JP2012106897A

JP2012106897A - 化学強化用ガラス組成物

Info

Publication number: JP2012106897A
Application number: JP2010258916A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Muramoto; 正村本
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-06-07
Also published as: TW201228974A; WO2012066989A1

Abstract

【課題】優れた耐熱性および優れたイオン交換能を有し、イオン交換による化学強化処理によって高い強度を付与できるガラス組成物を提供する。
【解決手段】質量％で示して、ＳｉＯ_２５３〜６２％、Ａｌ_２Ｏ_３１１〜１７％、Ｌｉ_２Ｏ０〜５％、Ｎａ_２Ｏ１０〜１５％、Ｋ_２Ｏ３〜９％、ＭｇＯ０〜４％、ＣaＯ０〜４％、ＳｒＯ０〜６％、ＢａＯ０〜５％、ＺｒＯ_２１〜４％、ＴｉＯ_２２〜６％、を含むガラス組成物とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、高耐熱性を有し、かつイオン交換に伴う化学強化処理により大きい強化層を付与することが可能なガラス組成物に関する。

ガラスは、高い表面平滑性や大きな表面強度などの優れた性質を持つため、タッチパネルやカラーフィルターなどのディスプレー用基板に広く使用されている。

しかし、ガラスは割れやすいという欠点がある。その対策として急冷やイオン交換による表面への圧縮応力の付与、いわゆる強化処理が行なわれてきた。強化処理のなかでも、イオン交換による化学強化処理は、他の強化処理と比較して、ガラスの板厚が薄くても強化しやすいため、ディスプレー基板材料などに対して好適な強化処理である。

化学強化処理は、ガラス中の表面付近のイオン(一般的にはＮａ)を、よりイオン半径の大きいイオンと交換することによって、ガラス表面に圧縮応力を与えるものであり、強化のしやすさや強度は、当然ガラスの組成に影響される。

例えば、質量％で示して、ＳｉＯ_２５８〜６５％、Ａｌ_２Ｏ_３８〜１５％、Ｌｉ_２Ｏ４〜１０％、Ｎａ_２Ｏ９〜１３％、ＺｒＯ_２０．５〜２％、ＺｎＯ２〜５％、Ｐ_２Ｏ_５０．５〜２％、を含有した、化学強化用ガラスが開示されている(特許文献１参照)。

また例えば、質量％で示して、ＳｉＯ_２５９〜６８％、Ａｌ_２Ｏ_３９．５〜１５％、Ｌｉ_２Ｏ０〜１％、Ｎａ_２Ｏ３〜１８％、Ｋ_２Ｏ０〜３．５％、ＭｇＯ０〜１５％、ＣaＯ１〜１５％、ＳｒＯ０〜４．５％、ＢａＯ０〜１％、ＺｒＯ_２１〜１０％、ＴｉＯ_２０〜２％、を含有した、化学強化用ガラスが開示されている(特許文献２参照)。

特開２０００−７３７２号公報特開２００５−１５３２８号公報

化学強化ガラスは、その強化層の大きさでガラス表面キズへの抵抗となり、強化層が大きい程キズへの抵抗が大きくなる。また、強化層はイオン交換におけるイオン交換量とも相関している。

当然強化のしやすさ、強化層の大きさはガラスの組成によって影響を受ける。例えば、特開２０００−７３７２号公報に記載のものは、Ｌｉ_２Ｏ、Ｐ_２Ｏ_５、ＺｎＯが必須で、多量に含むため、ガラス転移点が低く強化において反りが生じやすい。また、Ｐ_２Ｏ_５を含むために化学的耐久性に劣る。

また、特開２００５−１５３２８号公報に記載のものは、ＣａＯが、請求範囲は広いものの、実施例では多量に含まれている。一般的に使用される硝酸カリウム液では、ＣａＯの溶解により強化能が著しく低下することがわかっており、化学強化に向いた組成とは言い難い。

本発明は、このような従来技術を鑑み、例えばタッチパネルディスプレー用ガラスとして使用しても表面キズに強く、さらに、化学強化処理により、大きな機械的強度を付与できるガラス組成物を提供することを目的とする。

本発明は、質量％で示して、ＳｉＯ_２５３〜６２％、Ａｌ_２Ｏ_３１１〜１７％、Ｎａ_２Ｏ１０〜１５％、Ｋ_２Ｏ３〜９％、ＣaＯ０〜４％、ＭｇＯ０〜４％、ＳｒＯ０〜６％、ＢａＯ０〜５％、ＺｒＯ_２１〜４％、ＴｉＯ_２２〜５％、の成分を含むことを特徴とする。

また本発明は、ガラス歪点の０．９倍の温度の硝酸カリウム溶液の化学強化処理においてイオン交換能（化学強化処理においてガラス表面積当たりのイオン交換重量）が０．２ｍｇ／ｃｍ^２以上となる上記のガラス組成物である。

