專利名稱：一種用于玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)的熔鹽及其應(yīng)用工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特種玻璃及其制造領(lǐng)域，尤其涉及一種可應(yīng)用于高速列車車窗玻璃化 學(xué)鋼化增強(qiáng)的熔鹽，及使用該熔鹽對(duì)車窗玻璃進(jìn)行鋼化增強(qiáng)的工藝。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)高速鐵路交通系統(tǒng)的建設(shè)，動(dòng)車組向高速化發(fā)展。動(dòng)車組技術(shù)的推進(jìn)以 及速度的提高，對(duì)車窗玻璃等關(guān)鍵部件可靠性提出了更高的要求。目前主要的玻璃鋼化增強(qiáng)工藝主要有物理鋼化和化學(xué)鋼化兩種?；瘜W(xué)鋼化相比物 理鋼化工藝，能夠獲得更高的表面壓力，更大面積的強(qiáng)化層，從而得到更高的強(qiáng)度和更好的 力學(xué)性能；此外，化學(xué)鋼化工藝并不會(huì)改變玻璃的光學(xué)性能，同時(shí)能夠?qū)^薄的玻璃及外形 復(fù)雜的玻璃進(jìn)行鋼化，并且化學(xué)鋼化避免了物理鋼化會(huì)出現(xiàn)的自爆現(xiàn)象，安全性更高，因而 化學(xué)鋼化工藝主要工業(yè)應(yīng)用在于制造飛機(jī)等航天器的座艙玻璃以及高速列車的玻璃等要 求苛刻的領(lǐng)域。關(guān)于玻璃化學(xué)鋼相關(guān)的專利和文獻(xiàn)報(bào)道較少。法國(guó)圣戈班(Saint-Gobain) 集團(tuán)在玻璃生產(chǎn)制造領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，該集團(tuán)旗下的研究機(jī)構(gòu)Saint-Gobain Recherche (圣戈班研究院)發(fā)表在《MaterialsScience and Engineering B》(材料科學(xué) 與工程 B 冊(cè))2008 年 149 卷 159 165 頁(yè)的綜述文章 “Review Ion exchange for glass strengthening”( “文獻(xiàn)綜述離子交換法在玻璃鋼化中的應(yīng)用”)，對(duì)化學(xué)鋼化玻璃的工藝 及其對(duì)玻璃性能的影響進(jìn)行了較為全面的歸納，但未給出具體配方和工藝條件。中國(guó)發(fā)明 專利CN 1369449A公開了通過一種基于化學(xué)鋼化與表面處理表面保護(hù)相結(jié)合的玻璃綜合 增強(qiáng)法將普通平板玻璃的彎曲強(qiáng)度提高到IOOOMPa以上。但該專利實(shí)施過程中要求最佳的 化學(xué)鋼化工藝參數(shù)為450°C下交換20小時(shí)，交換時(shí)間過長(zhǎng)。在實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)中，該方法能 耗較大，效率較低。中國(guó)發(fā)明專利CN 1381415公開了通過配制含有硅藻土、三氧化二鋁、氫 氧化鉀的硝酸鉀混合熔鹽的方法，使鋼化玻璃的表面應(yīng)力提高到普通玻璃的6 10倍。但 這種方法在操作過程中，不但要求混合鹽要經(jīng)歷兩次升溫融化過程，而且要求熔鹽要有較 長(zhǎng)的保溫時(shí)間(總計(jì)5小時(shí))，在實(shí)際生產(chǎn)過程中能耗較大。此外，該專利著重強(qiáng)調(diào)其配制 的熔鹽加速了離子交換速度，獲得了光學(xué)畸變小力學(xué)性能好的鋼化玻璃；然而相較于其他 方法獲得的鋼化玻璃，通過該方法獲得鋼化玻璃力學(xué)性能并未得到十分突出的改善。目前 來看，專門針對(duì)高速列車車窗用的化學(xué)鋼化玻璃進(jìn)行的研究報(bào)道比較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)的熔鹽及其應(yīng)用工藝，可專門針對(duì)高 速列車用車窗玻璃的化學(xué)鋼化。本發(fā)明的經(jīng)處理后的玻璃板，具有較高的抗彎、抗壓強(qiáng)度 以及較大的彎曲、壓縮彈性模量；此外，通過合理配合熔鹽成分達(dá)到加速離子交換速率的目 的，從而彌補(bǔ)了一般化學(xué)鋼化工藝交換反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)的不足，使得生產(chǎn)能耗得以降低。本發(fā)明的熔鹽采用KNO3為主鹽，輔助鹽中添加Al2O3作為穩(wěn)定成分，添加KCl、K2CO3
