изделие из хрупких материалов, защищенных покрытием, и способ нанесения покрытия

Формула изобретения

1. Способ упрочнения стеклянной подложки, включающий обработку подложки водным раствором силанового соединения, нагревание и удаление воды до образования покрытия, отличающийся тем, что подложку обрабатывают водным раствором смеси глицидоксипропилтриметоксисилана, 2-(3,4-эпоксициклогексил)этилтриметоксилана и метилтриметоксисилана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие подвергают УФ облучению для увеличения прочности подложки.

3. Изделие, включающее стеклянную подложку и покрытие, нанесенное из водного силанового раствора, отличающееся тем, что покрытие наносят из водного раствора смеси глицидоксипропилтриметоксисилана 2-(3,4-эпоксициклогексил)этилтриметоксилана и метилтриметоксилана.

4. Изделие по п.3, отличающееся тем, что покрытие подвергают УФ излучению для увеличения прочности изделия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области упрочнения стеклянных изделий, в частности к способу упрочнения стеклянной подложки, и изделиям, включающим такую подложку.

На протяжении долгого времени исследователи занимались поисками средств, которые способствовали бы решению проблем, связанных с достижением практической прочности стекла. Внесение многих усовершенствований в процесс формирования и обработки стеклянных изделий привело к повышению их прочности, однако даже при условии такой модернизированной обработки в поверхности стекла могут образовываться трещины. По этой причине значительные исследовательские усилия были направлены на снижение отрицательного влияния трещин, после того, как они неизбежно появляются в стекле. Одним из способов упрочнения стеклянных изделий является их обработка с нанесением поверхностного защитного слоя.

Из Японской заявки N 50121138 кл. C 03 C 17/30, 1984 известен способ получения покрытия, включающий приготовление состава посредством перемешивания силана и растворителя до частичного или полного гидролиза, последующего нанесения состава на стеклянную подложку и выдерживание обработанного изделия на воздухе до удаления воды и образования покрытия. При этом используемый состав покрытия представляет собой пленкообразующий раствор, включающий силан и растворитель (80-95%).

Однако такой способ не обеспечивает образование достаточно прочного и надежного покрытия.

Технической задачей изобретения является создание способа упрочнения стеклянной подложки, устраняющего указанные недостатки и обеспечивающего достаточную прочность и надежность получаемого покрытия, а также получение изделий, включающих такую упрочненную стеклянную подложку.

Эта задача решается тем, что в способе упрочнения стеклянной подложки, включающем обработку подложки водным раствором силанового соединения, нагревание и удаление воды до образования покрытия, для обработки подложки используют водный раствор смеси глицидоксипропилтриметоксисилана, 2-/3,4-эпоксициклогексил/этилтриметоксилана и метилтриметоксилана.

При этом для увеличения прочности подложки покрытие подвергают ультрафиолетовому облучению.

Далее эта задача решается тем, что в изделии, включающем стеклянную подложку и покрытия из водного силанового раствора, данное покрытие состоит из водного раствора смеси глицидоксипропилтриметоксисилана, 2-/3,4-эпоксициклогексил, этилтриметоксилана и метилтриметоксилана.

Для увеличения прочности покрытия целесообразно в изделии использовать покрытие, подвергнутое ультрафиолетовому излучению.

Раствор силана содержит мономеры и олигомеры, составной частью которых являются группы SiOH. Специалисту будет очевидно, что термин "силанол" или "SiOH-группа" не являются технически корректными; в целях, которые преследует настоящая спецификация, эти термины относятся к продуктам гидролиза частиц, содержащих кремний, в которых с кремнием соединяется одна (или несколько) гидроксильных групп, даже в том случае, если эти гидроксильные группы находятся в равновесии с непрореагировавшими частями или последующими продуктами реакции. Будучи используемым в настоящем описании, термин "гидрокарбиловый" означает углеродное соединение, со связью углерод-водород, причем дополнительно оно может содержать различные замещающие группы.

Силановый раствор содержит определенные материалы, выбранные для того, чтобы обеспечить продукт одной или несколькими требуемыми функциями, причем они могут представлять собой как различные вещества, так и характерные группы, соединенные с силановой частицей. Как уже было отмечено выше, силановые частицы сами по себе содержат мономеры или олигомеры, составной частью которых являются SiOH-группы; материал, призванный обеспечить изделию то или иное качество, может быть внесен как добавка к силановому раствору в качестве, например, смазывающего соединения. В качестве альтернативы или дополнительно в молекулярную структуру самого силана может быть включено красящее соединение.

