可降低製造上的成本，與提高製程效率。

(2)能量無法完全集中在玻璃生胚：一般加熱爐加熱時，五成以上能量是經爐體所吸收而散失於大氣，實際上生胚所需退火能量不到三成，為達目的而浪費如此多的能量，不合經濟效益。

(3)加熱爐佔空間，且無機動性：加熱爐爐體龐大、重量重；若需搬動，將是一大問題。

(4)爐體設備成本高：徒增支出負擔與維護費用，若受分解物汙染，加熱體和耐火材易出問題。

(5)生胚形狀有使用上限制：若使用一般爐具，無法針對生胚尖凸處等易應力集中點，特別予以差別加熱，勢必降低其良率。

因此如何能有效快速與均勻加熱、縮短製程時間和節省能源，並能得到較好品質之成品，實是一個亟待解決之問題。

有鑑於習知技藝之各項問題，為了能夠兼顧解決之，本發明人基於多年研究開發與諸多實務經驗，提出一種利用微波輔助玻璃退火之方法，以作為改善上述缺點之實現方式與依據。

有鑑於此，本發明之目的就是在提供一種利用微波輔助玻璃退火之方法，以解決利用傳統加熱源使玻璃退火，而無法有效快速與均勻加熱、縮短製程時間和節省能源，並能得到較好品質之成品等問題。

根據本發明之目的，提出一種利用微波輔助玻璃退火之方法，其包含下列步驟：將一玻璃置於一微波環境中，一微波吸收物質覆蓋一玻璃；以微波加熱，透過此微波吸收物質吸收微波轉為熱能，再傳遞傳遞熱能至此玻璃，以提高此玻璃之溫度至第一預設溫度範圍；以及控制溫度過程以對此玻璃進行一徐冷退火處理程序。

茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。

以下將參照相關圖示，說明依本發明較佳實施例之 利用微波輔助玻璃退火之方法，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之步驟流程圖。圖中，此方法將以下列步驟來說明：

步驟10：將一玻璃置於一微波環境中，一微波吸收物質覆蓋一玻璃。

其中此玻璃係以矽酸鹽、鍺酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃等為主要成分，其更可包括含鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、鍶、鋇、鋁、鐵、矽、鍺、錫、鋅、硼、鉛和磷離子所組合的含氧化物等。其中，此微波吸收物質係為一多孔性含碳物質、碳、碳化物、氮化物、鈦酸鹽、氧化物、硫化物及其混合物或化合物等。

其中多孔性含碳物質可為椰殼活性碳粉、煤質活性碳粉、木質活性碳粉、竹碳粉等。其中，碳化物可為碳化矽(SiC)、碳化鈦(TiC)或碳化鎢(WC)等；而氮化物係可為氮化鈦(TiN)、氮化鋁(AlN)或氮化矽(Si3N4)等；而鈦酸鹽係可為鈦酸鉬、鈦酸鈣、鈦酸鍶或鈦酸鉛；而氧化物可為氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、氧化鈣錳(CaMnO3)、氧化鑭錳(LaMnO3)、二氧化錫(SnO2)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鎢鎂(MgWO4)、氧化鎂(MgO)、氧化鎳(NiO)、氧化鍶鈦(SrTiO3)或氧化鍶鋯(SrZrO3)等；而硫化物係可為硫化鐵(FeS)或硫化錳(MnS)等；而化合物係為三氧化二鐵(Fe2O3)-金屬氧化物(Metal Oxide)其可為三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鎳(NiO)、三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鈷(CoO)、三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鉬 (MoO)或三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鎂(MgO)或三氧化二鐵(Fe2O3)與其它正二價金屬(metal⁺²)氧化物之化合物等。

其中，三氧化二鐵(Fe2O3)可與氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、氧化鈷(MoO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銅CuO、氧化鋰(Li2O)、氧化鈣(CaO)、氧化鐵(FeO)、氧化硼(B2O)、氧化鉛(PbO)、氧化鍶(SrO)、三氧化二鑭(La2O3)、三氧化二鉻(Cr2O3)、二氧化錫(SnO2)、氧化鎢(WO3)等混合，該氧化物係氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、氧化鉬(MoO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銅(CuO)、氧化鋰(Li2O)、氧化鈣(CaO)、氧化鐵(FeO)、氧化硼(B2O)、氧化鉛(PbO)、氧化鍶(SrO)、三氧化二鑭(La2O3)、三氧化二鉻(Cr2O3)、二氧化錫(SnO2)或三氧化鎢(WO3)可單獨或混合使用。

