[发明专利]硼硅酸盐玻璃

说明书

本发明涉及线性热膨胀系数在20-300℃之间为3.9-4.5×10^-6K^-1的硼硅酸盐玻璃。

这种玻璃用来制备试验室玻璃、家用玻璃、药物容器玻璃、灯玻璃、平板玻璃以及其它工业及光学高质量玻璃产品。

根据本发明，这种新型玻璃可以在已知的全电加热熔化设备(根据冷顶原理)中制备具有上述性能的硼硅酸盐玻璃时采用。

在本领域中已知有多种硼硅酸盐玻璃。确定它们的使用价值的性能是高耐化学性、低热膨胀、高耐热疲劳性和高力学稳定性。

因此，根据DIN ISO 3585，通常采用硼硅酸盐玻璃3.3作为实验室、家用和仪器玻璃。这种玻璃仅含有少量的碱(低于5％)，超过79％的二氧化硅和直至大约13％三氧化二硼。其热膨胀系数在20-300℃之间大约为3.3×10^-6K^-1。

此外，含有硼的封接玻璃也是已知的。它含有较高的碱和/或碱土金属含量，以及有时还含有其它一些氧化物。这些玻璃的热膨胀系数为3.6-5.2×10^-6K^-1。另一种已知的玻璃称为中性药物硼硅酸盐玻璃。与封接玻璃相反的是，它得到最高的耐化学性。其碱含量大约为6.5-8.5％，碱土金属为3.2-5.0％，其热膨胀系数为4.8-5.1×10^-6K^-1。

正如在专利说明书DE3722130中所说，已知可以用一种热膨胀系数为4.0-5.0×10^-6K^-1并且满足绝大多数要求的玻璃来代替这些种类的硼硅酸盐玻璃。人们还知道通过一种最佳化的组成以及部分使用一些附加的氧化物，如ZnO、SrO、CsO、Li₂O等等可以改进硼硅酸盐玻璃确定用途的一些特征并且使这些特征成为专有，例如如专利说明书DE4230607、DE4012288或DE4325656中所说。

在工业化生产硼硅酸盐玻璃3.3的情况下，由于改进的能量效率质量以及生态优势，根据冷顶工艺的全电熔工艺已经很流行。在这种工艺中，熔化热量通过电流而在熔化槽内产生，其中熔化槽的表面一直有新的配合料覆盖。通常会形成一种稳定的、有效绝热的层，它还可以使易挥发的物质得以保留并且将它们再次送入熔化器中。由于这个优点及其费用降低，人们对已知的硼硅酸盐玻璃进行了研究以采用这种方法及其设备来进行生产。

至今人们还不能全电熔中性药物硼硅酸盐玻璃，其原因在于所需的澄清剂As₂O₃和/或Sb₂O₃会破坏常用的钼棒加热电极。在DE-PS4313217中描述了最初解决工艺操作问题的方法。

线性热膨胀系数为3.6-4.8×10^-6K^-1的硼硅酸盐玻璃仅仅可以在严格的质量限制下全电熔。由于含有较高的助熔剂量(碱金属、碱土金属和硼氧化物)，它可以比热膨胀系数为3.3×10^-6K^-1的硼硅酸盐玻璃明显快速熔化。但为了完全的玻璃形成、均化和澄清，尽管有较高的助熔剂含量，仍需大约相同的熔化温度，全电熔冷顶熔化工艺所需的有效的绝热、冷配合料层不能以稳定方式产生，热平衡被搅乱了。最坏的情况是，该工艺不再能够达到所需的温度，从而使带泡的玻璃或未熔化的颗粒离开窑炉。

如果碱和碱土金属作为碳酸盐而加入(这些碳酸盐根据其来源会掺杂有硫酸盐)，则在熔化过程中产生的二氧化碳和二氧化硫就不能从熔炉中完全除去。一方面，对于坚硬的硼硅酸盐玻璃来说所释放的气体量相当高。另一方面二氧化碳和二氧化硫的高溶解性会在玻璃中造成过分高的气体残余物。从其它的玻璃可以获知二氧化碳和二氧化硫的溶解度随着碱性模量(网络过度形成体与网络形成体的比值)的增加而增加。如果将这条规律转移到硼硅酸盐玻璃上，就可以明白含有较多碱金属和碱土金属的硼硅酸盐玻璃与硼硅酸盐玻璃3.3相比其二氧化碳或二氧化硫的溶解度较高。最晚作为再沸玻璃，二氧化碳和二氧化硫再次被释放出来并且作为小气泡或气泡出现在最终的玻璃中。合适的澄清剂，如三氧化二砷和/或三氧化二锑可以与其它的氧化剂一起除去这些气体，但是这些澄清剂由于它们对钼电极的破坏使用而不适用于全电熔加热窑炉中。由于它们的高碱土金属含量，在专利说明书DE4230607、DE3722130和DE4325656中所说的玻璃存在这个致命的缺点。