一种玻璃蚀刻方法与流程

[0001]
本发明涉及蚀刻技术领域，尤其涉及一种玻璃蚀刻方法。


背景技术：

[0002]
玻璃在常温下是一种透明的固体，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃的主要成分是二氧化硅。玻璃的蚀刻可以使普通的玻璃以婀娜的形态、冰雕玉琢的质感等形态呈现在大众眼前，也可为玻璃的新用途提供条件。传统玻璃刻蚀采用含氟的蚀刻液。
[0003]
cn104341111a提供了一种玻璃蚀刻液再生方法及玻璃蚀刻方法，利用钾离子化合物与老化的玻璃蚀刻液进行搅拌反应，通过过滤去除老化液中的可溶性玻璃渣。对老化液进行离子交换处理，金属离子。此外，在老化液中加入适量的氢氟酸，进而再生出符合玻璃蚀刻要求的玻璃蚀刻液。本发明的还提供一种玻璃蚀刻方法，在玻璃蚀刻过程中使用钾离子化合物去除玻璃蚀刻液中的可溶性玻璃渣，该方法可提高玻璃蚀刻的蚀刻率；但该方法并未涉及玻璃刻蚀后表面光洁度的问题。
[0004]
cn104926145a公开了一种玻璃的刻蚀工艺，其中才用的刻蚀液包括水、氢氟酸、硫酸、硝酸、亚硝酸钠和乙酸，但并未涉及刻蚀后表面光洁度的问题，且采用氢氟酸，毒性和环境污染较为严重。
[0005]
为了克服现有含氟蚀刻液中氢氟酸或含氟物质的毒性，已有针对无氟蚀刻液的研究。cn111116047a公开了一种雾面玻璃制造方法，采用无氟碱性蚀刻液搭配催化剂对所述雾化层进行蚀刻处理；对蚀刻处理后的所述玻璃基材进行强化处理，但该方法中得到的是雾化玻璃，无法保障蚀刻后的表面光洁度。
[0006]
由此表明，现有针对玻璃的蚀刻均存在蚀刻液酸性大或毒性大，且未意识到蚀刻后表面光洁度的问题。
[0007]
因此，亟需开发一种玻璃蚀刻方法，解决现有玻璃蚀刻后表面光洁度的问题。


