СОСТАВ ПОГЛОЩАЮЩЕГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ СВЕТ СЕРОГО СТЕКЛА
ULTRAVIOLET LIGHT ABSORBING GREY GLASS COMPOSITION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к составу стекла, а именно к составу серого стекла с хорошими свойствами поглощения ультрафиолетового (УФ) света.
Уровень техники
Стеклянные подложки используются во многих областях техники и промышленности, например в автомобилестроении, архитектуре, авиакосмической технике и т.п. В зависимости от конечного назначения стеклянных подложек, они должны характеризоваться определенными (а) эстетическими свойствами, такими как, но не ограничиваясь только этим, цвет и (b) светозащитными свойствами, такими как, но не ограничиваясь только этим, общее пропускание света (TSET), пропускание инфракрасного света, пропускание ультрафиолетового света.
Например, стеклянные подложки используются в автомобилестроении в качестве стекол окон автомобилей (лобовые стекла, боковые окна и т.д.). Стекла окон автомобилей должны обладать нужными цветовыми характеристиками. В настоящее время для автомобилестроения используются стекла окон синего, зеленого и серого цветов. Кроме того, если стекла окон автомобиля используется в качестве лобового стекла в автомобилях, эксплуатируемых на территории Соединенных Штатов Америки, их пропускание видимого света (Lta) должно быть не менее 70%. В других странах нормы Lta для лобовых стекол автомобилей могут быть другими.
Одним из путей модификации эстетических свойств и свойств пропускания света стеклянных подложек является изменение химического состава стеклянных подложек (то есть тип материалов, входящих в состав стекла и/или процентное содержание различных материалов в составе стекла). Часто для обеспечения уникальных характеристик стеклянных подложек к хорошо известному основному составу стекла, например, к натриево-кальциево-силикатному стеклу, добавляются красители и/или другие материалы, изменяющие пропускающие свойства стекла. Несмотря на то что эффект одного конкретного красителя или одного конкретного материала, изменяющего пропускающие свойства стекла, может быть хорошо известен, (например, известно, что добавление к основному составу стекла FeO увеличивает способность состава стекла к поглощению в инфракрасной области), сущность изобретения состоит в использовании комбинации различных красителей и/или материалов, изменяющих пропускающие свойства композиции стекла, каждый из которых приводит к определенному эффекту, с целью достижения новых характеристик стекла, обеспечиваемых их совокупностью.
В соответствии с настоящим изобретением, для достижения желаемых эстетических свойств и свойств пропускания света основного натриево-кальциево-силикатного стекла к нему добавляются новые материалы в новых количествах. Настоящее изобретение приводит к появлению у стеклянных подложек толщиной 3,9 мм (0,1535 дюйма) следующих эстетических свойств и свойств пропускания света:
1. Нейтральный серый цвет, характеризующийся основной длиной волны в интервале 480-580 нанометров и условной чистотой цвета не более 8%;
2. Пропускание видимого света (Lta) не менее 60%;
3. Пропускание инфракрасного солнечного света (TSIR) не более 40%;
4. Общее пропускание солнечной энергии (TSBT) не более 60%; и
5. Пропускание ультрафиолетового солнечного света (ISOUV) не более 30%.
Краткое изложение существа изобретения
2
2
2
3
2
2
3
2
2
2
5
2
3
В неограничивающем осуществлении, изобретением является состав стекла, содержащий основной состав стекла, включающий SiO 65-75 мас.%, NaO 10-20 мас.%, СаО 5-15 мас.%, MgO 0-5 мас.%, АlО 0-5 мас.%, КO 0-5 мас.%, ВO 0-5% и МnО 0-0,5% и часть, содержащую красители и другие модифицирующие материалы с общим железом до 0,65 мас.%, Se в интервале 2 РРМ  10 РРМ и, по крайней мере, одним УФ-поглотителем, выбранным из СеO, VO, ТiO и МоО, СоО до 20 РРМ
2
3
и СrO до 75 РРМ, в котором редокс-отношение состава стекла составляет 0,2-0,6.
