способ получения силикатного стекла

Формула изобретения

Способ получения силикатного стекла, включающий составление шихты, варку и выработку, отличающийся тем, что в качестве шихты используют комбинированную шихтовую смесь, содержащую кварцевый песок фракции 0,1-0,9 или кварцевую крупку фракции 0,1-0,4 в количестве 70-100%, предварительно увлажненные раствором хлористой соли металлов в количестве 0,05-1,5 мас.%, и аморфный кремнезем в количестве 0-30 мас.% отдельно или в смеси с остальными компонентами шихты при влажности 0,1-5%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к силикатному листовому высокопрозрачному стеклу, а также кварцевому стеклу, и может быть использовано для создания солнечных батарей как на земле, так и в космосе, а также в качестве высокопрозрачной защиты в музейных и выставочных экспозициях.

Известен способ получения особо чистых светопрозрачных однородных стекол методом золь-гель.

Получение на основе гелей аморфных шихт с последующим их плавлением по традиционной технологии. Это направление развивается главным образом для синтеза и получения как однокомпонентных, так и многокомпонентных стекол, прежде всего кварцевых, оптических. Суть технологии сводится к приготовлению раствора на основе особо чистых растворимых сырьевых материалов (солей, гидрооксидов металлов, металлоорганических соединений, золя SiO₂); переходу от раствора к золю и далее к гелю и высушиванию геля с образованием аморфной порошкообразной шихты, в которой достигается идеальное (на молекулярном уровне) смешение компонентов (см. «Поликомпонентные шихты и стекла на их основе», обз. инф. сер. «Реактивы и особо чистые вещества», М., НИИТЭХИМ, 1982, 35 с.).

Однако большая газонасыщенность шихты осложняет процесс осветления, тем более в случае высоковязких расплавов, и снижает выход годной продукции.

К недостаткам золь-гель технологии следует отнести высокую стоимость многих сырьевых материалов (прежде всего алкоксидов металлов), технологические трудности, возникающие при получении монолитных стекол (растрескивание их при термообработке), повышенное содержание гидроксильных групп в стекле, а также примесей углерода, продолжительность процесса.

Известен способ изготовления высокопрозрачного силикатного стекла, характеризующийся светопропусканием лучей видимой области спектра в количестве 90-95% и прозрачного для ультрафиолетовых лучей, так называемые увиолевые стекла. Особое значение для варки таких стекол имеет шихта. Оксид кремния вводится в виде кварцевой крупки фракции 0,1-0,7 мм, содержащей не более 0,005% оксидов железа. Остальные используемые материалы должны соответствовать квалификации «х.ч, для анализов» (См. Соловьев С.И., Царицын М.А., Воробьева О.В., Замаев Г.П. «Специальные строительные стекла», Стройиздат, М., 1971).

Известны также кварцевые стекла, шихта которых приготавливается из кварцевой крупки фракции 0,1-0,4 мм, допустимое количество примесей железа зависит от области применения стекла и исходного сырья. Так для изготовления керсила примеси находятся в пределах по F_e2O₃ - 0,012 (карельский кварц) до 0,0001 (Бразильский кварц, Кыштымская крупка) (См. Ботвинкин O.K., Запорожский А.И. " Кварцевое стекло",Изд. Литературы по строительству, М., 1965 г., стр. 39-41)

Температура варки стекол составляет 1560 многокомпонентного и 2000-2200°С однокомпонентного.

Использование химических реактивов марок "хч" или "чда" при составлении шихт промышленных листовых стекол экономически крайне не выгодно и резко увеличивает цену 1 м² стекла. А получение листа кварцевого стекла ограничено шириной (примерно 360 мм) и наличием оптических искажений из-за высокой вязкости при выработке.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения стекла, включающий составление стекольной шихты, варку и выработку, причем по крайней мере один из стеклообразующих компонентов стекла вводят через синтетический сырьевой материал, в состав которого входят силикаты по крайней мере одного элемента из ряда: Li, Na, Ku газообразователи, преимущественно один из хлоридов, сульфатов, сульфидов щелочных металлов в количестве 0,01-20 мас.% (RU 2301783, опубл. 2007).

Недостатком известного способа является недостаточно высокий коэффициент светопропускания получаемого стекла.

Техническим результатом представленного изобретения является получение высокопрозрачного стекла и ускорение процесса варки.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения силикатного стекла, включающего составление шихты, варку и выработку, в качестве стекольной шихты используют комбинированную шихтовую смесь, содержащую кварцевый песок фракции 0,1-0,9 мм или кварцевую крупку фракции 0,1-0,4 мм, предварительно увлажненных раствором хлористой соли металла в количестве 0,05-1,5 мас.% и аморфный кремнезем в количестве 0-30 мас.% отдельно или в смеси с остальными компонентами при влажности шихты 0,1-5%.

