CN102256906B - 通过静电除尘的铂凝结减少 - Google Patents

Abstract

通过使用静电除尘来减少玻璃熔体处理过程中的空中微粒的工艺和装置。本发明在减少所制造玻璃中的贵金属夹杂物和非金属夹杂物方面是有效的。

Description

通过静电除尘的铂凝结减少

本申请要求2008年11月18日提交的美国专利No.12/313200的优先权。

技术领域

本发明涉及在玻璃熔体的处理期间用于减少微粒的工艺和装置。具体地，本发明涉及利用含铂金属传送系统制造玻璃的工艺和装置，在该含铂金属传送系统中，铂的氧化和随后的还原可导致玻璃中的铂缺陷。本发明例如在利用包括铂的玻璃熔体传送系统的高质量玻璃(诸如适于制造LCD显示器的玻璃基板的玻璃)的制造过程中是有用的。

背景技术

LCD应用所要求的高光学质量期望LCD玻璃基板中没有大夹杂物。已知贵金属夹杂物是利用含贵金属设备传送、精炼或形成玻璃熔体时的一个问题。随着质量和表面要求变得愈加严格，可允许的贵金属夹杂物的尺寸和量持续减少。玻璃中贵金属夹杂物的问题不是新问题也不是显示器玻璃所独有的。

关于玻璃中出现贵金属夹杂物的一个假设机制是在升高温度下贵金属氧化随后分解并凝结。如果这些氧化-凝结反应发生在接近自由玻璃表面的区域中，则凝结的金属可包含在玻璃中并形成缺陷/夹杂物。之前建议可通过将贵金属浸入惰性气氛由此避免金属氧化和随后的凝结来减少贵金属夹杂物。

然而，将惰性气体引入玻璃处理系统不易实现；这涉及难以改型翻新至现有玻璃生产线的额外设备。此外，仅能通过这种保护性气体的连续流动来维持惰性气体气氛，这可导致玻璃生产线热分布的不期望变化。另外，即使这种方法可有效减少贵金属夹杂物，然而它可能不能减少由诸如SnO₂和类似物等其它非金属源引起的污染。

因此，仍然需要能有效且高效减少在玻璃处理过程可能影响玻璃质量的微粒的工艺和设备。本发明满足了这一需要。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种制造玻璃的工艺，包括：

（A）在耐热器具中处理玻璃熔体，其中玻璃熔体暴露于包括空中微粒的气氛中；以及

（B）通过在气氛中施加电场来减少微粒，在产生电场的至少一个电极的表面上收集微粒，其中电场在玻璃熔体中基本上不提供电位梯度。

根据本发明的第一方面的某些实施例，耐热器具包括暴露于气氛的耐热金属，并且气氛是氧化性的，使得耐热金属和气氛之间的反应产生至少部分空中微粒。

根据本发明的第一方面的某些实施例，耐热金属器具包括铂或其合金。

根据本发明的第一方面的某些实施例，电场在气氛中产生电晕。

根据本发明的第一方面的某些实施例，与玻璃熔体直接接触的所有金属基本上经受相同电位。

根据本发明的第一方面的某些实施例，在步骤（A），耐热器具包括玻璃熔体搅拌装置，该玻璃熔体搅拌装置包括（a）由包含耐热金属的腔室壁限定的搅拌腔室以及（b）包含耐热金属的搅拌器轴。在某些具体的实施例中，在步骤（B），电场至少部分地由在（i）一起用作第一电极的搅拌腔室和搅拌器轴和（ii）位于所述玻璃熔体的表面上的相对第二电极之间的电位梯度产生。

