高碱铝硅酸盐玻璃的超薄浮法工艺探索

武󰀁汉󰀁理󰀁工󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报

JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

Vol.32󰀁No.22󰀁Nov.2010

DOI:10.3963/j.issn.1671󰀁4431.2010.22.027

高碱铝硅酸盐玻璃的超薄浮法工艺探索

1222田英良,梁新辉,张󰀁磊,孙诗兵

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070;2.北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124)

摘󰀁要:󰀁高碱铝硅酸盐玻璃具有优良的力学性能,尤其在硬度、韧性和抗划伤等方面表现突出,是电子信息产品的触摸屏幕和手写屏的优选保护材料,依据高碱铝硅酸盐玻璃温度󰀁黏度特性曲线,探索浮法工艺生产超薄高碱铝硅酸盐玻璃的工艺技术要点。

关键词:󰀁铝硅酸盐玻璃;󰀁浮法工艺;󰀁超薄中图分类号:󰀁TQ171

文献标识码:󰀁A

文章编号:1671󰀁4431(2010)22󰀁0102󰀁04

ExplorationofUltrathinHigh󰀁alkaliAlumino󰀁silicateGlass

byFloatProcessTechnology

TIANYing󰀁liang1,LINGXin󰀁hui2,ZHANGLei2,SUNShi󰀁bing2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

Abstract:󰀁High󰀁alkalialumino-silicateglasseshaveexcellentmechanicalproperties,especiallyinthehardness,toughness

andresistancetoscratch,itisthepreferredprotectivematerialfortouchscreenofelectronicinformationproducts.Inthispa󰀁per,temperature󰀁viscositycurvewasmeasured,thefeasibilityofproducingultrathinglassbyfloatglassprocess.

Keywords:󰀁alumino󰀁silicateglass;󰀁floatprocess;󰀁ultrathin

随着平板电子显示产品耐用性要求的提高,其中冲击和表面划伤对显示产品表面损伤最大。高碱铝硅酸盐玻璃是一种适合于化学强化的高强度玻璃,具有优良的力学性能,尤其在硬度、韧性和抗划伤等方面表现突出,因此该玻璃将是电子信息显示产品(诸如手机、PDA、MP3、GPS、平板电脑(UMPC)等),特别是具有触摸屏幕和手写屏显示产品优选保护盖板材料,能有效提高显示效果和延长电子显示产品的使用寿命[1]。

目前触摸屏技术广泛应用大众消费电子领域,且触控屏具有操作简单、便捷、人机互动功能,特别是随着苹果公司iPhone手机和iPad平板电脑的热销,2010年将需求8亿片触摸屏。由于电子显示产品的轻薄化要求,因此触摸屏表面保护玻璃厚度要求小于1mm的超薄高强度玻璃,所以高碱铝硅酸盐玻璃成为首选。目前相对成熟和稳定的超薄平板玻璃生产工艺包括浮法和溢流法[2],浮法工艺相对成熟,投资相对较小,掌握超薄浮法生产工艺公司有日本的旭硝子公司和中国洛阳洛玻集团等;溢流法是美国康宁发明的超薄平板玻璃生产工艺,技术门槛较高,投资较大,主要用于TFT󰀁LCD基板玻璃生产。

该文以超薄浮法玻璃生产工艺原理为基础,根据触摸屏性能要求,以及高碱铝硅酸盐高温粘度特性和其

收稿日期:2010󰀁08󰀁15.

作者简介:田英良(1969󰀁),男,博士生,副教授.E󰀁mail:boli106@126.com第32卷󰀁第22期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁田英良,梁新辉,张󰀁磊,等:高碱铝硅酸盐玻璃的超薄浮法工艺探索󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

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它工艺性能要求,探索其超薄浮法成形工艺,为其实现超薄浮法生产提供一定的借鉴作用。

