説明

Li2O−Al2O3−SiO2系結晶化ガラス及びその製造方法

【課題】 AsやSbを清澄剤として使用しなくても、泡品位に優れたLiO−Al−SiO系結晶化ガラスとその製造方法を提供する。
【解決手段】 As、Sbを実質的に含有しないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスであって、Clを含有するとともに、S含有量がSO換算で10ppm以下、β−OH値が0.2/mm以上であることを特徴とする。なおClの含有量は50〜1500ppmであることが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、LiO−Al−SiO系結晶化ガラスとその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
LiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、主結晶としてβ−石英固溶体(LiO・Al・nSiO[ただしn≧2])やβ−スポジュメン固溶体(LiO・Al・nSiO[ただしn≧4])を析出することから、膨張が極めて低く、また機械的強度が高いという特徴を有している。それゆえ優れた熱的特性を有している。また結晶化工程における熱処理条件を変更することによって析出結晶を変化させることができるため、同一組成の原ガラス(結晶性ガラス)から、β−石英固溶体が析出した透明な結晶化ガラスとβ−スポジュメン固溶体を析出させた白色不透明な結晶化ガラスの両方を製造することが可能であり、用途に応じて使い分けることができる。
【0003】
このような特徴を生かし、LiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、従来、石油ストーブや薪ストーブ等の前面窓、カラーフィルターやイメージセンサー用基板等のハイテク製品用基板、電磁調理器やガス調理器等のトッププレート用基板、防火戸用窓ガラス、液晶プロジェクタ等の投影機や照明の光源ランプに使用される反射鏡基材、電子部品やプラズマディスプレイパネルの熱処理用セッター、電子レンジ用棚板、電子部品や精密機械部品等多種多様な用途に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−228180号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
この種の結晶化ガラスを製造する場合、ガラスの高温粘性が高いことから、1600℃を超える高温溶融が必要となる。粘性が高いガラスは泡が浮上し難いことから、ガラス融液中の泡を除去しにくい。そこでAsやSbが清澄剤として広く使用されている。しかしながらAsやSbは毒性が強く、ガラスの製造工程や廃ガラス処理時等に環境を汚染する可能性がある。その解決策として、AsやSbの代わりにSnO、CeO、Cl等を使用することが検討されている。例えば特許文献1にはSnOとClを清澄剤として併用したLiO−Al−SiO系結晶化ガラスが開示されている。
【0006】
しかしながら、AsやSbの代わりにSnO、CeO、Cl等を清澄剤として用いても、必ずしも泡品位に優れたLiO−Al−SiO系結晶化ガラスを得ることができないという問題がある。特に、この傾向は連続生産のタンク窯で生産する場合に顕著に起こる。ラボでるつぼを用いて静置した条件で溶融すると泡品位の良いものが得られるのに対して、連続生産のタンク窯に適用した場合に、良い泡品位のものが得られないことが多い。
【0007】
本発明の目的は、AsやSbを清澄剤として使用しなくても、泡品位に優れたLiO−Al−SiO系結晶化ガラスとその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者等は種々の検討を行った結果、連続生産のタンク窯を用いて泡品位に優れたLiO−Al−SiO系結晶化ガラスを安定して得られない原因は、ガラス原料から混入するS(硫黄)成分のリボイルにあることを突き止めた。
【0009】
つまりガラス融液中には原料等から混入するS成分が不純物として含まれる。特にLiO原料として使用される炭酸リチウム(LiCO)には多量のS成分が不純物として含まれることがある。またLiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、ガラス融液のS溶解度が低いことから、S成分が融液中で不安定な状態で存在する。そして僅かな状態の変化(例えば酸化還元、組成変化、温度変化)によってS成分が容易にガス化してしまう。ラボでのるつぼ試験のような静置した状態で溶融する場合に比べて、連続生産のタンク窯では原料の投入条件や溶融条件の変動が大きく、また耐火物の溶出もあるため、ガラスの状態変化が起こりやすく、S成分によるリボイルが生じやすくなり、良い泡品位の製品を得ることが困難である。