2
2
2
3
2
2
3
2
2
2
5
2
3
2
3
В другом осуществлении, изобретением является стеклянный лист, изготовленный из композиции стекла, включающей композицию стекла основного состава, содержащую SiO 65-75 мас.%, NaO 10-20 мас.%, СаО 5-15 мас.%, MgO 0-5 мас.%, АlО 0-5 мас.%, КO 0-5 мас.%, ВO 0-5% и МnO 0-0,5%, и часть, содержащую красители и другие материалы, модифицирующие свойства стекла, с общим железом до 0,65 мас.%, Se в интервале 2 РРМ  10 РРМ, по крайней мере, одним УФ-поглотителем, выбранным из группы: СеO, VO, ТiO или МоО, СоО до 20 РРМ и СrO до 75 РРМ, где редокс-отношение состава стекла составляет 0,2-0,6, и где листы стекла при толщине 3,9 мм (0,1535 дюйма) характеризуются одним или несколькими из следующих свойств: (а) серый цвет, характеризующийся основной длиной волны в интервале 480-580 нанометров и условной чистотой цвета не более 8%; (b) пропускание видимого света (Lta) не менее 65%; (с) пропускание инфракрасного солнечного света (TSIR) не более 35%; (d) общее пропускание солнечной энергии (TSET) не более 55%; и (е) пропускание ультрафиолетового солнечного света (ISOUV) не более 30%.
Раскрытие изобретения
Следует понимать, что в соответствии с применением в описании, все значения, относящиеся к размерам, физическим характеристикам, параметрам процесса, количеству ингредиентов, условиям реакций и т.п., используемые в описании и формуле, могут быть изменены во всех случаях термином "около". Соответственно, если не указано обратное, числовые значения, установленные в нижеследующих описании и формуле изобретения, могут варьировать в зависимости от желаемых свойств продукта, полученного в соответствии с настоящим изобретением. Как минимум, но не в качестве ограничения применения доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждое числовое значение должно быть истолковано, по меньшей мере, в свете количества приводимых значащих цифр с применением стандартных приемов округления. Помимо этого все приведенные в описании интервалы должны пониматься как устанавливающие минимальное и максимальное значения интервала, а также всех относящихся к данному интервалу подинтервалов. Например, установленный интервал «от 1 до 10» должен рассматриваться, как включающий в себя все возможные подинтервалы между минимальным значением 1 и максимальным значением 10 (включительно); то есть все подинтервалы, начинающиеся с любого значения, большего или равного 1, и заканчивающиеся значением, меньшим или равным 10, например, 1,0-3,8, 6,6-9,7 или 5,5-10.
В соответствии с применением, термин "массовые проценты" при использовании для обозначения количества материала в составе стекла, означает массовые проценты по отношению к общей массе компонентов состава стекла.
Состав стекла настоящего изобретения включает (а) часть, включающую основной состав стекла, и (b) часть, включающую краситель и вещества, изменяющие пропускающие свойства стекла. В соответствии с настоящим изобретением, в часть основного состава стекла входят компоненты, представленные ниже в таблице 1, в определенных количествах.
Таблица 1
Часть основного состава стекла
Компонент
Содержание в составе стекла [в массовых процентах от общей массы состава стекла]
SiO<sub>2</sub>
65-75%
Na<sub>2</sub>O
10-20%
CaO
5-15%
MgO
0-5%
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-5%
K<sub>2</sub>O
0-5%
BaO
0-1%
В<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-5%
МnО<sub>2</sub>
0-0,5%
Стекло указанного основного состава обозначается в известном уровне технике как натриево-кальциево-силикатное стекло.
2
3
2
2
2
3
2
3
2
5
2
3
2
3
В соответствии с настоящим изобретением, к стеклу основного состава добавляются различные красители и материалы, изменяющие характеристики пропускания стеклом света. Как красители, так и вещества, изменяющие пропускающие свойства стекла, обозначаются в описании как «красители и материалы, изменяющие свойства стекла». В состав используемых в настоящем изобретении красителей и материалов, изменяющих свойства стекла, входят: оксид железа («FеО» и «FeO»), оксид церия («СеО»), селен («Se»), оксид титана («TiO»), оксид эрбия («ЕrO»), оксид неодима («NdO»), оксид ванадия («VO»), оксид кобальта («СоО»), оксид хрома («СrO») и оксид никеля («NiO»).
2
3
2
3
В соответствии с настоящим изобретением, железо может присутствовать в составе стекла как в виде оксида трехвалентного железа (FеO), так и в виде оксида двухвалентного железа (FeO). Как известно, FеO является мощным поглотителем ультрафиолетового излучения, а также желтым красителем. Как известно, FeO является мощным поглотителем инфракрасного излучения, а также синим красителем.
2
3
2
3
«Общее содержание железа» в составе стекла изобретения выражается в «FеO», что является стандартным в промышленности. Это не означает, что все железо в составе стекла находится в форме FеO. Общее содержание железа в составе стекла настоящего изобретения составляет до 0,65 мас.%, по отношению к общей массе состава стекла, например, 0,28-0,6 мас.%, или 0,3-0,35 мас.%.
