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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Oberflächendefekten
bei gefloatetem Flachglas bzw. keramisiertem Flachglas, ein damit erhaltenes,
gegebenenfalls keramisiertes Flachglassowie dessen Verwendung.
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Eine
Möglichkeit zur Herstellung von flachen Glaskeramiken besteht
im Floaten von Glas, das in einem weiteren Prozessschritt keramisiert
wird. Ein derartiges Floatverfahren für Glas ist generell
bekannt und beispielsweise in der
US-2,911,759 beschrieben.
Dabei wird ein endloses Glasband mit gewünschten Dimensionen
in Breite und Dicke dadurch hergestellt, dass geschmolzenes Glas
kontinuierlich auf die Oberfläche eines Bades aus geschmolzenem Metall
gegeben wird. Auf der Oberfläche dieser Metallschmelze
breitet sich nun das darauf schwimmende Glas aus, wie beispielsweise Öl
auf Wasser. Die Temperaturen im und insbesondere über der
Metallschmelze weisen einen heißeren und einen kälteren Bereich
auf, wobei die Glasschmelze im heißen Bereich aufgetragen
und im kälteren Bereich langsam im verfestigten Zustand
abgehoben und ausgetragen wird. Durch die Geschwindigkeit des Glasauftrages und
des Glasaustrages aus der Wanne ist es möglich, die Dicke
des jeweiligen Glasbandes einzustellen. Ein für dieses
Verfahren häufig verwendetes Metall ist geschmolzenes Zinn.
Unter den beim Floaten üblicherweise herrschenden Temperaturen
von oberhalb 600°C, insbesondere 700°C bis 1250°C
ist jedoch das heiße Zinn stark oxidationsempfindlich,
so dass der Floatprozess unter einer Atmosphäre aus Formiergas
durchgeführt wird, das ca. 10 Vol.-% H
2 und
90 Vol.-% N
2 enthält. Auf diese
Weise wird die Oxidation des flüssigen Zinns zum SnO
2 vermieden, was zur Zerstörung
der Metallschmelze führen würde.
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So
wird beispielsweise in der
DE
102 09 742 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Floatglas
beschrieben, bei dem die Sauerstoffkonzentration über der
Metallschmelze derart eingestellt werden soll, dass diese an keiner
Stelle die Sättigungslöslichkeit von Sauerstoff
im Metallbad übersteigt, die am kalten Ende, das heisst
an der Stelle des Austrags des Metallbades, herrscht.
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In
der
US-A-4,081,262 wird
zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Defekte vorgeschlagen, einen
Vorhang aus reduzierendem Gas anzuordnen, der die freiliegende Oberfläche
des Zinnbades vor Oxidation schützt. Des weiteren wird
in der
US-A-3,356,476 beschrieben,
Oberflächendefekte des Glases dadurch zu entfernen, dass
ein Teil der über dem Bad vorliegenden Atmosphäre
abgezogen und nach einem Abkühlvorgang wieder über
das Bad geleitet wird. Bei diesem Prozess werden dem Gas beim Abkühlvorgang
auch Verunreinigungen entzogen, beispielsweise beim Durchströmen
eines Bettes aus Kieselgel.
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Es
hat sich nun gezeigt, dass sich beim Floaten von Gläsern,
die im Nachhinein keramisiert werden, insbesondere von Gläsern
welche mit Zinn geläutert worden sind, auf der der Metallschmelze
abgewandten Glasseite, d. h. auf der Seite, welche mit der Atmosphäre
in Kontakt steht, Lochdefekte ausbilden, welche offenbar durch Verdampfen
von Glasbestandteilen in die Umgebungsatmosphäre des Glasbandes
entstehen.
