[发明专利]玻璃前体凝胶

说明书

本公开涉及一种用于制备玻璃制品的玻璃前体凝胶，且更特别地，涉及一种当受热时快速转化成熔融玻璃的玻璃前体凝胶。

公开背景和内容

长期以来，玻璃制品由预先配制的原料(有时也称为玻璃配料)制成，其被装入玻璃熔炉中并熔融以产生熔融玻璃，以便随后形成为所需的玻璃制品。典型的原料包括原始(virgin)原材料，和任选地，工业上被称作“碎玻璃”的回收玻璃材料的物理混合物。原始原材料含有石英砂(结晶SiO₂)和其它成分，例如用于钠钙硅玻璃的如苏打灰(Na₂CO₃)和石灰石(CaCO₃)，并且碎玻璃主要含有来自先前形成的消费或商业玻璃制品的玻璃的碎片。原料的碎玻璃组分可以基于实践的玻璃形成过程和最终玻璃制品的期望特性(例如颜色，透明度等)而变化。然而，在许多情况下，原料可以含有至多约80重量％的碎玻璃，其余的是原始原材料，其除了以上所列成分之外，还可以包括或可以不包括小百分比的其它成分，包括玻璃网络形成剂、网络改性剂、着色剂、脱色剂、澄清剂和氧化还原剂，仅举几例。

常规玻璃原料在玻璃熔炉中的停留时间相对较长。这可以归因于几个因素。首先，原始原材料的最大组分——石英砂，和通常一些其它原始原材料成分(例如钠钙硅玻璃的苏打灰和石灰石)是结晶材料。它们的晶体结构，包括中间结晶相通常在至多约1200℃下存在，因为这些材料的熔融和溶解不会即刻发生。第二，玻璃原料在熔融后需要通过对流分散和均匀混合，以制备熔融玻璃，这是一个耗时的过程。特别地，石英砂由于其缓慢的溶解速率和在玻璃熔体内聚集成称为“帘线(cord)”的富含SiO₂的区域的倾向而花费最长时间分散。帘线的存在表明玻璃的不均匀性，并且可能导致成品玻璃制品中的瑕疵或缺陷。第三，一些原始原材料成分(例如钠钙硅玻璃的苏打灰和石灰石)是含碳酸盐的材料，其在熔融时释放二氧化碳(CO₂)。原料熔融过程中二氧化碳的释放在所得到的熔融玻璃中引入气泡，这转而可导致成品玻璃制品中的薄点或气泡缺陷。任何此类气泡通常在称为“精制玻璃”的过程中从熔融玻璃中除去。为了解决与熔融和均质化结晶原材料相关的挑战，以及除去由二氧化碳释放所引起的气泡，除其它因素之外，常规玻璃原料通常在玻璃熔炉中经受高温和24小时或更长的加热时间，以便获得适当精制和化学均质化的熔融玻璃。

如果在原料中一些原始原材料被碎玻璃替代，则可以使玻璃原料的熔融较少费力。与全部含有原始原材料的原料相比，碎玻璃加速原料的熔融并降低熔炉的能量消耗。碎玻璃具有这种作用是因为它已经被熔融、混合并形成为玻璃制品，并且当被再熔融时不会释放二氧化碳，因为它不是固有的含碳酸盐的材料。但是，碎玻璃在一些地区作为商品并非广泛可获得，并且即使它是广泛可获得的，大量购买回收材料也会遭受颜色和其它特性的巨大变动，这可能限制玻璃制造的选择。消费后碎玻璃也具有被金属、胶水和其它有机物污染的倾向，并且在熔融时有时难以与玻璃熔炉中的原始原材料均匀混合。此外，即使添加碎玻璃，目前的玻璃制造实践仍然通常涉及使玻璃原料熔融并在玻璃熔炉中在约1400℃或更高的温度下均质化/精制熔融玻璃至少约24小时。在高温下这样长的处理时间需要大量的能量，并减慢整个玻璃制造过程。

在本公开中阐述的一个或更多个实施方案可以实现各种目标中的任一种，所述目标包括，例如，获得玻璃前体凝胶，其在玻璃熔炉中可以不需要长的停留时间而熔融，以便获得均匀和精制的熔融玻璃。玻璃前体凝胶具有块状无定形氧化物基基质，其包括最终玻璃制品组合物的、以所需比例的主要组成氧化物和任何次要材料的均匀化学混合物。此外，当玻璃前体凝胶被加热和熔融时，由于它不包括碳酸盐的事实，它释放出仅仅可忽略量的二氧化碳。因为玻璃前体凝胶包括主要组成氧化物，以及相对少量的任何其它次要材料的已经均匀的化学混合物，并且因为它不含碳酸盐，所以它不需要漫长的精制过程；相反，它仅需要加热相对短的时间段，以获得准备好用于在下游生产成玻璃制品的均匀且无气泡的熔融玻璃。

本公开体现了可以彼此分开或彼此组合地实施的多个方面。