浅谈浮法超薄高铝硅酸盐玻璃的化学组成及性能

蒋江 罗东燕

摘 要：高铝硅酸盐玻璃是指Al2O3的含量大于6%的硅酸盐玻璃，其具有强度高、耐磨性好、通透性强、化学稳定等优良特性。该文讨论了高铝硅酸盐玻璃的基本化学组成及其对性能的影响，并简述其生产工艺技术特点。

关键词：超薄浮法 高铝硅酸盐玻璃 化学组成 工艺技术

中图分类号：TQ17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（a）-0027-03

Abstract：High-aluminum-silicate glass is a kind of glass that the content of Al2O3 is more than 6%，and has certain properties such as high strength， good abrasion resistance， excellent luminousness， chemical stability； This paper will discussed the basic chemical composition and its impact on performance of High-aluminum-silicate glass， and describe the characteristics of production technology briefly.

Key Words：Ultra-thin float process；High-aluminum-silicate glass；Chemical composition；Process technology

目前市场上主要的触摸屏盖板玻璃分为钠钙硅玻璃和高铝硅酸盐玻璃。虽然普通钠钙硅玻璃其价格便宜，但产品质量较差，这在一定程度上限制其在触摸屏盖板玻璃上的应用。而高铝硅酸盐玻璃是一种铝含量和碱含量均很高的玻璃，其化学钢化后强度是钠钙硅玻璃的4～6倍，且其具有很好的耐磨、抗划、透光率等性能，所以被广泛应用于手机、电脑、触摸屏等高端电子产品的盖板[1]。

超薄玻璃是指厚度在0.1～1.3 mm的玻璃，其比较成熟和稳定的生产工艺主要有溢流法和浮法两种[2]。溢流法是由美国康宁发明的，该技术已申请了多项发明专利和技术保护，所以其技术门槛较高；掌握超薄浮法工艺的公司主要有日本的旭硝子、德国的肖特及中国的洛玻等，但是在高铝超薄浮法工艺方面，国外技术比较成熟，产品也已进入市场化。而中国起步相对较晚，现阶段只有旭红光电和清远南玻两家公司正在投产和试运行，但要真正进入商业化模式，还需经历一个漫长的探索过程。

1 高铝硅酸盐玻璃的化学组成及性能影响

浮法超薄高铝硅酸盐玻璃的主要化学组成，如表1所示。

1.1 SiO2

SiO2是高铝硅酸盐玻璃的形成体氧化物，它是以硅氧四面体的结构单元通过不规则的网络连接构成玻璃的骨架。它能提高玻璃的机械强度、硬度、化学稳定性、热稳定性及透明度等。但SiO2熔点为1 713 ℃，属难熔物质，且使玻璃粘度增大，易引起析晶，所以其含量也不宜过高，在高铝硅酸盐玻璃中其优选含量为58%～63%。

1.2 Al2O3

Al2O3作为中间体氧化物，在合适的碱含量情况下，其也能参与形成玻璃网络结构，可以提高玻璃的强度、硬度、耐久性，改善玻璃的热稳定性，降低玻璃的热膨胀系数和析晶倾向。相对普通钠钙玻璃而言，Al2O3含量高是高铝硅酸盐玻璃的一个重要特点，其含量一般大于6%，由于Al2O3也属于难熔物质，熔点为2 050 ℃，这样不仅使高铝硅酸盐熔点增大，其熔化温度比普通玻璃要高50 ℃～60 ℃，还大幅度提高了玻璃的粘性，所以为了改善高铝玻璃的熔化特性，必须合理地引入Na2O、K2O、CaO、MgO等助熔剂成分。

1.3 Na2O和K2O

Na2O和K2O是玻璃的网络外体氧化物，提供游离O使玻璃中氧硅比值增大，桥氧键断裂，网络结构松弛，从而可以解决高铝硅酸盐玻璃难熔的问题，其碱总含量一般要求大于15%，同样碱含量也不宜过高，否则会使玻璃机械强度、化学稳定性降低，热膨胀系数增大，玻璃发霉、发脆。高铝硅酸盐玻璃是利用K2O来替代一部分的Na2O，这样可以增加玻璃的折射率和光泽度，同时产生“双碱效应”，改善玻璃化学稳定性和析晶性能。另外，相关研究也表明[3]：Na2O和K2O含量会影响玻璃化学钢化后的性能，当Na2O含量高而K2O含量低时，化学钢化后玻璃的各项性能更佳，所以为了满足后期超薄高铝硅酸盐玻璃的化学钢化需求，K2O不宜引入过多，其选优质量分数3%～6%。

1.4 CaO和MgO

CaO、MgO是网络外体氧化物，引入后也能使玻璃的网络断裂、松弛，起到助熔的效果，但其效果没有Na2O、K2O明显。CaO和MgO在玻璃中均起到稳定剂作用，可以提高玻璃的强度、耐久性，而CaO易使玻璃失透、发脆，在高铝玻璃中往往降低CaO含量，增加MgO含量，因为MgO不仅能抑制玻璃中碱金属离子的移动，防止玻璃产生结晶，同时还能提高玻璃的弹性模量。所以高铝硅酸盐玻璃中CaO含量一般小于1%，MgO含量为3%～7%。

1.5 微量成分Fe2O3、ZrO

众所周知，Fe2O3是玻璃组成中的有害成分，不仅在熔制过程中会降低玻璃的透热性，影响熔化效率，还会使玻璃制品着色，恶化其光学性质。为了满足高端触摸屏盖板良好的光学性质要求，高铝硅酸盐玻璃的透光率一般要求大于90%，所以应严格控制其组成中铁的含量，其含量不宜大于0.03%。ZrO作为少量成分掺入高铝硅酸盐玻璃中能显著提高玻璃的化学稳定性、拉伸弹性及耐热性，降低失透温度，改善玻璃的熔化，ZrO较佳的掺量为0.5%～1%。