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Derartige
kraterförmige Löcher können ohne weiteres
einen Durchmesser und/oder eine Tiefe von wenigen μm erreichen
und sind üblicherweise kleiner 1 μm. Darüber
hinaus hatte sich gezeigt, dass auf der Oberfläche des
Glases häufig ein weißlicher Belag aus pulverförmigem
Zinnoxid abscheidet. Werden solche Gläser zu Glaserkeramiken
weiterverarbeitet, treten während der Keramisierung im
Material Eigenschaftsveränderungen auf, wodurch die Keramiken bei
ihrer Fertigstellung zerstört werden. Die Verwendung von
Arsen-geläutertem Glas ist für Floatprozesse nicht
geeignet, da bekannt ist, dass Arsen-geläuterte Gläser
unter den Bedingungen, wie sie beim Floaten herrschen, zu bräunlichen,
dunklen Verfärbungen neigen, welche als Blei- oder Arsenspiegel bekannt
sind. Derartige unerwünschte Verfärbungen unter
den reduzierenden Bedingungen bei der Flachglasherstellung durch
Floaten ist beispielsweise in der
US
4,015,966 beschrieben.
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Dieser
auf der Schmelze abgewandten Glasoberseite auftretende, Löcher
bildende Defekt ist von dem bekannten, klassischen Blumeneffekt (Fringling
oder Top-Service-Distortion) zu unterscheiden, der auf der Glasunterseite
entsteht. Dieser entsteht z. B. bei Kalknatrongläsern (Fensterglas)
an der Glasunterseite beim Abheben vom Floatbad durch Flammenschlag,
wodurch Zinntröpfchen am Glas hängen bleiben.
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Aus
diesem Grund wird beispielsweise in der
US-A-6,065,309 vorgeschlagen,
anstatt eines Zinnbades ein Bad aus geschmolzenen Edelmetallen wie Gold,
Silber und Kupfer bzw. deren Legierungen als Floatmittel zu verwenden.
Derartige Mengen von geschmolzenen Edelmetallen ist jedoch so kostspielig, dass
diese Technik für normale Anwendungen ökonomisch
nicht durchführbar ist.
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Die
Erfindung hat nun zum Ziel, ein Verfahren zur Herstellung von gefloateten
Glaskeramiken bereit zu stellen, bei dem die zuvor beschriebenen Probleme überwunden
werden.
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Dieses
Ziel wird durch die in den Ansprüchen definierten Maßnahmen
und Merkmale erreicht.
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Im
Rahmen der Erfindung haben umfangreiche Untersuchungen gezeigt,
dass sich die zuvor genannten Probleme dadurch vermeiden lassen,
wenn man den Wasserstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre
auf maximal 7 Vol.-% beschränkt und/oder die Sauerstoffaktivität,
beziehungsweise den Sauerstoff-Partialdruck im Glas selbst dadurch
gezielt verändert, dass man der Mischung entweder mindestens
ein Metall- bzw. ein Metalloxid zusetzt, dessen Reaktionsenthalpie
für die Oxidation ΔG(Me/MexOy) > –575,8
+ 0.21·T[K] beträgt, oder dass man mindestens
ein Metall- bzw. Metalloxid zusetzt, dessen Reaktionsenthalpie für
die Oxidation ΔG(Me/MexOy) < –575,8
+ 0.21·T[K] ist. Erfindungsgemäß wurde
gefunden, dass die kraterförmigen Löcher durch
Redox-Reaktionen von Zinn und Zinnoxid hervorgerufen werden.
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Der
Gehalt an Wasserstoff in der Atmosphäre über dem
Floatglas beträgt maximal 7 Vol.-%, wobei maximal 6 Vol.-%
bevorzugt sind. Besonders bevorzugt ist ein maximaler Wasserstoffgehalt
von 5 Vol.-%, wobei 3 Vol.-% noch mehr bevorzugt ist. Ganz besonders
bevorzugt ist eine Atmosphäre, welche maximal 1 Vol.-%
Wasserstoff enthält.
