CN101370743B - 有色玻璃组合物 - Google Patents

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Abstract

公开了玻璃组合物。该玻璃组合物包含基础玻璃组合物和着色剂及性能调节部分,所述基础玻璃组合物包含65-75重量%的SiO2、10-20重量%的Na2O、5-15重量%的CaO、0-5重量%的MgO、0-5重量%的Al2O3、0-5重量%的K2O和0-1重量%的BaO,所述着色剂及性能调节部分包含至多0.02重量%的总铁、0.05-1.5重量%的CeO2、至多50PPM的CoO、至多15PPM的Se、至多500PPM的Cr2O3、至多0.5重量%的CuO、至多0.3重量%的V2O5、至多1重量%的TiO2、至多200PPM的NiO、至多3重量%的Er2O3、至多0.6重量%的MnO2和至多2重量%的Nd2O3,其中所述玻璃组合物具有至多0.55的氧化还原比。

Description

有色玻璃组合物
发明领域
本发明涉及玻璃组合物,特别地是包括最小量着色剂和其它性能调节材料但表现出强烈色彩的玻璃组合物。
发明背景
玻璃基材用于各种应用例如汽车应用、建筑应用、航空航天应用等。玻璃基材还用于家具(例如桌面、架子等)和用具。取决于玻璃基材的最终应用,希望玻璃基材表现出某些(a)美学上的性能,例如但不限于颜色和(b)日光控制性能,例如但不限于太阳能总透过率(“TSET”)、可见光透过率(“Lta”)等。
可以按几种不同方式调节玻璃基材的美学性能和日光控制性能。第一种方式包括在玻璃基材表面上沉积涂层。第二种方式改变构成玻璃基材的化学组成(即,构成玻璃组合物的材料类型和/或玻璃组合物中各种材料的重量百分数)。经常地,向公知的基础玻璃组合物例如钠-钙-硅基础玻璃组合物中添加能够调节玻璃组合物的日光性能的着色剂和/或其它材料,以提供能够表现出独特性能性质的玻璃基材。虽然能够调节玻璃组合物的日光性能的一种着色剂或一种材料的作用是已知的(例如,已知向基础玻璃组合物中添加FeO提高玻璃组合物的红外(IR)吸收),但本发明的实质是使用能够调节玻璃组合物的日光性能的各种着色剂和/或材料,每种着色剂或材料能够单独地产生独特作用,从而共同实现性能的组合。
根据本发明,向钠-钙-硅基础玻璃组合物中添加具体量的能够调节玻璃组合物的美学和/或日光性能的具体材料,以提供着色玻璃基材。本发明的玻璃基材可表现出各种颜色例如,但不限于蓝色、绿色、黄色、青铜色和灰色。本发明的玻璃基材还可表现出等于或大于80%的Lta,该Lta对于用于家具和用具的玻璃基材通常是所需的。
发明概述
在非限制性实施方案中,本发明是包含基础玻璃组合物和着色剂及性能调节部分的玻璃组合物,所述基础玻璃组合物包含:65-75重量%SiO2、10-20重量%Na2O、5-15重量%CaO、0-5重量%MgO、0-5重量%Al2O3、0-5重量%K2O和0-1重量%BaO,所述着色剂及性能调节部分包含:至多0.02重量%的总铁、0.05-1.5重量%的CeO2、至多50PPM的CoO、至多15PPM的Se、至多500PPM的Cr2O3、至多0.5重量%的CuO、至多0.3重量%的V2O5、至多1重量%的TiO2、至多200PPM的NiO、至多3重量%的Er2O3、至多0.6重量%的MnO2和至多2重量%的Nd2O3,其中所述玻璃组合物具有至多0.55的氧化还原比。
在另一个实施方案中,本发明是由包含玻璃组合物和着色剂及性能调节部分的玻璃片材,所述玻璃组合物包含:65-75重量%SiO2、10-20重量%Na2O、5-15重量%CaO、0-5重量%MgO、0-5重量%Al2O3、0-5重量%K2O和0-1重量%BaO,所述着色剂及性能调节部分包含:至多0.02重量%的总铁、0.05-1.5重量%的CeO2、至多50PPM的CoO、至多15PPM的Se、至多500PPM的Cr2O3、至多0.5重量%的CuO、至多0.3重量%的V2O5、至多1重量%的TiO2、至多200PPM的NiO、至多3重量%的Er2O3、至多0.6重量%的MnO2和至多2重量%的Nd2O3,其中所述玻璃组合物具有至多0.55的氧化还原比且该玻璃片材在0.223英寸(5.664mm)厚度下表现出等于或大于70%的Lta。