1󰀁高碱铝硅酸盐玻璃的理化性能

实验所采用的高碱铝硅酸盐玻璃的基本化学组成如表1所示。

表1󰀁高碱铝硅酸盐玻璃化学组成

SiO260.0

Al2O317.5

MgO3.5

Na2O14.5

K2O3.5

其它1.0

w/%合计100.00

󰀁󰀁其中,Al2O3能极大地改善玻璃化学稳定性,降低玻璃析晶倾向,同时也是提高玻璃硬度、抗弯强度的必要成份,但是会大幅提高玻璃高温粘度。碱金属氧化物作为易熔玻璃成份,使得玻璃熔融温度下降,降低玻璃黏度,同时为化学强化创造了条件。按照表1的玻璃化学组成试制的高碱铝硅酸盐玻璃的特征黏度点如表2所示,根据表2的温度󰀁粘度特征点拟合的温度󰀁黏度曲线如图1所示。

表2󰀁高碱铝玻璃的特征粘度点

lg󰀁/(dPa󰀂S)温度/

2.01620

3.01330

4.01179

7.6835

11.5643

13.0598

13.4576

14.5559

󰀁󰀁高碱铝硅酸盐玻璃的性能测试结果与钠钙硅酸盐玻璃的主要性能对比如表3所示,可见高碱铝硅酸盐玻璃在密度、膨胀系数、折射率以及可见光平均透射比相差不大,而两者的表面张力和特征黏度点有明显差异。

表3󰀁高碱铝硅酸盐玻璃和钠钙硅酸盐玻璃的主要性能对比表性能

密度/(g󰀂cm-3)30~380 热膨胀系数(!10-7/ )

折射率(nD)表面张力/(N󰀂m-1)可见光平均透射比作业点/ [104.0dPa󰀂S]软化点/ [107.6dPa󰀂S]退火点/ [1013.0dPa󰀂S]应变点/ [1014.5dPa󰀂S]

钠钙硅玻璃2.5188~941.52220!10-0.881034730546498

3

高碱铝硅酸盐玻璃

2.49901.50380!10-0.911179835589559

3

2󰀁高碱铝硅酸盐玻璃的超薄浮法工艺探索

2.1󰀁超薄浮法工艺原理

超薄浮法生产工艺的原理和普通的浮法生产工艺原理基本一致,但前者对控制和装备要求较高,生产难度较大。浮法玻璃成形原理是利用熔融玻璃液漂浮在比重较大的金属锡液面上,借助于高温下金属锡液和玻璃液的表面张力、玻璃液与金属锡液的界面张力以及玻璃液重力的共同作用,使玻璃液在锡液面上铺开、摊平,形成表面平整、无波筋的玻璃带,并在其冷却硬化过程中加以保持,才能得到优质的平板玻璃产品。因此,浮法成形工艺的核心是充分利用玻璃液的表面张力、黏度和其重力的作用。使用浮法成形工艺生产出均匀一致超薄的玻璃板,就需要在玻璃液成形过程中,借助于设置在不同位置上的拉边对玻璃液施加一定向外的作用力,来克服玻璃液重力和表面张力的作用,生产出合格的超薄玻璃带,浮法成形工艺原理如图2所示[3]。

2.2󰀁超薄浮法工艺探索

在锡槽中进行浮法成形时,应注意控制各阶段的玻璃的黏度,而黏度的控制是通过温度控制来实现的,

󰀁104󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁武󰀁汉󰀁理󰀁工󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年11月

因此,对高碱铝硅酸盐玻璃的温度󰀁黏度特征曲线,参见图1所示。玻璃的黏度为10~10dPa󰀂S范围内玻璃液在锡槽内实现摊平、抛光,该阶段温度控制在1172~1240 ;成形和拉薄阶段的玻璃黏度为104.4~106.3dPa󰀂S,其所对应的温度范围为950~1160 。当用浮法玻璃工艺生产高碱铝硅酸盐玻璃时,由于该玻璃氧化铝含量较高,会导致的黏度较大,为了达到同样的玻璃黏度要求,其进入锡槽的玻璃液温度一般要求高于钠钙玻璃要高出200~250 。一般选取其供料温度在1320~1380 ,以期通过玻璃液带入锡槽更多的热量。在锡槽内部空间进行电加热分区和功率配置上要进行大幅提高和调整,功率相对钠钙玻璃提高90%左右。另外,由于该玻璃中的Al2O3、MgO含量较高,因此其表面张力亦较大,致使高碱铝硅酸盐玻璃在高温时表现出黏度大、收缩大的特征。为了满足于电子显示产品应用,对于超薄玻璃需要克服和解决在拉边过程中的厚度差、平整度问题。一般要求厚度差小于30󰀂m,平整度使用波纹度表述,其值小于0.15󰀂m/20mm。在超薄玻璃浮法成形过程中拉边机、直线马达、挡墙发挥着重要作用,下面就各部分作用进行分别论述。

