[发明专利]一种水热化学强化玻璃的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及强化玻璃制备技术领域，具体涉及一种水热化学强化玻璃的制备方法。

背景技术

玻璃表面上形成压缩应力层是提高玻璃制品强度有效方法。通常采用空气冷却强化法(物理回火法)，即使加热至接近软化点的玻璃表面骤冷；或者低于比玻璃化转变点的温度下，用较大离子半径的碱金属离子(通常是K⁺)交换玻璃表面上的具有较小离子半径的碱金属离子(通常是Li⁺或Na⁺)。因此，玻璃的表面处理过程可以使得玻璃制品的强度增大，从而减薄玻璃制品的厚度，达到轻量化目的。相比而言，空气骤冷强化法应用于薄体玻璃制品则无法保证玻璃表面与内部之间的温差，不易形成压缩应力层，无法获得预期的强度。熔盐离子交换法则存在熔盐中的Na⁺浓度累积造成的熔盐更换频繁，且薄体钠钙玻璃很难制得30微米的压缩应力层且表面压缩应力200兆帕以上。尽管熔融盐具有高温稳定性，宽范围低蒸气压，低粘度，良好的导电性，较高的离子迁移和扩散速度，高的热容量，溶解各种不同材料的能力等优点。但无机盐的熔融依赖于热能的高消耗，低于熔融温度就会出现黏度增大，相应的各项性能变差。此外，浸泡玻璃制品需要消耗大量无机盐和热量，处理后的玻璃制品需要反复清洗除盐。

如专利号：CN201180041099.4，申请公布号：CN103068759A，公开了一种强化碱性铝硼硅酸盐玻璃的方法。通过用较大金属阳离子交换玻璃中存在的较小金属阳离子，形成从玻璃表面延伸到层深度的压缩层。在第二步骤中，玻璃中的金属阳离子被较大金属阳离子交换至玻璃中的第二深度，该第二深度小于所述层深度，并增强了压缩层的压缩应力。可以通过二步离子交换法形成压缩层并用较大阳离子代替阳离子。还提供了碱性铝硼硅酸盐玻璃，其具有压缩层，以及至少3000gf的裂缝压痕阈值。该方法工序较为复杂，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种水热化学强化玻璃的制备方法，在保证玻璃制品强度的条件下，降低熔融和清洗成本，从而解决以上所述的问题。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种水热化学强化玻璃的制备方法，该方法包括：将玻璃制品浸泡于高浓度含钾离子溶液的水热环境中进行离子交换处理，并间歇性施加超声波消除玻璃表面的浓差极化，从而制得化学强化玻璃。

本方法通过离子交换将玻璃板表面的离子半径小的Li⁺和Na⁺碱金属离子交换为离子半径更大的K⁺，离子交换后的玻璃经过去离子水的清洗后，即为强化玻璃。

作为化学强化的含钾离子溶液，只要能够将玻璃表层的Li₂O或Na₂O与K₂O进行离子交换则没有特别限定，氯化钾、硫酸钾、碳酸钾、碳酸氢钾、硝酸钾等可溶性钾盐均可，如将玻璃浸渍到硝酸钾(KNO₃)溶液中的方法，也可用多种钾盐复合使用。

另外，在钾盐溶液中，阳离子中K⁺摩尔浓度至少为34mol·L^-1。含钾溶液中Na⁺摩尔百分比为4～6％，用732型强酸性阳离子树脂将富钠钾盐溶液进行钠钾分离，实现钾盐溶液低钠化处理。

用于在玻璃上形成具有期望的表面压应力的化学强化层的条件：根据玻璃的表面压应力厚度的不同，水热温度条件优选为200～240℃，水热釜填充度60～80％，溶剂为纯水，水热强化的时间优选为6～18h，超声时间10～20min，超声间隔时间1～2h。

该方法适用的玻璃基体为各类器型的钠钙玻璃制品，水热化学强化后的玻璃的表面压应力层的深度优选为24μm～50μm，表面压缩应力优选为250～500MPa。

本发明的有益效果是：

1、超声波处理可以消除玻璃表面的浓差极化，增加界面处钠离子和钾离子的扩散推动力；

2、高温高压的水热环境中，钾盐的溶解度大大提高，离子活度高，热扩散性能好，有利于玻璃与溶液进行离子交换，实现表面化学强化；

3、钾盐用量小，溶液黏度小，易于与玻璃分离，玻璃表面钾盐残留量少，便于后续清洗；

4、低温操作，可以选用易分解的钾盐，增加了钾盐种类的可选性，而且热能消耗大大降低，也避免了高温熔盐对器壁的腐蚀；

5、封闭的水热环境可以提供安全的操作环境，避免了高温下熔盐分解产生的有毒气体对操作者的伤害；