淺談浮法超薄高鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)組成及性能

蔣江 羅東燕

摘 要：高鋁硅酸鹽玻璃是指Al2O3的含量大于6%的硅酸鹽玻璃，其具有強(qiáng)度高、耐磨性好、通透性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)良特性。該文討論了高鋁硅酸鹽玻璃的基本化學(xué)組成及其對性能的影響，并簡述其生產(chǎn)工藝技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：超薄浮法 高鋁硅酸鹽玻璃 化學(xué)組成 工藝技術(shù)

中圖分類號：TQ17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（a）-0027-03

Abstract：High-aluminum-silicate glass is a kind of glass that the content of Al2O3 is more than 6%，and has certain properties such as high strength， good abrasion resistance， excellent luminousness， chemical stability； This paper will discussed the basic chemical composition and its impact on performance of High-aluminum-silicate glass， and describe the characteristics of production technology briefly.

Key Words：Ultra-thin float process；High-aluminum-silicate glass；Chemical composition；Process technology

目前市場上主要的觸摸屏蓋板玻璃分為鈉鈣硅玻璃和高鋁硅酸鹽玻璃。雖然普通鈉鈣硅玻璃其價(jià)格便宜，但產(chǎn)品質(zhì)量較差，這在一定程度上限制其在觸摸屏蓋板玻璃上的應(yīng)用。而高鋁硅酸鹽玻璃是一種鋁含量和堿含量均很高的玻璃，其化學(xué)鋼化后強(qiáng)度是鈉鈣硅玻璃的4～6倍，且其具有很好的耐磨、抗劃、透光率等性能，所以被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、觸摸屏等高端電子產(chǎn)品的蓋板[1]。

超薄玻璃是指厚度在0.1～1.3 mm的玻璃，其比較成熟和穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝主要有溢流法和浮法兩種[2]。溢流法是由美國康寧發(fā)明的，該技術(shù)已申請了多項(xiàng)發(fā)明專利和技術(shù)保護(hù)，所以其技術(shù)門檻較高；掌握超薄浮法工藝的公司主要有日本的旭硝子、德國的肖特及中國的洛玻等，但是在高鋁超薄浮法工藝方面，國外技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品也已進(jìn)入市場化。而中國起步相對較晚，現(xiàn)階段只有旭紅光電和清遠(yuǎn)南玻兩家公司正在投產(chǎn)和試運(yùn)行，但要真正進(jìn)入商業(yè)化模式，還需經(jīng)歷一個(gè)漫長的探索過程。

1 高鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)組成及性能影響

浮法超薄高鋁硅酸鹽玻璃的主要化學(xué)組成，如表1所示。

1.1 SiO2

SiO2是高鋁硅酸鹽玻璃的形成體氧化物，它是以硅氧四面體的結(jié)構(gòu)單元通過不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成玻璃的骨架。它能提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及透明度等。但SiO2熔點(diǎn)為1 713 ℃，屬難熔物質(zhì)，且使玻璃粘度增大，易引起析晶，所以其含量也不宜過高，在高鋁硅酸鹽玻璃中其優(yōu)選含量為58%～63%。

1.2 Al2O3

Al2O3作為中間體氧化物，在合適的堿含量情況下，其也能參與形成玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以提高玻璃的強(qiáng)度、硬度、耐久性，改善玻璃的熱穩(wěn)定性，降低玻璃的熱膨脹系數(shù)和析晶傾向。相對普通鈉鈣玻璃而言，Al2O3含量高是高鋁硅酸鹽玻璃的一個(gè)重要特點(diǎn)，其含量一般大于6%，由于Al2O3也屬于難熔物質(zhì)，熔點(diǎn)為2 050 ℃，這樣不僅使高鋁硅酸鹽熔點(diǎn)增大，其熔化溫度比普通玻璃要高50 ℃～60 ℃，還大幅度提高了玻璃的粘性，所以為了改善高鋁玻璃的熔化特性，必須合理地引入Na2O、K2O、CaO、MgO等助熔劑成分。