Количество двухвалентного железа в составе стекла настоящего изобретения выражается в «FeO», что является стандартным в промышленности. Хотя количество двухвалентного железа выражается в FeO, общее количество двухвалентного железа может состоять также из форм двухвалентного железа, отличных от FeO.
2
3
Состав стекла настоящего изобретения характеризуется определенным «редокс-отношением». В соответствии с применением в описании термин «редокс-отношение» является отношением количества двухвалентного железа (выражаемое как «FeO») к общему количеству железа (выражаемому как «FеО»). Состав стекла настоящего изобретения характеризуется редокс-отношением в интервале 0,2-0,6, например, 0,25-0,55, или 0,45-0,55.
В соответствии с настоящим изобретением, в состав стекла добавляется Se. Se является хорошо известным розовым красителем. Содержание Se в составе стекла составляет 2-10 РРМ, например, 3-7 РРМ.
2
2
5
2
3
2
3
2
3
В соответствии с настоящим изобретением, в состав стекла добавляются хорошо известные УФ поглотители, такие как СеО, VO, TiO и/или оксид молибдена («МоО»). Обычно, чем больше редокс-отношение стекла, тем больше УФ поглотителей требуется для компенсации уменьшения поглощения ультрафиолетового излучения, вызываемого FеО. В неограничивающем осуществлении изобретения в состав стекла добавляется СеОз в количестве, находящемся в интервале 0,2-3,0 мас.%, например, 0,5-2,5 мас.%. В другом, неограничивающем осуществлении изобретения в состав стекла добавляется TiO в количестве, находящемся в интервале 0,1-1,0 мас.%, например, 0,2-0,5 мас.%. В еще одном неограничивающем осуществлении изобретения в состав стекла добавляется МоО в количестве, находящемся в интервале 0,005-0,075 мас.%, например, 0,015-0,045 мас.%.
2
5
2
5
2
4
2
5
В соответствии с настоящим изобретением, в состав стекла может быть добавлен оксид ванадия («VO»). Ванадий является хорошо известным поглотителем как УФ, так и ИК излучения, в зависимости от его валентности, а также желто-зеленым красителем. VO с валентностью +5 является поглотителем УФ излучения. VO, с валентностью +4 является ИК поглотителем. В неограничивающем осуществлении изобретения VO добавляется в состав стекла в количестве не более 0,3 мас.%, например, не более 0,2 мас.% или не более 0,1 мас.%.
2
3
2
3
2
3
В соответствии с настоящим изобретением в состав стекла может быть добавлен ЕrO. ЕrO хорошо известен в качестве розового красителя. В неограничивающем осуществлении изобретения ЕrO добавляется в состав стекла в количестве не более 3 мас.%, например, 0,1-2 мас.% или 0,5-1,7 мас.%.
2
3
2
3
2
3
В соответствии с настоящим изобретением, в состав стекла может быть добавлен NO. NO хорошо известен в качестве синего красителя. В неограничивающем осуществлении изобретения NO добавляется в состав стекла в количестве не более 3 мас.%, например, 0,1-1 мас.% или 0,1-0,5 мас.%.
В соответствии с настоящим изобретением, в состав стекла может быть добавлен СоО. СоО хорошо известен в качестве синего красителя. В неограничивающем осуществлении изобретения СоО добавляется в состав стекла в количестве не более 20 РРМ, например, не более 15 РРМ, или не более 11 РРМ.
2
3
2
3
2
3
В соответствии с настоящим изобретением, в состав стекла может быть добавлен СrO. СrO хорошо известен в качестве зеленого красителя и УФ поглотителя. В неограничивающем осуществлении изобретения СrO добавляется в состав стекла в количестве не более 75 РРМ, например, не более 50 РРМ.
2
3
2
3
2
3
В соответствии с настоящим изобретением, в состав стекла может быть добавлен NiO. NiO хорошо известен в качестве коричневого красителя. В неограничивающем осуществлении изобретения NiO добавляется в состав стекла в количестве не более 50 РРМ, например, не более 25 РРМ или не более 10 РРМ.
Состав стекла настоящего изобретения может быть получен стандартными способами изготовления стекла. Например, состав стекла может быть изготовлен из сырья путем тигельной плавки, вытягивания листового листа, получения флоат-стекла и т.д. Обычно, хорошо известное сырье смешивают с красителями и материалами, изменяющими свойства стекла, и перерабатывают в состав стекла настоящего изобретения. В неограничивающем осуществлении состав стекла настоящего изобретения изготавливают способом получения флоат-стекла известного уровня техники.