技术实现要素：

[0008]
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃刻蚀方法无需采用含氟物质，更加环保无害，而且大大降低了蚀刻后玻璃内壁的粗糙度，较优条件下其粗糙度能够达到≤6nm，能够广泛应用于各种玻璃的刻蚀，应用前景广阔。
[0009]
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0010]
本发明提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括：在超声条件下，采用蚀刻溶液对玻璃进行蚀刻；所述蚀刻溶液中含有碱和碳原子数≤10的醇类有机物。
[0011]
本发明采用碳原子数≤10的醇类有机物和碱作为蚀刻溶液，其中醇类有机物中的羟基能够破坏水分子之间的氢键，降低蚀刻液的黏度，提高碱在蚀刻溶液中的传质效果，进而促进蚀刻反应的进行，而且选用碳原子数≤10的醇类有机物，能够与水具有更佳的互溶性。本发明还通过采用超声进行辅助，促进蚀刻溶液与被蚀刻玻璃的接触和传质，促进蚀刻
的进行，从而能够使玻璃各处蚀刻程度保持一致，提高了蚀刻后玻璃内壁的表面光洁度。
[0012]
本发明所述醇类有机物为碳原子数≤10的醇类有机物，例如可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9或10等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0013]
优选地，所述醇类有机物的碳原子数为2～4。
[0014]
本发明中醇类有机物优选碳原子数为2～4的醇，与水具有更佳的互溶性，且极性更大，更有利于打破水分子与水分子之间的氢键，促进碱在蚀刻液中的传质。
[0015]
优选地，所述醇类有机物为括乙醇或异丙醇。
[0016]
优选地，所述蚀刻溶液中醇类有机物的体积浓度为1～30％，例如可以是1％、5％、8％、11％、14％、18％、21％、24％、27％或30％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0017]
优选地，所述超声的频率为200～1000khz，例如可以是200khz、250khz、280khz、300khz、350khz、370khz、400khz、450khz、460khz、500khz、550khz、600khz、650khz、700khz、750khz、800khz、900khz或1000khz等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0018]
优选地，所述超声的频率为200～300khz且不包括300khz时，所述蚀刻溶液中醇类有机物的体积浓度为10～30％且不包括10％，例如可以是11％、15％、17％、19％、22％、24％、26％、28％或30％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]
优选地，所述超声的频率为300～500khz且不包括500khz时，所述蚀刻溶液中醇类有机物的体积浓度为5～10％且不包括5％，例如可以是6％、7％、8％、8％、9％或10％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0020]
本发明中超声的频率与醇类有机物的浓度相匹配，其中超声波对蚀刻液产生气泡空穴效果，随着超声波频率的提高，产生的空穴越小，此时匹配相应体积浓度的醇类有机物，既减少了醇类有机物的使用量，而且蚀刻后玻璃内壁的粗糙度小。
[0021]
优选地，所述超声的频率为500～1000khz时，所述蚀刻溶液中醇类有机物的体积浓度为1～5％，例如可以是1％、2％、3％、4％或5％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0022]
优选地，所述蚀刻的温度为60～90℃，例如可以是60℃、64℃、67℃、70℃、74℃、77℃、80℃、84℃、87℃或90℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用，优选为80～90℃。
[0023]
本发明蚀刻温度优选在80～90℃，更有利于提高传质效果，并最终提高蚀刻速度。
[0024]
优选地，所述玻璃包括钠玻璃、硼玻璃或硅玻璃中的任意一种或至少两种的组合，其中典型非限制性的组合为钠玻璃和硼玻璃的组合，硅玻璃和硼玻璃的组合，硅玻璃和钠玻璃的组合。
[0025]
优选地，所述碱包括氢氧化钠和/或氢氧化钾。
[0026]
优选地，所述碱在蚀刻溶液的水中的质量浓度≥30％，例如可以是30％、32％、34％、35％、37％、39％、40％、42％、44％或45％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0027]
本发明所述碱的质量浓度是指碱溶液在与醇类有机物混合前在水中的质量浓度。
[0028]
作为本发明优选地技术方案，所述方法包括：在60～90℃以及超声条件下，采用蚀
刻溶液对玻璃进行蚀刻；
[0029]
所述蚀刻溶液中含有碱和碳原子数≤10的醇类有机物；所述碱在蚀刻溶液的水中的质量浓度≥30％；
[0030]
其中，所述超声的频率为200～300khz且不包括300khz时，所述蚀刻溶液中醇类有机物的体积浓度为10～30％且不包括10％；所述超声的频率为300～500khz且不包括500khz时，所述蚀刻溶液中醇类有机物的体积浓度为5～10％且不包括5％；所述超声的频率为500～1000khz时，所述蚀刻溶液中醇类有机物的体积浓度为1～5％。
[0031]
本发明组合采用特定频率的超声以及特定体积浓度的醇类有机物与碱的蚀刻液，不仅在不采用含氟物质的情况下，就可对玻璃达到较佳的蚀刻效果，而且蚀刻速度较快且蚀刻后玻璃内壁表面光洁度高，粗糙度低，蚀刻后玻璃应用前景广阔。
[0032]
本发明对所述蚀刻后的玻璃后处理没有特殊限制，可采用本领域技术人员熟知的任何可用于蚀刻后处理的方法和方式，例如可以是清洗等步骤，对此不再赘述。
[0033]
本发明所述蚀刻后玻璃表面光洁，能够广泛用于光学玻璃中。
[0034]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0035]
(1)本发明提供的玻璃蚀刻方法采用的蚀刻液不含氟，更加环保和无害；
[0036]
(2)本发明提供的玻璃蚀刻方法结合特定蚀刻液和超声，大大降低了蚀刻后玻璃内壁表面的粗糙度，粗糙度≤16nm，较优条件下粗糙度≤6nm，提高了蚀刻表面的光洁度，且蚀刻速率在70μm/h以上。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例1提供的玻璃蚀刻方法蚀刻后的表面粗糙度测试图。
[0038]
图2是本发明对比例1提供的玻璃蚀刻方法蚀刻后的表面粗糙度测试图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0040]
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
[0041]
一、实施例
[0042]
实施例1
[0043]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括如下步骤：
[0044]
在75℃以及频率为200khz的超声条件下，采用蚀刻溶液对钠玻璃进行蚀刻；所述蚀刻溶液中含有体积浓度为20％的乙醇，以及在水中质量浓度为38％的氢氧化钠。
[0045]
本实施例蚀刻后的玻璃表面粗糙度测试图如图1所示，从图1中可以看出，蚀刻后的玻璃表面较为平滑，粗糙度小。
[0046]
实施例2
[0047]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为5％的乙醇外，其余均与实施例1相同。
[0048]