在又一非限制性实施方案中,本发明是制造玻璃组合物的方法,该方法包括加工配合料以形成玻璃组合物,所述玻璃组合物包含:65-75重量%SiO2、10-20重量%Na2O、5-15重量%CaO、0-5重量%MgO、0-5重量%Al2O3、0-5重量%K2O和0-1重量%BaO,着色剂及性能调节部分包含:至多0.02重量%的总铁、0.05-1.5重量%的CeO2、至多50PPM的CoO、至多15PPM的Se、至多500PPM的Cr2O3、至多0.5重量%的CuO、至多0.3重量%的V2O5、至多1重量%的TiO2、至多200PPM的NiO、至多3重量%的Er2O3、至多0.6重量%的MnO2和至多2重量%的Nd2O3,其中所述玻璃组合物具有至多0.55的氧化还原比。
发明详述
用于本文时,说明书和权利要求书中使用的表示尺寸、物理特性、工艺参数、成分的量、反应条件等的所有数字应被理解为在所有情况下都经术语“约”修饰。因此,除非相反地指出,否则在下面的说明书和权利要求书中给出的数值可以根据寻求通过本发明获得的期望性能而变化。最起码,不是试图限制对权利要求范围应用等同原则,每个数值应至少根据所公开的有效数字的个数并通过使用普通舍入法来理解。此外,本文公开的所有范围均应理解为包括起始和终止范围值以及在其中的任何及所有子范围。例如,所陈述的“1-10”的范围应认为包括在最小值1和最大值10之间(且包括这两个值)的任何及所有子范围;即,起始于1或更大的最小值而终止于10或更小的最大值的所有子范围,例如1.0-3.8、6.6-9.7和5.5-10。
本发明的玻璃组合物包含基础玻璃部分和着色剂及能够调节玻璃的性能性质的材料。着色剂和能够调节玻璃的日光控制性能的材料在本文中均称作“着色剂及性能调节材料”。根据本发明,基础玻璃部分包括下表1中所示量的组分。
表1.基础玻璃部分
组分     在玻璃组合物中的含量[基于玻璃组合物总重量计的重量百分数]
    SiO2     65-75%
    Na2O     10-20%
    CaO     5-15%
    MgO     0-5%
    Al2O3     0-5%
    K2O     0-5%
    BaO     0-1%
所描述的基础玻璃部分在本领域中称作“钠-钙-硅”玻璃组合物。根据本发明,向基础玻璃组合物中添加各种着色剂和能够调节玻璃的日光性能性质的材料。本发明的玻璃组合物中包括的着色剂及性能调节材料包括:氧化铁(三氧化二铁(Fe2O3)和氧化亚铁(FeO))和氧化铈(CeO2)。
根据本发明,铁在玻璃组合物中可以按三氧化二铁(Fe2O3)和氧化亚铁(FeO)存在。本领域中公知的是,Fe2O3是强的紫外辐射吸收剂并且是黄色着色剂。本领域中公知的是,FeO是强的红外辐射吸收剂并且是蓝色着色剂。
本发明的玻璃组合物中存在的“总铁”用存在于玻璃组合物中的“Fe2O3”的重量百分数表示,这是工业中的标准做法。但这并不暗示玻璃组合物中存在的所有铁都是Fe2O3形式。根据本发明,基于玻璃组合物的总重量计,本发明的玻璃组合物中的总铁至多为且包括0.02重量%,例如0.005-0.02重量%。
本发明的玻璃组合物中以亚铁态存在的铁的量用玻璃组合物中存在的“FeO”的重量百分数表示,这是工业中的标准做法。虽然亚铁态的铁的量以FeO表示,但亚铁态的全部量实际上可能不以FeO存在于玻璃中。