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Besonders
bevorzugt herrschen diese zuvor genannten niedrigen Anteile an Wasserstoff über
der Glasschmelze und insbesondere im Bereich der Spout Lip und im
Exitbereich des Floatbads. Dabei kann der Bereich der Spout Lip
bis zu maximal 1/3 des Floatbades sein, vorzugsweise bis zu 1/4,
wobei bis zu 1/5 des Floatbades besonders bevorzugt ist. Der Exitbereich
ist vorzugsweise der Bereich des letzten Bays, insbesonders mindestens
der Bereich der Hälfte des letzten Bays. Typische Bay-Längen betragen
ca. 3 m.
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Über
den Floatbädern herrscht vorzugsweise ein Überdruck
von max. 0,2 mbar (20 Pa), insbesonders max. 0,15 mbar (15 Pa),
wobei Überdrücke von max. 0,1 mbar (10 Pa) besonders
bevorzugt sind. Ganz besonders bevorzugt sind Überdrücke von
kleiner 0,07 mbar (< 7
Pa) und insbesonders kleiner 0,05 mbar (< 5 Pa).
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Atmosphäre,
die über dem Glas herrscht von derjenigen Atmosphäre
getrennt, die mit der freiliegenden, das heisst nicht mit Glas bedeckten
Oberfläche des geschmolzenen Zinns in Kontakt kommt. Letztere
enthält zweckmäßigerweise Wasserstoff und
zwar vorzugsweise in einer Menge von mindestens 10 Vol.-%. Eine
derartige Abtrennung ist ohne weiteres beispielsweise mittels trennenden
Bauteilen und/oder mittels entsprechenden Gasdüsen erreichbar,
welche die jeweiligen Oberflächen getrennt voneinander
anströmen.
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Die
erfindungsgemäße Einstellung der Sauerstoffaktivität
im Glas erfolgt durch Zusetzen von Metallen, bzw. Oxiden davon,
deren Bildungsenthalpie ΔG0 bei
den Floattemperaturen entweder unterhalb (erste Gruppe) oder oberhalb
(zweite Gruppe) derjenigen von Sn/SnO2 liegt.
Derartige Metalle/Metalloxidsysteme sind beispielsweise einem Richardson-Ellingham-Diagramm
zu entnehmen. Die erfindungsgemäße Einstellung
der Sauerstoffaktivität setzt natürlich voraus,
dass zuvor die Sauerstoffaktivität des Glases bzw. der
Schmelze bestimmt wurde. Dazu übliche Hilfsmittel und -verfahren
werden bei Baucke beschrieben (F. G. K. Baucke: Electrochemical
cells for an-line measuring of oxygen fugacities in glass-forming
melts. Glastechn. Ber. 61 (1988), 87). Dabei handelt es
sich selbstverständlich um polyvalente Metalle, also um
Metalle mit mindestens zwei verschiedenen, also zumindest zwei positiven
Oxidationsstufen bzw. kationischen Oxidationsstufen.
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Vorzugsweise
liegt die freie Bildungsenthalpie ΔG mindestens 10 kJ/mol,
vorzugsweise mindestens 20, insbesondere mindestens 30 kJ/mol oberhalb
oder unterhalb des zuvor genannten Systems. Besonders bevorzugt
weisen die zugesetzten Redox-Systeme eine Bildungsenthalpie auf,
welche bei den Floattemperaturen mindestens 50, insbesondere mindestens
70, und ganz besonders mindestens 100 kJ/mol oberhalb oder unterhalb
derjenigen von Sn/SnO2 liegt. Bevorzugt
zuzusetzende Metall/Metalloxide weisen demnach eine freie Bildungsenthalpie
von mindestens –575.8 + 0.21·T[K] auf, wobei T die
beim Floaten herrschende Temperatur in K ist. Bevorzugte Temperaturen
beim erfindungsgemäßen Floaten betragen 600–1250°C,
wobei der heiße Temperaturbereich des Floatbades größer
1000°C besonders bevorzugt ist. Weitere bevorzugte Mindestwerte
sind –560, insbesondere –555, wobei –550
+ 0.21·T[K] besonders bevorzugt sind. Weitere bevorzugte
Mindestwerte liegen bei 50, insbesondere 70 kJ/mol, und insbesondere
100 kJ/mol über den zuvor genannten Mindestwert.
