JP2021169399A - アルミノシリケートガラス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、リチウムアルミノシリケートガラスは、溶融時に失透しやすい傾向があり、失透が生じることで脱泡効率が低下したり、泡が生じることで失透しやすくなったりする場合がある。
[1] 酸化物基準の質量%表示でSiO2を30%以上、Al2O3を10%以上、Li2Oを2%以上、及びSO3を100ppm以上、並びにClを100ppm以上含み、かつCl/(Cl+SO3)で表される含有量の比が0.120以上であるアルミノシリケートガラス。
[2] 酸化物基準の質量%表示でSiO2を45〜67%、Al2O3を15〜30%、Li2Oを2〜8%含有し、(Li2O+Na2O+K2O)で表される合計が3〜16%、かつ(MgO+CaO+SrO+BaO)で表される合計が0〜6%である、前記[1]に記載のアルミノシリケートガラス。
[3] 下記算出方法を用いて導出される泡径拡大指数Iが0.011以上である、前記[1]又は[2]に記載のアルミノシリケートガラス。
<算出方法>
(i)溶融温度Tを1500℃、並びに、1525℃、1550℃及び1600℃から選択される2点の計3点とし、ガラスを溶融する。溶融したガラスに生じる泡の直径D(mm)を溶融直後を0分として1分毎に10〜30分間測定し、前記泡の直径D(mm)と観察時間t(時間)を用いてdD/dtで表される値である泡径拡大速度V(mm/時間)を、前記溶融温度Tごとに求める。
(ii)前記3点の溶融温度T(℃)ごとの前記泡径拡大速度V(mm/時間)からdV/dTで表される値を泡径拡大指数I(mm/時間・℃)とする。
[4] 光学的塩基性度が0.546〜0.570である、前記[1]〜[3]のいずれか1に記載のアルミノシリケートガラス。
[5] 酸化物基準の質量%表示で、さらにFe2O3を40〜300ppm含み、Fe−redoxの値が22〜60%である、前記[1]〜[4]のいずれか1に記載のアルミノシリケートガラス。
[6] SnO2の含有量が100ppm以下である、前記[1]〜[5]のいずれか1に記載のアルミノシリケートガラス。
[7] 化学強化に用いられる、前記[1]〜[6]のいずれか1に記載のアルミノシリケートガラス。
[8] 前記[1]〜[7]のいずれか1に記載のアルミノシリケートガラスを製造する方法であって、ガラス原料を加熱して溶融ガラスを得ること、前記溶融ガラスから泡を除き清澄すること、及び前記溶融ガラスを成形及び徐冷してアルミノシリケートガラスを得ること、を順に行い、前記ガラス原料中のSO3濃度に対する、前記アルミノシリケートガラス中のSO3濃度の割合が0.01〜0.30である、アルミノシリケートガラスの製造方法。
[9] 前記[1]〜[7]のいずれか1に記載のアルミノシリケートガラスを製造する方法であって、ガラス原料を加熱して溶融ガラスを得ること、前記溶融ガラスから泡を除き清澄すること、及び前記溶融ガラスを成形及び徐冷してアルミノシリケートガラスを得ること、を順に行い、前記ガラス原料中のCl濃度に対する、前記アルミノシリケートガラス中のCl濃度の割合が0.01〜0.60である、アルミノシリケートガラスの製造方法。
[10] 前記溶融ガラスの最低粘度が101.7〜102.3dPa・Sである、前記[8]又は[9]に記載のアルミノシリケートガラスの製造方法。
ガラス母組成を示す各成分の含有量は、特に断らない限り、酸化物基準の質量%表示である。
本実施形態に係るアルミノシリケートガラスはリチウムアルミノシリケートガラス(以下、単にガラスや本ガラスと称することがある。)である。
具体的には、SiO2を30%以上、Al2O3を10%以上、及びLi2Oを2%以上含むガラスである。
本ガラスは、さらにSO3を100ppm以上、及びClを100ppm以上含み、Cl/(Cl+SO3)で表される含有量の比は0.120以上である。
酸化物基準の質量%表示で
SiO2:45〜67%、
Al2O3:15〜30%、
Li2O:2〜8%、
Li2O+Na2O+K2O:3〜16%、
MgO+CaO+SrO+BaO:0〜6%。
