一种用于低碱低铝玻璃化学钢化的熔盐配方及其钢化工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于低碱低铝玻璃化学法钢化的熔盐配方，尤其是一种含纳米粉 体的熔盐配方及其钢化工艺（即熔盐配方的应用），可极大的提高玻璃的表面应力以及抗 折强度，使其能应用于航天器、高速列车、电子信息、建筑、汽车等领域。
【背景技术】
[0002] 化学钢化（或者离子交换）是提高玻璃表面压应力与抗折强度的有效方法之一。 低温型离子交换是在玻璃的应变温度以下，通过半径较大的钾离子交换玻璃中半径较小的 钠离子，使表面形成"挤塞"效应，是表面形成预压应力，玻璃获得增强。使用低温型化学钢 化，玻璃处理过程中，温度始终低于应变点，玻璃不会出现翘曲变形现象，玻璃的平整度与 原片相同，强度则有了很大的提高。
[0003] 对于国产的低铝低碱玻璃，一般情况下很难达到较好的化学钢化效果。为了达到 较好的钢化效果，则需要在熔盐中反应较长时间；在实际大规模生产中，能耗大且效率低。 其根本原因在于国产低碱低铝玻璃在化学钢化过程中所产生的反应物，易沉积在玻璃表 面，阻碍化学钢化的进程。为解决这一问题，通常使用硅藻土等催化剂来吸附化学钢化过程 中的反应产物，以促进化学钢化的进程。但硅藻土等催化剂在硝酸钾熔盐中溶解度有限，难 以形成稳定均匀的分布，易生成沉淀，导致化学钢化后玻璃表面应力分布不均匀。为解决这 一问题，本发明利用纳米粉末具有较大比表面积的特性，采用二氧化硅纳米粉末或三氧化 二铝纳米粉末代替通常使用的硅藻土，以吸附化学钢化过程中所生成的产物，促进化学钢 化进程，提高玻璃经化学钢化后的表面压应力与抗折强度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于低碱低铝玻璃化学钢化的熔盐配方及其钢化工 艺，采用二氧化硅或三氧化二铝纳米粉末代替常规使用的硅藻土以及碳酸钾作为钢化催化 剂，以达到较好的化学钢化效果，提高玻璃化学钢化后表面压应力与抗折强度。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是，一种用于低碱低铝玻璃化学钢化 的熔盐配方，其特征在于它主要成分包括硝酸钾、纳米三氧化二铝（Al2O3)、纳米二氧化硅 (SiO2)、碳酸钾（K2CO3),其中，纳米三氧化二铝（Al2O3)的加入量为硝酸钾质量的0?1.0%、 纳米二氧化硅（SiO2)的加入量为硝酸钾质量的0?1.0%、碳酸钾（K2CO3)的加入量为硝酸 钾质量的〇. 2?3%，纳米三氧化二铝（Al2O3)与纳米二氧化硅（SiO2)的加入量不同时为0。
[0006] 进一步优选，纳米三氧化二铝（Al2O3)的加入量为硝酸钾质量的0?I. 0%、纳米 二氧化硅（SiO2)的加入量为硝酸钾质量的0?1.0%、碳酸钾（K2CO3)的加入量为硝酸钾质 量的1.5%，纳米三氧化二铝（Al2O3)与纳米二氧化硅（SiO2)的加入量不同时为0。
[0007] 所述纳米三氧化二错、纳米二氧化娃的直径均在IOnm?500nm之间。
[0008] 本发明的熔盐中加入碳酸钾（K2CO3)，CO广与吸附在玻璃表面的碱土族金属离子反 应生成沉淀，加速钾钠离子交换过程；加入纳米粉末，是因为纳米粉末具有相对较大的比表 面积，容易吸附化学钢化（离子交换）过程中在玻璃表面产生的离子以及难溶物。
[0009] 采用此熔盐配方，在玻璃应变点以下进行低温型化学法钢化，对国产低铝低碱玻 璃能够达到较好的钢化效果，得到较高的表面压应力、较高的抗折强度以及较大的应力层 深度。
[0010] 应用上述熔盐配方的钢化工艺，包括以下步骤：
[0011] 1)将玻璃超声清洗1?30分钟，然后用去离子水中洗净并烘干；
[0012] 2)按纳米三氧化二铝（Al2O3)的加入量为硝酸钾质量的0?I. 0%、纳米二氧化 硅（SiO2)的加入量为硝酸钾质量的0?1.0%、碳酸钾（K2CO3)的加入量为硝酸钾质量的 0.2?3%，纳米三氧化二铝（Al2O3)与纳米二氧化硅（SiO2)的加入量不同时为0,选取硝酸 钾、纳米三氧化二铝（Al2O3)、纳米二氧化硅（SiO2)和碳酸钾（K2CO3),备用；
[0013] 3)采用下述二种方法之一：
[0014] ①将硝酸钾、纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅和碳酸钾混合，以3?10°C/min的速 度升温，升温至设定的钢化温度（钢化温度为400°C?500°C之间），保温60分钟以上（如 60-360分钟），以使熔盐均匀；