根据本发明的第一方面的某些实施例，在步骤（B），将用于接纳微粒的屏障设置在第二电极和玻璃熔体的表面之间。

根据本发明的第一方面的某些实施例，在步骤（B），第一电极和第二电极之间的电场由至少100V的电位梯度实现。

根据本发明的第一方面的某些实施例，在步骤（B），第二电极具有比第一电极高的电位。

根据本发明的第一方面的某些实施例，在步骤（A），玻璃熔体适于制造用于LCD显示器的玻璃基板。

根据本发明的第一方面的某些实施例，搅拌腔室的壁的至少一部分以及搅拌轴的至少一部分暴露于含氧气氛中。

根据本发明的第二方面，提供一种玻璃熔体处理装置，包括适于在升高温度下操作的耐热器具，其中玻璃熔体暴露于包括空中微粒的气氛中，该装置包括静电除尘器，该静电除尘器包括：（i）第一电极；以及（ii）用于收集微粒的第二电极。

根据本发明的第二方面的某些实施例，耐热器具包括暴露于气氛的耐热金属。

根据本发明的第二方面的某些实施例，耐热器具的至少一部分用作静电除尘器的第一电极。

根据本发明的第二方面的某些实施例，将相等的电位施加到暴露于玻璃熔体的耐热金属的表面。

根据本发明的第二方面的某些实施例，该耐热器具包括玻璃熔体搅拌装置，该玻璃熔体搅拌装置包括搅拌腔室和搅拌轴。

根据本发明的第二方面的某些实施例，该装置包括在第二电极和操作期间由装置处理的玻璃熔体的表面之间的屏障，其中该屏障适于拦截从第二电极落下的微粒。

根据本发明的第二方面的某些实施例，第二电极具有比第一电极高的电位。

根据本发明的第二方面的某些实施例，该装置还包括具有与第一电极的电位不同的电位的第三电极。在某些具体实施例中，第三电极的电位与所述第二电极的电位基本相同。在某些更具体的实施例中，第三电极的电位高于第一电极的电位。

根据本发明的第二方面的某些实施例，至少一个电极能够产生电晕。

根据本发明的第二方面的某些实施例，第二电极的表面的材料与第一电极的表面的材料不同。

本发明的一个或多个实施例具有以下优点中的一个或多个。第一，本发明能够减少在含铂耐热器具中传送、精炼、形成和/或搅拌的玻璃材料中的铂夹杂物，从而提高玻璃产量。第二，本发明在减少铂夹杂物的同时还减少可能由诸如B₂O₃、SnO₂及类似物的其它无机空中微粒的污染导致的组分和性质变化的概率。

在以下的详细描述中陈述了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施详细描述、权利要求书以及附图所述的本发明而被认识。

可以理解，以上一般描述和以下详细描述仅是对本发明的示例性说明，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。

所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的搅拌装置的示意图。

图2是测试用于铂凝结减少的本发明的效能的实验装置的示意图。

图3是围绕图2所示的静电除尘器中的电极的管的相应温度区的示意图。

图4-21是在测试结束时如图2所示的静电除尘器的两个电极的不同区域的电子显微图像。

具体实施方式

除非另外说明，否则在说明书和权利要求书中所使用的诸如那些表示成份重量百分比、尺寸、及某些物理性质值的所有数字应被理解为在一切情况下由术语“约”修饰。还应当理解在说明书和权利要求书中所使用的精确数值构成本发明另外的实施例。已经尽力确保在示例中公开的数值的精确性。然而，由于在相应测量技术中发现的标准偏差，所测得的任意数值固有地包含一定误差。

正如在本文中使用的，在描述和要求保护的本发明中，不定冠词“一”的使用表示“至少一个”，且不应被限定为“仅一个”，除非明确指示相反情况。因此，例如，对“一电极”的引用包括具有两个或更多个电极的实施例，除非上下文明确地另作规定。同样，同时或间歇地，对“一微粒”的引用包括具有两个或更多个微粒的实施例。