【0010】
このような条件下にあっても、清澄剤としてAsやSbを使用する場合には、これらの清澄剤成分から放出される多量の清澄ガスによってガラス融液中のS成分が除去され、融液中のS濃度が著しく低下する。また、AsやSbが融液中に存在すると、これらの清澄剤成分がS成分を酸化し、S成分をSO2−の状態でガラス融液中に安定して存在させる。それゆえSO2−がSO(gas)+Oに分解し難く、ガス化を抑えることができる。
【0011】
ところがAsやSb以外の清澄剤は、S成分をガラス融液から除去する効果やS成分をSO2−の状態でガラス融液中に安定して存在させる効果が小さい。その結果、S成分がガラス融液中からSOガス等となって発泡する、いわゆるリボイル現象が容易に起こる。例えばSO換算で1ppmのS成分がガス化すると、数千〜数万個/kgの泡になると計算されるため、いかにしてS成分のリボイルを防ぐかが泡の少ないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスを得る上で非常に重要となる。この重要性は、るつぼを用いたラボ試験レベルでは認識することが困難(白金るつぼを用いた場合、るつぼ成分の溶出がほとんど無いためS成分によるリボイルが特に起こり難い)であり、連続生産のタンク窯でAsやSbを含まない条件で生産することで初めて認識された現象である。
【0012】
本発明者等は、上記知見に基づき、本発明を提案するに至った。
【0013】
即ち、本発明のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、As、Sbを実質的に含有しないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスであって、Clを含有するとともに、S含有量がSO換算で10ppm以下、β−OH値が0.2/mm以上であることを特徴とする。本発明において「As及びSbを実質的に含有しない」とは、これらの成分の含有量が不純物も含めて各々100ppm以下であることを意味する。「LiO−Al−SiO系結晶化ガラス」とは、LiO、Al及びSiOを必須成分として含有し、β−石英固溶体及び/又はβ−スポジュメン固溶体を主結晶として析出した結晶化ガラスを意味する。「S含有量」は、まず分析試料をNaCOでアルカリ融解して浸漬し、濾紙にて濾過し、次いでその液をイオン交換樹脂で撹拌し、再び濾過した後、イオンクロマトグラフィーにて測定することにより求めた値である。「β−OH値」とは、以下の式により算出される値である。
【0014】
β−OH値(/mm)={log(T3850/T3500)}/t
T3850: 3850cm−1の透過率
T3500: 3500cm−1付近の吸収帯の最低透過率
t: 試料の板厚(mm)
本発明においては、Clを50〜1500ppm含有することが好ましい。Clの含有量は板状の分析試料を鏡面研磨し、蛍光X線分析装置により測定することにより求めた値である。
【0015】
上記構成を採用すれば、清澄性に優れた結晶化ガラスを得ることができる。
【0016】
本発明においては、CeOを実質的に含有せず、且つSnOの含有量が0.5質量%以下であることが好ましい。本発明において「CeOを実質的に含有しない」とは、これらの成分の含有量が不純物も含めて200ppm以下であることを意味する。
【0017】
SnOやCeOを清澄剤として使用した場合、結晶化ガラスが着色するおそれがある。結晶化ガラスが着色する機構の詳細は不明であるが、ガラスを結晶化させる熱処理段階で、SnOやCeOが不純物であるFeを還元してしまうことによるものと思われる。特にCeOについてはその影響が大きい。そこで上記構成を採用すれば、LiO−Al−SiO系結晶化ガラスの着色を効果的に防止することができる。
【0018】
なおSnOを添加すれば、ガラス中に溶存するSO量を減少させることができる。これは、清澄剤成分から放出される清澄ガスによってガラス融液中のS分が除去されるためと考える。またSnOは、AsやSbよりも高温で清澄ガスを放出する性質を有しており、温度の低い溶融初期には酸素を放出し難い。つまりSnOを添加しても、溶融初期の雰囲気が酸化性になりにくい。Sは溶融初期に酸化雰囲気になると、ガラス融液に容易に溶け込み、残存S量が多くなりやすいことから、SnOを使用すれば、溶融初期のSの溶け込みを効果的に抑制できると考えられる。
【0019】
本発明においては、質量百分率で、SiO 50〜80%、Al 12〜30%、LiO 1〜6%、MgO 0〜5%、ZnO 0〜10%、BaO 0〜8%、NaO 0〜5%、KO 0〜10%、TiO 0〜8%、ZrO 0〜7%、P 0〜7%含有することが好ましい。