Способ получения силикатного стекла, включающий составление шихты, варку и выработку, отличающийся тем, что в качестве шихты используют комбинированную шихтовую смесь, содержащую кварцевый песок фракции 0,1-0,9 или кварцевую крупку фракции 0,1-0,4 в количестве 70-100%, предварительно увлажненных раствором хлористой соли металла в количестве 0,05-1,5 мас.% и аморфный кремнезем в количестве 0-30 мас.% отдельно или в смеси с остальными компонентами при влажности шихты 0,1-5%.

Наиболее чистые кварцевые пески, используемые в стекловарении, например Ульяновской фирмы "Кварц" или Новоселовского месторождения (Украина), содержат примеси оксида железа (Fe₂O₃) в количестве 0,012-0,015 мас.%, что не позволяет получить светопропускание в видимой части спектра листового стекла выше 85-87%. Предлагаем вводить в шихту силикатного стекла раствор хлористой соли, например NaCl, KCl, CeCl₃.

Ведение раствора хлористой соли непосредственно на песок или кварцевую крупку способствует увлажнению шихты и равномерному распределению активной добавки, обволакиванию тонкой пленкой наноразмерного порядка каждого зерна кварца и проникновению жидкой пленки в трещиноватую структуру кварца.

При реакциях силикато- и стеклообразования при 600°С происходит взаимодействие примесей железа с пленкой, например NaCl, по реакции

Fe₂O₃+3NaCl+3H ₂O-----FeCl₃+3Na(OH)+Fe(ОН)₃

NaOH+SiO₂----Na₂SiO₃

Образующееся хлористое железо улетучивается, снижая содержание примесей оксидов железа в стекле. Использование способа введения хлористых добавок через раствор с перемешиванием в смесителе и дальнейшей подачей других компонентов шихты позволяет создать наноактивную пленку, которая при высоких температурах в процессе стекловарения способствует удалению красящих примесей нетрадиционным способом.

Варка листового силикатного стекла производится в стекловаренной печи непрерывного действия при температурах 1500-1530°С. Выработка осуществляется методом проката между валками. Стекло отжигается, после чего подвергается резке на заданные листы. Способ используется также при варке кварцевого силикатного стекла с ускорением процесса варки и повышением качества стекла.

Пример 1

В отвешенную массу кварцевого песка добавляется раствор соли, полученной путем растворения 0,1% NaCl в 4 литрах воды, и тщательно перемешивается. Далее добавляются остальные сырьевые компоненты, такие как аморфный кремнезем, в количестве 25 мас.%, сода, доломит, полевой шпат, сульфат и селитра натриевая. Стекломасса полностью проваривается при температуре 1530°С. Проведение анализа показало содержание оксида железа в стекле, равное 0,0138 мас.%, в отличие от стекла, сваренного без добавления соли и содержащего 0,015 мас.% Fe ₂O₃. Светопропускание в видимой части спектра составило 90%.

Пример 2

В шихтовую смесь вводится 30 мас.% аморфного кремнезема и 0,5 раствора хлорида калия. Температура осветления стекломассы снижается до 1520°С, светопропускание стекла в видимой области спектра 90,5% при содержании оксида железа 0,0131 мас.%.

Пример 3

В шихтовую смесь вводится 2 мас.% аморфного кремнезема и 1% раствора NaCl. Температура осветления стекломассы составляет 1525°С, светопропускание равно 90,8%. Содержание оксида железа в стекле равно 0,0123%.

Пример 4

В шихтовую смесь вводится 10 мас.% аморфного кремнезема и 1,5% раствора CeCl₃. Температура осветления составляет 1515°С. Светопропускание в видимой части спектра составляет 92,4% и содержание оксидов железа в стекле 0,0119 мас.%

Пример 5

В отвешенную массу кварцевой крупки гранулометрии 0,1-0,4 добавляется раствор NaCl, полученный путем растворения 0,1 мас.% в 1 л воды, тщательно перемешивается и закрепляется при температуре 300°С, добавляем аморфный кремнезем 30 мас.%, перемешивается. Производят варку при температуре 2000°С. Время варки сократилось на 17% по сравнению с варкой шихты без добавок соли. Светопропускание сваренного стекла повысилось на 0,6% при сокращении примесей железа с 3,7 до 0,9 ppm.

Пример 6

В отвешенную массу кварцевой крупки гранулометрии 0,2-0,4 добавляется раствор соли в количестве 0,05 мас.% в 1 л воды, тщательно перемешивается и закрепляется при температуре 300°С.

Производят варку при температуре 2000°С. Время варки сократилось на 11%. Светопропускание стекла повысилось на 0,9% при сокращении примесей железа с 5 до 1,3 ppm.

Таким образом, использование описанного способа позволяет ускорить процесс стекловарения силикатного стекла и увеличить светопропускание получаемого стекла в видимой области спектра.