2.2.1󰀁拉边机应用与控制

浮法成形工艺在拉薄过程中,拉边机是主要控制手段。通过调整拉边机杆端的齿轮线速度V和与玻璃带前进方向的角度 ,见图3,所产生向外拉速为V󰀂sin ,该向外拉力可以克服玻璃液表面张力导致玻璃带收缩,在一对拉边机拉引作用下使玻璃带的厚度减薄是有限的,要使玻璃能达到有效的拉薄,必须选择多对拉边机共同作用,来

克服玻璃液的高黏度产生的粘滞阻力与重力、摩擦力和表面张力以及拉边机产生的拉力和主传动牵引力所形成的力平衡体系,保障浮法成形顺利进行,生产上宜采用等i值逐级拉薄技术。主要通过控制拉边机的间距、角度和锡槽内温度制度等,其能明显改善玻璃的厚度和厚度差[5]。

拉薄时,拉边机速度从1#到n#逐对加大,首先必须考虑拉边机在拉薄玻璃过程中的作用和玻璃液带的粘度变化,其次考虑玻璃液带在成形过程的减薄过程是个渐变过程,只不过每对拉边机对玻璃带的减薄作用程度不尽相同。从实践和理论分析,前三对拉边机对减薄的作用大一些,但也不能忽视后几对拉边机的作用。根据玻璃工艺基本原理可知,玻璃表面张力随温度变化并不显著,只要将玻璃带拉住并有适当的往外拉的分速V󰀂sin 即可。所以第一对的边机的速度和夹角 都不需很大。随玻璃带向前运行,玻璃的温度降低,粘度增大,为使中部的玻璃液向两边移动,以求玻璃带横向厚度均匀,拉边机的速度和角度都要逐对适当加大,以使产生较大的将玻璃带往外拉的分速V󰀂sin ,直至末对(n#)拉边机速度与退火窑的拉引速度相适应。

超薄浮法玻璃生产时,其拉引量是保持衡量,拉引量X(t/d)=W󰀂!󰀂V󰀂∀,式中,W为玻璃带宽度;!为玻璃带厚度;V为速度;∀为玻璃密度。玻璃的密度∀是温度的函数,即随温度降低而增大,但密度变化不大,实际计算时可忽略不计,则W1!1V1∀W2!2V2#∀Wn!nVn。浮法玻璃的实际生产过程中,玻璃带的宽度是变化的,即由宽变窄,其变化最大的是在摊平区到第1对拉边机,第1对到第2对也比较大,随后宽度有变化,但变化不大。拉薄时玻璃的厚度!逐对减小,所以拉边机速度V是逐对加大,以使流量相等[4]。

在拉薄时拉边机的速度增量应使各对拉边机速度互相配合和协调为准则,拉边机互相配合和协调的标志是前后拉边机速度的比值,即分速度比i要成有规律的变化。对拉薄时,其分速比i1=V2/V1,i2=V3/

[4]

3.74.2

第32卷󰀁第22期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁田英良,梁新辉,张󰀁磊,等:高碱铝硅酸盐玻璃的超薄浮法工艺探索󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

105

V2,#,in-1=Vn/Vn-1。拉边机速比变化要与玻璃粘度变化相适应,各对拉边机速度互相配合和协调的标志是分速度比i,在生产实践中,应采用等i值(即i1=i2=#in-1)逐级拉薄技术,才能保障生产的稳定性和成形玻璃的质量。

