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

【課題】着色成分によらず、十分に清澄されたリチウムを含むアルミノシリケートガラスを提供する。【解決手段】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。【選択図】図1

Description

本発明はアルミノシリケートガラス及びその製造方法に関する。
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のディスプレイ装置におけるカバーガラスには、落下の際にも割れにくいように高い強度が求められるために化学強化ガラスが用いられている。化学強化に適したガラスとして、種々のアルミノシリケートガラスが提案されている。例えば特許文献1には、母組成における各成分の含有量が特定の関係式を満たし、表面圧縮応力が300MPa以上、ガラス表面から90μmの深さの部分の圧縮応力値が25MPa以上、ガラス表面から100μmの深さの部分の圧縮応力値が15MPa以上である化学強化ガラスが開示されている。
アルミノシリケートガラスは、特にリチウムを含有すると、ナトリウムを含む強化塩とカリウムを含む強化塩とを用いたイオン交換処理により、表面圧縮応力値(CS)及び圧縮応力層深さ(DOL)がいずれも大きい、優れた化学強化ガラスが得られる。
このようなガラス板を大量に生産する方法として、フロート法が知られている。フロート法等を用いて大量のガラスを生産する場合、ガラス中の泡を減らすために清澄剤が用いられる。例えば特許文献2では、清澄剤として芒硝などの硫酸塩が用いられている。
国際公開第2017/126607号 特公昭48−11325号公報
しかしながら、アルミノシリケートガラス、特にリチウムアルミノシリケートガラスは、一般的なソーダライムガラスと比較して、ガラス中に泡が残りやすい傾向がある。これは、清澄剤として用いる芒硝が、十分に機能しにくいためである。
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。
特許文献2には、ガラス中のFeOとFeの比を制御する方法を採用することで、芒硝による清澄効率を改善できることが記載されている。しかしながら、Feイオンによる光の吸収が生じて着色の原因となるため、ガラスをディスプレイ装置のカバーガラスに用いる場合には、かかる方法の採用は難しい。
そこで本発明は、着色成分によらず、十分に清澄されたリチウムを含むアルミノシリケートガラス、及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題に対し鋭意検討を行った結果、リチウムアルミノシリケートガラスであっても、ガラス中のCl含有量を増やすことにより、SOによる清澄効率が向上することを見出した。
すなわち、本発明は下記[1]〜[10]に関するものである。
[1] 酸化物基準の質量%表示でSiOを30%以上、Alを10%以上、LiOを2%以上、及びSOを100ppm以上、並びにClを100ppm以上含み、かつCl/(Cl+SO)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SiOを45〜67%、Alを15〜30%、LiOを2〜8%含有し、(LiO+NaO+KO)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Fe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] SnO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SO濃度に対する、前記アルミノシリケートガラス中のSO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。
本発明によれば、ディスプレイ装置のカバーガラスとして有用な化学強化ガラスとなり得るリチウムアルミノシリケートガラスにおいて、着色成分によらず、十分に清澄されたガラスを得られる。
図1は、例1、例3、及び例9の泡径拡大速度V(mm/時間)と溶融温度T(℃)との関係を示すグラフである。 図2は、例2、例10、及び例11の泡径拡大速度V(mm/時間)と溶融温度T(℃)との関係を示すグラフである。
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施できる。また、数値範囲を示す「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
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。
[アルミノシリケートガラス]
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、SiOを30%以上、Alを10%以上、及びLiOを2%以上含むガラスである。
本ガラスは、さらにSOを100ppm以上、及びClを100ppm以上含み、Cl/(Cl+SO)で表される含有量の比は0.120以上である。
ガラスは上記を満たせば特に限定されないが、例えば下記構成を満たすことが好ましい。
酸化物基準の質量%表示で
SiO:45〜67%、
Al:15〜30%、
LiO:2〜8%、
LiO+NaO+KO:3〜16%、
MgO+CaO+SrO+BaO:0〜6%。
以下、ガラス母組成について説明する。