实施例3
[0049]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度
为10％的乙醇外，其余均与实施例1相同。
[0050]
实施例4
[0051]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为15％的乙醇外，其余均与实施例1相同。
[0052]
实施例5
[0053]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为25％的乙醇外，其余均与实施例1相同。
[0054]
实施例6
[0055]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为30％的乙醇外，其余均与实施例1相同。
[0056]
实施例7
[0057]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为20％的己醇外，其余均与实施例1相同。
[0058]
实施例8
[0059]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为20％的辛醇外，其余均与实施例1相同。
[0060]
实施例9
[0061]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括如下步骤：
[0062]
在80℃以及频率为40khz的超声条件下，采用蚀刻溶液对钠玻璃进行蚀刻；所述蚀刻溶液中含有体积浓度为5％的乙醇，以及在水中质量浓度为35％的氢氧化钠。
[0063]
实施例10
[0064]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除频率为60khz的超声条件外，其余均与实施例9相同。
[0065]
实施例11
[0066]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除频率为80khz的超声条件外，其余均与实施例9相同。
[0067]
实施例12
[0068]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除频率为100khz的超声条件外，其余均与实施例9相同。
[0069]
实施例13
[0070]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括如下步骤：
[0071]
在72℃以及频率为300khz的超声条件下，采用蚀刻溶液对硼玻璃进行蚀刻；所述蚀刻溶液中含有体积浓度为10％的异丙醇，以及在水中质量浓度为32％的氢氧化钾。
[0072]
实施例14
[0073]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为3％的异丙醇外，其余均与实施例13相同。
[0074]
实施例15
[0075]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括如下步骤：
[0076]
在90℃以及频率为480khz的超声条件下，采用蚀刻溶液对硼玻璃进行蚀刻；所述
蚀刻溶液中含有体积浓度为5.5％的异丙醇，以及在水中质量浓度为34％的氢氧化钠。
[0077]
实施例16
[0078]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括如下步骤：
[0079]
在80℃以及频率为700khz的超声条件下，采用蚀刻溶液对硼玻璃进行蚀刻；所述蚀刻溶液中含有体积浓度为3％的异丙醇，以及在水中质量浓度为34％的氢氧化钾。
[0080]
实施例17
[0081]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中含有体积浓度为0.1％的异丙醇外，其余均与实施例16相同。
[0082]
实施例18
[0083]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括如下步骤：
[0084]
在75℃以及频率为500khz的超声条件下，采用蚀刻溶液对硼玻璃进行蚀刻；所述蚀刻溶液中含有体积浓度为5％的乙醇，以及在水中质量浓度为36％的氢氧化钠。
[0085]
实施例19
[0086]
本实施例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法包括如下步骤：
[0087]
在90℃以及频率为1000khz的超声条件下，采用蚀刻溶液对硼玻璃进行蚀刻；所述蚀刻溶液中含有体积浓度为1％的异丙醇，以及在水中质量浓度为38％的氢氧化钠。
[0088]
二、对比例
[0089]
对比例1
[0090]
本对比例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除蚀刻溶液中不含有乙醇外，其余均与实施例1相同。
[0091]
本对比例蚀刻后的玻璃表面粗糙度测试图如图2所示，从图2可以看出，对比例1中蚀刻后的玻璃表面光滑度较差，粗糙度高。
[0092]
对比例2
[0093]
本对比例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除不采用超声外，其余均与实施例1相同。
[0094]
对比例3
[0095]
本对比例提供一种玻璃蚀刻方法，所述玻璃蚀刻方法除乙醇替换为十二烷基醇外，其余均与实施例1相同。
[0096]
三、测试及结果
[0097]
测试方法：利用原子力显微镜测试以上实施例和对比例蚀刻后玻璃内壁表面的粗糙度，其结果如表1所示。
[0098]
表1
[0099][0100]
[0101]
以实施例1～6为例，对蚀刻速率进行测试，其结果如表2所示。
[0102]
表2
[0103] 时刻速率(μm/h)实施例1130实施例2260实施例3208实施例4156实施例5104实施例678
[0104]
从表1和表2可以看出以下几点：
[0105]
(1)综合实施例1～19可以看出，本发明提供的玻璃刻蚀方法通过采用碱和碳原子数≤10的醇类有机物的溶液作为蚀刻液，并辅助采用超声，大大降低了蚀刻后玻璃内壁的粗糙度，其粗糙度能够达到≤16nm，且蚀刻速率在70μm/h以上，能够同时兼顾蚀刻的内壁粗糙度和蚀刻速率；
[0106]
(2)综合实施例1～6可以看出，实施例1以及实施例3～6中在超声频率为200khz时，乙醇的体积浓度在10％以上，相较于实施例2中乙醇体积浓度为5％而言，实施例1以及市水利3～6的粗糙度均在6nm以下，而实施例2中的粗粗糙度达到了6.4nm，由此表明，本发明通过结合特定的超声频率和有机醇的浓度，进一步降低了蚀刻后玻璃内壁的粗糙度；
[0107]
(3)综合实施例1、实施例7～8以及对比例3可以看出，实施例1中采用乙醇，相较于实施例7～8中分别采用己醇和辛醇以及对比例3中采用十二烷基醇而言，实施例1中的粗糙度为5.1nm，而实施例7～8中的粗糙分别为5.8和6.4nm，对比例3中的粗糙度更是达到19.2nm，由此表明，本发明通过将有机醇的碳原子数控制在特定范围内，降低了蚀刻后玻璃内壁的粗糙度；
[0108]
(4)综合实施例1和对比例1～2可以看出，实施例1中结合超声和乙醇，相较于对比例1～2中分别不采用超声和乙醇来看，实施例1中的粗糙度远低于对比例1～2中的粗糙度，由此表明，本发明结合超声和有机醇类的添加，大大降低了蚀刻后内壁的粗糙度，而且醇类的添加会一定程度上降低碱在蚀刻溶液中的质量浓度，本发明还能够同时保障较高的蚀刻速率，效果显著。
[0109]
综上所述，本发明提供的玻璃蚀刻方法，通过采用碱和碳原子数≤10的醇类有机物的溶液作为蚀刻液，并辅助采用特定频率的超声，大大降低了蚀刻后玻璃内壁的粗糙度，其粗糙度在较优条件下能够达到≤6nm，在光学玻璃中用途广泛。
[0110]
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。