【0020】
上記構成によれば、主結晶としてβ−石英固溶体やβ−スポジュメン固溶体を析出してなり、膨張が極めて低く、また機械的強度が高い結晶化ガラスを容易に得ることができる。
【0021】
また本発明のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法は、As、Sbを実質的に含有しないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法であって、ガラス原料バッチに塩化物を添加し、ガラス原料中に含まれるS含有量をSO換算で150ppm以下に制限するとともに、得られる結晶化ガラスのβ−OH値が0.2/mm以上となるようにガラス原料及び/又は溶融条件を調節することを特徴とする。ここで「ガラス原料バッチ」とは、ガラス原料のうち、塩化物等の清澄剤を除いたものの混合物を意味する。また「ガラス原料中に含まれるS含有量」は分析試料をNaCOでアルカリ融解して浸漬し、濾紙にて濾過し、次いでその液をイオン交換樹脂で撹拌し、再び濾過した後、イオンクロマトグラフィーにて測定した値をSO換算したものである。
【0022】
本発明においては、ガラス原料バッチ100質量%に対して、塩化物をCl換算で0.01〜0.3質量%添加することが好ましい。
【0023】
上記構成を採用すれば、ガラスを十分に清澄することが可能になる。
【0024】
本発明においては、Ce化合物を添加せず、且つSn化合物をSnOとして0.5質量%以下添加することが好ましい。
【0025】
上記構成によれば、着色のないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスを得ることが容易になる。
【0026】
本発明においては、質量百分率で、SiO 50〜80%、Al 12〜30%、LiO 1〜6%、MgO 0〜5%、ZnO 0〜10%、BaO 0〜8%、NaO 0〜5%、KO 0〜10%、TiO 0〜8%、ZrO 0〜7%、P 0〜7%含有するガラスとなるようにガラス原料バッチを調合することが好ましい。
【0027】
上記構成によれば、主結晶としてβ−石英固溶体やβ−スポジュメン固溶体を析出してなり、膨張が極めて低く、また機械的強度が高い結晶化ガラスを容易に製造することができる。
【0028】
本発明においては、タンク窯でガラスを溶融することが好ましい。
【0029】
上記構成によれば、S成分のリボイルが起こりやすいタンク炉に適用することにより、本発明の効果を的確に享受できる。
【発明の効果】
【0030】
本発明によれば、結晶化ガラスに含まれるS含有量が少なくなるように調節していることから、S成分のリボイルが生じにくい。よってAsやSbを含有しなくても、泡品位に優れた結晶化ガラスを安定して得ることが可能である。
【0031】
またCeO及びSnOの含有量を制限する構成とすれば、ガラスの着色を防止しながら、リボイルを効果的に抑制することが容易になる。
【発明を実施するための形態】
【0032】
本発明のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、As及びSbを実質的に含有しないことから、環境面で好ましいガラスである。そしてこれらの代替清澄剤としてClを含有する。
【0033】
AsやSbを含有しない場合に生じる発泡の原因は、ガラス融液中に含まれるS成分である。従ってガラス融液中のS成分の含有量は少ないほど良い。本発明においては、S含有量はSO換算で10ppm以下、好ましくは10ppm未満、8ppm以下、8ppm未満、5ppm以下、特に好ましくは5ppm未満である。
【0034】
また本発明では、ガラス中のS量を低減する手段として、Clの存在下でガラス融液の水分量を高くしている。Clの存在下で水分量を高めることによりS量が低下する理由は後述する。なおガラス融液の水分量は、得られた結晶化ガラスのβ−OH値により評価することができる。本発明においては、結晶化ガラスのβ−OH値が0.2/mm以上、特に0.3/mm〜4/mm、さらには0.35/mm〜4/mmであることが好ましい。結晶化ガラスが不透明な場合、結晶性ガラスのβ−OH値で規定することも可能である。結晶性ガラスの好適なβ−OH値は、0.25/mm以上、特に0.30/mm以上、さらには0.36/mm以上であることが好ましい。
【0035】
ガラス中のS量を低減する方法としては、ガラス融液の水分量を高くする方法の他に、S成分の少ない原料を使用する方法、SiO原料の粒度を調節する方法、バッチ溶解温度を最適化する方法、溶融効率を最適化する方法、SnOを添加する方法等の手段を採用すればよい。なおこれらの手段の詳細については後述する。
【0036】