SiO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。
SiO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、SiO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。
Alはガラスのヤング率を高くし、強度を向上する成分である。また、本ガラスが化学強化用ガラスである場合には、化学強化の際のイオン交換性能を向上させ、強化後の表面圧縮応力を大きくする観点から有効な成分である。
Al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、Al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。
SiOとAlとは、いずれもガラスの溶融温度を高くする成分である。そこで、ガラスの溶融温度を下げるために、合計の含有量(SiO+Al)は92%以下が好ましく、88%以下がより好ましく、84%以下がさらに好ましい。ガラスを安定にするためには、SiO+Alは65%以上が好ましく、70%以上がより好ましい。強度をより高くするためには82%以上が好ましい。
LiOは、リチウムアルミノシリケートガラスの必須成分であり、ガラスの溶融性を向上させる成分であり、ガラスの帯電を防止する成分でもある。また、ガラスが化学強化用ガラスである場合には、イオン交換により表面圧縮応力を形成させる成分である。化学強化用ガラスがLiOを含有することにより、ガラス表面のLiイオンをNaイオンにイオン交換し、さらにNaイオンをKイオンにイオン交換する方法で、表面圧縮応力および圧縮応力層がともに大きな応力プロファイルが得られる。
好ましい応力プロファイルを得やすい観点から、LiO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LiOの含有量は8%以下が好ましく、6%以下がより好ましい。
NaO及びKOは、いずれも必須ではないが、ガラスの溶融性を向上させ、リチウムシリケートガラスの結晶成長速度を小さくする成分である。
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、NaO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、NaO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NaO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。
Oは、ガラス溶融時の失透を抑制する等の目的で含有させてもよい。
O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、KO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KO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。
アルカリ金属酸化物の合計の含有量(LiO+NaO+KO)は溶融温度を下げるために3%以上が好ましく、5%以上がより好ましく、9%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、合計の含有量は16%以下が好ましく、14%以下がより好ましい。
アルカリ土類金属酸化物(MgO、CaO、SrO、BaO)はいずれも必須ではないが、ガラスの安定性を維持しながら溶融温度を下げるためには、いずれか一種以上を含有することが好ましい。アルカリ土類金属酸化物を含有する場合の合計の含有量(MgO+CaO+SrO+BaO)は0.2%以上が好ましく、1%以上がより好ましく、1.5%以上がさらに好ましい。一方、含有量が多すぎるとガラスが不安定になるので、6%以下が好ましく、3%以下がより好ましく、1%以下がさらに好ましい。
MgOは、ガラスの溶融性を増大させる観点から含有してもよい。MgOを含有させる場合の含有量は、0.1%以上が好ましく、1%以上がより好ましく、2%以上がさらに好ましい。一方、含有量が多すぎるとガラスが不安定になるので、10%以下が好ましく5%以下がより好ましい。ガラスが化学強化用ガラスである場合には、化学強化による圧縮応力を大きする観点から、MgOの含有量は3%以下が好ましく、1.5%以下がより好ましく、0.2%以下がさらに好ましい。
CaOは、ガラスの溶融性を向上させる成分であり、含有させてもよい。CaOを含有させる場合の含有量は、0.1%以上が好ましく、0.2%以上がより好ましい。一方、含有量が多すぎるとガラスが不安定になるので、6%以下が好ましく、4%以下がより好ましい。ガラスが化学強化用ガラスである場合には、化学強化処理時に圧縮応力値を大きくしにくくなるのを防ぐ観点から、CaOの含有量は0.5%以下が好ましく、0.3%以下がより好ましく、0.1%以下がさらに好ましい。
SrOは、ガラスの溶融性を向上させる成分であり、含有させてもよい。SrOを含有させる場合の含有量は、0.1%以上が好ましく、0.2%以上がより好ましく、0.3%以上がさらに好ましい。一方、含有量が多すぎるとガラスが不安定になるので、6%以下が好ましく、4%以下がより好ましい。ガラスが化学強化用ガラスである場合には、化学強化処理時に圧縮応力値を大きくしにくくなるのを防ぐ観点から、SrOの含有量は0.5%以下が好ましく、0.3%以下がより好ましく、0.1%以下がさらに好ましい。