[0015] ②先将纯硝酸钾以3-10°C/min的速度升温至设定的化学钢化温度（400°C? 500°C之间），并保温30min(先将纯硝酸钾熔融），再将纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅（纳 米粉末）及碳酸钾加入，保温60分钟以上（如60-360分钟），使纳米三氧化二铝、纳米二氧 化硅均匀悬浮在熔盐中；
[0016] 4)将步骤1)处理后的玻璃板以3?10°C/min的速率升温至设定的钢化温度或 低于设定的钢化温度40°C的范围内进行预热处理，保温30分钟至60分钟（使玻璃温度均 匀）；
[0017] 5)将步骤4)中预热的玻璃，浸入3)所得的熔盐中，反应1?8小时；
[0018] 6)将反应完成的玻璃从熔盐中取出后冷却；
[0019] 7)将冷却完成的玻璃用去离子水洗净烘干，即得到经化学钢化增强的玻璃。
[0020] 所述玻璃为普通低碱低铝玻璃（普通的Na-Ca-Si系玻璃）。
[0021] 采用本发明熔盐和化学钢化方法能够有效地提高低碱低铝玻璃的表面压应力值 及其抗折强度，同时极大的缩短了化学钢化所需的时间，使生产能耗降低，效率提高。
[0022] 本发明所涉及的一种含纳米粉体的熔盐和化学钢化工艺方法适用于普通低碱低 铝玻璃。
[0023] 本发明的有益效果是：采用上述配方的熔盐及使用该熔盐的化学钢化工艺，可使 国产低碱低铝玻璃的表面压应力达到500MPa?750MPa，应力层深度为10?20ym。采用 本发明所述的熔盐及其化学钢化工艺，将交换时间控制在1?8小时，有效地降低了能耗与 大规模生产的成本。
【具体实施方式】[0024] 实施例1
[0025] -种用于低碱低铝玻璃化学钢化的熔盐配方，它主要成分包括硝酸钾、纳米三氧 化二铝（Al2O3)、纳米二氧化硅（SiO2)、碳酸钾（K2CO3),其中，纳米三氧化二铝（Al2O3)的加 入量为硝酸钾质量的〇. 1 %、纳米二氧化硅（SiO2)的加入量为硝酸钾质量的0. 1 %、碳酸钾 (K2CO3)的加入量为硝酸钾质量的I. 5%，
[0026] 所述纳米三氧化二错、纳米二氧化娃的直径均在IOnm?500nm之间。
[0027] 应用上述熔盐配方的钢化工艺，包括以下步骤：
[0028] 1)玻璃基板材质采用国产钠钙硅玻璃[普通低碱低铝玻璃（普通的Na-Ca-Si系 玻璃）]，取5?7片上述玻璃原片经切割，将玻璃超声清洗1?30分钟，然后用去离子水中 洗净并烘干；
[0029] 2)按纳米三氧化二铝（Al2O3)的加入量为硝酸钾质量的0.1%、纳米二氧化硅 (SiO2)的加入量为硝酸钾质量的0. 1 %、碳酸钾（K2CO3)的加入量为硝酸钾质量的1.5%，选 取硝酸钾、纳米三氧化二铝（Al2O3)、纳米二氧化硅（SiO2)和碳酸钾（K2CO3),备用；
[0030] 3)先将硝酸钾（纯的）以7°C/min的速度升温至设定的化学钢化温度460°C，并 保温30min(先将纯硝酸钾熔融），再将纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅（纳米粉末）及碳酸 钾加入，保温60分钟，使纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅均匀悬浮在熔盐中；
[0031] 4)将步骤1)处理后的玻璃板，放入预热炉内，以8°C/min的速率升温至420°C进 行预热处理，保温30分钟（使玻璃温度均匀）；然后迅速转移到熔盐槽内进行离子交换，
[0032] 5)将步骤4)中预热的玻璃，浸入3)所得的熔盐中，熔盐的温度为460°C(即离 子交换温度，低于所采用的玻璃基板材料的应变点），离子交换时间为4小时（即反应4小 时）；
[0033] 6)交换完毕后迅速将玻璃从熔盐中取出并转移到与熔盐槽温度近似的退火炉内 随炉冷却；
[0034] 7)将冷却完成的玻璃用去离子水洗净烘干，即得到经化学钢化增强的玻璃。使用 FSM-6000LE表面应力测试仪对玻璃的表面压应力值及应力层深度进行测量，测量结果见附 表中编号1样品。
[0035] 实施例2
[0036] 本实施例与实施例1的不同之处在于：
[0037] 熔盐组分为：以硝酸钾质量为100%计，含1.5%碳酸钾，0.5%纳米二氧化硅（注： 无"纳米三氧化二铝"）。测量结果见编号2号样品。
[0038] 实施例3
[0039] 本实施例与实施例1的不同之处在于：
[0040] 熔盐组分为：以硝酸钾质量为100%计，含0.5%碳酸钾，0.5%纳米三氧化二铝 (注：无"纳米二氧化硅"）。测量结果见编号3号样品。
[0041] 实施例4
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