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Bevorzugte
Metalle/Metalloxide dieser ersten Gruppe sind insbesondere Cu, Ni,
As, Bi, sowie gegebenenfalls Au, Ag und Pt, wobei Ni und As besonders
bevorzugt sind.
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Metall/Metalloxidsysteme
mit einer freien Bildungsenthalpie unterhalb dem zuvor genannten
Wert weisen ein ΔG0 von höchstens –580
+ 0.21·T[K] auf, wobei höchstens –585
und –590, insbesondere –600 + 0.21·T[K]
ganz besonders bevorzugt sind. Weitere besonders bevorzugte Werte
liegen bei 30, insbesondere 50, vorzugsweise 70 kJ/mol unterhalb
der zuvor genannten Höchstgrenze von 150.
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Bevorzugte
Metalle/Metalloxide der zweiten Gruppe sind insbesondere Fe, Zn,
Cr, Mn, Ti und V.
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Die
erfindungsgemäß zugesetzten Metalle bzw. Metalloxide
der ersten als auch der zweiten Gruppe liegen vorzugsweise in einer
Konzentration von 5 ppm–50.000 ppm vor. Bevorzugte Mindestmengen
betragen 10 bzw. 20 ppm, insbesondere 50 ppm. Bevorzugte Höchstmengen
betragen 30.000 ppm, insbesonders 20.000 ppm, wobei 15.000 ppm, insbesonders
10.000 ppm besonders bevorzugt sind. In vielen Fällen haben
sich sogar Höchstmengen von weniger als 100 ppm bzw. weniger
als 90 ppm und sogar weniger als 80 ppm bzw. weniger 75 ppm als ausreichend
erwiesen. Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß die
Zugabe von Elementen bzw. deren Oxide der ersten Gruppe, d. h. solche,
welche die Reduktion von SnO2 zu SnO vermeiden
bzw. entstandenes oder vorliegendes SnO zu SnO2 oxidieren. Zweckmäßigerweise
werden solche Metalle bzw. Metalloxide zugesetzt, die mit den übrigen
Glasbestandteilen kein Netzwerk bilden bzw. mit diesen nicht zum
Glasgrundgerüst polymerisieren. D. h. bevorzugte erfindungsgemäße
Additive sind sog. Netzwerkwandler oder auch Zwischenoxide mit erhöhtem Ionencharakter.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell mit
allen Glaszusammensetzungen möglich. Bevorzugt sind jedoch
Gläser, welche im Wesentlichen aus SiO2,
Al2O3, Erdalkalioxiden,
insbesondere CaO und/oder MgO, sowie gegebenenfalls B2O3 bestehen. Bevorzugte Gläser weisen
keine Alkalioxide auf.
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Typische
Floatmaterialien sind leicht verflüssigbare Metalle wie
Zinn und Zinnlegierungen mit einer spezifischen Dichte die größer
als diejenige des jeweiligen Glases ist.
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Erfindungsgemäß bevorzugte
Aluminosilikatgläser enthalten mindestens 55 Gew.-% SiO2, wobei
mindestens 60 Gew.-% und insbesondere mindestens 64 Gew.-% besonders
bevorzugt sind. Die Höchstgrenze an SiO2 beträgt
70 Gew.-%, insbesondere weniger als 68 Gew.-%, wobei höchstens
67 Gew.-% ganz besonders bevorzugt sind. B2O3 ist im erfindungsgemäßen
Glas in einer Menge von 0 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,05 Gew.%
enthalten, wobei Mindestgehalte von 0,1 Gew.-% besonders bevorzugt
sind. Die Höchstgehalte an B2O3 betragen im erfindungsgemäßen
Glas 2 Gew.-%, wobei 1,5 Gew.-% bevorzugt sind.