BaOは、ガラスの溶融性を向上させる成分であり、含有させてもよい。BaOを含有させる場合の含有量は0.1%以上が好ましく、0.2%以上がより好ましく、0.3%以上がさらに好ましい。一方、含有量が多すぎるとガラスが不安定になるので、6%以下が好ましく、4%以下がより好ましい。ガラスが化学強化用ガラスである場合には、化学強化処理時に圧縮応力値を大きくしにくくなるのを防ぐ観点から、BaOの含有量は0.5%以下が好ましく、0.3%以下がより好ましく、0.1%以下がさらに好ましい。
ZnOは、ガラスの溶融性を向上させる成分であり、含有させてもよい。ZnOを含有させる場合の含有量は、0.1%以上が好ましく、0.2%以上がより好ましく、0.3%以上がさらに好ましい。一方、含有量が多すぎるとガラスが不安定になるので、10%以下が好ましく、5%以下がより好ましい。ガラスが化学強化用ガラスである場合には、化学強化処理時に圧縮応力値を大きくしにくくなるのを防ぐ観点から、ZnOの含有量は2%以下が好ましく、1.5%以下がより好ましく、0.2%以下がさらに好ましい。
ZrOは含有させなくともよいが、ガラスの強度を高めるために含有することが好ましい。ZrOを含有させる場合の含有量は0.2%以上が好ましく、0.4%以上がより好ましく、1%以上がさらに好ましい。一方、化学強化処理時に圧縮応力値を大きくしにくくなるのを防ぐ観点から、ZrOの含有量は4%以下が好ましく、3%以下がより好ましく、1.4%以下がさらに好ましい。
は含有させなくともよいが、ガラスの強度を向上する成分であり、失透を抑制する点からも含有することが好ましい。Yを含有させる場合の含有量は1%以上が好ましく、1.5%以上がより好ましく、2%以上がさらに好ましい。しかし含有量が多すぎるとガラスが不安定になるので、20%以下が好ましく、15%以下がより好ましく、10%以下がさらに好ましい。
La、Nb5、Ta、Gdは、ガラスの強度を向上する成分であり、溶融時の結晶成長速度を小さくし、溶融性を改善するため、含有させてもよい。これらの成分を含有させる場合のそれぞれの含有量は、1%以上が好ましく、2%以上がより好ましく、3%以上がさらに好ましい。一方、ガラスの安定性のために、これらの合計の含有量は15%以下が好ましく、10%以下がより好ましく、5%以下がさらに好ましい。
は必須ではないが、ガラスの脆性を小さくし耐クラック性を向上させる目的で、また、ガラスの溶融性を向上させる目的で含有してもよい。Bを含有させる場合の含有量は、上記理由から0.5%以上が好ましく、1%以上がより好ましく、1.5%以上がさらに好ましい。一方、耐酸性が悪化するのを防ぐ観点から、Bの含有量は8%以下が好ましく、5%以下がより好ましく、1%以下がさらに好ましい。溶融時に脈理が発生することを防止する観点からは、実質的に含有しないことがより好ましい。
は必須ではないが、溶融温度を下げる等の目的で含有してもよい。Pを含有させる場合の含有量は3%以上が好ましく、5%以上がより好ましく、10%以上がさらに好ましい。一方、耐酸性を高くする観点から、Pの含有量は16%以下が好ましく、8%以下がより好ましく、4%以下がさらに好ましい。溶融時に脈理が発生することを防止する観点からは、実質的に含有しないことがより好ましい。
本明細書において、上記した成分により構成されたガラスを「ガラス母組成」と呼ぶことがある。
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。
TiOは、ガラスのソラリゼーションを抑制する成分であり、含有させてもよい。TiOを含有させる場合の含有量は、0.05質量%以上(500ppm以上)が好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、0.12質量%以上がさらに好ましい。一方、失透が発生しやすくなり、ガラスの品質が低下するのを防ぐ観点から、TiOの含有量は0.8質量%以下が好ましく、0.3質量%以下がより好ましく、0.15質量%以下がさらに好ましい。
Feは熱線を吸収するのでガラスの溶解性を向上させる効果があり、大型の溶解窯を用いてガラスを大量生産する場合には、含有することが好ましい。Feを含有させる場合の含有量は、40ppm以上が好ましく、60ppm以上がより好ましく、80ppm以上がさらに好ましい。一方、ガラスへの着色を防ぎ透明性を高める観点から、Feの含有量は300ppm以下が好ましく、200ppm以下がより好ましく、100ppm以下がさらに好ましい。
なお、ここではガラス中の鉄酸化物をすべてFe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。
上記の他に、本ガラスにおいては、ガラスを溶融する際の清澄剤として、SO及び塩化物を用い、それにより、本ガラスはSO及びClを含有することとなる。
SO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SOとOに分解し、気泡となって系外へ放出される。
SOの含有量は、清澄効果を高めるために、100ppm以上であり、250ppm以上が好ましく、300ppm以上がより好ましく、350ppm以上がさらに好ましく、400ppm以上が特に好ましい。一方、SOの含有量が多過ぎるとガラス物品中の白泡、すなわち硫酸塩欠点が増加して品質の低下が懸念されることから、SOの含有量は2000ppm以下が好ましく、1000ppm以下より好ましく、700ppm以下がさらに好ましく、600ppm以下がよりさらに好ましい。
