由诸如玻璃的材料制成的薄片的制作方法

专利名称：由诸如玻璃的材料制成的薄片的制作方法
技术领域：
本发明涉及玻璃或其他玻璃质、陶瓷或金属材料的薄片或其他颗粒，特别涉及厚 度小的薄片或颗粒，涉及制造这样薄片或颗粒的方法，它们的某些用途，以及涉及含有它们 的产品。
背景技术：
已知生产玻璃薄片的方法是利用转杯来形成从转动的杯边缘呈放射状地发散的 熔融玻璃平面膜。在两个板之间输送膜，形成环形文丘里管，并用强制通风过冷却。由于 高速空气流和由其造成的阻力(摩擦阻力)，膜破碎。这种方法和实施该方法的设备是 EP0289240 的主题。根据EP0289240中描述的方法，涉及成功生产厚度均勻的平面玻璃薄片的参数各 不相同并且是复杂的。已发现它们包括以下内容·玻璃组成、熔化温度和粘度 玻璃在熔炉中的温度·玻璃离开炉和进入杯的质量流量·玻璃进入杯的温度·玻璃炉的出口与杯的入口之间的距离·杯的直径和深度 杯的散热性能 杯的转动速度·杯的边缘与呈放射状的文丘里管的入口之间的距离·形成呈放射状的文丘里管的板之间的距离·文丘里管板的直径·文丘里管板之间吸入的空气的体积和压力·文丘里管板之间空气流的温度·旋风收集器的直径和结构这些参数全部都可以变化，其结果是生产出玻璃薄片或生产不出来。若是生产出 来，薄片可以是平面的或是波状的。薄片的厚度可以有实质变化，或者非常一致。薄片的横 截面和/或厚度可以大或小。使用所述方法，并且恰当控制以上所述的参数，能够初步制造出平均厚度范围为1 至10 μ m的薄片。进一步的开发研究使得能够生产出平均厚度为350nm至ιμπι的薄片。然而，这种方法不能用于制造平均厚度为约350nm以下的二氧化硅(玻璃)薄片。为了生产大约350nm以下的薄片，W02004/056716中公开的装置能够加热来自熔 炉的下行玻璃流，该装置向熔炉出口喷管附近的上部电极至连接转动设备的下部电连接之 间的所述玻璃流通入电流。然而，存在很多与这种装置相关的不利之处。首先，这种装置通 常要求非常高的电压(一般超过5，000V，并且许多情况下高达10，000V)以确保充足的加 热，而这给操作者造成了非常严重的触电致死危险。其次，这种装置对于长期生产运行而言往往不能有效地运行。不希望被任何理论束缚，认为这是因为进入杯的热玻璃流一旦与冷 得多的转杯整体接触而固化，并形成电绝缘层，其极大地减少了沿下行玻璃流向上传递的 电流量和与此相关的加热。W02004/056716还能够通过使用RF感应加热来加热下行玻璃流，但是已发现这种
方法效率低，在生产中很难有效实施。

发明内容
M^l根据本发明，提供了平均厚度至多为350nm的薄片。优选地，所述薄片的平均厚度 至多为200nm。特别优选的范围为10至lOOnm，包括40至IOOnm的范围。优选地，最大横向尺寸与厚度的纵横比为50 1至25，000 1，优选为50 1至 1500 1。根据本发明，薄片可以由玻璃、玄武岩、如氧化铝的陶瓷、石墨和例如铜的金属组 成。玻璃是优选的材料，一个实例为ECR玻璃。其他实例为C玻璃、E玻璃LA玻璃。本发明优选的玻璃薄片具有基本上一致的厚度。优选地，至少80%的玻璃薄片在 标称平均厚度的20%内。制造薄片的方法根据本发明，为了制造具有低厚度和/或低厚度分布的玻璃薄片，已发现必须仔 细控制以下参数·玻璃组成、熔化温度和粘度 玻璃在熔炉中的温度·玻璃离开熔炉和进入杯的质量流量·玻璃进入杯的温度·玻璃炉的出口与杯的入口之间的距离·杯的直径和深度·杯的散热性能·杯的转动速度·杯的边缘与呈放射状的文丘里管的入口之间的距离·形成呈放射状的文丘里管的板之间的距离·文丘里管板的直径·文丘里管板之间吸入的空气的体积和压力·文丘里管板之间空气流的温度·旋风收集器的直径和结构根据本发明，为了制造玻璃薄片，进一步发现必须在1050至1600°C的较高温度范 围内操作熔炉。