本发明的玻璃组合物具有一定的“氧化还原比”。用于本文时,“氧化还原比”是亚铁态的铁(表示为“FeO”)的量除以总铁(表示为“Fe2O3”)量。根据本发明的玻璃组合物具有至多0.55、例如0.05-0.525或0.1-0.5的氧化还原比。
根据本发明,本发明的玻璃组合物包含0.05重量%-1.5重量%、例如0.50重量%-1.25重量%或0.75重量%-1.0重量%的CeO2,其中所述重量百分数是基于玻璃组合物的总重量计。在本领域中已知CeO2作为紫外吸收剂。
在本领域中还已知CeO2作为强氧化剂,其将配合料中存在的铁氧化形成Fe2O3,Fe2O3是没有FeO强的着色剂。
在各种非限制性实施方案中,本发明的玻璃组合物可包括下面主要存在以决定玻璃组合物所表现出的颜色的任选的着色剂和其它性能调节材料中的一种或多种:氧化钴(CoO)、硒(Se)、氧化铬(Cr2O3)、氧化铜(CuO)、五氧化二钒(V2O5)、二氧化钛(TiO2)、氧化镍(NiO)、氧化铒(Er2O3)、二氧化锰(MnO2)和氧化钕(Nd2O3)。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多50PPM、例如2PPM-35PPM或5PPM-25PPM的CoO。CoO作为蓝色着色剂且不表现出任何明显的红外或紫外辐射吸收性能。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多15PPM、例如3PPM-14PPM或5PPM-12PPM的Se。在本领域中已知Se作为紫外和红外辐射吸收着色剂,其赋予钠-钙-硅玻璃粉红色或褐色(精确的颜色取决于价态)。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多500PPM、例如10PPM-300PPM或20PPM-200PPM的Cr2O3。在本领域中已知Cr2O3作为绿色着色剂。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多0.5重量%、例如至多0.3重量%或至多0.1重量%的CuO,其中所述重量百分数是基于玻璃组合物的总重量计。在本领域中已知CuO作为蓝色着色剂。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多0.3重量%、例如至多0.2重量%或至多0.1重量%的V2O5,其中所述重量百分数是基于玻璃组合物的总重量计。在本领域中已知V2O5作为绿色着色剂。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多1重量%、例如至多0.8重量%或至多0.6重量%的TiO2,其中所述重量百分数是基于玻璃组合物的总重量计。在本领域中已知TiO2作为黄色着色剂和紫外辐射吸收剂。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多200PPM、例如5PPM-100PPM或10PPM-50PPM的NiO。在本领域中已知NiO作为褐色着色剂。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多3重量%、例如0.25重量%-2重量%或0.5重量%-1.5重量%的Er2O3,其中所述重量百分数是基于玻璃组合物的总重量计。在本领域中已知Er2O3作为粉红色着色剂。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多0.6重量%、例如0.1重量%-0.5重量%或0.2重量%-0.4重量%的MnO2,其中所述重量百分数是基于玻璃组合物的总重量计。在本领域中已知MnO2作为紫色着色剂。
根据本发明,所述玻璃组合物可包含至多2重量%、例如0.25重量%-1.5重量%或0.5重量%-1重量%的Nd2O3,其中所述重量百分数是基于玻璃组合物的总重量计。在本领域中已知Nd2O3作为蓝色着色剂。