Clは、上記のとおり、本ガラスにおいて、SOによる清澄効果を高める成分であり、必須である。Clの含有量は100ppm以上であり、150ppm以上が好ましく、200ppm以上がより好ましく、300ppm以上がさらに好ましい。一方、Clの含有量が多いと、Fe(II)イオンによる光の吸収が多くなり着色の原因となる点から、Clの含有量は4000ppm以下が好ましく、3000ppm以下がより好ましく、2000ppm以下がさらに好ましく、1000ppm以下がよりさらに好ましく、700ppm以下がことさらに好ましく、500ppm以下が特に好ましい。
SnOは、ガラスの清澄剤として用いられることのある成分であるが、本ガラスにおいては、その含有量は100ppm以下が好ましく、50ppm以下がより好ましく、10ppm以下がさらに好ましい。これにより、本ガラスをフロート法で成形する場合に不必要な着色を防止できる。また、本ガラスはClとSOとを含有しているので、SnOを添加しなくても十分な清澄効果が得られる。
Clは、上記のとおり、本ガラスにおいて、SOによる清澄効果を高める成分であり、必須である。Cl/(Cl+SO)で表される、清澄剤であるClとSOの合計の含有量に対するClの含有量の比率は、0.120以上であり、0.125以上がより好ましく、0.130以上がさらに好ましい。一方、Clの含有量が多過ぎるとFe(II)イオンによる光の吸収が多くなり着色の原因となる点から、Cl/(Cl+SO)で表されるClの含有量の比率は、0.920以下が好ましく、0.910以下がより好ましく、0.900以下がさらに好ましい。
本実施形態に係るガラスは、リチウムを含有するにも関わらず、清澄工程で良好に気泡が抜けやすく、高い清澄効率を実現できる。これは上記Clの存在とSOによる効果であるが、清澄効率の高さを下記算出方法を用いて導出される泡径拡大指数Iで表せる。
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。
<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。
上記算出方法(i)では、溶融温度Tでガラスを溶融するが、ガラスを粉砕したカレット50gを石英セルに入れ、溶融させる。泡の観察には、Glass Service社製のHTO(High Temperature Observation)を使用できる。
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。
1500℃、並びに、1525℃、1550℃及び1600℃の中から選択される2点の計3点の各溶融温度で上記測定を行い、横軸を観察時間t(時間)、縦軸を泡の直径D(mm)としてプロットした際の近似直線の傾きdD/dtが、各溶融温度Tにおける泡径拡大速度V(mm/時間)である。
上記算出方法(ii)では、横軸を溶融温度T(℃)、縦軸を上記(i)で得られたdD/dtで表される泡径拡大速度V(mm/時間)として、3点の各溶融温度Tごとに泡径拡大速度Vをプロットした際の近似直線の傾きdV/dTで表される値を泡径拡大指数I(mm/時間・℃)と定義する。
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。
ガラスの光学的塩基性度は、清澄工程におけるSOの系外への放出されやすさに関係する値である。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が大きいと、ガラスの光学的塩基性度が大きく、SOが放出されにくい。
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LiOを含有するが、LiO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、SO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の値は、Fe換算の全鉄含有量に対するFe換算のFe2+含有量の割合である。そのため、ガラス中のO濃度を表す指標であり、酸化還元状態を表す。
Fe−redoxの値が大きいほど、清澄時の脱泡性が向上し、SOによる清澄効率が高まる。一方で、Fe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値は、ガラス中の水分量の指標である。β−OH値が大きいガラスは軟化点が低くなり曲げ加工しやすくなる傾向がある。そのため曲げ加工を行う場合には、β−OH値は0.24mm−1以上が好ましく、0.25mm−1以上がより好ましく、0.26mm−1以上がさらに好ましい。一方、ガラスの化学強化による強度向上の観点からは、ガラスのβ−OH値が大きくなると、化学強化処理後の表面圧縮応力(CS)の値が小さくなり、強度向上が困難になる。そのため、β−OH値は0.37mm−1以下が好ましく、0.36mm−1以下がより好ましく、0.35mm−1以下がさらに好ましい。なお、β−OH値は、例えばガラスの製造方法としてフロート法を採用することで高くできる。
β−OH値は、FT−IR法によって測定された参照波長4000cm−1における透過率X(%)、水酸基の吸収波長である3570cm−1付近における最小透過率X(%)およびガラス板の厚さt(単位:mm)から、下記式によって求められる。
β−OH値=(1/t)log10(X/X
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。