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Al2O3 ist im erfindungsgemäßen
Glas in einer Menge von mindestens 18 Gew.-%, insbesondere mindestens
19 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 20 Gew.-% enthalten, wobei
die Höchstmenge 25 Gew.-%, insbesondere 24,5 Gew.-% beträgt
und besonders bevorzugt 24 Gew.-% ist.
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Li2O ist im erfindungsgemäßen
Glas in einer Menge von 3 bis höchstens 5 Gew.-% enthalten,
wobei Mindestmengen von 3,25 Gew.-% und insbesonders 3,5 Gew.-%
bevorzugt sind. Die Höchstmenge an Li2O
beträgt maximal 5 Gew.-%, insbesonders maximal 4,8 Gew.-%,
wobei Höchstgrenzen von maximal 4,75 Gew.-% und insbesondere
4,6 Gew.-% besonders bevorzugt sind. Der Gehalt an Na2O
und K2O beträgt im erfindungsgemäßen
Glas 0 bis maximal 3 Gew.-%, wobei für Na2O
eine Höchstgrenze von maximal 1,5 Gew.-%, vorzugsweise
maximal 1 Gew.-% bevorzugt ist. Für K2O
beträgt die bevorzugte Höchstmenge 1,5 Gew.-%,
insbesondere 1 Gew.-%. Die Summe der Alkalioxide Na2O
und K2O beträgt im erfindungsgemäßen
Glas 0 Gew.-% und höchstens 3 Gew.-%, wobei Mindestmengen
von 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,5 Gew.-% und Höchstmengen
von 3 Gew.-%, insbesondere 2,75 Gew.-% und vorzugsweise höchstens
2,5 Gew.-% noch geeignet sind.
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Der
Gehalt an CaO und SrO beträgt im erfindungsgemäßen
Glas jeweils unabhängig voneinander 0 bis maximal 2 Gew.-%.
Eine bevorzugte Mindestmenge an SrO und CaO beträgt im
erfindungsgemäßen Glas jeweils unabhängig
voneinander 0,1 Gew.-%, wobei die bevorzugte Höchstmenge
an SrO und CaO jeweils unabhängig voneinander 2 Gew.-% und
vorzugsweise 1,5 Gew.-% beträgt. TiO2 und
ZrO2 sind im erfindungsgemäßen
Glas jeweils in Mengen von 0 bis maximal 3 Gew.-% und 1 bis maximal
2,5 Gew.-% enthalten. Wobei für TiO2 eine
Mindestmenge von 0,5 Gew.-%, vorzugsweise von 0,8 Gew.-% und eine
Höchstmenge von 2,75 Gew.-%, insbesondere 2,5 Gew.-% bevorzugt
ist. Für ZrO2 ist eine Mindestmenge von 1,5 Gew.-%, insbesondere
aber von 1,5 Gew.-% bevorzugt und eine Höchstmenge von 2,25
Gew.-%, insbesondere von 2 Gew.-%. SnO2 ist im
erfindungsgemäßen Glas in Mengen von 0,1 bis maximal
1 Gew.-% enthalten, wobei eine Mindestmenge von 0,15 Gew.-%, vorzugsweise
von 0,18 Gew.-% und eine Höchstmenge von 0,9 Gew.-%, insbesondere
0,8 Gew.-% bevorzugt ist. Die Summe der Oxide TiO2,
ZrO2 und SnO2 beträgt
im erfindungsgemäßen Glas 2,5 Gew.-% und höchstens
5 Gew.-%, wobei Mindestmengen von 3 Gew.-%, insbesondere 3,25 Gew.-%
und Höchstmengen von 4,9 Gew.-%, insbesondere 4,8 Gew.-%
bevorzugt sind.