3成分通過誘導(dǎo)作用使得離子交換反應(yīng)得到加快，添加KOH不但對(duì)玻璃表面進(jìn)行二次腐蝕出 去玻璃表面原有的微裂紋等缺陷，還通過OH—的較強(qiáng)的極性增加擴(kuò)散反應(yīng)的推動(dòng)力，加速離 子交換反應(yīng)。以上輔助鹽的添加使得化學(xué)鋼化可以在較短時(shí)間內(nèi)完成，并且獲得均勻良好 的鋼化效果。一種用于玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)的熔鹽，包含主鹽和輔助鹽，所述的主鹽組分為 KNO3,所述的輔助鹽組分中包括2 % 6 %的A1203、0. 3 % 3 %的KCl、1 % 6 %的K2CO3及 不超過的Κ0Η。上述百分比為輔助鹽中相應(yīng)組分的質(zhì)量對(duì)主鹽質(zhì)量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。一種使用上述熔鹽對(duì)玻璃進(jìn)行化學(xué)鋼化增強(qiáng)的工藝，包括以下步驟(1)將玻璃板放入腐蝕性酸洗液中用超聲清洗10 15分鐘，然后分別在去離子 水、無(wú)水乙醇中超聲清洗30分鐘，得到干凈的玻璃板烘干存放。所述的腐蝕性酸洗液優(yōu)選 為鉻酸洗液。(2)按前面所述的配方和比例進(jìn)行混合鹽配制，將配制好的混合鹽混合均勻，放入 溫控電爐中，電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至400°C，之后保溫30分鐘，獲得熔鹽。(3)將經(jīng)步驟(1)處理得到的玻璃板進(jìn)行預(yù)熱處理，具體處理方法為玻璃板放入 溫控電爐中，電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至400°C，之后保溫30分鐘。(4)將經(jīng)步驟(3)預(yù)熱處理后的玻璃板浸沒入步驟(2)獲得的熔鹽中，并將爐溫迅 速升至450°C 500°C，保溫5 6個(gè)小時(shí)。(5)取出經(jīng)步驟⑷處理的玻璃板，在23°C 士3°C的環(huán)境中緩慢冷卻，即得到經(jīng)化 學(xué)鋼化工藝增強(qiáng)的用于高速列車的車窗玻璃。采用本發(fā)明上述配方的熔鹽及使用該熔鹽的增強(qiáng)工藝，可以獲得抗壓強(qiáng)度介于 550MPa 700MPa，壓縮彈性模量介于3200MPa 3700MPa，抗彎強(qiáng)度介于320MPa 380MPa， 彎曲彈性模量介于730MPa 760MPa的化學(xué)鋼化玻璃；此外，所獲得的化學(xué)鋼化玻璃在 400nm 1500nm波段有較高的透過率(90%左右)和較低的吸光度(0. 04 0. 05)；對(duì)紫 外光(300nm 400nm)具有較強(qiáng)的吸收和反射作用，符合高速列車車窗玻璃的光學(xué)性能要 求。與此同時(shí)，該配方的熔鹽及其增強(qiáng)工藝將交換反應(yīng)時(shí)間控制在5 6小時(shí)，有效地降低 了能耗，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和節(jié)約成本。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將玻璃板放入鉻酸洗液中用超聲清洗10分鐘，然后分別在去離子水、無(wú)水乙醇中 超聲清洗，得到干凈的玻璃板烘干存放。配制成分包含主鹽和輔助鹽的混合鹽，其中，主鹽組分KNO3 100重量份，輔助鹽組 分=Al2O3 3重量份、KCl 0. 3重量份、K2CO3 4重量份、KOH 0. 7重量份。將配制好的混合鹽研磨變細(xì)并混合均勻。將配制并研磨混合后的混合鹽放入溫控電爐中，電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至 400°C，之后保溫30分鐘，獲得熔鹽。將經(jīng)過預(yù)腐蝕處理的玻璃板進(jìn)行預(yù)熱處理，具體處理 方法為在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至400°C，之后保溫30分鐘。將經(jīng)過預(yù)熱的玻璃板浸沒入熔鹽中，并將爐溫迅速升至500°C，保溫5個(gè)小時(shí)。取 出玻璃板，在23°C 士3°C的環(huán)境中緩慢冷卻。即得到一種經(jīng)化學(xué)鋼化工藝增強(qiáng)的玻璃。