1.3 Na2O和K2O

Na2O和K2O是玻璃的網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，提供游離O使玻璃中氧硅比值增大，橋氧鍵斷裂，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松弛，從而可以解決高鋁硅酸鹽玻璃難熔的問題，其堿總含量一般要求大于15%，同樣堿含量也不宜過高，否則會使玻璃機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性降低，熱膨脹系數(shù)增大，玻璃發(fā)霉、發(fā)脆。高鋁硅酸鹽玻璃是利用K2O來替代一部分的Na2O，這樣可以增加玻璃的折射率和光澤度，同時(shí)產(chǎn)生“雙堿效應(yīng)”，改善玻璃化學(xué)穩(wěn)定性和析晶性能。另外，相關(guān)研究也表明[3]：Na2O和K2O含量會影響玻璃化學(xué)鋼化后的性能，當(dāng)Na2O含量高而K2O含量低時(shí)，化學(xué)鋼化后玻璃的各項(xiàng)性能更佳，所以為了滿足后期超薄高鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)鋼化需求，K2O不宜引入過多，其選優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%～6%。

1.4 CaO和MgO

CaO、MgO是網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，引入后也能使玻璃的網(wǎng)絡(luò)斷裂、松弛，起到助熔的效果，但其效果沒有Na2O、K2O明顯。CaO和MgO在玻璃中均起到穩(wěn)定劑作用，可以提高玻璃的強(qiáng)度、耐久性，而CaO易使玻璃失透、發(fā)脆，在高鋁玻璃中往往降低CaO含量，增加MgO含量，因?yàn)镸gO不僅能抑制玻璃中堿金屬離子的移動，防止玻璃產(chǎn)生結(jié)晶，同時(shí)還能提高玻璃的彈性模量。所以高鋁硅酸鹽玻璃中CaO含量一般小于1%，MgO含量為3%～7%。

1.5 微量成分Fe2O3、ZrO

眾所周知，F(xiàn)e2O3是玻璃組成中的有害成分，不僅在熔制過程中會降低玻璃的透熱性，影響熔化效率，還會使玻璃制品著色，惡化其光學(xué)性質(zhì)。為了滿足高端觸摸屏蓋板良好的光學(xué)性質(zhì)要求，高鋁硅酸鹽玻璃的透光率一般要求大于90%，所以應(yīng)嚴(yán)格控制其組成中鐵的含量，其含量不宜大于0.03%。ZrO作為少量成分摻入高鋁硅酸鹽玻璃中能顯著提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性、拉伸彈性及耐熱性，降低失透溫度，改善玻璃的熔化，ZrO較佳的摻量為0.5%～1%。

1.6 脫色劑成分

對于高鋁硅酸鹽蓋板玻璃而言，應(yīng)具有良好的通透性。但由于原料、設(shè)備及其他因素都會不可避免地引入鐵、鈦、鉻等雜質(zhì)，使玻璃呈現(xiàn)出不希望的顏色，為消除或減弱這些不利顏色，往往需要使用到脫色劑。脫色劑分為化學(xué)脫色劑和物理脫色劑兩種，化學(xué)脫色劑是借助其氧化作用使Fe2+為Fe3+，脫色效果比較明顯，其主要有硝酸鹽類、鹵素化合物及氧化銻等；物理脫色劑則是利用顏色互補(bǔ)原理來中和玻璃原有的顏色，但這種脫色作用是有限的，比如當(dāng)Fe含量大于0.06%時(shí)則很難制得無色玻璃，常用的有氧化鈷、硒、二氧化錳等[4]。

2 浮法超薄高鋁硅酸鹽玻璃的生產(chǎn)工藝技術(shù)特點(diǎn)

2.1 高鋁硅酸鹽玻璃的熔制技術(shù)