また本発明のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスでは、Clに加えて、CeOやSnOを清澄剤として添加してもよい。ただしこれらの成分は、ガラスを着色する傾向がある。特にCeOは着色に対する影響が大きい。よってガラスの着色を防止したい場合には、CeOを実質的に含有せず、SnOを0.5質量%以下、特に0.1〜0.5質量%にすることが好ましい。このような構成を採用すれば、例えばβ−石英固溶体が析出した透明な結晶化ガラスの場合、400nmにおける透過率が1.1mm厚で83%以上、特に85%以上となり易い。
【0037】
CeOやSnOを使用しない場合、十分な清澄性を確保するためにClの含有量は50〜1500ppm、200〜1500ppm、特に400〜1000ppm、さらには500〜900ppmとすることが好ましい。Clの含有量が少なすぎる場合は清澄性が不十分になる。一方、Clの含有量が多すぎるとHClとしての揮発量が多くなるため、窯の付帯設備が腐食されやすくなる。
【0038】
本発明のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスにおける好適な組成範囲は、質量百分率でSiO 50〜80%、Al 12〜30%、LiO 1〜6%、MgO 0〜5%、ZnO 0〜10%、BaO 0〜8%、NaO 0〜5%、KO 0〜10%、TiO 0〜8%、ZrO 0〜7%、P 0〜7%である。組成範囲をこのように限定した理由を述べる。なお以降は特に断りがない限り、「%」は「質量%」を意味する。
【0039】
SiOはガラスの骨格を形成するとともに結晶を構成する成分であり、その含有量は50〜80%、好ましくは52〜77%、さらに好ましくは54〜75%である。SiOの含有量が少なすぎると熱膨張係数が大きくなり過ぎ、SiOの含有量が多すぎるとガラス溶融が困難になる。
【0040】
Alはガラスの骨格を形成するとともに結晶を構成する成分であり、その含有量は12〜30%、好ましくは13〜28%、さらに好ましくは14〜26%である。Alの含有量が少ないと化学的耐久性が低下し、またガラスが失透し易くなる。一方、Alの含有量が多すぎるとガラスの粘度が大きくなり過ぎてガラス溶融が困難になる。
【0041】
LiOは結晶構成成分であり、結晶性に大きな影響を与えるとともに、ガラスの粘性を低下させる働きがある。またLiは溶融中で塩素と結合して比較的安定なLiClとなり、これが揮発し清澄ガスとして作用する。このためLiO−Al−SiO系結晶化ガラスにおいては、清澄剤としてClを単独で使用してもLiOを多量に含有させておくことにより、十分な清澄力を得ることが可能となる。LiOの含有量は1〜6%、好ましくは1.2〜5.5%、さらに好ましくは1.4〜5.0%である。特に、SnOやCeOなどの酸化物清澄剤を使用せず、清澄剤がCl単独の場合は、LiOを3%以上にすることが好ましい。LiOの含有量が少なすぎるとガラスの結晶性が弱くなり、熱膨張係数が大きくなり過ぎる。また透明結晶化ガラスの場合には結晶物が白濁し易くなり、白色結晶化ガラスの場合には白色度低下が起こりやすくなる。加えてCl単独での清澄が困難になる。一方、LiOの含有量が多すぎると結晶性が強くなり過ぎて、ガラスが失透したり、準安定なβ−石英固溶体が得られなくなって結晶物が白濁したりして、透明結晶化ガラスを得ることができなくなる。
【0042】
MgOの含有量は0〜5%、好ましくは0〜4.5%、さらに好ましくは0〜4%である。MgOの含有量が多すぎると結晶性が強くなり、析出結晶量が多くなって不純物着色が強くなり過ぎる。
【0043】
ZnOの含有量は0〜10%、好ましくは0〜8%、より好ましくは0〜6%、さらに好ましくは0〜5%である。ZnOの含有量が多すぎると結晶性が強くなり、析出結晶量が多くなって不純物着色が強くなり過ぎる。
【0044】
またMgOとZnOの含有量は合量(合計量)で0〜10%、特に0〜8%、さらには0〜6%であることが好ましい。これらの成分の合量が多すぎると結晶物の着色が強くなりやすい。
【0045】
BaOの含有量は0〜8%、好ましくは0.3〜7%、さらに好ましくは0.5〜6%である。BaOの含有量が多すぎると結晶の析出を阻害するために十分な結晶量が得られず、熱膨張係数が大きくなり過ぎる。さらに透明結晶化ガラスを得る場合には結晶物が白濁し易くなる。
【0046】
NaOの含有量は0〜5%、好ましくは0〜4%、さらに好ましくは0〜0.35%である。NaOの含有量が多すぎると結晶性が弱くなって十分な結晶量が得られず、また熱膨張係数が大きくなり過ぎる。さらに透明結晶化ガラスを得る場合には結晶物が白濁し易くなる。
【0047】