また本発明は、ガラス転移点が５８０℃以上である上記のガラス組成物である。

さらに本発明は、上記のガラス組成物を含むガラス物品をＮａイオン半径より大きいイオン半径を有する一価の陽イオンを含む溶融塩に浸漬することにより、上記ガラス物品に含まれるＮａイオンと上記一価の陽イオンとイオン交換して得た化学強化物品を提供するものである。

本発明のガラス組成物は、化学強化することにより大きな化学強化層を得ることできる。また、ガラスを高温に加熱しても熱による変形が生じ難い。

本発明のガラス組成物は、質量％で示して、
ＳｉＯ_２５３〜６２％、Ａｌ_２Ｏ_３１１〜１７％、Ｎａ_２Ｏ１０〜１５％、Ｋ_２Ｏ３〜９％、ＣaＯ０〜４％、ＭｇＯ０〜４％、ＳｒＯ０〜６％、ＢａＯ０〜５％、ＺｒＯ_２１〜４％、ＴｉＯ_２２〜５％、からなることが好ましい。この好ましいガラス組成を有するガラス組成物は、化学強化処理することによって、より確実に大きな化学強化層を付与できる。

本ガラス組成物、ガラス転移点が少なくとも５８０℃であることが好ましい。このガラス組成物は、例えば、化学強化するときの溶融塩中の加熱など高温の熱処理を受けても、ガラスの変形が生じにくい。

本発明の化学強化ガラス物品によれば、ガラス物品の表面に大きな強化層が形成されるので、機械的強度が増し、外部から衝撃が加えられたときに、ガラスの破壊を防止することができる。

さらにまた、本発明の化学強化ガラス物品は、ガラス物品の表面により大きな強化層が形成されるため外部からのこすれや、引っかきによるキズによる強度低下が少なく表面キズに強い。

以下、本発明のガラス組成物について、組成の限定理由を説明する。なお、以下の記述において、組成を示す％表示は全て質量％である。

ＳｉＯ_２は、ガラスを形成する成分で、質量％で５３〜６２％含有することが好ましい。ＳｉＯ_２が５３％より少ないと、化学的耐久性が悪く。６２％より多いと、ガラスの溶融温度が高くなり均質なガラスを得難くなるため不適である。

Ａｌ_２Ｏ_３は、ＳｉＯ_２と同様にガラスの主成分であるとともに、イオン交換速度を速め、ガラスの耐水性を向上させる成分であり、質量％で１１〜１７％含有することが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３が１１％より少ないと、その効果は出しにくくなる。一方、１７％より多いと、ガラス融液の粘度が高くなり均質なガラスを得難くなるため不適である。さらに望ましくは１１〜１５％である。

Ｌｉ_２Ｏは、溶融塩中でＬｉイオンがＮａイオン、Ｋイオンなどの他の陽イオンとイオン交換されることによりガラスの強度を向上させる成分である。しかし、その含有率が多いとガラスの耐熱性を損ねるという欠点をもつ。したがって、Ｌｉ_２Ｏの含有率は５％以下が望ましい。

Ｎａ_２Ｏは、溶融塩中でＮａイオンがＫイオンなど他の陽イオンとイオン交換されることによりガラスの強度を向上させる成分であるとともに溶融性を高める成分である。１０％以下では、その効果が十分でなく、溶融性も悪い。一方、１５％を越えると化学的耐久性が悪化する。

Ｋ_２Ｏは、Ｎａ_２Ｏと同様にガラスの溶解性を向上させる成分であり、そのために３％以上が好ましい。しかし、通常、化学強化は硝酸カリウム溶融塩が用いられているためＫ_２Ｏの含有量が９％を越えると、十分なイオン交換が起こらない。したがって９％以下が好ましい。

ＭｇＯは、ガラスの粘性を下げて溶解性を向上させる成分であるが、ガラスの失透温度を上昇させるため、質量％で０〜４％含有することが好ましい。

ＣａＯもＭｇＯと同様に、ガラスの粘性を下げて溶解性を向上させる成分であるが、ガラスの失透温度を上昇させるそのため、質量％で０〜５％含有することが好ましい。

ＳｒＯもＭｇＯ、ＣａＯと同様に、ガラスの粘性を下げて溶解性を向上させる成分であるが、ＳｒＯはガラス中のアルカリ成分の移動を妨げるため、質量％で０〜６％含有することが好ましい。

ＢａＯもＭｇＯ、ＣａＯと同様に、ガラスの粘性を下げて溶解性を向上させる成分であるが、ＢａＯはガラス中のアルカリ成分の移動を妨げるため、質量％で５％以下が好ましい。

ＺｒＯ_２は、イオン交換速度を速めガラスの耐水性も向上させる成分であり、１％以下では、その効果が十分ではなく、４％を越えると溶融温度が高くなることから１〜４％の含有が好ましい。

ＴｉＯ_２は、ガラスの粘性を下げて溶解性を向上させる成分であるが、アルカリ成分ほど化学的耐久性を悪くしないので２％以上は必須であり、ＴｉＯ_２の含有量が５％を越えると失透温度が上昇して成形性を妨げるため、質量％で２〜５％が好ましい。より好ましくは４〜５％である。