进一步发现，为了生产这种薄片，特别重要的是非常仔细地控制(i)玻璃流离开 熔炉的温度，( )玻璃流的质量流量，(iii)玻璃在转杯中的热损耗以及(iv)熔融膜的旋 转及其拉伸(在其过冷却和破碎成薄片之前)。就将离开熔炉的玻璃流的温度控制在期望的范围内而言，重要的是将热损耗的量降低至非常低的水平。已发现熔融玻璃在转杯内损耗了大部分热，转杯由金属制成，并且在生产过程期 间内的任意时刻具有与其内的熔融玻璃的量有关的高质量、传导率和比热特性。当需要生 产较厚的薄片时，已惊奇地发现，已知的杯的热损耗量是可以采用已知设备制造的薄片的 厚度的限制因素。为了减小所得薄片的厚度以制造出本发明的薄片，已发现需要将杯隔热 以防止热损耗。进一步发现需要提供用于加热杯的装置。通过采用这样的隔热和/或加热，可以免去使用外部RF(微波)加热下行玻璃流 (在W02004/056716中描述的类型)，或者还可以利用增加玻璃降落(fall)来实现，这样有 利于提高用户操作装置简便性。在本发明的优选实施方案中，既利用了外部RF加热，又利用了杯的隔热和/或加 热。这种元件之间的相互作用使得玻璃以比采用已知方法更高的温度离开杯进入文丘里管 板，并能形成平均厚度范围为10至350nm的小薄片。不希望被任何特定理论束缚，认为在 玻璃从熔炉下行期间从外部加热玻璃，确保隔热和/或加热的杯保持在高得多的温度，因 而使得出来的玻璃一穿过文丘里管板就被制成更薄的薄片。赶现在将参考附图的

图1更详细地描述杯的隔热，图1为穿过本发明的设备的局部 纵剖面图。杯1由例如合适的钢制成，但是也能使用其他诸如钼的金属和其他合金。上部2 形成杯的上部部分。该上部的中央圆锥部分3被移除。移除部分4的顶部直径为48mm，底 部直径为28mm，杯1的内部深度为15至16mm。上部2可从下部6分离，并且可固定连接于下部6。下部6具有下部移除的圆柱部 分7，用于将下部6可分离的连接至电动机(未示出)的输出驱动轴。根据本发明，为了生产薄片，必须在中央圆锥部分3周围提供非常有效的隔热。使 得这点可以实现的充分隔热显示于图1中(8a和8b)。上部3具有经机械加工形成于其中 的圆柱凹槽9。适合用于隔热的材料包括高温陶瓷纤维毯。为了在适当位置保持隔热件8a， 提供了紧密配合的外部基本是圆柱的部分1，其能够通过已知的连接装置，诸如螺栓(未示 出)或者通过焊接被可分离的或永久的连接于上部2。根据本发明，为了一致地制造薄片，已发现中央圆锥部分3的下端进一步采用保 温件8b是有利的。其配合进入经机械加工而成的凹槽11，并且当下部6通过已知的连接装 置，诸如螺栓(未示出)或者通过焊接连接于上部2时，被保持在适当的位置。加热设备现在将参考附图的图2和图3更详细地描述用于杯的加热设备。图2示出了合适的加热设备，其包括与RP (微波)发生器3相连的紧密围绕转杯 2配合的线圈1，该RP(微波)发生器3运转时将能量直接引到金属杯2。图3示出了可供选择的气焰喷射器1，其从环形管燃烧器3 (沿着气体输送管道5 输送气体混合物4)向内指向杯2的外表面，用于加热转杯或简单地减少转杯的热损耗。优选的方法是以上描述RF加热方法，示于图2中，因为利用RF加热没有在不注意 时气焰喷射器预热流入文丘里管板和在文丘里管板之间流动的冷却空气流的风险。这种预 热可能使得形成(一致地)期望的薄片变成不可能或困难。实施例 现在将给出使用根据本发明的设备的方法的实施例。实施例1玻璃类型ECR玻璃炉出口处的玻璃温度1230°C下降的高度400mm文丘里管板间隙IOmm气压380mm WG杯直径48mm杯类型隔热的杯速度5000RPM形成的薄片的平均厚度350nm 就对离开熔炉的玻璃流的质量流量的控制而言，它也可以增加或减少，因此优选 使用相对于期望的流量大小尺寸过大的喷嘴来控制。使用合适的冷却设备(例如在专利申 请TO 2004/056716中描述的冷却设备)，使所述喷嘴冷却，借以使玻璃在喷嘴孔的外直径 处固化，并且使玻璃流在被向下输送之前被压缩。可供选择地，可以在喷嘴前部连接滑动闸