Наиболее предпочтительными из материалов, рассматриваемых в настоящем изобретении, являются силаны, содержащие по крайней мере одну гидролизуемую группу, присоединенную к кремнию, а, желательно, они должны содержать несколько таких групп, причем материал, который выбирается как вещество, обеспечивающее нужные функциональные свойства, может добавляться к силановому раствору или быть составной частью самой силановой молекулы. Наиболее предпочтительной реализацией настоящего изобретения является производство изделия со специальным покрытием, с использованием раствора силана, характеризующегося по крайней мере двумя гидролизуемыми группами, которые присоединяются к кремнию. В самой благоприятной ситуации силан представляет собой один или несколько алкоксисиланов, смешанных с водой, в результате чего образуется водный раствор веществ, в состав которых входит силанол и другие функциональные группы; наиболее предпочтительные алкоксисиланы применяются в концентрации приблизительно от 1 до 100 процентов по массе (мас.), как правило, от приблизительно 5 до 40 мас. а наиболее предпочтительно от 7 до приблизительно 25 мас. Такое применение силана без предварительного разбавления не будет ни в какой мере противоречить духу и букве настоящего изобретения.

Силан, который используется в настоящем изобретении, имеет формулу [R""(CH₂)_m] _nSi(XR")_4-n, где n может изменяться от 0 до 3, a m желательно должно лежать в интервале от 0 до 6; наиболее предпочтительно, должно лежать в интервале от 0 до 3. В случае, если m равно 0, предпочтительная углеводородная группа R"" представляет собой прямую цепочку от 1 до 3, а если m лежит в интервале от 2 до 6, она может быть насыщена, например, такими группами как метиловая, этиловая, виниловая, пропиловая, аллиловая, бутадиеновая и тому подобными. Эти гидроуглеродные цепочки могут заменяться группами, которые могут включать, например, такие субъекты, как простые, разветвленные и циклические гидроуглеродные цепочки, которые могут быть как сатурированными, так и не сатурированными; водород; галогены; кремниевые группы и замещенные группы кремния; гидроксильные группы; карбоксильные группы; карбоксилатные группы; эпоксигруппа; циановые; алкоксидные; аминоалкиловые; амидные, карбаминовые; а также различные комбинации этих групп. Наиболее предпочтительными группами являются те, что содержат гидроксильные, эпоксидные и акрило-кислородные или мета-акрилокислородные элементы.

Группа XR" представляет собой такую группу, которая сама по себе является, или может быть гидролизована до соединения, которое может реагировать с поверхностью обрабатываемого изделия. Поверхностный слой может содержать частицы, характеризующиеся связями металл-OH, которые могут конденсироваться с XR". Наиболее предпочтительной обрабатываемой поверхностью является стекло, которое характеризуется кислородо-оловянными или кислородо-кремниевыми связями.

Атом X может представлять собой галоген, кислород, азот или серу, при том условии, что если X галоген, то его единственная степень валентности расходуется на связь с атомом кремния, и при R" не имеет места. Предпочтительно, чтобы X представлял собой кислород. R"-группа может быть водородной, либо сатурированной или несатурированной гидроуглеродной группой, содержащей от 1 до 10 атомов углерода, и она может включать в себя расположенные в цепочке атомы кислорода, азота и серы для того, чтобы обеспечивать формирование эфирных, аминовых, теоэфирных структур, а также других подобных структур; кроме того, R" может включать кремниевые и замещенные кремниевые группы, такие, что [R""(CH₂)_m]_nSi(XR")_4-n будет иметь олигомерическую структуру; то есть, группа R" представляет собой повторяющуюся структуру. Предпочтительная длина углеродной цепочки может изменяться от 1 до 3; наиболее предпочтительно, чтобы на месте R" была метиловая группа.