Oの含有量は0〜10%、好ましくは0〜8%、より好ましくは0〜6%、さらに好ましくは0〜5%である。KOの含有量が多すぎると結晶性が弱くなって十分な結晶量が得られず、また熱膨張係数が大きくなり過ぎる。さらに透明結晶化ガラスを得る場合には結晶物が白濁し易くなる。
【0048】
またNaOとKOの含有量は合量(合計量)で0〜12%、特に0〜10%、さらには0〜8%であることが好ましい。これらの成分の合量が多すぎると熱膨張係数が大きくなりやすい。また透明結晶化ガラスを得る場合には結晶物が白濁し易くなる。
【0049】
TiOは核形成剤であり、その含有量は0〜8%、好ましくは0.3〜7%、さらに好ましくは0.5〜6%である。TiOの含有量が多すぎると不純物着色が著しくなる。
【0050】
ZrOは核形成剤であり、その含有量は0〜7%、好ましくは0.5〜6%、さらに好ましくは1〜5%である。ZrOの含有量が多すぎるとガラス溶融が困難になるとともに、ガラスの失透性が強くなる。
【0051】
はガラスの結晶性を向上させるための成分であり、その含有量は0〜7%、好ましくは0〜6%、さらに好ましくは0〜5%である。Pの含有量が多すぎると熱膨張係数が大きくなり過ぎ、また透明結晶化ガラスを得る場合には結晶物が白濁し易くなる。
【0052】
本発明のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、上記以外にも種々の成分を添加することが可能である。例えばCaOを5%まで、Bを10%まで含有しても良い。また着色剤としては、例えばVを1.5%まで、好ましくは1.0%、さらに好ましくは0.8%まで含有することができる。
【0053】
なお本発明においては、既述の通り環境上の理由からAs及びSbを実質的に含有させないことが重要である。また着色防止の観点からは、CeOを含有しないことが好ましい。同様に着色防止の観点からはSnOの含有量も制限することが好ましく、具体的には、0〜0.5%、0〜0.3%、特に0〜0.2%であることが好ましい。
【0054】
次に上記LiO−Al−SiO系結晶化ガラスを製造するための本発明の方法を説明する。
【0055】
まず所望の組成となるようにガラス原料バッチを調製する。ガラス組成としてはSiO 50〜80%、Al 12〜30%、LiO 1〜6%、MgO 0〜5%、ZnO 0〜10%、BaO 0〜8%、NaO 0〜5%、KO 0〜10%、TiO 0〜8%、ZrO 0〜7%、P 0〜7%含有するガラスを例示することができる。このガラス組成範囲についての限定理由及び好適な範囲は既述の通りであるため、ここでは説明を割愛する。
【0056】
さらにガラス原料バッチに、清澄剤として塩化物、Ce化合物及びSn化合物の少なくとも1種を添加する。塩化物を添加する場合、その添加量はガラス原料バッチ100質量%に対して、Cl換算で、0.01〜0.3%、好ましくは0.04〜0.3%、より好ましくは0.08〜0.2%、さらに好ましくは0.1〜0.18%である。Ce化合物を添加する場合、その添加量はガラス原料バッチ中における含有量が、CeO換算で、0〜0.2%、好ましくは0〜0.15%、さらに好ましくは0〜0.1%となるようにする。Sn化合物を添加する場合、その添加量はガラス原料バッチ中における添加量が、SnO換算で、0〜0.5%、好ましくは0〜0.3%、さらに好ましくは0〜0.2%となるようにする。なお既述の通り、ガラス原料にAs及びSbを添加しないことが重要である。またガラスの着色が厳密に規制される用途では、Ce化合物の添加は避けるべきである。
【0057】
次にガラス原料を均質に混合した後に、溶融設備、特に連続生産可能なタンク窯にて溶融する。溶融条件は、上記組成のガラスの場合、最高温度1600〜1800℃で20〜200時間程度であることが好ましい。
【0058】
続いてガラス融液を所望の形状に成形し、LiO−Al−SiO系結晶性ガラスを得る。成形方法としてはロール成形、プレス成形、フロート成形等、種々の方法を採用することができる。ここで「結晶性ガラス」とは、熱処理するとガラスマトリックス中から結晶を析出して結晶化ガラスとなる性質を有する非晶質のガラスを意味する。
【0059】
続いてLiO−Al−SiO系結晶性ガラスからなる成形体を700〜800℃で1〜4時間保持して核形成を行い、透明な結晶化ガラスとする場合は800〜950℃で0.5〜3時間熱処理してβ−石英固溶体を析出させる。また白色不透明な結晶化ガラスとする場合は核形成後に1050〜1250℃で0.5〜2時間熱処理してβ−スポジュメン固溶体を析出させればよい。
【0060】