此外，上述之氧化物可添加氧化鋰(Li2O)、三氧化二鑭(La2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鍶(SrO)二氧化鈦(TiO2)、五氧化二銻(Sb2O5)、五氧化二鉭(Ta2O5)或三氧化二鉻(Cr2O3)等化合物。

步驟11：以微波加熱，接著透過此物質吸收微波轉為熱能，再傳遞熱能至玻璃，以提高此玻璃之溫度至第一預設溫度範圍。

由於玻璃在室溫下為一固體型態，因此直接對玻璃微波加熱之效率較差，因此加入一微波吸收物質以作為間接加熱之介質，利用微波吸收物質所吸收微波之能量而產生弧光及能量集中之現象，使加熱介質溫度提升，再將熱能傳給玻璃以達到間接加熱之目的。

此外，所提供之微波波長範圍係介於10^-3m~10m。

步驟12：控制微波功率以對此玻璃進行一徐冷退火處理程序。

熱傳遞能量之方法有熱對流、熱傳導及熱輻射，而傳統對玻璃加熱之方法為利用熱對流及熱傳導，熱傳導及熱對流需藉由介質傳遞能量，因此距離熱源較近之受熱質與距離較遠之受熱質之溫度不易均勻。而本發明之微波以電磁輻射在腔體內高速反射傳播，直到被微波吸收介質轉成熱能，供給鄰近玻璃退火所需熱能，此方式熱能供給集中於玻璃，且分佈均勻，因此在退火程序時，可藉由逐漸降低微波處理裝置之微波功率等參數，提供予玻璃之能量也隨之降低，進而精確地控制降溫幅度，達到退火目的，亦即控制溫度過程之步驟係包含控制微波輸出功率和時間。

亦或，在退火程序時，可藉由控制微波開關或時間以使玻璃之溫度介於第二預設溫度範圍。也就是說，可以藉由停止發射微波予玻璃，直至玻璃之溫度下降至第二預設溫度範圍之下限時，在持續照射微波使玻璃之溫度上升，直至玻璃之溫度上升至第二預設溫度範圍之上限時，反覆重覆此開關步驟直到退火程序完成。

請參閱第2圖，其係為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之實施例之圖解示意圖。圖中，係將玻璃20均勻放置於微波處理裝置21內，而微波吸收物質以一活性碳粉末22來實施，藉由活性碳粉末22所吸收微波之能量， 使活性碳粉末22溫度提升，再將熱能傳給玻璃以達到間接加熱之目的。在退火程序中，利用調整功率調整器23改變微波功率，以達到所需之退火溫度，使玻璃因漸弱之微波功率而逐漸冷卻達到退火之目的，或藉由控制微波之開關使玻璃之溫度介於第二預設溫度範圍亦可達到退火之目的。

此外，在本發明所述之方法中，視需要更可加入一助熔劑，其至少包含鹼金和鹼土族元素的氧化物，可為碳酸鈉、硫酸鈉、硼酸鈉、碳酸鉀、磷酸鹽或硝酸鹽類等。

請參閱第3圖，其係繪示為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之玻璃尺寸與溫度關係圖。其中「▲」所組成之曲線代表編號A之玻璃尺寸為10mm X 10mm X 5mm，「█」所組成之曲線代表編號B之玻璃尺寸為10mm X 10mm X 3mm，「◆」所組成之曲線代表編號C之玻璃尺寸為10mm X 10mm X 2mm，由數據顯示當尺寸越大經同樣時間的微波後則溫度提升越多，這是由於尺寸較大能吸收微波之面積也就越多，所反射之微波也較少，即尺寸越大所遮蔽之面積較大，能吸收微波之能量也較多，提昇之溫度也相對較高。

請參閱第4圖，其係繪示為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之微波時間與溫度關係圖。其為一利用微波對玻璃加熱之實驗，數據顯示微波時間與玻璃基材溫度成一正比關係。證實確可藉由微波達到加熱玻璃之目的，因此在進行一退火程序時，可藉由降低微波之功 率來使玻璃徐冷退火，亦可藉由控制微波之開關使玻璃之溫度介於退火之溫度範圍，達到退火目的。

