一種用于低堿低鋁玻璃化學(xué)鋼化的熔鹽配方及其鋼化工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于低堿低鋁玻璃化學(xué)法鋼化的熔鹽配方，尤其是一種含納米粉 體的熔鹽配方及其鋼化工藝（即熔鹽配方的應(yīng)用），可極大的提高玻璃的表面應(yīng)力以及抗 折強(qiáng)度，使其能應(yīng)用于航天器、高速列車、電子信息、建筑、汽車等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 化學(xué)鋼化（或者離子交換）是提高玻璃表面壓應(yīng)力與抗折強(qiáng)度的有效方法之一。 低溫型離子交換是在玻璃的應(yīng)變溫度以下，通過半徑較大的鉀離子交換玻璃中半徑較小的 鈉離子，使表面形成"擠塞"效應(yīng)，是表面形成預(yù)壓應(yīng)力，玻璃獲得增強(qiáng)。使用低溫型化學(xué)鋼 化，玻璃處理過程中，溫度始終低于應(yīng)變點(diǎn)，玻璃不會出現(xiàn)翹曲變形現(xiàn)象，玻璃的平整度與 原片相同，強(qiáng)度則有了很大的提高。
[0003] 對于國產(chǎn)的低鋁低堿玻璃，一般情況下很難達(dá)到較好的化學(xué)鋼化效果。為了達(dá)到 較好的鋼化效果，則需要在熔鹽中反應(yīng)較長時(shí)間；在實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)中，能耗大且效率低。 其根本原因在于國產(chǎn)低堿低鋁玻璃在化學(xué)鋼化過程中所產(chǎn)生的反應(yīng)物，易沉積在玻璃表 面，阻礙化學(xué)鋼化的進(jìn)程。為解決這一問題，通常使用硅藻土等催化劑來吸附化學(xué)鋼化過程 中的反應(yīng)產(chǎn)物，以促進(jìn)化學(xué)鋼化的進(jìn)程。但硅藻土等催化劑在硝酸鉀熔鹽中溶解度有限，難 以形成穩(wěn)定均勻的分布，易生成沉淀，導(dǎo)致化學(xué)鋼化后玻璃表面應(yīng)力分布不均勻。為解決這 一問題，本發(fā)明利用納米粉末具有較大比表面積的特性，采用二氧化硅納米粉末或三氧化 二鋁納米粉末代替通常使用的硅藻土，以吸附化學(xué)鋼化過程中所生成的產(chǎn)物，促進(jìn)化學(xué)鋼 化進(jìn)程，提高玻璃經(jīng)化學(xué)鋼化后的表面壓應(yīng)力與抗折強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于低堿低鋁玻璃化學(xué)鋼化的熔鹽配方及其鋼化工 藝，采用二氧化硅或三氧化二鋁納米粉末代替常規(guī)使用的硅藻土以及碳酸鉀作為鋼化催化 劑，以達(dá)到較好的化學(xué)鋼化效果，提高玻璃化學(xué)鋼化后表面壓應(yīng)力與抗折強(qiáng)度。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是，一種用于低堿低鋁玻璃化學(xué)鋼化 的熔鹽配方，其特征在于它主要成分包括硝酸鉀、納米三氧化二鋁（Al2O3)、納米二氧化硅 (SiO2)、碳酸鉀（K2CO3),其中，納米三氧化二鋁（Al2O3)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0?1.0%、 納米二氧化硅（SiO2)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0?1.0%、碳酸鉀（K2CO3)的加入量為硝酸 鉀質(zhì)量的〇. 2?3%，納米三氧化二鋁（Al2O3)與納米二氧化硅（SiO2)的加入量不同時(shí)為0。
[0006] 進(jìn)一步優(yōu)選，納米三氧化二鋁（Al2O3)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0?I. 0%、納米 二氧化硅（SiO2)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0?1.0%、碳酸鉀（K2CO3)的加入量為硝酸鉀質(zhì) 量的1.5%，納米三氧化二鋁（Al2O3)與納米二氧化硅（SiO2)的加入量不同時(shí)為0。