このようにしてAsやSbを実質的に含有しないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスを得ることができる。なお得られたLiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、切断、研磨、曲げ加工、延伸成形等の後加工を施したり、表面に絵付けを施したりして種々の用途に供される。
【0061】
なお結晶化ガラス中のS量を低下させる手段として、本発明方法では(1)原料中のS成分を制限する方法、及び(2)Clの存在下でガラス融液中の水分量を高める方法を採用している。またこれらに加えて(3)SiO原料の粒度を調節する方法、(4)バッチ溶解温度を最適化する方法、(5)溶融効率を最適化する方法等を併用することもできる。これらの方法を適宜組み合わせることにより、よりS含有量の少ない結晶化ガラスを得ることが可能となる。以下に各方法について詳述する。
【0062】
(1)原料中のS成分を制限する方法
ガラス原料には、不純物としS成分が含まれている。特にLiO原料として使用されるLiCOには多量のS成分が不純物として含まれることが多い。そこで得られるガラス中のS量がSO換算で10ppm以下となるように、不純物として混入する原料中のS成分をSO換算で150ppm以下、好ましくは100ppm以下、さらに好ましくは60ppm以下に制限する。なお原料中のS含有量を低減するには、純度の高いガラス原料を選択する、ガラス原料を前処理する等の手段を講じればよい。
【0063】
(2)Cl存在下でガラス融液中の水分量を高める方法
本発明者等の調査では、S溶解度の低いLiO−Al−SiO系結晶化ガラスは、S溶解度の高いソーダ石灰ガラス等と異なり、単純に水分量を増加させてもガラス融液中のS含有量を低減することができない。ところがガラス融液中にClが存在していれば、S含有量を著しく低下させることができる。この機構の詳細は不明であるが、水分とClが共存するとHClガスが発生し、そのガス発生に伴いS成分が揮発してガラス融液中のS含有量が低下すると考えられる。ガラス融液中の水分量が多いほどS量の低減効果が高くなる。ガラス融液中の水分量を増加させるには、含水量の高い原料を使用する、ガラス溶融の際の燃焼ガス中の水分量を増加させる、溶融ガラス中で水蒸気バブリングする等の方法を採用することができる。またガラス融液の水分量は、結晶化ガラスのβ−OH値で表すことができる。具体的な結晶化ガラスのβ−OH値は0.2/mm以上、特に0.3/mm以上、さらには0.35/mm以上であることが好ましい。なおβ−OH値とは、以下の式により算出される値である。
【0064】
β−OH値(/mm)={log(T3850/T3500)}/t
T3850: 3850cm−1の透過率
T3500: 3500cm−1付近の吸収帯の最低透過率
t: 試料の板厚(mm)
【0065】
(3)SiO原料の粒度を調節する方法
LiO−Al−SiO系結晶化ガラスのような低S溶解度ガラスの場合、ガラス融液中のS量は原料が溶解する初期溶融の条件に影響を受ける。LiO−Al−SiO系結晶化ガラスにおける原料の溶解過程を詳細に解析すると、まずSiO成分の少ない初期融液が形成され、そこにSiO原料が溶解していく。ここでガラス融液を酸性度の視点で見ると、SiOは酸性度が高い成分であるためSiO成分の少ない初期融液は酸性度が低く、SiO原料の溶け込みに伴って酸性度が上昇する。S成分はガラスの酸性度が低いほど融液に溶け込みやすいことから、初期融液の酸性度が低いほどS成分を多く含むガラス融液になり易いと考えられる。言い換えれば初期の原料溶解段階でSiOが溶解し易ければ、S成分がガラス融液に溶け込み難くなる結果、S成分に起因するリボイルが発生し難くなる。このような理由からSiO原料の粒度を小さくしてSiO原料の溶解を促進することが望ましい。
【0066】
具体的にはSiO原料は、平均粒径が120μm以下、特に100μm以下のものを使用することが好ましい。ただしSiO原料の粒度が小さすぎると、原料を投入したときに表面のみが輻射熱により素早く溶けて、内部のS成分が揮発逸散し難くなる。結果としてガラス融液のS量が低下しないという事態を招く。そこでSiO原料の溶解スピードが高くなりすぎないようにすることが好ましい。具体的にはSiO原料の平均粒径は50μm以上、特に60μm以上であることが好ましい。ここでいう「平均粒径」とは様々な大きさの目開きの篩を用いて篩下に通る割合を測定し、目開きと篩下の通る割合のグラフを作成し、50%量が通る目開きの大きさを意味する。
【0067】
(4)バッチ溶解の温度を最適化する方法
バッチ溶解温度をlogη=2.3〜3.0となる温度、特にlogη=2.3〜2.9となる温度、さらにはlogη=2.4〜2.9となる温度に設定することが望ましい。ここでηはdPa・sである。バッチ溶解温度が高いと、バッチが溶けやすい状態となり、原料を投入したときに表面のみが輻射熱により素早く溶けて、内部のS成分が揮発逸散し難くなる。一方、バッチ溶解温度が低いとSiO原料が溶けにくくなることから、酸性度の低い初期融液が形成され、S含有量が多くなりやすい。なおバッチ溶解温度は、ガラス溶融炉内に投入されたガラス原料バッチ付近の側壁を、放射温度計を用いて測定することができる。