2.2.2󰀁直线马达应用与控制

锡槽中锡液流状况比较复杂,因而调整和稳定锡槽中锡液液流变得尤为重要。锡液液流调控装置分为被动式和主动式两种,主动式主要是采用直线马达,直线马达是一种将电能直接转换成直线运动机械能的电力装量。当直线马达三相绕组通入交变电流时,产生∃行波磁场%,位于∃行波磁场%中的导体因切割磁力线而感应出电流,电流与磁场相互作用便产生电磁力。在锡槽中,直线马达所产生的电磁力推动着锡液运动,改变直线马达的输出功率就能控制锡液的流动的方向与速度。在锡槽的拉薄区和收缩区使用直线马达能有效解决玻璃带下表面光学畸变缺陷的产生。同时直线马达也能有利于减少由于锡槽中锡液的冷热流混合时产生的温度不均匀而导致的玻璃厚度的波动。直线马达机头安装于玻璃带上方,不与玻璃接触,距离玻璃带表面约200~400mm。直线马达驱动玻璃下面的锡液按预定方向流动,改变直线马达的输出功就能改变锡液流动的方向与速度。

在锡槽的拉薄区和收缩区使用直线马达,是减少玻璃带下表面光学变形缺陷的有效方法之一。为生产超薄玻璃,拉边机速度机必须逐次提高,玻璃带的加速运动会带着锡液涌向锡槽出口端。为补偿玻璃带下面的锡液向下游的流动,较冷的锡液向上游返回流动。冷热流股在拉薄区相遇,使玻璃表面各微区冷热不均。在拉薄区内,玻璃带处于玻璃转变温度范围,对微小的温差特别敏感,温度每下降1 ,玻璃液粘度就约上升3.5%。各微区的粘度差造成了拉伸不均,在玻璃上产生光学畸变。直线马达已被证明是控制这些有害液流的最有效装置。

在锡槽进口端,熔融的玻璃液流入锡槽中部,热量传递给其下面的锡液,而位于锡槽侧墙附近的锡液仅得到较少的热量。结果,在该区域形成了较大的横向温度梯度。该温度梯度阻碍了玻璃液的自由扩展,并且导致玻璃带厚度和表面上存在的不规则缺陷。为改善锡槽的横向温度分布,在锡槽两侧靠近流槽砖的锡液上方,安装两部直线马达。2.2.3󰀁挡墙应用与控制

锡液液流被动式调控装置的主要依靠挡墙,通过在抛光区采用挡墙可以使生产超薄浮法玻璃的厚度波动明显减小,同时也能明显改善玻璃带的稳定性,挡墙的数量取决于池窑的大小和抛光区的长度。挡墙是宜采用金属钨和石墨构成,能够有效的抵抗锡槽中高温的环境。

在锡槽的锡液内明显存在横向和纵向温度差,锡槽既是成形设备,也是为很重要的热工设备,因此该设备的必然存在热量损失,导致锡槽边部温度相对中心位置低一些,即使在摊平区也会存在这种情况,因此,实际玻璃的摊平是很难达到较高要求。鉴于此种情况,人为设置3~9组挡墙,挡墙应该具有角度调节功能,基本与玻璃带运动方向夹角15~90&,一般第1对挡墙角度大于45&,抑制和控制其过速摊平和展开,其后若干对挡墙角度基本维持在15~30&之间挡墙设置位置参见图4[6]。

(下转第118页)

󰀁118󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁武󰀁汉󰀁理󰀁工󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年11月

300mm!300mm大小普通玻璃,选用直径0.1mm不锈钢细丝作为支撑线,排布间距为60mm的初始设计满足真空玻璃的设计要求。

c.通过理论计算可得,采用该文方法制备的新型普通白玻真空玻璃的K值为2.58W/mK,小于普通中空玻璃的K值,满足节能玻璃的要求和应用。

参考文献

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563.

2

(上接第105页)

3󰀁结󰀁语

高碱铝硅酸盐玻璃是一种机械性能优良的电子显示产品保护玻璃材料,该玻璃具有表面张力大和高黏度特性,利用浮法工艺来生产厚度为1mm的超薄玻璃,并且要求厚度差和波纹度小的高精度超薄平板玻璃是目前需要解决和攻关的内容。通过结合玻璃基本工艺参数和浮法工艺原理,作者根据实践提出在高碱铝超薄玻璃生产宜采用等i值逐级拉薄技术,拉边机的速度增量应使各对拉边机速度互相配合和协调为准则、在拉薄区和收缩区使用对直线马达,以减少玻璃带的光学变形缺陷和在抛光区和固型区设置挡墙可明显改善玻璃质量等应用要点和控制要求,以期为该类玻璃实现超薄浮法生产提供一定的借鉴作用。

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