また、必要に応じて清澄剤としてＡｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２を合計で質量％で１％まで含有してもよい。

以下、実施例に基づき、説明する。本発明のガラス組成物の実施例を１〜１１に示したガラス組成を有するガラスを溶融実験によりにより作製し、得られたガラスの溶融温度、作業温度、熱膨張係数、ガラス転移点、歪点、失透温度、化学強化能の測定結果を表１に示す。また、比較例を表２に示した。

実施例１〜１０および比較例１〜４のガラス作製および得られたガラスの物性は、以下の手順にしたがって実施した。

（ガラスの作製）
表１、または表２に示すガラス組成となるように、通常のガラス原料であるシリカ、アルミナ、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウム、酸化チタニウム、珪酸ジルコニウムを用いてガラス原料（バッチ）を調合した。調合したバッチを混合した後、白金ルツボに投入し、電気炉内において１６００℃で３時間加熱保持後白金棒で２度撹拌した。再度２時間加熱保持したのち１５００℃でカーボン板上に流しだし、ただちに６５０℃の徐冷炉へ投入し５５０℃まで４時間で降温後炉内放冷し、ガラスブロックとした。

（物性測定）
試料ガラスをΦ５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱状に加工し、示差熱膨張計（株式会社ＲＩＧＡＫＵ製サーモプラス、ＴＭＡ８３１０）を用いて、ＪＩＳＲ３１０２、３１０３に準拠して３０℃〜３００℃の熱膨張係数およびガラス転移点を測定した。

高温粘度のｌｏｇη＝２と４はオプト製球引き上げ粘度計ＢＶＢ−１３ＬＨを用いて測定した。

ビームベンディング式粘度計ＢＢＶＭ−９００（オプト社製）を用いて撓み速度を測定して歪点を求めた。（ＪＩＳＲ３１０３−２に準拠）
温度傾斜炉（英興製）を用いて所定の温度で２時間保持後、偏光顕微鏡ＥＣＬＩＰＳＥＥ６００ＰＯＬ（Ｎｉｋｏｎ製）を用いて結晶の有無を確認し失透温度を測定した。

イオン交換能は、Na^＋がK^＋に交換したことによるガラス表面積当たりの増加重量をイオン交換能とした。増加量が多い方が、イオン交換能が高いことになる。

ガラスを約４０×４０×３ｍｍに光学研磨し、歪点の０．９倍の温度の硝酸カリウム中で４時間イオン交換処理して、処理前後の重量（０．１ｍｇ単位）と寸法を測定し、表面積当たりの増加重量を算出した。

表１および表２に示すように、本発明における実施例１〜１０のガラス転移点は５８０℃以上で耐熱性がある。また、化学強化能も０．２ｍｇ／ｃｍ^２以上とイオン交換し易いガラスであり、イオン交換量が多いとそのガラス表面からの内部へのイオン交換層も深くなり表面のキズに強いガラスといえる。

これに対し、比較例１は、一般的なフロートガラスであるが、その化学強化能は０．０６ｍｇ／ｃｍ^２と低くキズに弱いガラスといえる。
また、比較例２は、特開２０００−７３７２号公報の実施例４のガラスであるが、ガラス転移点が４５０℃と低く耐熱性が低い。
また、比較例３は、特開２００５−１５３２８号公報の実施例５のガラスであるが、化学強化能が０．１７ｍｇ／ｃｍ^２と少ない。

比較例４は、ＢａＯが８．９％と多く化学強化能が０．１７ｍｇ／ｃｍ^２と少ない。

（産業上の利用可能性）
本発明は、例えばタッチパネル等のディスプレー基板で、キズなどの外的表面キズに強く、さらに、化学強化処理により、大きな機械的強度を付与できるガラス組成物を提供するものである。

Claims

質量％で示して、
ＳｉＯ_２５３〜６２％、
Ａｌ_２Ｏ_３１１〜１７％、
Ｎａ_２Ｏ１０〜１５％、
Ｋ_２Ｏ３〜９％、
ＣaＯ０〜４％、
ＭｇＯ０〜４％、
ＳｒＯ０〜６％、
ＢａＯ０〜５％、
ＺｒＯ_２１〜４％、
ＴｉＯ_２２〜５％、
を含むガラス組成物。
ガラス歪点の０．９倍の温度の硝酸カリウム溶液の化学強化処理においてイオン交換能（化学強化処理においてガラス表面積当たりのイオン交換重量）が０．２ｍｇ／ｃｍ^２以上となる請求項１に記載のガラス組成物。
ガラス転移点が５８０℃以上の請求項１または２に記載のガラス組成物。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス組成物を含むガラス物品をＮａイオン半径より大きいイオン半径を有する一価の陽イオンを含む溶融塩に浸漬することにより、前記ガラス物品に含まれるＮａイオンと前記一価の陽イオンとをイオン交換した化学強化ガラス物品。