【0068】
(5)溶融効率を最適化する方法
溶融時間を長くすれば、ガラス融液中の未清澄泡を除去することが可能になる。またS量を低減することができる。ただし長時間の溶融は生産性を低下させ、安価なガラスを提供することが難しくなる。また溶融時間が長くなりすぎると、揮発によってガラス表面に異質層が形成されやすくなる。既述の通り、S溶解度の低いガラスでは組成変化といった僅かな状態の変化によってS成分が容易にガス化する。このような事情から、溶融時間を適切に管理することが望ましい。溶融時間の指標として、溶融効率(溶融面積/流量)を採用することができる。具体的には、溶融効率は1.0〜5.0m/(t/day)、特に1.5〜4.5m/(t/day)であることが好ましい。
【0069】
(6)SnOを添加する方法
SnOを添加することにより、ガラス中に溶存するSO量を減少させることができる。これは、清澄剤成分から放出される清澄ガスによってガラス融液中のS分が除去されるためと考える。またSnOは、AsやSbよりも高温で清澄ガスを放出する性質を有しており、温度の低い溶融初期には酸素を放出し難い。つまりSnOを添加しても、溶融初期の雰囲気が酸化性になりにくい。Sは溶融初期に酸化雰囲気になると、ガラス融液に容易に溶け込み、残存S量が多くなりやすいことから、SnOを使用すれば、溶融初期のSの溶け込みを効果的に抑制できると考えられる。
【実施例】
【0070】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
【0071】
表1は本発明の実施例(試料No.4、5)及び比較例(試料No.1〜3、6)を示している。
【0072】
【表1】

【0073】
各試料は次のようにして調製した。
【0074】
まず質量百分率でSiO 67%、Al 23%、LiO 4%、BaO 1.5%、NaO 0.5%、TiO 2%、ZrO 2%の組成、及び表1のS量となるように、珪砂、アルミナ、炭酸リチウム、硝酸バリウム、硝酸ソーダ、酸化チタン、酸化ジルコニウム等を調合し、さらに表1に示す塩素割合となるように塩化物(NaCl、KCl、BaCl等)を添加し均一に混合した。その後、この原料バッチを表1に示す燃焼方式及び溶解効率で溶解した。なお表中の試料No.1のCl量「<50ppm」は、不純物として含まれるCl量が50ppm未満であることを示している。また表中の「電気」とは電気溶融方式、「酸素」とは酸素燃焼方式を意味しており、両方記載されているものは、両方式を併用していることを示している。また原料中のSO量は、分析試料をNaCOでアルカリ融解して浸漬し、濾紙にて濾過し、次いでその液をイオン交換樹脂で撹拌し、再び濾過した後、イオンクロマトグラフィーにて測定することにより求めた値である。
【0075】
次いで白金のスターラーによりガラス融液を攪拌した後、4mmの厚さにロール成形し、さらに徐冷炉内で室温まで冷却した。
【0076】
その後、所定の長さに切断して得られた結晶性ガラス試料について、ガラス中のSO量、Cl量を分析した。また撹拌によるリボイル発生の有無を評価した。
【0077】
なおガラス中のSO量は、分析試料をNaCOでアルカリ融解して浸漬し、濾紙にて濾過し、次いでその液をイオン交換樹脂で撹拌し、再び濾過した後、イオンクロマトグラフィーにて測定することにより求めた値である。
【0078】
ガラス中のCl量は、板状に成形した試料を鏡面研磨し、蛍光X線分析装置により分析して得た値である。
【0079】
撹拌によるリボイル発生の有無は、白金スターラーによる攪拌前に採取したガラスと成形後のガラスの泡数をそれぞれ1kgあたりの泡個数に換算し、成形後のガラスの泡数が攪拌前に採取したガラスの泡数が2倍以上となった場合にリボイルが生じていると判定した。
【0080】
続いて結晶性ガラス試料を電気炉に入れ、核形成を780℃−2時間、結晶成長を900℃−3時間のスケジュール(スケジュール1)で熱処理を行って結晶化した後、炉冷した。このようにして得られた各試料について、β−OH値を測定した。また主結晶及び外観について評価した。
【0081】
その結果、何れの試料もβ−石英固溶体を主結晶として析出する透明な結晶化ガラスが得られた。さらに表1から明らかなように、ガラスのS量が10ppm以下となるように、β−OH値や原料中のS量が調整された試料No.4,5はリボイルが発生しなかった。なお上述のスケジュール1に代えて、核形成を780℃−2時間、結晶成長を1160℃−1時間のスケジュール(スケジュール2)で熱処理したところ、β−スポジュメン固溶体を主結晶として析出する白色不透明な結晶化ガラスが得られた。