故利用本發明之方法來使玻璃達到退火之目的，不僅能降低成本及減少損耗能量，更可有效縮短製程時間。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10~12‧‧‧步驟流程

20‧‧‧玻璃

21‧‧‧微波處理裝置

22‧‧‧活性碳粉末

23‧‧‧功率控制器

第1圖 係為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之步驟流程圖；第2圖 係為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之實施例之圖解示意圖；第3圖 係為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之玻璃尺寸與溫度關係圖；以及第4圖 係為本發明之利用微波輔助玻璃退火之方法之微波時間與溫度關係圖。

10~12‧‧‧步驟流程

Claims (15)

1. 一種利用微波輔助玻璃退火之方法，包含下列步驟：將一玻璃置於一微波環境中，一微波吸收物質覆蓋該玻璃；以微波加熱，透過該微波吸收物質吸收微波轉為熱能，再傳遞熱能至該玻璃，以提高該玻璃至一第一預設溫度範圍，並供給該玻璃退火所需之熱能；以及藉由反覆重覆控制微波開關或時間，先降低該玻璃之溫度至一第二預設溫度範圍之下限，接著持續照射微波使該玻璃之溫度上升至該第二預設溫度範圍之上限，以使該玻璃進行一徐冷退火處理程序；其中，該微波吸收物質係為一多孔性含碳物質、碳、碳化物、氮化物、鈦酸鹽、氧化物、硫化物及其混合物或化合物，且該多孔性含碳物質為椰殼活性碳粉、煤質活性碳粉、木質活性碳粉或竹碳粉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該玻璃係以矽酸鹽、鍺酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃等為主要成分。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該玻璃更包含鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、鍶、鋇、鋁、鐵、矽、鍺、錫、鋅、硼、鉛和磷離子等所組合的固態非晶質含氧化合物。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該碳化物係為碳化矽(SiC)或碳化鈦(TiC)或碳化鎢(WC)等。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氮化物係為氮化鈦(TiN)、氮化鋁(AlN)或氮化矽(Si3N4)等。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該鈦酸鹽係為鈦酸鉬、鈦酸鈣、鈦酸鍶或鈦酸鉛等。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氧化物係為氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、氧化鈣錳(CaMnO3)、氧化鑭錳(LaMnO3)、二氧化錫(SnO2)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鎢鎂(MgWO4)、氧化鎂(MgO)、氧化鎳(NiO)、氧化鍶鈦(SrTiO3)或氧化鍶鋯(SrZrO3)等。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該硫化物係為硫化鐵(FeS)或硫化錳(MnS)等。
9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該化合物係為三氧化二鐵(Fe2O3)-金屬氧化物(Metal Oxide)其為三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鎳(NiO)、三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鈷(CoO)、三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鉬(MoO)或三氧化二鐵(Fe2O3)-氧化鎂(MgO)或三氧化二鐵(Fe2O3)與其它正二價金屬(metal⁺²)氧化物之化合物等。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該三氧化二鐵(Fe2O3)與氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、氧化鈷(MoO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銅CuO、氧化鋰(Li2O)、氧化鈣(CaO)、氧化鐵(FeO)、氧化硼(B2O)、氧化鉛(PbO)、氧化鍶(SrO)、三氧化二鑭(La2O3)、三氧化二鉻(Cr2O3)、二氧化錫(SnO2)、氧化鎢(WO3)等混合。
11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氧化物係為氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、氧化鉬(MoO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銅(CuO)、氧化鋰 (Li2O)、氧化鈣(CaO)、氧化鐵(FeO)、氧化硼(B2O)、氧化鉛(PbO)、氧化鍶(SrO)、三氧化二鑭(La2O3)、三氧化二鉻(Cr2O3)、二氧化錫(SnO2)或三氧化鎢(WO3)單獨或混合使用。
12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氧化物添加氧化鋰(Li2O)、三氧化二鑭(La2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鍶(SrO)二氧化鈦(TiO2)、五氧化二銻(Sb2O5)、五氧化二鉭(Ta2O5)或三氧化二鉻(Cr2O3)等化合物。
13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中更加入一助熔劑。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該助熔劑至少包含鹼金和鹼土族元素的氧化物，其為碳酸鈉、硫酸鈉、硼酸鈉、碳酸鉀、磷酸鹽或硝酸鹽類等。
15. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該微波波長範圍係介於10^-3m~10m。