[0007] 所述納米三氧化二錯(cuò)、納米二氧化娃的直徑均在IOnm?500nm之間。
[0008] 本發(fā)明的熔鹽中加入碳酸鉀（K2CO3)，CO廣與吸附在玻璃表面的堿土族金屬離子反 應(yīng)生成沉淀，加速鉀鈉離子交換過程；加入納米粉末，是因?yàn)榧{米粉末具有相對較大的比表 面積，容易吸附化學(xué)鋼化（離子交換）過程中在玻璃表面產(chǎn)生的離子以及難溶物。
[0009] 采用此熔鹽配方，在玻璃應(yīng)變點(diǎn)以下進(jìn)行低溫型化學(xué)法鋼化，對國產(chǎn)低鋁低堿玻 璃能夠達(dá)到較好的鋼化效果，得到較高的表面壓應(yīng)力、較高的抗折強(qiáng)度以及較大的應(yīng)力層 深度。
[0010] 應(yīng)用上述熔鹽配方的鋼化工藝，包括以下步驟：
[0011] 1)將玻璃超聲清洗1?30分鐘，然后用去離子水中洗凈并烘干；
[0012] 2)按納米三氧化二鋁（Al2O3)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0?I. 0%、納米二氧化 硅（SiO2)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0?1.0%、碳酸鉀（K2CO3)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的 0.2?3%，納米三氧化二鋁（Al2O3)與納米二氧化硅（SiO2)的加入量不同時(shí)為0,選取硝酸 鉀、納米三氧化二鋁（Al2O3)、納米二氧化硅（SiO2)和碳酸鉀（K2CO3),備用；
[0013] 3)采用下述二種方法之一：
[0014] ①將硝酸鉀、納米三氧化二鋁、納米二氧化硅和碳酸鉀混合，以3?10°C/min的速 度升溫，升溫至設(shè)定的鋼化溫度（鋼化溫度為400°C?500°C之間），保溫60分鐘以上（如 60-360分鐘），以使熔鹽均勻；
[0015] ②先將純硝酸鉀以3-10°C/min的速度升溫至設(shè)定的化學(xué)鋼化溫度（400°C? 500°C之間），并保溫30min(先將純硝酸鉀熔融），再將納米三氧化二鋁、納米二氧化硅（納 米粉末）及碳酸鉀加入，保溫60分鐘以上（如60-360分鐘），使納米三氧化二鋁、納米二氧 化硅均勻懸浮在熔鹽中；
[0016] 4)將步驟1)處理后的玻璃板以3?10°C/min的速率升溫至設(shè)定的鋼化溫度或 低于設(shè)定的鋼化溫度40°C的范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱處理，保溫30分鐘至60分鐘（使玻璃溫度均 勻）；
[0017] 5)將步驟4)中預(yù)熱的玻璃，浸入3)所得的熔鹽中，反應(yīng)1?8小時(shí)；
[0018] 6)將反應(yīng)完成的玻璃從熔鹽中取出后冷卻；
[0019] 7)將冷卻完成的玻璃用去離子水洗凈烘干，即得到經(jīng)化學(xué)鋼化增強(qiáng)的玻璃。
[0020] 所述玻璃為普通低堿低鋁玻璃（普通的Na-Ca-Si系玻璃）。
[0021] 采用本發(fā)明熔鹽和化學(xué)鋼化方法能夠有效地提高低堿低鋁玻璃的表面壓應(yīng)力值 及其抗折強(qiáng)度，同時(shí)極大的縮短了化學(xué)鋼化所需的時(shí)間，使生產(chǎn)能耗降低，效率提高。
[0022] 本發(fā)明所涉及的一種含納米粉體的熔鹽和化學(xué)鋼化工藝方法適用于普通低堿低 鋁玻璃。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：采用上述配方的熔鹽及使用該熔鹽的化學(xué)鋼化工藝，可使 國產(chǎn)低堿低鋁玻璃的表面壓應(yīng)力達(dá)到500MPa?750MPa，應(yīng)力層深度為10?20ym。采用 本發(fā)明所述的熔鹽及其化學(xué)鋼化工藝，將交換時(shí)間控制在1?8小時(shí)，有效地降低了能耗與 大規(guī)模生產(chǎn)的成本。