本发明的玻璃组合物中可存在上述熔化助剂和澄清助剂例如硫酸盐(SO3)。
本发明的玻璃组合物可通过常规玻璃制造工艺来制备。例如,可通过坩埚熔化、平板拉制法、浮法玻璃工艺等由配合料形成玻璃组合物。典型地,将公知的配合料与其它组分混合形成起始材料,将该起始材料加工成本发明的玻璃组合物。
在本发明的非限制性实施方案中,向配合料中添加纳米颗粒形式的着色剂和性能调节材料。
在另一个非限制性实施方案中,本发明的玻璃组合物通过本领域公知的浮法玻璃工艺来形成。
由于用于制备本发明的玻璃组合物的原料和/或设备,在最终玻璃组合物中可存在某些杂质。这些物质在玻璃组合物中以微量存在并在本文中被称作“外来杂质”。外来杂质对玻璃的性能性质不起作用。外来杂质包括但不限于SrO和ZrO2
在本发明的非限制性实施方案中,将所述玻璃组合物形成为玻璃基材和/或本领域中公知的层压玻璃制品。可形成具有各种厚度的玻璃基材。例如,可形成具有至多24mm厚度的玻璃基材。
在非限制性实施方案中,根据本发明的玻璃基材在0.223英寸(5.664mm)厚度下表现出等于或大于70%、例如等于或大于75%、或者等于或大于80%的Lta。
在本发明的非限制性实施方案中,根据本发明的玻璃基材用于家具或用具。
实施例
通过下面的非限制性实施例对本发明进行说明。实施例1-4以下面的方式进行。
称取出表2中所示配合料、彻底混合且放置于在4英寸铂坩埚中,该铂坩埚在设定为2,600°F(1,427℃)温度的电阻炉中,并且加热2小时。然后在室温下将玻璃熔体注入水中(本领域中称作“玻璃熔结”)以制成玻璃熔块。在设定为1,100°F(593℃)温度的退火烘箱中将所述玻璃熔块干燥20分钟。将玻璃熔块放回到坩埚中,并将坩埚置于设定为2,600°F(1,427℃)温度的烘箱中2小时。然后在金属台上浇铸玻璃熔体。将所得玻璃片材放入设定为1,125°F(607℃)温度的退火炉中并保持1小时。关闭退火炉的电源,让玻璃片材在退火炉中放置16小时,将其冷却至室温。将由玻璃熔体得到样品滚压并抛光。
表2.实施例1-4的玻璃配合料
Figure S2007800023162D00072
碎玻璃是指以
Figure S2007800023162D00073
玻璃的名称商购自PPGIndustries,Inc(Pittsburgh,PA)的玻璃,将其破碎且按上述加入到配合料中。
在下表3中显示了根据本发明制成的示例性玻璃组合物的组成信息。玻璃组合物中的材料含量通过x-射线荧光化学分析测定。由玻璃组合物中测定存在的氧化铁的含量计算出氧化还原比。
表3.实施例1-4的玻璃组成数据
  实施例1   实施例2   实施例3   实施例4
 氧化还原比   0.147   0.050   0.208   0.224
 总铁[wt.%]   0.0160   0.0150   0.0140   0.0150
 CoO[PPM]   2   23
 Cr2O3[PPM]   37   115   7   5
 CeO2 1[wt.%]   0.090   0.090   0.090   0.090
1CeO2和Cr2O3是在
Figure S2007800023162D00074
碎玻璃中。
表4显示了厚度为0.223英寸(5.6642mm)的示例性玻璃基材的各种性质性能。使用Perkin Elmer Lambda 9分光光度计对样品的光谱性能进行测定。根据本发明,按下述测得上述性能性质。所有的日光透过率数据根据ASTM am 1.5g(E892T.1)利用空气质量日光数据进行计算。如本领域中公知的那样,采用梯形法则在波长范围内对所有透过率值进行积分。
可见光透过率(Lta)代表基于使用C.I.E.1931标准光源“A”在380-770纳米的波长范围以10纳米间隔测得的数据而计算出的值。
总太阳紫外透过率(TSUV)代表基于使用SAE 1796标准在300-400纳米的波长范围以5纳米间隔测得的数据而计算出的值。