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Das
erfindungsgemäße Glas enthält einen Gehalt
an MgO und/oder BaO, wobei zweckmäßigerweise der
Gehalt an MgO 0–2,2 Gew.-% und an BaO unabhängig
davon 0–2,5 Gew.-% beträgt. Bevorzugt ist eine
Mindestmenge von 0,05 Gew.-%, insbesondere eine Mindestmenge von
0,1 Gew.-%, und eine Höchstmenge von 2 Gew.-%. Des weiteren
enthält das erfindungsgemäße Glas einen
Gehalt an ZnO und/oder P2O5,
wobei zweckmäßigerweise der Gehalt an ZnO 0 bis < 1,5 Gew.-% und
an P2O5 unabhängig
davon 0–3 Gew.-% beträgt. Bevorzugt ist eine Mindestmenge
an ZnO von 0,05 Gew.-%, insbesondere eine Mindestmenge von 0,1 Gew.-%,
und eine Höchstmenge von 1 Gew.-%, insbesondere 0,75 Gew.-%.
An P2O5 ist eine
Mindestmenge von 0,5 Gew.-%, insbesondere eine Mindestmenge von
1 Gew.-%, und eine Höchstmenge von 2,5 Gew.-%, insbesondere
2 Gew.-% bevorzugt. Das erfindungsgemäße Glas
enthält Nd2O3 in
einem Gehalt von 0,01 bis 0,6 Gew.-%, wobei als Mindestmenge 0,05 Gew.-%
bevorzugt und 0,1 Gew.-% besonders bevorzugt sind. Als Höchstmenge
sind 0,55 Gew.-% bevorzugt und 0,5 Gew.-% besonders bevorzugt.
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Es
hat sich gezeigt, dass, obwohl das erfindungsgemäße
Glas sehr stabil gegen eine Solarisation bei UV-Bestrahlung ist,
es seine Solarisationsstabilität durch geringe Gehalte
von PdO, PtO3, PtO2, PtO,
RhO2, Rh2O3, IrO2 und/oder
Ir2O3 weiter erhöht werden
kann. Dabei haben sich Summengehalte der obigen Oxide in einer Menge
von maximal 0,1 Gew.-%, vorzugswei se maximal 0,01 Gew.-%, insbesondere
maximal 0,001 Gew.-% als besonders geeignet erwiesen. Der Minimalgehalt
beträgt für diese Zwecke üblicherweise
0,01 ppm, wobei mindestens 0,05 ppm und insbesondere mindestens
0,1 ppm bevorzugt ist.
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Obwohl
das erfindungsgemäße Glas zur Erhöhung
der chemischen Beständigkeit und Verarbeitbarkeit geringe
Mengen an, PbO sowie Sb2O3 enthalten
kann, so sind diese jedoch vorzugsweise frei davon. Sofern Eisen
enthalten ist, wird dieses durch die oxidierenden Bedingungen während
der Schmelze in seine Oxidationsstufe 3+ überführt
und verursacht somit keine Verfärbungen im sichtbaren Wellenlängenbereich
mehr.
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Das
erfindungsgemäße Glas ist auf übliche Weise
läuterbar, wobei jedoch eine Läuterung mit Fluor,
Chlor, Arsen, Antimon und/oder Zinn bevorzugt ist. Besonders bevorzugt
ist eine kombinierte Läuterung mit mindestens zwei der
zuvor genannten Läutermittel, gegebenenfalls auch zusammen
mit weiteren Läutermitteln. Bei Fluor ist ein Gehalt von
0 ppm bis 100.000 ppm (1 Gew.-%) bevorzugt. Bei Chlor ist ein Gehalt
von 5 ppm bis 500.000 ppm (5 Gew.-%) bevorzugt. Bei den anderen
genannten ist ein Gehalt der Läutermittel gleich der des
SnO2 bevorzugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2911759 [0002]
- - DE 10209742 A1 [0003]
- - US 4081262 A [0004]
- - US 3356476 A [0004]
- - US 4015966 [0006]
- - US 6065309 A [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - F. G. K. Baucke:
Electrochemical cells for an-line measuring of oxygen fugacities
in glass-forming melts. Glastechn. Ber. 61 (1988), 87 [0016]