Если силан, который является предметом настоящего изобретения, имеет описанную выше формулу, R" может, как это уже было отмечено выше, быть блоком повторяющейся структуры. Предпочтительно, чтобы повторяющаяся структура имела вид [R""(CH₂)_m]_pSi(XR")_3-p образуясь в результате конденсации силаноловых групп, причем R"" характеризуется наличием групп замещения, выбираемых из совокупности гидроксиловых, эпоксидных, акрило-кислородных и метаакрилокислородных, 4-гидроксибутирамидных, 2-гидроксиаминовых и диалкилацеталевых групп, причем p может изменяться от 1 до 2, а остальные параметры соответствуют перечисленным выше значениям.

В наиболее предпочтительной реализации настоящего изобретения как обе R" и R""-группы, так и каждая из них в отдельности, могут содержать или объединять одну или любую возможную комбинацию из перечисленных групп, в целях придания обрабатываемому материалу повышенной прочности, повышенной или пониженной проводимости УФ-излучения, способности экранировать ИК-излучение, или любого другого функционального качества. В том случае, если R"-группа обеспечивает придание материалу какого-либо функционального качества, эта группа может, в результате гидролиза, выводиться из состава материнской силановой молекулы, однако, тем не менее, она остается в составе результирующего раствора, который используется для обработки материала.

Для специалиста очевидно, что на стадии окончательной обработки технологического процесса, при котором применяется настоящее изобретение, может быть использован любой вид энергии, при соответствующих обстоятельствах, для того, чтобы удалить с поверхности обрабатываемого изделия воду или другие продукты реакции, не имеющие никакого отношения к формируемому покрытию, при условии, что использование такого вида энергии не приведет к разрушению как стекла, так и сформированного покрытия. На стадии окончательной обработки используется избранное сочетание силы энергетического воздействия и времени этого воздействия, и слабое энергетическое воздействие может соответствовать значительной продолжительности такого воздействия, и наоборот, возможное интенсивное использование соответствующей энергии, будучи ограниченным указанными выше пределами, происходит в течение непродолжительного периода времени.

Специалист, вникший в принципы настоящего изобретения, и усвоивший соответствующие инструкции, может реализовать модификации и усовершенствования наиболее предпочтительных форм настоящего изобретения. Соответственно, границы представляемого настоящей спецификацией патента, не могут ограничиваться практическими реализациями изобретения, перечисленными выше, но они могут быть ограничены лишь в рамках того вклада, который данное изобретение вносит в соответствующую область знаний.

При практическом осуществлении настоящего изобретения приготовляют водный раствор силана. Причем для раствора берут три различных силановых соединения, общий процент концентрации которых в растворе равен 10% Раствор в соотношении 1:1:1 состоит из соединений: глицидоксипропил-триметоксисилан, 2-(3,4-эпоксициклогексил)этилтриметоксисилан и метилтриметоксисилан. Содержание каждого силана в смеси равно 3,33 мас. приблизительно. В растворе также содержится некоторое количество серной кислоты, достаточное для того, чтобы степень кислотности раствора держалась между 3.0 и 3.4 pH. Для того, чтобы улучшить смачивание, в раствор добавляется нонионовый поверхностно-активный компонент, в объеме 0,75 мас.

Этот раствор отстаивают в течение периода времени не менее 10 мин. В процессе отстаивания происходит частичная гидролизация силановой молекулы для того, чтобы обеспечить наличие SiOH-групп, которые могут быть как переходными, так и находиться в равновесии с другими молекулярными частицами, содержащимися с растворе. SiOH-группы могут затем взаимодействовать с любыми другими группами раствора или с группами, принадлежащими поверхности обрабатываемого изделия.

Отстоянный раствор наносят на поверхность изделия посредством напыления, нанесения кистью, обмакивания, погружения, или с использованием любого другого метода, служащего для создания покрытия. Нанесение раствора может происходить при любой температуре, которая является приемлемой для каждого отдельного технологического процесса; в случае, например, обработки стеклянной посуды, нанесение силанового раствора, по существу, производят на выходном, или холодном, конце линии обжига стекла. Образующееся в результате этого покрытие фиксируют на поверхности изделия, для чего это покрытие выдерживают одновременно или в несколько стадий при определенной температуре, либо посредством использования определенного вида энергии такого, например, как ИК или УФ-излучение. Наиболее предпочтительным является выдерживание обработанного изделия при температуре от приблизительно 50 до 250^oC.