ガラスの失透温度が高いと、一般的には清澄効率が低くなる。これは、生成した失透は消失する際に泡を生じるが、失透温度が高いと失透が生成する領域が広くなることで発生する泡も多くなり、SOのみでは清澄しきれないことによる。しかしながら、本実施形態に係るガラスの場合、Clの存在により、失透温度が高くても生じた泡を十分清澄できる。そのため、ガラスの失透温度は従来より高くてもよく、例えば1120℃以上でもよい。
ガラスの粘度が高いと泡が抜けにくいことから、所望する清澄効果を得るためには、清澄工程の温度を高くすることが好ましい。しかし、高温化は溶融窯へのダメージが増え、またコストもかかる。これに対し、本実施形態に係るガラスの場合、Clの存在により、粘度が高い状態でも生じた泡を十分清澄できる。そのため、ガラスの粘度は従来より高くてもよく、例えば、粘度が10dPa・sとなる温度(T2)が1580℃以上であってもよい。また、粘度が10dPa・sとなる温度(T4)が1135℃以上であってもよい。
本実施形態に係るガラスは、化学強化用ガラスとして用いられることが好ましい。すなわち、かかるガラスを化学強化して化学強化ガラスとすることが好ましい。
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。
[アルミノシリケートガラスの製造方法]
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。
また、工程(i)におけるガラス原料と工程(iii)で得られるアルミノシリケートガラスにおいて、SO及びClの少なくとも一方の濃度が下記を満たす。
工程(i)におけるガラス原料中のSO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SO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。
これにより、SO含有量が100ppm以上、及びCl含有量が100ppm以上であり、リチウムを含むアルミノシリケートガラスを得られる。
(i.溶解工程)
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。
ガラス原料には酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、水酸化物、塩化物等のハロゲン化物等が使用できる。硫酸塩を用いることで清澄作用のあるSOを、塩化物を用いることでClをガラス中に含めることが可能である。
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。
ガラス原料中のSO濃度は、所望するガラス組成中のSO濃度に対して過剰にする必要がある。これは、次ぐ清澄工程でSOが、清澄に関わるSOとは別に、単独でSO+1/2Oに分解して系外に抜出してしまうためである。
他方、本実施形態に係る製造方法では、Clの存在により、SO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。
このため、本実施形態に係る製造方法によれば、ガラス原料中のSO濃度に対する、アルミノシリケートガラス中のSO濃度の割合が0.01〜0.30の範囲を実現できる。かかる割合は0.05以上が好ましく、0.15以上が好ましく、また、0.25以下が好ましい。
清澄工程において、SOと同様にClも系外へ抜出してしまうことから、ガラス原料中のCl濃度も、所望するガラス組成中のCl濃度に対して過剰にする必要がある。具体的には、ガラス原料中のCl濃度に対する、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となることから逆算して、ガラス原料中のCl濃度を規定することが好ましい。かかる割合は0.02以上が好ましく、0.05以上がより好ましく、0.1以上がさらに好ましく、0.3以上がよりさらに好ましい。またかかる割合は、0.55以下が好ましく、0.50以下がより好ましく、0.45以下がさらに好ましい。
溶融ガラスの最低粘度とは、ガラス原料が溶融して溶融ガラスとなる温度範囲における最低粘度であり、加熱の仕方、すなわち溶融炉内の重油燃焼量、ガス燃焼量、または電気ブースティング使用量により調整できる。溶融ガラスの最低粘度は、気泡が発生した場合でも容易に該気泡が外部に放出されやすい観点から、102.3dPa・S以下が好ましく、102.2dPa・S以下がより好ましく、102.1dPa・S以下がさらに好ましい。また、溶融ガラスの粘度が低過ぎると溶融ガラスの素地流速が速くなり、初期溶解や清澄に十分な時間が得られなくなる観点から、溶融ガラスの最低粘度は101.7dPa・S以上が好ましく、101.8dPa・S以上がより好ましく、101.9dPa・S以上がさらに好ましい。
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。
溶融温度はガラス原料が溶融すれば特に限定されないが、初期溶解性を向上させる点から1500℃以上が好ましく、1550℃以上がより好ましい。また、Fe(II)による着色を抑制する観点から、溶融温度は1680℃以下が好ましく、1650℃以下がより好ましい。溶融温度は一定である必要はなく、例えば特定の温度で一定時間溶融し、次いでさらに高温まで再昇温するなど、温度を変化させてもよい。
溶融時間は1時間以上が好ましく、5時間以上がより好ましく、10時間以上がさらに好ましい。溶融時間の上限は特に限定されないが、Fe(II)による着色を抑制する観点から30時間以下が好ましく、25時間以下がより好ましく、20時間以下がさらに好ましい。また、ガラスが溶融した後、均質性確保のために一定時間溶融ガラスを攪拌してもよく、それらの合計の時間が上記範囲内となることが好ましい。