正如本文中使用的，“玻璃熔体处理装置”表示用于加工玻璃熔体的装置，包括但不限于：玻璃熔体传送装置、诸如搅拌装置之类的玻璃熔体均匀化装置、诸如玻璃熔体轧制装置之类的玻璃熔体形成装置、玻璃熔体挤压装置、从玻璃熔体形成玻璃片的熔拉系统（fusion draw system）、从玻璃熔体形成玻璃片的槽拉系统（slot draw system）。因为玻璃熔体通常保持在升高温度，所以玻璃熔体处理装置一般包括与玻璃熔体直接接触的耐热器具，包括但不限于管、容器、腔室、模及类似物。因此，本文中使用的术语“玻璃的处理”可包括玻璃熔体传送、玻璃熔体均匀化（诸如搅拌和混合）、玻璃熔体精炼、玻璃形成（轧制、挤压、熔化成形、槽成形、拉制）及类似。然而，从“玻璃熔体处理”和“玻璃熔体的处理”含义排除的是其中诸如氧化物、矿物质、碎玻璃及类似物等原材料被加热并使其反应以按确定组成形成玻璃熔体的玻璃熔化步骤。本发明涉及在玻璃熔体形成于玻璃熔化槽之后的工艺步骤。

正如本文中使用的，“静电除尘”表示通过使微粒受到电场作用而收集空中微粒。术语“空中”表示微粒可暂时或稳定地存在于气氛中。因此，这种微粒可包括相对稳定地悬浮在气氛中的那些微粒以及空气中临时传播的那些微粒（例如，由于重力下降或由气流携带）等等。在某些实施例中，电场由两个电极产生。在某些实施例中，电场由两个以上的电极产生。在某些实施例中，电极中的至少一个，期望是具有较高电位的电极，产生能向空中微粒提供电荷的电晕。电极中的至少一个用作微粒收集器，在该微粒收集器上例如通过由电极产生的电场施加于此的力来收集微粒。

在玻璃熔体形成于玻璃槽中之后，在允许玻璃熔体冷却至刚性玻璃制品（诸如玻璃片、玻璃板及类似物）之前，玻璃熔体通常经受上述各种处理步骤。在这些步骤期间，玻璃熔体可暴露于气氛。由于各种原因，气氛可包括空中微粒。如果允许这些微粒下降到玻璃熔体中，则它们会在最终形成的玻璃制品中形成不想要的夹杂物，从而降低质量和产量。减少气氛中的这些微粒因此是必要的，尤其是对于光学玻璃制品。污染微粒可由若干因素产生，包括供气装置、玻璃熔体和/或其组分的蒸发和凝结、在处理工艺中使用的耐热材料的反应和凝结、施加在耐热物质上的机械力及类似因素等等。

LCD玻璃基板需要在表面和块体两个方面具有高质量。熔拉技术由美国纽约康宁市的康宁公司开发，用于形成具有原始光学表面的玻璃片，该原始光学表面适用于在其上形成诸如薄膜晶体管之类的半导体组件。施加在玻璃片块体的光学质量上的严格要求还需要其中具有非常低水平的夹杂物。在该技术中，在处理玻璃熔体的设备中可采用诸如包括Pt、Rh、Ir、Os、Pd、Au、Ru、Re等贵金属的耐热材料以及诸如SiO₂、ZrO₂、锆石、Al₂O₃、SiC等非金属耐热物质。已知以下因素等可促成玻璃片中不想要的夹杂物的形成。

第一，诸如Pt和Rh之类的贵金属的氧化和随后的还原促成在玻璃中形成贵金属缺陷。例如，当铂的温度上升时，诸如从室温上升到处理LCD玻璃熔体的典型温度，以下的反应平衡偏向向右移动：

Pt(固体)+O₂(气体)←→PtO₂(气体).

因此，在环境气氛中存在O₂的情况下Pt器具的热表面可被氧化成PtO₂气体，它在较低温度下接触另一个表面或介质（诸如气氛）时可分解形成固体Pt。固体Pt可随时间生长成足够大的微粒，随后落入玻璃熔体中，并在最终形成的玻璃制品中形成夹杂物。

第二，诸如B₂O₃、SnO₂、R₂O（R是碱金属）之类的某些玻璃组分的蒸发及随后在其与具有较低温度的表面或介质接触后的凝结可导致这些氧化物微粒的形成。如果这些氧化物微粒落入玻璃熔体，则它们能局部改变玻璃组分，导致最终玻璃中的不期望的组分和性质变化。