SiO2はガラスの骨格を構成する成分である。また、化学的耐久性を上げる成分であり、ガラス表面に傷がついた時のクラックの発生を低減させる成分である。
SiO2の含有量は30%以上であり、45%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、55%以上がさらに好ましい。一方、溶融性を良くする観点から、SiO2の含有量は72%以下が好ましく、67%以下がより好ましく、65%以下がさらに好ましい。
Al2O3の含有量は10%以上であり、15%以上が好ましく、18%以上がより好ましく、20%以上がさらに好ましい。一方、結晶成長速度が大きくなり、失透欠点による歩留まり低下を抑制する観点、及びガラスの粘性が増大して溶融性が低下するのを抑制する観点から、Al2O3の含有量は30%以下が好ましく、28%以下がより好ましく、22%以下がさらに好ましい。
好ましい応力プロファイルを得やすい観点から、Li2Oの含有量は2%以上であり、3%以上がより好ましく、4%以上がさらに好ましい。
リチウムアルミノシリケート結晶、特にスポジュメン結晶は、ガラス溶融時の結晶成長速度が大きいから、失透欠点による歩留まり低下を抑制する観点から、スポジュメン結晶の析出を抑制することが好ましい。そのためにLi2Oの含有量は8%以下が好ましく、6%以下がより好ましい。
リチウムアルミノシリケートガラス溶融時の失透を抑制するためには、Na2Oの含有量は0.2%以上が好ましく、2%以上がより好ましく、4%以上がさらに好ましい。一方、ガラスの強度や耐候性を高める観点から、Na2Oの含有量は7%以下が好ましく、5%以下がより好ましい。リチウムアルミノシリケートガラスの帯電を防止するためにはNa2Oの含有量は4.8%以下が好ましく、4.5%以下がより好ましく、4.2%以下がさらに好ましい。
K2Oを含有させる場合の含有量は0.4%以上が好ましく、0.6%以上がより好ましく、1.2%以上がさらに好ましい。一方、ガラスの耐候性を維持するために、K2Oの含有量は4.5%以下が好ましく、3.0%以下がより好ましく、2.0%以下がさらに好ましい。リチウムアルミノシリケートガラスの帯電を防止するためにはK2Oの含有量は1.9%以下が好ましく、1.8%以下がより好ましく、0,7%以下がさらに好ましい。
上記ガラス母組成の他に、ガラスに含有し得る他の成分について以下に述べる。
なお、ここではガラス中の鉄酸化物をすべてFe2O3として説明したが、実際には、酸化状態のFe(III)と還元状態のFe(II)が混在しているのが通常である。このうちFe(III)は黄色の着色を生じ、Fe(II)は青色の着色を生じ、両者のバランスでガラスに緑色の着色が生じる。
SO3は清澄剤として機能する成分であるが、通常はガラスを製造する工程でその大部分がSO2とO2に分解し、気泡となって系外へ放出される。
泡径拡大指数Iは0.011以上が好ましく、0.012以上がより好ましい。また泡径拡大指数Iの上限は特に限定されないが、通常1.0以下である。
(i)溶融温度Tを1500℃、並びに、1525℃、1550℃及び1600℃から選択される2点の計3点とし、ガラスを溶融する。溶融したガラスに生じる泡の直径D(mm)を溶融直後を0分として1分毎に測定し、前記泡の直径D(mm)と観察時間t(時間)を用いてdD/dtで表される値である泡径拡大速度V(mm/時間)を、前記溶融温度Tごとに求める。
(ii)前記3点の溶融温度T(℃)ごとの前記泡径拡大速度V(mm/時間)からdV/dTで表される値を泡径拡大指数I(mm/時間・℃)とする。
溶融直後を0分として、10〜30分の間1分毎に溶融ガラス中の泡を、覗き窓からCCDカメラを用いて撮影し、画像解析によって泡の径の測定を行う。
なお、泡径拡大指数Iの算出に用いる溶融温度はいずれも1500℃以上であるが、これは、ガラス原料として用いるCl源となる化合物によっては1500℃未満ではガス化する量が少なく、清澄効率の向上への寄与がないか、あってもその効果が小さくなるためである。
リチウムアルミノシリケートガラスは、アルカリ金属酸化物としてLi2Oを含有するが、Li2Oは他のアルカリ金属酸化物に比べると塩基性度が小さい。そのため、従来のリチウムアルミノシリケートガラスは、SO3が放出されやすいと推測される。