玻璃的熔制是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過程，大致可分為硅酸鹽形成、玻璃液形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化及玻璃液的冷卻5個(gè)過程。高鋁硅酸鹽玻璃組分中Al2O3含量高于16%，其溶解溫度一般需大于1 640 ℃，相比普通硅酸鹽玻璃其熔解溫度要高50 ℃～60 ℃。另外，Al2O3、MgO及CaO等提高玻璃表面張力的成分使得高鋁硅酸鹽玻璃具有高溫粘度大的特征，這也對玻璃的澄清均化帶來了困難。針對上述特點(diǎn)，高鋁硅酸鹽玻璃熔制須使用耐高溫、耐侵蝕性更好的耐火材料，同時(shí)還應(yīng)采用全氧燃燒技術(shù)和電熔輔助技術(shù)來獲得較高的溶解溫度和熔化均勻性。其次設(shè)計(jì)氧化性配合料、使用?；汕蚣俺氐坠呐菁夹g(shù)也有助于降低配合料的熔化溫度，縮短熔化時(shí)間，提高澄清均化效果[5]。

2.2 高鋁硅酸鹽玻璃的超薄浮法成型技術(shù)

浮法成型是指熔化好的玻璃液經(jīng)流道流至錫槽錫液上，在自身重力和表面張力的作用下進(jìn)行攤平拋光，并通過主傳動和拉邊機(jī)對玻璃帶進(jìn)行展薄或積厚形成優(yōu)質(zhì)的平板玻璃。超薄浮法成型與普通浮法成型兩者的工藝原理基本一致，但超薄浮法成型技術(shù)對生產(chǎn)設(shè)備和工藝控制精度要求更高，玻璃成型難度更大。對于高鋁硅酸鹽玻璃而言，其成型主要有以下3個(gè)特點(diǎn)：（1）成型溫度高。高鋁硅酸鹽玻璃成型區(qū)間的溫度比普通鈉鈣玻璃高150 ℃～200 ℃，為了達(dá)到較高的成型溫度須提高流道的供料溫度，增加錫槽空間的硅碳棒數(shù)目及加熱功率，所以這對拉邊機(jī)、加熱元件及錫槽耐火材料等設(shè)備提出了更高的要求。另外，較高的成型溫度下錫槽內(nèi)更容易產(chǎn)生錫灰、滲錫等缺陷，所以還應(yīng)增加保護(hù)氣體用量，加強(qiáng)錫槽密封，合理布置放散的位置。（2）成型溫度范圍小，玻璃收縮率大。玻璃的理論成型黏度為104.25～105.75Pa·s，在該黏度范圍內(nèi)，高鋁硅酸鹽玻璃對應(yīng)的溫度區(qū)間要比較普通玻璃小30 ℃以上，其成型溫度范圍更窄，另外Al2O3、MgO、CaO等成分使得高鋁硅酸鹽玻璃比普通鈉鈣玻璃具有更高的表面張力，其收縮率也大大增加，針對這些就需要合理地設(shè)計(jì)錫槽的結(jié)構(gòu)、加熱元件的分布及拉邊機(jī)的數(shù)量及位置。（3）成型質(zhì)量要求更高。從表2中不難看出，相比普通浮法玻璃，各規(guī)格的超薄浮法玻璃對厚薄差控制更嚴(yán)，要求更高。其次，超薄高鋁硅酸鹽玻璃還要求微觀波紋度小于0.15 μm/20 mm，而普通浮法玻璃對波紋度不做相關(guān)要求。

3 結(jié)語

超薄高鋁硅酸鹽玻璃作為高端電子蓋板玻璃，其具有高強(qiáng)、耐劃傷、化學(xué)穩(wěn)定性好、透光性高等優(yōu)良的物理化學(xué)性能，在中國需求量越來越大，擁有廣闊的市場前景。該文主要闡述了超薄高鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)組成特點(diǎn)及各成分對玻璃性能及生產(chǎn)工藝的影響情況，并與普通浮法玻璃工藝進(jìn)行對比，討論了超薄高鋁硅酸鹽玻璃在熔制及成型技術(shù)上的特點(diǎn)，總結(jié)了到目前為止，所采用的相關(guān)解決措施，希望能對浮法超薄高鋁硅酸鹽玻璃生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)參考作用。由于現(xiàn)在國內(nèi)高鋁硅酸鹽玻璃的生產(chǎn)還處起步階段，在工藝技術(shù)和質(zhì)量控制方面還不成熟，存在較大的技術(shù)難度，相信通過不斷的探索研究及技術(shù)積累，定能早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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