第三，在构造耐热器具时使用的其它耐热材料可能破碎或其它方式产生细小微粒。已知这些微粒的耐热性，它们可在最终的玻璃制品中形成泡及其它夹杂物。

第四，与玻璃熔体接触的环境气体可能被诸如其它设备或工艺步骤产生的灰尘之类的微粒污染。例如，诸如玻璃划线、切断、边缘修整等下游工艺可产生玻璃微粒，这些玻璃微粒设法进入玻璃熔体可能接触的气氛中。在玻璃熔体形成在相当大的气流来自下游工艺的气氛中的玻璃形成区中尤其是如此。

因此，非常需要在玻璃制造工艺中减少微粒，使得在微粒接触玻璃熔体之前捕获这些微粒。由于以上解释的机制，在贵金属以升高温度暴露于氧的区域中这种需要尤其明显。这些区域包括但不限于：（i）玻璃熔体精炼装置；（ii）下导管区域；（iii）等压槽(isopipe)区域；（iv）玻璃搅拌装置；以及（v）玻璃形成装置。

在由贵金属形成玻璃熔体精炼装置中，使玻璃熔体部分填充精炼器具，该器具可以是管。玻璃边界之上的精炼器的内表面因此暴露于可能含氧的气氛中。允许玻璃熔体内的气泡离开玻璃熔体并逃离玻璃精炼器。由于以上机制，Pt微粒可能形成在精炼器的内表面上或废气出口的表面上，随时间累积，并在它生长到足够大时落入玻璃熔体以形成Pt夹杂物。

下导管是将玻璃熔体传送到等压槽的入口的管道，在等压槽中玻璃熔体形成为玻璃片。下导管可由Pt或Pt合金制成。玻璃熔体在其离开下导管时暴露于含氧气氛中。形成下导管的金属可根据以上机制被氧化以形成Pt微粒，这些Pt微粒最终将设法进入玻璃熔体以形成夹杂物缺陷。

等压槽是玻璃熔体在其上溢流、在底部结合并熔合成单个玻璃片的装置。用于构造等压槽的部分或等压槽的补充组件的Pt或Pt合金一般暴露于空气和升高的温度。根据相同的机制，Pt微粒会产生并在形成期间进入玻璃熔体。在该区域，可发生大量气流，也增加了被其它微粒污染的概率。

搅拌装置是非常易于Pt微粒凝结和污染的玻璃熔体处理系统的组件。图1包括典型的玻璃熔体搅拌装置的示意图。在该装置中，搅拌腔室由搅拌腔室壁103和底104限定。玻璃熔体113通过入口109传送到腔室并将腔室填充到玻璃边界115。搅拌器轴105包括多个片，通过旋转产生的剪切应力来搅拌玻璃熔体113。在某些有利实施例中，搅拌器轴105和腔室壁103由Pt或Pt合金制成。搅拌腔室还可被搅拌腔室盖117覆盖。在某些实施例中，在玻璃边界115之上，搅拌腔室被诸如空气的含氧气氛填充。典型地，玻璃熔体在腔室内具有最高温度；且腔室盖区域中的温度低于玻璃熔体。该温度梯度即使低于10℃也足以导致Pt和Pt合金微粒的氧化和在与具有较低温度的表面或介质接触时的还原/凝结。在没有适当减少的情况下，随时间累积的微粒可生长到足够大，落入玻璃熔体最终导致形成的玻璃片中的缺陷。