將獲得的鋼化玻璃依次用去離子水、無(wú)水乙醇超聲波清洗各10分鐘，烘干后使用 SANS微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行抗壓、抗折力學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試獲得的抗壓、抗折強(qiáng) 度和壓縮、彎曲彈性模量如附表中編號(hào)1樣品所示。實(shí)施例2將玻璃板放入鉻酸洗液中用超聲清洗15分鐘，然后分別在去離子水、無(wú)水乙醇中 超聲清洗，得到干凈的玻璃板烘干存放。配制成分包含主鹽和輔助鹽的混合鹽。其中，主鹽組分KNO3IOO重量份，輔助鹽組 分=Al2O3 4重量份、KCl 2重量份、K2CO3 2重量份、KOHO· 9重量份。將配制好的混合鹽研磨變細(xì)并混合均勻。將配制并研磨混合后的混合鹽放入溫控電爐中，電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至 400°C，之后保溫30分鐘，獲得熔鹽。將經(jīng)過預(yù)腐蝕處理的玻璃板進(jìn)行預(yù)熱處理，具體處理 方法為隨玻璃板放入溫控電爐中，電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至400°C，之后保溫30分鐘。將經(jīng)過預(yù)熱的玻璃板浸沒入熔鹽中，并將爐溫迅速升至500°C，保溫5個(gè)小時(shí)。取 出玻璃板，在23°C 士3°C的環(huán)境中緩慢冷卻。即得到一種經(jīng)化學(xué)鋼化工藝增強(qiáng)的玻璃。將獲得的鋼化玻璃依次用去離子水、無(wú)水乙醇超聲波清洗各10分鐘，烘干后使用 SANS微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行抗壓、抗折力學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試獲得的抗壓、抗折強(qiáng) 度和壓縮、彎曲彈性模量如附表中編號(hào)2樣品所示。實(shí)施例3將玻璃板放入鉻酸洗液中用超聲清洗15分鐘，然后分別在去離子水、無(wú)水乙醇中 超聲清洗，得到干凈的玻璃板烘干存放。配制成分包含主鹽和輔助鹽的混合鹽。其中，主鹽組分KNO3IOO重量份，輔助鹽組 分=Al2O3 3重量份、KCl 1重量份、K2CO3 2重量份、KOH 0. 3重量份。將配制好的混合鹽研磨變細(xì)并混合均勻。將配制并研磨混合后的混合鹽放入溫控電爐中，電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至 400°C，之后保溫30分鐘，獲得熔鹽。將經(jīng)過預(yù)腐蝕處理的玻璃板進(jìn)行預(yù)熱處理，具體處理 方法為玻璃板放入溫控電爐中，電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至400°C，之后保溫30分鐘。將經(jīng)過預(yù)熱的玻璃板浸沒入熔鹽中，并將爐溫迅速升至500°C，保溫6個(gè)小時(shí)。取 出玻璃板，在23°C 士3°C的環(huán)境中緩慢冷卻。即得到一種經(jīng)化學(xué)鋼化工藝增強(qiáng)的玻璃。將獲得的鋼化玻璃依次用去離子水、無(wú)水乙醇超聲波清洗各10分鐘，烘干后使用 SANS微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行抗壓、抗折力學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試獲得的抗壓、抗折強(qiáng) 度和壓縮、彎曲彈性模量如附表中編號(hào)3樣品所示。附表各實(shí)施例的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
權(quán)利要求