阀设备来控制质量流量。实施例2玻璃类型LAG6硼硅酸盐炉出口处的玻璃温度1360°C下降的高度350mm文丘里管板间隙8mm气压420mm WG杯直径38mm杯类型隔热的杯速度6000RPM形成的薄片的平均厚度 IOOnm杯尺寸、环形文丘里管、通过文丘里管的较高速度和较低的气压存在较接近的公差。对于任何特定的玻璃组成，都有一组将形成一致厚度的平面薄片的参数。根据本 发明，为了形成非常薄的玻璃薄片，可以采用以下范围和条件，或者至少采用其中的一些范 围和条件·质量流量为每分钟0. 2至2. 5千克之间·控制喷嘴的玻璃温度为1200至1450°C·转杯的玻璃温度为1220至1350°C·熔炉控制喷嘴与转杯入口之间的距离为75至500mm·转杯直径为28至48mm OD·转杯深度为15至60mm
·转杯的转动速度为5000至14，000RPM·按照实施例2外部隔热和/或加热转杯·旋转器的边缘与环形文丘里管入口之间的距离为10至75mm·形成文丘里管的板之间的间隙为2至12mm·系统内的气压为180至580mm水柱以上的参数由于给定质量流量和温度，能够形成厚度在上述范围内的纳米微粒薄 片。玻璃组成可以变化很大，而且还能够形成在这些参数内的陶瓷薄片，但要使用1450至 1800°C之间的温度和冷却的转杯。当由金属或其他热液化(可熔化的)材料形成薄片时， 可能需要变化参数。薄片的应用本发明的玻璃薄片可以是许多其他材料的成分，例如填料。其他材料可以选自很 多种已知材料。一个实例为聚烯烃塑料材料。这种材料的实例为聚乙烯、聚丙烯、PTFE、聚 二氟乙烯和聚丁烷。其他材料包括聚酯、环氧树脂和聚硅氧烷。已令人惊讶地发现，将本发明的玻璃薄片加至其他材料获得机械性能的改善，例 如抗冲击性能、耐磨性、抗拉强度、柔韧性、压缩强度和蠕变变形。根据本发明，在此公开的加入玻璃薄片的材料可以提供阻挡膜和层压材料，避免 对分离的阻挡涂层的需要。进一步地，它们可以被加至诸如硅橡胶和天然橡胶的弹性体中，例如传送带和轮 胎。在此描述的玻璃薄片可以被加至比膜更厚的包装材料中(例如用于瓶的制造中) 以阻止气体扩散，或用于替代天然存在的粘土纳米-薄片以较低成本获得更好的效果。在此描述的玻璃薄片可以被添加至用于制造油毡地面覆盖物或瓷砖的化合物和 配方中，以改善耐磨性和外观。在此描述的玻璃薄片还可以用于制造电缆绝缘体的化合物和配方中，以提供更好 的阻燃性和/或减少烟排放。在此描述的玻璃薄片可以进一步被添加至用于制造地面覆盖物和地毯的背衬材 料的化合物和配方中，例如用于飞行器的那些，也是为提供更好的阻燃性和减少烟排放。在此描述的玻璃薄片可以被用于制造涂层，例如PTFE，用于煎锅或其他炊具的涂 层，它们的耐高温和耐划伤性能均被改善。在此描述的玻璃薄片可以用于制造闸瓦和闸皮的化合物或配方中，或与其一起使 用，借以改善摩擦粘着力和减少磨损。在此描述的玻璃薄片进一步可以被用于造纸，以改善撕裂强度和抗水损害性能。在此描述的玻璃薄片还可以进一步用于生产印刷电路板和柔性印刷电路的化合 物或配方中，或与其一起使用，以改善强度、热稳定性和电阻中的一种或多种。可供选择地， 可以制造具有正常强度、热稳定性和/或电阻的产品，但是要利用更薄的材料使成本降低。在此描述的应用中，玻璃薄片可以用试剂涂覆，该试剂具有与玻璃薄片反应的第 一化学基团和与添加涂覆的玻璃薄片的化合物或配方反应的第二化学基团。在此描述的应用中，可能必须或期望使用相关领域人员已知的粘合剂、偶联剂或 其他稳定剂或添加剂，以利于有效使用所述薄片。