本发明使用电场来吸引并捕获空中微粒，包括诸如Pt或Pt合金微粒之类的金属微粒、由玻璃组分形成的微粒及存在于环境空气中的微粒，从而减少它们并防止它们进入玻璃熔体。

电场由具有不同电位的至少两个电极产生。在所使用的典型静电除尘器中，例如在减少飞尘的发电厂中，除尘器的至少一个电极具有提供电晕的能力，该电晕向微粒提供电荷，然后电荷被相反电极吸引并收集。一旦到达相反电极，微粒所带电荷被相反电极提供的相反电荷中和。在这些常规静电除尘器中，电极通常由金属制成。在本发明中，电极可由金属及其它材料制成，只要材料在操作温度下具有足够的导电性即可。如前面所指出的，即使在本发明的某些实施例中电晕期望地由至少一个电极形成，但电晕产生不是必须如以下示例所指示的。在不打算被特定理论限制的情况下，本发明人相信在某些实施例中在玻璃处理装置的气氛中形成或存在的微粒中的至少一些已经带有各种数量的电荷，因此可被相反电极吸引和捕捉。

图1中示意性示出的玻璃熔体搅拌装置100表示本发明的实施例。在搅拌装置100中，除以上描述和讨论的玻璃熔体搅拌装置特有的以上组件外，通过在腔室壁103、搅拌轴105、搅拌腔室盖117（三者均如图所示地接地）以及插入搅拌腔室的第二电极119之间施加电压产生电场。在此实施例中，搅拌腔室壁103、搅拌轴105、搅拌腔室盖117共同用作本申请中静电除尘器含义下的第一电极。在第二电极119和玻璃边界（暴露于气氛的玻璃熔体的表面）之间，屏障123附连到从搅拌腔室盖117延伸的杆的端部。屏障123具有拦截可能从第二电极119的表面下落的诸如Pt微粒之类的任何微粒的能力。期望的是，将屏障123固定在适当位置的延伸杆121以及屏障123由诸如氧化物、陶瓷及类似物等电绝缘材料制成。因此，通过施加在气氛中的电场的作用，任何控制微粒首先被吸引到第二电极119的表面，收集在第二电极119的表面上，并且在微粒从第二电极119的表面落下的情况下进一步由屏障123收集。可不时地清洁第二电极119和屏障123，而不显著干扰连续的玻璃处理工艺。

为了获得基本上无气泡或泡的高质量玻璃熔体，期望玻璃熔体不经历释放气体的电化学过程。已知当电位被施加到玻璃熔体（尤其是包括OH基团的玻璃熔体）时，可能发生电解反应，导致形成可能被截留在玻璃中并且作为缺陷包括在将制造的最终玻璃制品中的气泡。在用于LCD显示器的玻璃基板中，期望诸如截留气泡之类的泡水平很低。因此，在本发明中，应注意由电极施加在气氛中的电场不会在玻璃熔体中产生能导致这种不期望的副反应的显著电位梯度。为此目的的一种方法是在其操作期间对与玻璃熔体直接接触的所有金属施加基本相同的电位。例如，在如图1所示的玻璃熔体搅拌装置中，腔室的耐热金属壁103和底104以及金属搅拌轴均接地，在系统中有效地使它们经受相同的电位，由此避免电位梯度经由这些金属施加到玻璃熔体。

还构想到，在根据本发明的玻璃熔体搅拌装置的其它实施例中，可在气氛中使用多个电极来实现最优的微粒收集效率和效能。在某些实施例中，期望电极中的至少一个能够产生电晕，这可有助于微粒带电，由此进一步增强微粒收集的效率和效能。

本发明通过以下非限制性示例进一步例示。

示例

在该示例中，本发明人证明通过使用在气氛中由电极产生的电场来减少Pt微粒的有效性。图2示意性示出实验装置。在装置201中，氧化铝管205被插入炉203内。电接地的铂网219置于氧化铝管205的中间。在氧化铝管205内的铂网219的两侧上，负电极211和正电极217被插入在相对于铂网219基本对称的位置处。为了观察由电极收集的任何铂凝结，电极211和217分别被氧化铝管207和213包封。管207和213分别通过绝缘耐火砖209和215固定到氧化铝管205的端部。本质上相等的DC电压221和223施加在（i）铂网219和负电极211之间和（ii）正电极217和铂网219之间。因此，在测试期间，在管205内的气氛中建立电场。