总太阳红外透过率(TSIR)代表基于在800-2100纳米的波长范围以50纳米间隔测得的数据而计算出的值。
总太阳能透过率(TSET)代表基于从300纳米至2100纳米以50纳米间隔测得的透过率而计算出的值。
按照主波长(DW)和色纯度描述的颜色代表基于使用带有2°观测器的C.I.E. 1931标准光源“C”测得的数据而计算出的值。
可见颜色由单个观测者测定并且表示普通人明显观测到的颜色。
表4.实施例1-4的性能性质
  实施例1   实施例2   实施例3   实施例4
  Lta[%]   89.81   87.94   90.08   81.29
  TSUV[%]   70.57   69.40   70.98   70.54
  TSIR[%]   89.82   91.08   89.32   88.25
  TSET[%]   88.88   87.93   89.23   85.54
  DW[nm]   561.36   560.79   486.26   477.98
  Pe[%]   1.08   2.70   0.19   4.94
  可见颜色   绿色   绿色   蓝色   蓝色
基于表4,本发明玻璃组合物的非限制性实例可用于形成表现出各种颜色例如绿色和蓝色的厚度为0.223英寸(5.6642mm)的玻璃基材。根据本发明的玻璃组合物在厚度为0.223英寸(5.664mm)的玻璃基材中还可表现出下面性能性质中的一种或多种:等于或大于80%、例如等于或大于85%的Lta;小于91%、例如等于或小于87%的TSET;小于72%、例如等于或小于67%的TSUV;470nm-585nm的DW;和至多30%的Pe。
本领域技术人员将很容易理解,可对本发明做出修改而不背离前述中公开的概念。这些修改被认为包括在本发明的范围内。因此,上文详述的具体实施方案仅是说明性的,而不是对本发明的范围进行限制,本发明的范围将由所附权利要求书及其任何和所有等同方式的全部范围所给出。

Claims (15)

1.包含基础玻璃组合物和着色剂及性能调节部分的玻璃组合物,所述基础玻璃组合物包含:
SiO2  65-75重量%,
Na2O  10-20重量%,
CaO   5-15重量%,
MgO   0-5重量%,
Al2O3 0-5重量%,
K2O   0-5重量%,和
BaO   0-1重量%,
所述着色剂及性能调节部分包含:
总铁  至多0.02重量%,
CeO2  0.05-1.5重量%,
CoO   0-50PPM,
Se    0-15PPM,
Cr2O3   0-500PPM,
CuO   0-0.5重量%,
V2O5  0-0.3重量%,
TiO2  0-1重量%,
NiO   0-200PPM,
Er2O3 0-3重量%,
MnO2  0-0.6重量%,和
Nd2O3 0-2重量%,
其中所述玻璃组合物具有至多0.55的氧化还原比,且其中存在下述材料的至少一种:0.25-2重量%的Er2O3和0.25-1.5重量%的Nd2O3
2.根据权利要求1的玻璃组合物,其中所述氧化还原比为0.05-0.525。
3.根据权利要求1的玻璃组合物,其中所述CeO2为0.75重量%-1.0重量%。
4.根据权利要求1的玻璃组合物,其中所述氧化还原比为0.1-0.5。
5.根据权利要求1的玻璃组合物,其中存在至少一种下述量的如下材料:2-35PPM的CoO、3-14PPM的Se、10-300PPM的Cr2O3、至多0.3重量%的CuO、至多0.2重量%的V2O5、0.15-0.8重量%的TiO2、5-100PPM的NiO和0.1-0.5重量%的MnO2
6.根据权利要求5的玻璃组合物,其中存在至少一种下述量的如下材料:5-25PPM的CoO、5-12PPM的Se、20-200PPM的Cr2O3、至多0.1重量%的CuO、至多0.1重量%的V2O5、0.2-0.6重量%的TiO2、10-50PPM的NiO、0.5-1.5重量%的Er2O3、0.2-0.4重量%的MnO2和0.5-1重量%的Nd2O3