これに対し、本実施形態に係るガラスの光学的塩基性度は0.546以上が好ましく、0.548以上がさらに好ましい。一方、塩基性度が高すぎると、リチウムシリケートガラスは溶融中に失透しやすい場合があるから、光学的塩基性度は0.570以下が好ましく、0.560以下がより好ましく、0.556以下がさらに好ましい。
Fe−redoxの値が大きいほど、清澄時の脱泡性が向上し、SO3による清澄効率が高まる。一方で、Fe2O3の存在はガラスの着色の懸念がある。これに対し本実施形態にかかるガラスは、Clの存在により清澄効率が向上することから、Fe−redoxの値が従来より低めであっても良好な清澄の効果が得られる。
Fe−redoxの値は22%以上が好ましく、25%以上がより好ましく、28%以上がさらに好ましい。一方で、近紫外波長領域の光を通しやすくし、かつガラス原料の溶解性を向上する観点から、Fe−redoxの値は60%以下が好ましく、58%以下がより好ましく、55%以下がさらに好ましい。
β−OH値=(1/t)log10(X1/X2)
β−OH値は、ガラス原料に含まれる水分量や溶解条件によって調節できる。
また、当該ガラスは、携帯電話、スマートフォン、携帯情報端末(PDA)、タブレット端末等のモバイル機器等のディスプレイ装置に用いられるカバーガラスとして、特に有用である。さらに、携帯を目的としない、テレビ(TV)、パーソナルコンピュータ(PC)、タッチパネル等のディスプレイ装置のカバーガラス、エレベータ壁面、家屋やビル等の建築物の壁面(全面ディスプレイ)、窓ガラス等の建築用資材、テーブルトップ、自動車や飛行機等の内装等やそれらのカバーガラスとして、また曲げ加工や成形により板状でない曲面形状を有する筺体等の用途にも有用である。
本実施形態に係るアルミノシリケートガラスの製造方法は、下記工程(i)〜(iii)を順に含む。
(i)ガラス原料を加熱して溶融ガラスを得る溶解工程、
(ii)前記溶融ガラスから泡を除く清澄工程、及び
(iii)前記溶融ガラスを成形及び徐冷してアルミノシリケートガラスを得る成形・徐冷工程。
工程(i)におけるガラス原料中のSO3濃度に対する、工程(iii)で得られるアルミノシリケートガラス中のSO3濃度の割合は0.01〜0.30である。
工程(i)におけるガラス原料中のCl濃度に対する、工程(iii)で得られるアルミノシリケートガラス中のCl濃度の割合は0.01〜0.60である。
ガラス原料を加熱して溶融ガラスを得る溶解工程では、所望するガラス組成となるように原料を調整し、原料を溶解炉に投入して加熱溶融する。
得られるガラスの組成が、上記[アルミノシリケートガラス]に記載の組成となるようにガラス原料を調整する。
他方、本実施形態に係る製造方法では、Clの存在により、SO3と共にClによる清澄がなされて清澄効率が向上する効果を新たに見出したものである。
溶融ガラスの最低粘度は、最高温度域の素地温度を測定することで求められる。
清澄工程は、上記溶解工程で得られた溶融ガラスから泡を除く工程である。清澄工程では、減圧による脱泡法を用いてもよい。
清澄剤としてSO3及びClを用いる。
清澄工程における温度はCl源として用いる化合物の種類によっても異なるが、例えば1465℃以上が好ましく、1525℃以上がより好ましく、1550℃以上がさらに好ましく、また、1680℃以下が好ましく、1650℃以下がより好ましい。
成形・徐冷工程は、清澄工程で泡を除いた溶融ガラスを成形及び徐冷してアルミノシリケートガラスを得る工程である。
ガラスの成形法は特に限定されないが、例えば、フロート法、プレス法、フュージョン法及びダウンドロー法が挙げられる。特に、大量生産に適したフロート法が好ましい。また、フロート法以外の連続成形法、たとえば、フュージョン法およびダウンドロー法も好ましい。
下記表1に示す原料組成となるように各原料を調合した。表1における各成分の合計が厳密には100質量%とならないのは、ガラス母組成を質量%表記で示しているのに対し、その他成分ではppm表記で示しており、それら有効数字の違いによるものである。