在测试期间，炉203内的温度曲线被保持为基本恒定。因此，由于装置的特性，沿管207和213存在热梯度。测量并记录沿管207和213各位置的温度。图3更详细地示出在电极包封管207和213上测得的位置。各部分的温度被包括在以下的表I中。

表I

在运行实验97小时后，实验停止。在显微镜下观察管207和213的表面。在附图4-21中提供在两个包封管207和213上位置A至I处表面的图像。在以下的表II中提供图号与图像的对应关系。

表II

正如从以上的表中看见的，电极包封管207和213在最接近铂网219的顶端区域中具有基本上最高的温度，且温度从顶端至与绝缘耐火砖209和215接触的端部逐渐下降。铂网219的温度具有比两个电极的尖端区域更高的温度。绝缘耐火砖209和215不是气密的。因此，管205内的气氛包含空气，且当O₂随时间通过Pt氧化消耗时经由对流和/或扩散向其提供O₂。由于铂网219和电极包封207和213之间的温度梯度，发现Pt从网向电极包封迁移，推测是通过上述氧化-凝结机制。

观察到在图2测试中使用的静电除尘器的正电极和负电极的两个包封上，存在可观数量的微粒收集。一些微粒可能由诸如氧化铝包封和构造实验设备时使用的绝缘耐火砖之类的无机材料产生；其它的是由于氧化和随后的凝结引起的铂气化所产生的金属微粒。而且，在正电极包封213（即，具有较高的电位的电极）的表面上发现很多源于氧化/还原的铂微粒。因此，看来正电极更能够吸引、形成和收集Pt微粒。

从以上的实验，可构想到本发明可用于在玻璃处理装置中减少非金属微粒（诸如氧化物、玻璃和陶瓷微粒）和金属微粒（诸如Pt缺陷及类似物）。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要这些修改和变化在所附权利要求及其等同方案的范围之内即可。

Claims (8)

1.一种制造玻璃的工艺，包括：

（A）在耐热器具中处理玻璃熔体，其中所述玻璃熔体暴露于包括空中微粒的气氛中；以及

（B）通过在所述气氛中施加电场来减少所述微粒，在产生电场的至少一个电极的表面上收集微粒，其中（i）所述电场至少部分地由第一电极和第二电极之间的电位产生；以及（ii）所述电场在所述玻璃熔体中基本上不提供电位梯度，

其中在步骤（A），耐热器具包括玻璃熔体搅拌装置，所述玻璃熔体搅拌装置包括（a）由包含耐热金属的腔室壁限定的搅拌腔室以及（b）包含耐热金属的搅拌器轴；以及

在步骤（B），电场至少部分地由在（i）一起用作第一电极的搅拌腔室壁和搅拌器轴和（ii）位于所述玻璃熔体的表面上的第二电极之间的电位梯度产生。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述耐热器具包括暴露于所述气氛的耐热金属，并且所述气氛是氧化性的，使得耐热金属和气氛之间的反应产生至少部分空中微粒。

3.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述耐热金属包括铂或其合金。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述电场在所述气氛中产生电晕。

5.如权利要求1-3中的任一项所述的工艺，其特征在于：

在步骤（B），将用于接纳微粒的屏障设置在第二电极和所述玻璃熔体的表面之间。

6.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述搅拌腔室的壁的至少一部分以及所述搅拌轴的至少一部分暴露于含氧气氛中。

7.一种玻璃熔体处理装置，包括适于在升高温度下操作的耐热器具，其中所述玻璃熔体暴露于包括空中微粒的气氛中，所述装置包括静电除尘器，所述静电除尘器包括：（i）第一电极；以及（ii）用于收集所述微粒的第二电极，其中耐热器具包括玻璃熔体搅拌装置，所述玻璃熔体搅拌装置包括（a）由包含耐热金属的腔室壁限定的搅拌腔室以及（b）包含耐热金属的搅拌器轴；以及

所述静电除尘器至少部分地在（i）一起用作第一电极的搅拌腔室壁和搅拌器轴和（ii）位于所述玻璃熔体的表面上的第二电极之间产生电位梯度。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，至少一个电极能够产生电晕。

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