溶解工程は、高い溶融効率や高品質のガラスを得るために、適切な酸素活性状態下で行うことが好ましい。具体的には、所望する酸素活性状態とするため、すなわち所望するredoxを得るため、溶融炉内の酸素濃度を1.0%以上とすることが好ましく、1.3%以上がより好ましく、1.5%以上がさらに好ましい。また、清澄工程で必要なSOを残しておく点から、酸素濃度は10%以下が好ましく、8%以下がより好ましく、6%以下がさらに好ましい。酸素濃度は、例えば吹込むNガス、Oガス、空気の量により制御できる。
(ii.清澄工程)
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SO及びClを用いる。
SO源としては、Li、Na、K、Al、Mg及びCaから選ばれる少なくとも1種の元素の硫酸塩が好ましく、中でも、NaSOが、珪砂溶解促進剤として作用し初期泡が減少することおよび安価で入手しやすいことからさらに好ましい。
Cl源としては、Li、Na、K、Al、Mg及びCaから選ばれる少なくとも1種の元素の塩化物が好ましく、中でも、NaClやKClが、沸点が溶解槽の清澄領域の温度にあり、かつ潮解性が小さいこと、さらには安価で入手しやすいことからさらに好ましい。
本実施形態における清澄工程は、得られるガラスの泡径拡大指数Iが0.011以上となり清澄効率が高い。そのため、短時間でも良好な泡抜きが可能となる。清澄工程における保持時間は1時間以上が好ましく、3時間以上がより好ましく、5時間以上がさらに好ましい。また、Fe(II)による着色を抑制する観点から、保持時間は50時間以下が好ましく、45時間以下がより好ましく、40時間以下がさらに好ましい。
清澄工程における温度は、Cl源となる化合物が泡の中にガスとして入っていくような温度が好ましい。例えばCl源としてNaClを用いた場合、NaClは約1465℃で1Barとなり、泡の中にNaClガスとして入ることで清澄が促進される。すなわち、このような状態となることで、清澄効率をClの存在により高くできる。
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。
高い清澄効率を実現するために、清澄工程においても好適な酸素活性状態とすることが好ましい。そのため、清澄工程における炉内の酸素濃度は1.0%以上が好ましく、1.3%以上がより好ましく、1.5%以上がさらに好ましい。また、酸素濃度は15%以下が好ましく、13%以下がより好ましく、10%以下がさらに好ましい。酸素濃度は、例えば吹込むNガス、Oガス、空気の量により制御できる。
(iii.成形・徐冷工程)
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。
徐冷工程は、溶融ガラス又は成形されたガラスを室温状態まで徐冷する工程である。徐冷工程は特に限定されないが、例えば10〜200℃/分の冷却速度にて室温まで徐冷する方法等が挙げられる。
成形・徐冷したガラスを、必要に応じて研削や研磨処理を行ってもよい。また、ガラスを所定の形状及びサイズに切断したり、面取り加工を行ってもよい。
ガラスをディスプレイ装置のカバーガラスに用いる場合には、さらに化学強化処理や物理強化処理といった強化処理を行うことが好ましく、化学強化処理を行い化学強化ガラスとすることがより好ましい。強化処理は従来公知の方法を適用できる。
化学強化処理はイオン交換処理であるが、例えば、360〜600℃に加熱された溶融塩中に、ガラスを0.1〜500時間浸漬することによって行われる。なお、溶融塩の加熱温度は375〜500℃が好ましく、溶融塩中へのガラスの浸漬時間は0.3〜200時間が好ましい。
化学強化処理を行うための溶融塩としては、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、塩化物などが挙げられる。このうち硝酸塩としては、硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸セシウム、硝酸銀などが挙げられる。硫酸塩としては、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸セシウム、硫酸銀などが挙げられる。炭酸塩としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどが挙げられる。塩化物としては、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化セシウム、塩化銀などが挙げられる。これらの溶融塩は単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
化学強化処理の処理条件は、特に限定されず、ガラスの特性・組成や溶融塩の種類、ならびに、最終的に得られる化学強化ガラスに所望される表面圧縮応力や圧縮応力層の深さ等の化学強化特性などを考慮して、適切な条件を選択すればよい。
以下に試験例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
[例1〜例11]
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。
Figure 2021169399