2
В результате использования некоторых типов сырья/оборудования для изготовления состава стекла в конечном составе стекла могут присутствовать некоторые примеси, такие как SrO и ZrO. Такие вещества присутствуют в составе стекла в следовых количествах и в настоящем документе обозначаются термином «случайные примеси». Случайные примеси оказывают минимальное влияние, если вообще оказывают, на свойства стекла.
В неограничивающем осуществлении изобретения из состава стекла формируются стеклянные подложки. Стеклянные подложки могут иметь различную толщину. Например, может быть изготовлена стеклянная подложка толщиной до 24 мм.
В неограничивающем осуществлении настоящее изобретение включает изготовление стеклянных подложек толщиной 3,9 мм (0,1535 дюймов), обладающих следующими свойствами:
1. серый цвет, характеризующийся основной длиной волны в интервале 480-580 nm, например, 490-570 нм или 500-560 нм и условной чистотой цвета не более 8%, например, не более 6% или не более 4%;
2. пропускание видимого света (Lta) не менее 60%, например, не менее 65%, или не менее 70%;
3. пропускание инфракрасного солнечного света (TSIR) не более 40%, например, не более 35% или не более 30%;
4. общее пропускание солнечной энергии (TSET) не более 60%, например, не более 55% или не более 50%; и
5. пропускание ультрафиолетового солнечного света (ISOUV) не более 30%, например, не более 25%, или не более 20%.
Измерение вышеуказанных характеристических свойств проводят следующим образом:
1. Пропускание видимого света (Lta) измеряют с использованием стандартного источника света C.I.E. 1931 «А» в интервале длин волн 380 - 770 нанометров с шагом 10 нанометров.
2. Общее пропускание ультрафиолетового солнечного света (ISOUV) измеряют в интервале длин волн 280-380 нанометров с шагом 5 нанометров в соответствии с ISO 9050.
3. Общее пропускание инфракрасного солнечного света (TSIR) измеряют в интервале длин волн 800-2100 нанометров с шагом 50 нанометров.
4. Общее пропускание солнечной энергии (TSET) представляет собой расчетное значение, основанное на сумме измеренных величин пропускания в интервале длин волн 300-2100 нанометров с шагом 50 нанометров.
5. Цвет измеряют путем измерения основной длины волны и условной чистоты цвета с использованием стандартного источника света C.I.E. 1931 «С» при угле наблюдения 2°.
Все данные по пропусканию солнечного света были рассчитаны с использованием данных солнечного излучения Parry Moon, воздушная масса. Значения пропускания были интегрированы на всем протяжении интервала длин волн с использованием правила прямоугольника, известного из уровня техники.
Приведенные в описании спектральные данные получены при нормальных углах падения света. При увеличении угла падения света относительно нормали к поверхности, величина как отражения, так и поглощения света, будет изменяться, что приводит к изменению величины пропускания света.
Также при увеличении угла падения света относительно нормали к поверхности пропорционально увеличиваются потери света в связи с его поглощением. Это связано с тем, что эффективный путь прохождения света через прозрачный предмет конечной толщины увеличивается пропорционально величине, обратной косинусу угла падения света.
В целом, количество пропускаемого неполяризованного света через прозрачный предмет, такой как, например, стекло, обычно ниже при углах падения, отличных от нормали. Предшествующее утверждение справедливо при любой длине волны и также распространяется на интегральные спектральные свойства, такие как ISOUV, Lta, TSET и т.д. Например, установленное автомобильное лобовое стекло пропускает меньше энергии или света ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областей, чем то же самое стекло при нормальном угле падения света.
В неограничивающем осуществлении изобретения стеклянные подложки используются в качестве стекол окон. В другом, неограничивающем осуществлении изобретения, по меньшей мере, один состав стекла используется для получения слоистого изделия, такого как, например, лобовое стекло автомобиля.
Примеры
Настоящее изобретение может быть проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами. Примеры 1-10 выполняли следующим образом. Ингредиенты, указанные в таблице 2, взвешивают и смешивают. Половину сырья помещают в 4-дюймовый кварцевый тигель и нагревают до температуры 2450°F (1343°C). Температуру тигля выдерживают равной 2450°F (1343°C) в течение 30 минут. Расплавленное сырье затем нагревают до температуры 2500°F (1371°C) и выдерживают при этой температуре в течение 30 минут. Затем расплавленное сырье нагревают до температуры 2550°F (1399°C), после чего в тигель добавляют другую половину сырья и выдерживают при этой температуре в течение 30 минут. Затем расплавленное сырье нагревают до температуры 2600°F (1427°C) и выдерживают при этой температуре в течение одного часа. Затем расплавленное стекло фриттуют в воде, высушивают и снова нагревают до температуры 2650°F (1454°C) в платиновом тигле в течение двух часов. Затем расплавленное стекло выливают из тигля для формирования пластинки и отжигают. Образцы отрезают от пластинки, шлифуют и полируют для анализа.