次いで、攪拌に用いた白金スターラーを抜出し、温度範囲を1600〜1650℃、かつ酸素濃度を1〜3%の範囲に制御しながら1時間保持し、清澄を行った(清澄工程)。
清澄されたガラスを型材に流し込み、640℃で1時間保持した後、1℃/分の速度で520℃まで冷却した。その後、520℃で2時間保持し、10℃/分の速度で室温まで冷却し、ガラスブロックを得た(成形・徐冷工程)。
得られたガラスブロックを粉砕し、アルミノシリケートガラスのカレットを得た。
なお、ガラス原料として、SO3源にはNa2SO4の硫酸塩を、Cl源にはNaClの塩化物をそれぞれ用いた。
表2における各成分の合計が厳密には100質量%とならないのは、成分の含有量を質量%表記とppm表記で示しており、それら有効数字の違いによるものである。
また、表1における例10と例11は同組成であるが、溶融温度を例10は1650℃、例11は1610℃と異ならせたことにより、表2における例10と例11との差が生じた。
また、表1に示すガラス原料にはFe2O3が含まれていないのに対し、表2に示す得られたアルミノシリケートガラスにはFe2O3が含まれる。これは、Fe2O3をガラス原料として意図的に添加しておらず、原料中に不純物として含まれているものに由来することを意味する。すなわち、ガラス原料の調合組成としては、Fe2O3含有量は調整していない。
得られたガラスのFe−redoxの値、光学的塩基性度、泡径拡大指数I、及びβ−OH値をそれぞれ下記方法により求めた。結果を表2に併せて示す。
(Fe−redox)
既知重量(100〜300mg)のガラスをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の容器に入れ、窒素雰囲気下でフッ酸(18質量%)−塩酸(25質量%)水溶液で溶解した。ホウ酸水溶液(4質量%)でFe(II)を安定化させた後、得られた溶液を100mLメスフラスコに移し定容した。これを溶液Aとする。
Fe(II)濃度の分析では溶液Aから25mLを分取し2,2’−ビピリジル溶液(1.0質量%)を2mL加えた後、酢酸アンモニウム水溶液(5質量%)を8mL加えてpHを4〜5に調節し、発色させた。これを溶液Bとする。生成した橙赤色の鉄(II)錯体の吸光度を後述の方法により測定してFe(II)濃度を定量した。
総Fe濃度は溶液Aを25mL分取して塩化ヒドロキシルアミン水溶液(0.1質量%)を1mL添加して還元し、全ての鉄をFe(II)とした。その後2,2’−ビピリジル溶液(1.0質量%)を2mL加えた後、酢酸アンモニウム水溶液(5質量%)を8mL加えてpHを4〜5に調節し、発色させた。これを溶液Cとする。
分光光度計(日本分光社製・紫外可視分光光度計・V−750)により得られた溶液Bおよび溶液Cの波長538nm付近の吸光度を測定し、検量線を用いてFe(II)濃度及び総Fe濃度をそれぞれ定量した。それらの結果から、Fe−redox={[Fe(II)濃度]/[総Fe濃度]}で表されるFe−redoxの値を求めた。
ガラスを構成する各酸化物の、塩基性度とモル分率との積の和より、ガラスの光学的塩基性度を算出した。
各酸化物の塩基性度は表3に示すとおりである。
得られたガラスのカレット50gを石英セルに入れ、1500℃に加熱した電気炉(Glass Service社製、High Temperature Observation;HTO)に石英セルを入れてカレットを溶融した。溶融したガラスに生じる泡の直径D(mm)を溶融直後を0分として、1分毎に10〜30分間測定し、泡の直径D(mm)と観察時間t(時間)を用いてdD/dtで表される値である泡径拡大速度V(mm/時間)を求めた。泡の観察はHTOに設けた覗き窓からCCDカメラを用いて撮影し、画像解析によって泡の径の測定を行った。
例1及び例3〜9のガラスについては、溶融温度Tを1500℃から、1525℃及び1550℃へと変更し、上記と同様にして、各温度における泡径拡大速度V(mm/時間)をそれぞれ求めた。
例2、例10及び例11のガラスについては、溶融温度Tを1500℃から1550℃及び1600℃へと変更し、上記と同様にして、各温度における泡径拡大速度V(mm/時間)をそれぞれ求めた。