調合したガラス原料の混合物を白金坩堝に入れた。その後1500℃の電気炉に白金坩堝を投入して2時間保持し、ガラス原料を溶融した。さらに電気炉を再昇温し、1600〜1650℃の温度範囲内で溶融ガラスを1時間白金スターラーにより攪拌し、均質性を確保した。その際の酸素濃度範囲は1〜3%となるようにNガスにより調整した(溶融工程)。
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、SO源にはNaSOの硫酸塩を、Cl源にはNaClの塩化物をそれぞれ用いた。
得られたガラスを遊星型ボールミルで粉砕し、得られた粉末をプレスしてペレット状にして蛍光X線を測定し、ファンダメンタルパラメータ法(FP法)による定量分析を行った。塩素については、測定精度を高めるために検量線法で定量した。結果を表2に記載するが、例1及び例2が比較例であり、例3〜例11が実施例である。
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。
表2中、「SO(ガラス)/SO(原料)」とは、ガラス原料中のSO濃度(ppm)に対する、得られたアルミノシリケートガラス中のSO濃度(ppm)の割合を示す。同様に、「Cl(ガラス)/Cl(原料)」とは、ガラス原料中のCl濃度(ppm)に対する、得られたアルミノシリケートガラス中のCl濃度(ppm)の割合を示す。「Cl(ガラス)/(Cl(ガラス)+SO(ガラス))」とは、得られたアルミノシリケートガラス中の、ClとSOの合計の含有量に対するClの含有量の比率を示す。
また、表1に示すガラス原料にはFe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Feが含まれる。これは、Fe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、Fe含有量は調整していない。
Figure 2021169399
[物性]
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。
(光学的塩基性度)
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。
Figure 2021169399
(泡径拡大指数I)
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。
(β−OH値)
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X(%)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X(%)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(X/X
SOと共にClの含有量を増やした実施例のガラスは、泡径拡大指数Iが大きくなり、ガラスを同温度で同時間保持すると、Clを含有しないガラスよりも泡径が拡大すると考えられる。この結果から、SO及びClを含むガラス中に含まれる泡は、ストークス則に基づくと浮上速度が速くなり、短時間で表層まで到達して破泡出来ると考えられる。
以上の結果から、実施例のガラスは着色成分となるFeOとFeの比を制御する必要がないことから、着色を生じさせることなく、十分に清澄されたリチウムを含むアルミノシリケートガラスを提供することが出来る。

Claims (10)

  1. 酸化物基準の質量%表示でSiOを30%以上、Alを10%以上、LiOを2%以上、及びSOを100ppm以上、並びにClを100ppm以上含み、
    かつCl/(Cl+SO)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
    SiOを45〜67%、
    Alを15〜30%、
    LiOを2〜8%含有し、
    (LiO+NaO+KO)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。
  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、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。
  4. 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。
  5. 酸化物基準の質量%表示で、さらにFe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。
  6. SnO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。
  7. 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。
  8. 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SO濃度に対する、前記アルミノシリケートガラス中のSO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. 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。
  10. 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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