[发明专利]将气体鼓入玻璃熔体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及形成熔融玻璃的方法，具体涉及为了混合和澄清熔融玻璃而将气体引入玻璃熔体的方法。本发明特别适用于澄清熔化温度高或应变点高的玻璃，如用于平板显示器的玻璃基板的玻璃。

背景技术

液晶显示器(LCD)是包含平面玻璃基板或玻璃板的平板显示器。熔合法是生产LCD中所用玻璃板的优选技术，因为与其他方法生产的玻璃板相比，熔制法生产的玻璃片的表面具有优越的平坦度和光滑度，不需要后续抛光处理。熔制法见述于例如美国专利第3338696号和第3682609号，其内容通过参考并入本文。

LCD玻璃的常规制造方法通常从在熔炉中熔化玻璃前体——进料——开始，产生熔融玻璃或玻璃熔体。在此熔化阶段发生的反应释放气体，在玻璃熔体中形成气泡[也称作微泡(seed)或小泡(blister)]。被捕集在进料颗粒之间的间隙空气释放后，也可能产生微泡。为产生高质量玻璃，这些气泡在任何情况下都必须除去。除去气态包含物的任务一般通过“澄清”玻璃完成。

在玻璃熔化和形成过程中反复遇到的另一个问题是如何产生混合良好的玻璃。若熔融玻璃不均匀，例如在化学和密度上不均匀，则可能在玻璃中产生条纹和玻筋，这在视觉上不雅观，对一些应用来说可能是不可接受的。

澄清玻璃熔体的常用方法是化学澄清法。在化学澄清法中，将澄清剂引入玻璃熔体中，例如将澄清剂加在进料中。澄清剂是多价氧化物，在高温下被还原(失去氧)，在低温下被氧化(重新与氧结合)。澄清剂释放的氧气随后扩散到熔化过程中形成的微泡里，导致微泡长大。因此，微泡的浮力增大，上升至玻璃表面，气体从熔体中释放。在理想情况下，澄清剂宜在熔化过程后期，即多数微泡形成之后再释放氧气，以提高澄清剂的效果。为此，尽管较大的微泡可能在熔化器中已被清除，但通常还要在澄清釜中对玻璃进行额外的澄清处理，此时玻璃的温度通常升高到超过熔化温度。澄清釜中升高的熔体温度降低了玻璃熔体的粘度，使得熔体中的微泡更易于上升至熔体表面。此外，氧化物澄清剂会释放氧气到熔体中，导致微泡生长，辅助微泡的清除过程。熔体澄清之后，立即冷却并搅拌，使熔体匀化，随后通过本领域已知的众多可用的形成方法中的任何一种方法形成为例如玻璃板。

许多玻璃制造方法采用砷作为澄清剂。砷是已知澄清温度最高的澄清剂之一，将其加入熔化器中的熔融玻璃浴时，它可让O₂在高温下(例如高于约1450℃)从玻璃熔体中释放出来。O₂的这种高温释放有助于在熔化过程中，特别是在生产玻璃的澄清阶段除去微泡，同时在较低的调理温度下有着吸收O₂的强烈倾向(有助于玻璃中任何残余气态包含物的坍缩)，使得玻璃产品基本上不含气态包含物。

从环保的角度考虑，期望提供在不用砷作澄清剂的情况下制造玻璃的替代方法，特别是制造LCD玻璃时通常使用的高熔点和应变点玻璃。含砷化合物一般有毒，加工含砷玻璃不仅产生处理成本很高的废料，而且在显示器的使用寿命结束后，还会产生如何处置显示器本身的问题。遗憾的是，与成熟的澄清剂如砷相比，许多替代的澄清剂通常释放氧气较少，且/或在太低的温度下释放氧气，在调理过程中再吸收的O₂太少，从而限制了它们的澄清能力和再吸收氧气的能力。因此，在玻璃生产工艺的澄清阶段(即玻璃在澄清釜中的时候)，澄清剂可能无法产生足够量的氧气，以对澄清釜中的玻璃进行有效澄清。

还期望提高对熔融玻璃进行机械混合的有效性，使得熔融材料接触上升气泡引起的气泡流的体积最大。

已知将气体鼓入熔融玻璃可帮助匀化玻璃组合物。然而，常规鼓泡方法可能存在熔炉过早受损的弊端。也就是说，在常规熔化方法中，批料在熔炉或熔化器中熔化。熔化器在烧制时，常常是既在熔融玻璃的自由表面上方用燃烧器加热，同时利用炉子侧壁中的电极，在自由表面下方将电流通入熔融玻璃。将气体如氧气鼓入熔融玻璃，一般是借助一根或多根穿过炉底耐火砖的管子，或者借助一根或多根穿过熔体自由表面(从熔化器“顶”)插入玻璃熔体的管子。这种管子通常用难熔金属制造，如铂或铂合金(例如铂-铑)。在第一种情况下，熔化器底部存在的鼓泡管可能增加熔化釜底部发生耐火材料侵蚀的几率，导致成品玻璃中存在石子。

在熔化器底部附近存在的管子也可能干扰熔化器中的电流。另一方面，难熔金属鼓泡管与熔化器顶内存在的燃烧气氛没有发生良好的相互作用，这可能导致鼓泡管的使用寿命较短，继而需要过早更换管子，显著增加了熔化器的停工时间。

也有人用鼓泡机将气体鼓入澄清池。然而，澄清池一般较浅，鼓泡机释放的气泡在熔融玻璃中停留并执行赋予它们的特定任务的时间有限。