Таблица 2
Сырье шихты*
Пример1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
Пример 6
Пример 7
Пример 8
Пример 9
Пример 10
Песок (г)
332,91
332,91
330,58
332,91
329,14
329,24
329,23
332,62
333,75
333,75
Кальцинированная сода (г)
106,86
108,86
108,10
108,86
107,63
107,66
107,66
108,77
109,13
109,13
Доломит (г)
80,23
80,23
79,67
80,23
79,32
79,35
79,34
80,16
80,43
80,43
Известняк (г)
28,30
28,30
28,10
28,30
27,98
27,99
27,98
28,27
28,37
28,37
Сульфат натрия (г)
2,3304
2,3304
2,3141
2,3304
2,3039
2,3047
2,3046
2,3283
2,3362
2,3362
Уголь (г)
0,5493
0,5493
1,7851
0,5992
2,0406
1,5145
1,5638
1,1642
0,9345
1,0012
Оксид железа (г)
3,2062
3,2062
0,8680
3,2062
0,7899
0,7902
0,7902
0,8119
0,9311
0,9311
Кобальт (г)
0,0074
0,0074
0,0090
0,0074
0,0082
0,0082
0,0082
0,0043
0,0043
0,0043
Металлический Se (г)
0,0125
0,0143
0,0470
0,0147
0,0778
0,0778
0,0778
0,0379
0,0621
0,0632
ТiО<sub>2</sub> (г)
2,0051
Нитрат натрия (г)
2,9962
2,9962
2,9752
2,9962
2,9622
2,9632
2,9631
2,9936
3,0037
3,0037
Карбонат церия (г)
2,8697
2,8697
14,7473
2,8697
27,5420
27,5509
27,5501
11,4787
5,7404
5,7404
Зеленый стеклобой (г)
240,93
240,93
244,69
240,93
248,41
248,26
248,27
243,64
241,96
241,96
Состав стекла для каждого примера определяют с использованием рентгенофлуоресцентного спектрометра RIGAKU 3370. Результаты анализа представлены в таблице 3.
Спектральные свойства стекла примеров определяют при помощи спектрофотометра Perkin-Elmer Lambda 9 UV/VIS/NIR. Свойства образцов толщиной 3,9 мм приведены в таблице 4.
Таблица 4
Свойства стеклянных подложек толщиной 3,9 мм в соответствии с настоящим изобретением.
Пример 1
Пример2
Пример 3
Пример 4
Пример5
Пример 6
Пример 7
Пример 8
Пример 9
Пример 10
Lta (%)
70,08
70,04
72,38
68,65
68,99
73,83
69,18
74,65
72,02
71,59
ISOUV (%)
19,26
19,48
10,57
20,43
11,80
10,82
12,12
19,90
22,91
23,80
TSIR(%)
36,31
32,63
49,94
27,04
47,39
47,49
46,98
40,06
37,70
34,30
TSET(%)
51,47
49,49
59,32
46,02
56,54
58,97
56,62
55,82
53,24
51,33
DW(HM)
555,69
534,11
572,09
500,42
578,16
562,09
575,41
515,97
559,74
538,68
Ре (%)
2,62
1,62
5,42
2,14
6,41
2,85
5,46
0,79
2,10
1,15
Основываясь на таблице 4, композиция стекла в соответствии с настоящим изобретением может быть использована для получения стеклянных подложек, проявляющих различные оптические свойства. Неограничивающие примеры показывают, что может быть изготовлено стекло серого цвета с Lta в интервале 60-80%, например, 65-77%; ISOUV в интервале 5-27%, например 10-25%; TSIR в интервале 25-55%, например, 30-50%; TSET в интервале 40-65%, например, 45-60%; DW в интервале 510-582 нм, например, 515-577 нм; и Ре не более 6,5%.
Специалистам ясно, что модификации изобретения не приведут к выходу за рамки существа изобретения, раскрытого в предшествующем описании. Указанные модификации должны рассматриваться как входящие в объем притязаний изобретения. Соответственно, частные осуществления, описываемые в деталях выше, являются только лишь пояснительными и не ограничивают объем притязаний изобретения, который дается во всей полноте в прилагаемой формуле изобретения.