一種用于玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)的熔鹽，包括主鹽和輔助鹽，其特征在于所述的主鹽為KNO3，以主鹽組分為100份重量計(jì)，所述輔助鹽包括Al2O3 2～6重量份KCl 0.3～3重量份K2CO3 1～6重量份KOH ≤1重量份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速列車車窗玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)的熔鹽，其特征在 于所述的主鹽為KNO3,以主鹽組分為100份重量計(jì)，所述的輔鹽包括Al2O33重量份KCl1重量份K2CO32重量份KOH( 1重量份。
3.一種玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)工藝，其特征在于包括以下步驟(1)將玻璃板放入腐蝕性酸洗液中用超聲清洗10 15分鐘，然后分別在去離子水、無(wú) 水乙醇中超聲清洗，得到干凈的玻璃板烘干存放。(2)按下述配方配制包含主鹽和輔助鹽的混合鹽所述的主鹽為KNO3,以主鹽組分為100份重量計(jì)，所述輔助鹽包括Al2O32 6重量份KCl0. 3 3重量份K2CO31 6重量份KOH≤1重量份；將配制好的混合鹽混合均勻，放入溫控電爐中加熱處理使之熔化，獲得熔鹽；(3)將經(jīng)步驟(1)處理獲得的玻璃板進(jìn)行預(yù)熱處理；(4)將經(jīng)步驟(3)的玻璃板浸沒入步驟(2)獲得的熔鹽中，并將爐溫迅速升至450°C 500°C，保溫5 6個(gè)小時(shí)；(5)取出經(jīng)步驟(4)處理的玻璃板，在23°C士3°C的環(huán)境中緩慢冷卻，即得到經(jīng)化學(xué)鋼 化工藝增強(qiáng)的玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)工藝，其特征在于步驟(1)中所述的 玻璃板為普通的Na-Ca-Si系平板玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)工藝，其特征在于步驟(1)中在去離 子水、無(wú)水乙醇中的超聲清洗時(shí)間各為30分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)工藝，其特征在于步驟(2)中所述的 加熱處理的具體處理方法為電爐在30分鐘內(nèi)從室溫升溫至400°C，之后保溫30分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)工藝，其特征在于步驟(3)中所述的 預(yù)熱處理的具體處理方法為將經(jīng)步驟(1)處理獲得的玻璃板放入溫控電爐中，電爐在30 分鐘內(nèi)從室溫升溫至40(TC，之后保溫30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可用于玻璃化學(xué)鋼化增強(qiáng)的熔鹽，該熔鹽包括主鹽KNO3和以一定比例混合的輔助鹽Al2O3、KCl、K2CO3和KOH。本發(fā)明還提供了一種將上述熔鹽應(yīng)用于普通Na-Ca-Si系平板玻璃的化學(xué)鋼化增強(qiáng)的工藝，通過控制離子交換反應(yīng)溫度、時(shí)間等工藝條件，并在離子交換反應(yīng)之前引入了特定的酸腐蝕增強(qiáng)工藝，使之與離子交換反應(yīng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)化學(xué)鋼化增強(qiáng)。使用本發(fā)明的熔鹽和增強(qiáng)工藝對(duì)普通Na-Ca-Si系平板玻璃進(jìn)行化學(xué)鋼化增強(qiáng)，可大幅度提高玻璃的抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量、抗彎強(qiáng)度和彎曲彈性模量，同時(shí)大大縮短了化學(xué)鋼化所需的時(shí)間，降低了化學(xué)鋼化的溫度，使生產(chǎn)能耗明顯降低，效率提高。
文檔編號(hào)C03B27/03GK101921054SQ20101027676
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者張啟龍, 楊輝, 樊先平, 汪海燕, 郝嶸, 黃振暉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)