【具體實(shí)施方式】[0024] 實(shí)施例1
[0025] -種用于低堿低鋁玻璃化學(xué)鋼化的熔鹽配方，它主要成分包括硝酸鉀、納米三氧 化二鋁（Al2O3)、納米二氧化硅（SiO2)、碳酸鉀（K2CO3),其中，納米三氧化二鋁（Al2O3)的加 入量為硝酸鉀質(zhì)量的〇. 1 %、納米二氧化硅（SiO2)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0. 1 %、碳酸鉀 (K2CO3)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的I. 5%，
[0026] 所述納米三氧化二錯(cuò)、納米二氧化娃的直徑均在IOnm?500nm之間。
[0027] 應(yīng)用上述熔鹽配方的鋼化工藝，包括以下步驟：
[0028] 1)玻璃基板材質(zhì)采用國產(chǎn)鈉鈣硅玻璃[普通低堿低鋁玻璃（普通的Na-Ca-Si系 玻璃）]，取5?7片上述玻璃原片經(jīng)切割，將玻璃超聲清洗1?30分鐘，然后用去離子水中 洗凈并烘干；
[0029] 2)按納米三氧化二鋁（Al2O3)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0.1%、納米二氧化硅 (SiO2)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的0. 1 %、碳酸鉀（K2CO3)的加入量為硝酸鉀質(zhì)量的1.5%，選 取硝酸鉀、納米三氧化二鋁（Al2O3)、納米二氧化硅（SiO2)和碳酸鉀（K2CO3),備用；
[0030] 3)先將硝酸鉀（純的）以7°C/min的速度升溫至設(shè)定的化學(xué)鋼化溫度460°C，并 保溫30min(先將純硝酸鉀熔融），再將納米三氧化二鋁、納米二氧化硅（納米粉末）及碳酸 鉀加入，保溫60分鐘，使納米三氧化二鋁、納米二氧化硅均勻懸浮在熔鹽中；
[0031] 4)將步驟1)處理后的玻璃板，放入預(yù)熱爐內(nèi)，以8°C/min的速率升溫至420°C進(jìn) 行預(yù)熱處理，保溫30分鐘（使玻璃溫度均勻）；然后迅速轉(zhuǎn)移到熔鹽槽內(nèi)進(jìn)行離子交換，
[0032] 5)將步驟4)中預(yù)熱的玻璃，浸入3)所得的熔鹽中，熔鹽的溫度為460°C(即離 子交換溫度，低于所采用的玻璃基板材料的應(yīng)變點(diǎn)），離子交換時(shí)間為4小時(shí)（即反應(yīng)4小 時(shí)）；
[0033] 6)交換完畢后迅速將玻璃從熔鹽中取出并轉(zhuǎn)移到與熔鹽槽溫度近似的退火爐內(nèi) 隨爐冷卻；
[0034] 7)將冷卻完成的玻璃用去離子水洗凈烘干，即得到經(jīng)化學(xué)鋼化增強(qiáng)的玻璃。使用 FSM-6000LE表面應(yīng)力測試儀對玻璃的表面壓應(yīng)力值及應(yīng)力層深度進(jìn)行測量，測量結(jié)果見附 表中編號1樣品。
[0035] 實(shí)施例2
[0036] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：
[0037] 熔鹽組分為：以硝酸鉀質(zhì)量為100%計(jì)，含1.5%碳酸鉀，0.5%納米二氧化硅（注： 無"納米三氧化二鋁"）。測量結(jié)果見編號2號樣品。
[0038] 實(shí)施例3
[0039] 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：
[0040] 熔鹽組分為：以硝酸鉀質(zhì)量為100%計(jì)，含0.5%碳酸鉀，0.5%納米三氧化二鋁 (注：無"納米二氧化硅"）。測量結(jié)果見編號3號樣品。
[0041] 實(shí)施例4
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