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权利要求
一种薄片，其厚度至多为350nm。
2.根据权利要求1所述的薄片，其中所述厚度至多为200nm。
3.根据权利要求1或2所述的薄片，其中所述厚度为10至lOOnm。
4.根据前述任一项权利要求所述的薄片，其中所述厚度为40至lOOnm。
5.根据前述任一项权利要求所述的薄片，其中所述最大横向尺寸与厚度的纵横比为 50 1 至 25，000 I0
6.根据权利要求5所述的薄片，其中所述纵横比为50 1至1500 1。
7.根据前述任一项权利要求所述的薄片，其中所述薄片由玻璃制成。
8.根据权利要求7所述的薄片，其中所述玻璃为ECR玻璃、C玻璃或E玻璃。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的薄片，其中所述薄片由玄武岩、陶瓷、氧化铝、石 墨、金属、金属氧化物或其中的任意两种或多种的组合物制成，任选地包括玻璃。
10.根据前述任一项权利要求所述的薄片，其中所述薄片包含两种或多种金属或金属 氧化物。
11.根据前述任一项权利要求所述的薄片，其中所述薄片的厚度基本上一致。
12.根据权利要求11所述的薄片，其中至少80%的所述薄片在标称平均厚度的20%以内。
13.一种用于制造薄片的设备，所述设备包括安装用于围绕纵轴转动的杯，用于输送熔 融玻璃至所述杯内的装置，和用于使所述杯围绕所述轴转动的装置，借以使熔融玻璃膜从 所述杯的边缘呈放射状地发散，所述设备包括至少部分地环绕所述杯延伸的隔热装置。
14.一种用于制造薄片的设备，所述设备包括安装用于围绕纵轴转动的杯，用于输送熔 融玻璃至所述杯内的装置，和用于使所述杯围绕所述轴转动的装置，借以使熔融玻璃膜从 所述杯的边缘呈放射状地发散，所述设备包括用于在杯转动时加热杯的装置。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述设备包括至少部分地环绕所述杯延伸的隔 热装置。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的设备，其中所述设备包括当熔融玻璃被输送 至所述杯时用于加热熔融玻璃的装置。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的设备，其中所述设备包括用于容纳熔融玻璃 的容器，所述容器具有用于控制其中流动的喷嘴，其中控制喷嘴与转杯入口之间的距离为 75 至 850mm。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的设备，其中所述转杯的直径为28至48mm