上記で求めた泡径拡大速度V(mm/時間)を縦軸に、溶融温度T(℃)を横軸にプロットしたグラフを図1、2に示すが、かかるグラフの傾きdV/dTを泡径拡大指数I(mm/時間・℃)とした。
フーリエ変換赤外分光装置(ThermoFisher社製、Nicolet iS−50)を用いて参照波長4000cm−1における透過率X1(%)及び水酸基の吸収波長である3570cm−1付近における最小透過率X2(%)を測定した。これらとガラスサンプルの厚さt(mm)とを用いて、下記式によりβ−OH値を算出した。
β−OH値=(1/t)log10(X1/X2)
Claims (10)
- 酸化物基準の質量%表示でSiO2を30%以上、Al2O3を10%以上、Li2Oを2%以上、及びSO3を100ppm以上、並びにClを100ppm以上含み、
かつCl/(Cl+SO3)で表される含有量の比が0.120以上であるアルミノシリケートガラス。 - 酸化物基準の質量%表示で
SiO2を45〜67%、
Al2O3を15〜30%、
Li2Oを2〜8%含有し、
(Li2O+Na2O+K2O)で表される合計が3〜16%、かつ
(MgO+CaO+SrO+BaO)で表される合計が0〜6%である、請求項1に記載のアルミノシリケートガラス。 - 下記算出方法を用いて導出される泡径拡大指数Iが0.011以上である、請求項1又は2に記載のアルミノシリケートガラス。
<算出方法>
(i)溶融温度Tを1500℃、並びに、1525℃、1550℃及び1600℃から選択される2点の計3点とし、ガラスを溶融する。溶融したガラスに生じる泡の直径D(mm)を溶融直後を0分として1分毎に10〜30分間測定し、前記泡の直径D(mm)と観察時間t(時間)を用いてdD/dtで表される値である泡径拡大速度V(mm/時間)を、前記溶融温度Tごとに求める。
(ii)前記3点の溶融温度T(℃)ごとの前記泡径拡大速度V(mm/時間)からdV/dTで表される値を泡径拡大指数I(mm/時間・℃)とする。 - 光学的塩基性度が0.546〜0.570である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミノシリケートガラス。
- 酸化物基準の質量%表示で、さらにFe2O3を40〜300ppm含み、Fe−redoxの値が22〜60%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミノシリケートガラス。
- SnO2の含有量が100ppm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のアルミノシリケートガラス。
- 化学強化に用いられる、請求項1〜6のいずれか1項に記載のアルミノシリケートガラス。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載のアルミノシリケートガラスを製造する方法であって、
ガラス原料を加熱して溶融ガラスを得ること、
前記溶融ガラスから泡を除き清澄すること、及び
前記溶融ガラスを成形及び徐冷してアルミノシリケートガラスを得ること、を順に行い、
前記ガラス原料中のSO3濃度に対する、前記アルミノシリケートガラス中のSO3濃度の割合が0.01〜0.30である、アルミノシリケートガラスの製造方法。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のアルミノシリケートガラスを製造する方法であって、
ガラス原料を加熱して溶融ガラスを得ること、
前記溶融ガラスから泡を除き清澄すること、及び
前記溶融ガラスを成形及び徐冷してアルミノシリケートガラスを得ること、を順に行い、
前記ガラス原料中のCl濃度に対する、前記アルミノシリケートガラス中のCl濃度の割合が0.01〜0.60である、アルミノシリケートガラスの製造方法。 - 前記溶融ガラスの最低粘度が101.7〜102.3dPa・Sである、請求項8又は9に記載のアルミノシリケートガラスの製造方法。
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