1.6 脱色剂成分

对于高铝硅酸盐盖板玻璃而言，应具有良好的通透性。但由于原料、设备及其他因素都会不可避免地引入铁、钛、铬等杂质，使玻璃呈现出不希望的颜色，为消除或减弱这些不利颜色，往往需要使用到脱色剂。脱色剂分为化学脱色剂和物理脱色剂两种，化学脱色剂是借助其氧化作用使Fe2+为Fe3+，脱色效果比较明显，其主要有硝酸盐类、卤素化合物及氧化锑等；物理脱色剂则是利用颜色互补原理来中和玻璃原有的颜色，但这种脱色作用是有限的，比如当Fe含量大于0.06%时则很难制得无色玻璃，常用的有氧化钴、硒、二氧化锰等[4]。

2 浮法超薄高铝硅酸盐玻璃的生产工艺技术特点

2.1 高铝硅酸盐玻璃的熔制技术

玻璃的熔制是一个复杂的反应过程，大致可分为硅酸盐形成、玻璃液形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化及玻璃液的冷却5个过程。高铝硅酸盐玻璃组分中Al2O3含量高于16%，其溶解温度一般需大于1 640 ℃，相比普通硅酸盐玻璃其熔解温度要高50 ℃～60 ℃。另外，Al2O3、MgO及CaO等提高玻璃表面张力的成分使得高铝硅酸盐玻璃具有高温粘度大的特征，这也对玻璃的澄清均化带来了困难。针对上述特点，高铝硅酸盐玻璃熔制须使用耐高温、耐侵蚀性更好的耐火材料，同时还应采用全氧燃烧技术和电熔辅助技术来获得较高的溶解温度和熔化均匀性。其次设计氧化性配合料、使用粒化成球及池底鼓泡技术也有助于降低配合料的熔化温度，缩短熔化时间，提高澄清均化效果[5]。

2.2 高铝硅酸盐玻璃的超薄浮法成型技术

浮法成型是指熔化好的玻璃液经流道流至锡槽锡液上，在自身重力和表面张力的作用下进行摊平抛光，并通过主传动和拉边机对玻璃带进行展薄或积厚形成优质的平板玻璃。超薄浮法成型与普通浮法成型两者的工艺原理基本一致，但超薄浮法成型技术对生产设备和工艺控制精度要求更高，玻璃成型难度更大。对于高铝硅酸盐玻璃而言，其成型主要有以下3个特点：（1）成型温度高。高铝硅酸盐玻璃成型区间的温度比普通钠钙玻璃高150 ℃～200 ℃，为了达到较高的成型温度须提高流道的供料温度，增加锡槽空间的硅碳棒数目及加热功率，所以这对拉边机、加热元件及锡槽耐火材料等设备提出了更高的要求。另外，较高的成型温度下锡槽内更容易产生锡灰、渗锡等缺陷，所以还应增加保护气体用量，加强锡槽密封，合理布置放散的位置。（2）成型温度范围小，玻璃收缩率大。玻璃的理论成型黏度为104.25～105.75Pa·s，在该黏度范围内，高铝硅酸盐玻璃对应的温度区间要比较普通玻璃小30 ℃以上，其成型温度范围更窄，另外Al2O3、MgO、CaO等成分使得高铝硅酸盐玻璃比普通钠钙玻璃具有更高的表面张力，其收缩率也大大增加，针对这些就需要合理地设计锡槽的结构、加热元件的分布及拉边机的数量及位置。（3）成型质量要求更高。从表2中不难看出，相比普通浮法玻璃，各规格的超薄浮法玻璃对厚薄差控制更严，要求更高。其次，超薄高铝硅酸盐玻璃还要求微观波纹度小于0.15 μm/20 mm，而普通浮法玻璃对波纹度不做相关要求。

3 结语

超薄高铝硅酸盐玻璃作为高端电子盖板玻璃，其具有高强、耐划伤、化学稳定性好、透光性高等优良的物理化学性能，在中国需求量越来越大，拥有广阔的市场前景。该文主要阐述了超薄高铝硅酸盐玻璃的化学组成特点及各成分对玻璃性能及生产工艺的影响情况，并与普通浮法玻璃工艺进行对比，讨论了超薄高铝硅酸盐玻璃在熔制及成型技术上的特点，总结了到目前为止，所采用的相关解决措施，希望能对浮法超薄高铝硅酸盐玻璃生产起到一定的指导参考作用。由于现在国内高铝硅酸盐玻璃的生产还处起步阶段，在工艺技术和质量控制方面还不成熟，存在较大的技术难度，相信通过不断的探索研究及技术积累，定能早日实现工业化量产。

参考文献

[1] 高哲，田英良，沈学红.高强度铝硅酸盐玻璃及其化学钢化方法[P].中国专利：CN200810147442.3，2009-01-07.

[2] 田英良，孙诗兵.新编玻璃工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2009：337-341.

[3] 王琦，樊进军.两种高铝玻璃化学钢化性能分析[J].玻璃，2013（6）：47-48.

[4] 陈国平.玻璃的配料与熔制[M].北京：化学工业出版社，2006：78-88.

[5] 田英良，程金树，张磊，等.超薄铝硅酸盐玻璃生产关键技术探讨[J].玻璃与搪瓷，2011，39（1）：22-26.