19.根据权利要求13至18中任一项所述的设备，其中所述转杯的深度为15至60mm。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的设备，其中所述设备具有形成环形文丘里管 的板，用于接收熔融玻璃膜，杯的边缘与环形文丘里管的板入口之间的距离为10至75mm。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的设备，其中所述形成环形文丘里管的板之间 的深度为2至12mm。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的设备，其中所述设备包括用于施加180至 580mm水柱气压的装置。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的设备，其中所述设备包括用于提供从玻璃来源至所述杯的玻璃质量流量为每分钟0. 4至2. 5千克玻璃的装置，来自所述来源出口处的 玻璃温度为1200至1400°C，而且转杯中的玻璃温度为1180至1380°C。
24.一种制造玻璃薄片的方法，其包括将熔融玻璃输送至如权利要求13至23中任一项 所述的设备的杯中，并且围绕其纵轴转动所述杯，使熔融玻璃从所述杯的边缘呈放射状地发散。
25.根据权利要求24所述的方法以及权利要求17所述的设备的应用，其中使用以下参 数来自容器的玻璃的质量流量为每分钟0. 5至2. 5千克玻璃，在控制喷嘴处的玻璃温度为 1200至1400°C，并且转杯中的玻璃温度为1080至1380°C。
26.根据权利要求1至12中任一项所述的薄片作为另一材料中的成分以改善其诸如抗 冲击性能、抗拉强度、柔韧性、压缩强度和蠕变变形的机械性能中的一种或多种的应用。
27.根据权利要求1至12中任一项所述的薄片作为其他材料中的成分以提供阻挡膜或 层压材料的应用。
28.根据权利要求1至12中任一项所述的薄片作为弹性体的成分的应用。
29.根据权利要求1至12中任一项所述的薄片在厚包装膜和瓶中以阻止或减少气体扩 散的应用。
30.一种厚包装膜和瓶，其包含如权利要求1至12中任一项所述的薄片。
31.根据权利要求1至12中任一项所述的薄片在油毡地面覆盖物中以改善耐磨性和/ 或外观的应用。
32.一种油毡型地面覆盖物，其包含如权利要求1至12中任一项所述的薄片。
33.如权利要求1至12中任一项所述的薄片在地面覆盖物和地毯中以提供更好的阻燃 性和/或减少烟排放的应用。
34.一种地面覆盖物和地毯，其包含如权利要求1至12中任一项所述的薄片。
35.如权利要求1至12中任一项所述的薄片改善涂层的温度性能和耐划伤性能的应用。
36.一种涂层，其包含如权利要求1至12中任一项所述的薄片。
37.如权利要求1至12中任一项所述的薄片在用于闸瓦和闸皮的配方的化合物中或与 其一起使用以改善摩擦粘着力或减少磨损的应用。
38.一种闸瓦和闸皮，其包含如权利要求1至12中任一项所述的薄片。
39.如权利要求1至12中任一项所述的薄片在纸或纸板产品中以改善撕裂强度和/或 抗水损害性能的应用。
40.一种纸和纸板产品，其包含如权利要求1至12中任一项所述的薄片。
41.根据权利要求1至12中任一项所述的薄片在用于生产印刷电路板和柔性印刷电路 的配方的化合物中或与其一起使用以改善强度、热稳定性和电阻中的一种或多种的应用。
42.一种印刷电路板或柔性印刷电路产品，其包含如权利要求1至12中任一项所述的 薄片。
全文摘要
本发明提供的薄片具有至多350nm的厚度，该薄片由玄武岩、陶瓷、氧化铝、石墨、金属、金属氧化物或其中的两种或多种的组合物制成。还描述了用于制造这种薄片的设备和制造该薄片的方法。所述设备包含安装用于转动并用于接收熔融玻璃的杯。所述设备还包含至少部分地围绕所述杯延伸的隔热装置，或者用于在杯转动时加热杯的装置。
文档编号C03B37/005GK101883740SQ200880108496
公开日2010年11月10日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年9月24日
发明者查尔斯·沃特金森 申请人:查尔斯·沃特金森