【0082】
なおβ−OH値は、3mm厚にして鏡面研磨した板状試料を、赤外分光光度計(PerkinElmer SpectrumGX)を用いて測定した。
【0083】
主結晶はX線回折装置を用いて評価した。
【0084】
外観は目視にて観察した。
【0085】
昇温速度は、スケジュール1、2の何れにおいても、室温から核形成温度までを300℃/h、核形成温度から結晶成長温度までを100〜200℃/hとした。
【産業上の利用可能性】
【0086】
本発明のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスは種々の用途に利用することができる。具体的には石油ストーブや薪ストーブ等の前面窓、カラーフィルターやイメージセンサー用基板等のハイテク製品用基板、電磁調理器やガス調理器等のトッププレート用基板、防火戸用窓ガラス、液晶プロジェクタ等の投影機や照明の光源ランプに使用される反射鏡基材、電子部品やプラズマディスプレイパネルの熱処理用セッター、電子レンジ用棚板、電子部品や精密機械部品等を例示することができる。


【特許請求の範囲】
【請求項1】
As、Sbを実質的に含有しないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスであって、Clを含有するとともに、S含有量がSO換算で10ppm以下、β−OH値が0.2/mm以上であることを特徴とするLiO−Al−SiO系結晶化ガラス。
【請求項2】
Clを50〜1500ppm含有することを特徴とする請求項1に記載のLiO−Al−SiO系結晶化ガラス。
【請求項3】
CeOを実質的に含有せず、且つSnOの含有量が0.5質量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のLiO−Al−SiO系結晶化ガラス。
【請求項4】
質量百分率で、SiO 50〜80%、Al 12〜30%、LiO 1〜6%、MgO 0〜5%、ZnO 0〜10%、BaO 0〜8%、NaO 0〜5%、KO 0〜10%、TiO 0〜8%、ZrO 0〜7%、P 0〜7%含有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のLiO−Al−SiO系結晶化ガラス。
【請求項5】
As、Sbを実質的に含有しないLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法であって、ガラス原料バッチに塩化物を添加し、ガラス原料中に含まれるS含有量をSO換算で150ppm以下に制限するとともに、得られる結晶化ガラスのβ−OH値が0.2/mm以上となるようにガラス原料及び/又は溶融条件を調節することを特徴とするLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法。
【請求項6】
ガラス原料バッチ100質量%に対して、塩化物をCl換算で0.01〜0.3質量%添加することを特徴とする請求項5に記載のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法。
【請求項7】
Ce化合物を添加せず、且つSn化合物をSnOとして0.5質量%以下添加することを特徴とする請求項6又は7に記載のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法。
【請求項8】
質量百分率で、SiO 50〜80%、Al 12〜30%、LiO 1〜6%、MgO 0〜5%、ZnO 0〜10%、BaO 0〜8%、NaO 0〜5%、KO 0〜10%、TiO 0〜8%、ZrO 0〜7%、P 0〜7%含有するガラスとなるようにガラス原料バッチを調合することを特徴とする請求項5〜7の何れかに記載のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法。
【請求項9】
タンク窯でガラスを溶融することを特徴とする請求項5〜8の何れかに記載のLiO−Al−SiO系結晶化ガラスの製造方法。


【公開番号】特開2012−41260(P2012−41260A)
【公開日】平成24年3月1日(2012.3.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−118598(P2011−118598)
【出願日】平成23年5月27日(2011.5.27)
【出願人】(000232243)日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Fターム(参考)】