7.由根据权利要求1的组合物制成的玻璃片材。
8.根据权利要求7的玻璃片材,该片材在0.223英寸(5.664mm)厚度下表现出大于或等于70%的Lta。
9.根据权利要求8的玻璃片材,该片材在0.223英寸(5.664mm)厚度下表现出大于或等于85%的Lta。
10.玻璃片材,所述玻璃片材包含一种玻璃组合物,所述玻璃组合物包括:
SiO2  65-75重量%,
Na2O  10-20重量%,
CaO   5-15重量%,
MgO   0-5重量%,
Al2O3 0-5重量%,
K2O   0-5重量%,和
BaO   0-1重量%,
和着色剂及性能调节部分,该部分包含:
总铁  至多0.02重量%,
CeO2  0.05-1.5重量%,
CoO   0-50PPM,
Se    0-15PPM,
Cr2O3 0-500PPM,
CuO   0-0.5重量%,
V2O5  0-0.3重量%,
TiO2  0-1重量%,
NiO   0-200PPM,
Er2O3 0-3重量%,
MnO2  0-0.6重量%,和
Nd2O3 0-2重量%,
其中所述玻璃组合物具有至多0.55的氧化还原比,且其中存在下述材料的至少一种:0.25-2重量%的Er2O3和0.25-1.5重量%的Nd2O3,其中所述玻璃片材在0.223英寸(5.664mm)厚度下表现出等于或大于70%的Lta。
11.根据权利要求10的玻璃片材,其中所述玻璃组合物中存在至少一种下述量的如下材料:2-35PPM的CoO、3-14PPM的Se、10-300PPM的Cr2O3、至多0.3重量%的CuO、至多0.2重量%的V2O5、0.15-0.8重量%的TiO2、5-100PPM的NiO和0.1-0.5重量%的MnO2
12.制造玻璃组合物的方法,该方法包括加工配合料以形成玻璃组合物,该玻璃组合物包含:
SiO2  65-75重量%,
Na2O  10-20重量%,
CaO   5-15重量%,
MgO   0-5重量%,
Al2O3 0-5重量%,
K2O   0-5重量%,和
BaO   0-1重量%,
和着色剂及性能调节部分,该部分包含:
总铁  至多0.02重量%,
CeO2  0.05-1.5重量%,
CoO   0-50PPM,
Se    0-15PPM,
Cr2O3 0-500PPM,
CuO   0-0.5重量%,
V2O5  0-0.3重量%,
TiO2  0-1重量%,
NiO   0-200PPM,
Er2O3 0-3重量%,
MnO2  0-0.6重量%,和
Nd2O3 0-2重量%,
其中所述玻璃组合物具有至多0.55的氧化还原比,且其中存在下述材料的至少一种,0.25-2重量%的Er2O3和0.25-1.5重量%的Nd2O3
13.根据权利要求12的方法,其中玻璃组合物中存在至少一种下述量的如下材料:2-35PPM的CoO、3-14PPM的Se、10-300PPM的Cr2O3、至多0.3重量%的CuO、至多0.2重量%的V2O5、0.15-0.8重量%的TiO2、5-100PPM的NiO和0.1-0.5重量%的MnO2
14.根据权利要求13的方法,其中玻璃组合物中存在至少一种下述量的如下材料:5-25PPM的CoO、5-12PPM的Se、20-200PPM的Cr2O3、至多0.1重量%的CuO、至多0.1重量%的V2O5、0.2-0.6重量%的TiO2、10-50PPM的NiO、0.5-1.5重量%的Er2O3、0.2-0.4重量%的MnO2和0.5-1重量%的Nd2O3
15.根据权利要求14的方法,其还包括将玻璃组合物形成平面片材。
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