DE102007009785B4 - Process for the production of coated glass with increased strength, and according to the method produced glass product - Google Patents
Process for the production of coated glass with increased strength, and according to the method produced glass product Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Natrium-haltigen Glases, bei welchem das Glas mit einer Sol-Gel-Beschichtung in Form einer mehrlagigen Interferenzschicht versehen und das Glas mit der Sol-Gel-Beschichtung zur Aushärtung der Beschichtung bei einer Temperatur von mehr als 200°C getempert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das so beschichtete Glas nach dem Tempern der Sol-Gel-Beschichtung chemisch vorgespannt wird, indem das beschichtete Glas in einem Kalium-haltigen Medium gelagert wird, so daß Natrium-Ionen des Glases an der Oberfläche und in oberflächennahen Bereichen zumindest teilweise durch Kalium-Ionen ausgetauscht werden, wobei der Ionenaustausch durch die getemperte mehrlagige Sol-Gel-Beschichtung hindurch erfolgt.A process for producing a coated sodium-containing glass, in which the glass is provided with a sol-gel coating in the form of a multilayer interference layer and the glass with the sol-gel coating for curing the coating at a temperature of more than 200 ° C. is tempered, characterized in that the thus coated glass is chemically biased after annealing the sol-gel coating by the coated glass is stored in a potassium-containing medium, so that sodium ions of the glass at the surface and in the near-surface Regions are at least partially replaced by potassium ions, wherein the ion exchange through the annealed multilayer sol-gel coating is carried out.
Description
Die Erfindung betrifft allgemein optisch beschichtete Gläser, insbesondere Sol-Gel-beschichtete Gläser. Das Beschichten von Glasscheiben durch Sol-Gel-Verfahren ist dem Fachmann bekannt. Bei dieser Beschichtung wird ein Sol auf ein zu beschichtendes Glassubstrat aufgetragen. Aus diesem Sol, beziehungsweise dem sich bildenden Gel wird dann durch Temperung eine Oxidschicht erzeugt. Beispielsweise können SiO2-Schichten mittels eines Sols hergestellt werden, welches TEOS (Tetraethoxysilan) als Precursor enthält. Für hochbrechende Schichten können Titanoxidschichten mittels der Sol-Gel-Methode hergestellt werden. Ein gebräuchlicher Precursor für solche Schichten ist Titan-Tetraisopropoxid. Anwendung finden solche Beschichtungen unter anderem als Interferenzschichten, beispielsweise zur Entspiegelung von Gläsern.The invention relates generally to optically coated glasses, in particular sol-gel coated glasses. The coating of glass sheets by sol-gel methods is known to the person skilled in the art. In this coating, a sol is applied to a glass substrate to be coated. From this sol, or the forming gel is then produced by annealing an oxide layer. For example, SiO 2 layers can be produced by means of a sol which contains TEOS (tetraethoxysilane) as precursor. For high-index layers, titanium oxide layers can be produced by the sol-gel method. A common precursor for such layers is titanium tetraisopropoxide. Such coatings are used inter alia as interference layers, for example for the antireflection of glasses.
Es wäre hierbei wünschenswert, derartig beschichteten Gläsern weitere vorteilhafte Eigenschaften zu verleihen. Eine wichtige Eigenschaft ist dabei die Festigkeit des Glases. Um die Festigkeit zu erhöhen, ist allgemein das chemische und thermische Vorspannen von Gläsern bekannt. Die thermische Vorspannung, beziehungsweise die thermische Härtung basiert darauf, daß das zu härtende Glas abgeschreckt wird. Dabei kühlt zunächst die Oberfläche des Glases ab, während sich im Inneren noch flüssiges oder weiches Glas befindet. Die Temperaturdifferenz zur Umgebung ist dann innen größer als außen. Das Innere des Glases würde sich im folgenden mehr zusammenziehen, was allerdings durch die bereits feste Oberfläche verhindert wird. Dadurch kommt es im Inneren zu einer Zugspannung, während sich an der Oberfläche eine Druckspannung ausbildet. Das chemische Härten basiert darauf, daß ein im Glas vorhandenes kleineres Ion an der Oberfläche durch ein größeres ausgetauscht wird. Durch den höheren Platzbedarf dieser Ionen entsteht an der Oberfläche eine Druckspannung.It would be desirable to give such coated glasses further advantageous properties. An important feature is the strength of the glass. In order to increase strength, the chemical and thermal tempering of glasses is generally known. The thermal bias, or thermal curing is based on that the glass to be hardened is quenched. In the process, the surface of the glass first cools, while liquid or soft glass is still inside. The temperature difference to the environment is then greater inside than outside. The interior of the glass would contract more in the following, but this is prevented by the already solid surface. This results in a tensile stress on the inside, while a compressive stress forms on the surface. Chemical curing is based on replacing a smaller ion present in the glass with a larger one on the surface. Due to the increased space requirement of these ions, a compressive stress is generated on the surface.
Thermisches Vorspannen ist zwar eine vergleichsweise preisgünstige Methode zur Erhöhung der Festigkeit, allerdings auch gegenüber dem chemischen Vorspannen mit einigen Nachteilen behaftet. So können dünne Gläser nicht oder allenfalls nur unzureichend thermisch vorgespannt werden, da beim Abkühlen des Glases kein hinreichender Temperaturgradient im Glas erreichbar ist. Weiterhin können thermisch vorgespannte Gläser nicht mehr geschnitten werden. Bei chemisch vorgespannten Gläsern kommt es andererseits bei einer nachfolgenden Erwärmung des Glases zu einer Relaxation der aufgebauten Spannungen. So werden für die Temperung von Sol-Gel-Schichten Temperaturen über 200°C eingesetzt.Although thermal tempering is a comparatively inexpensive method for increasing the strength, it also has some disadvantages compared to chemical tempering. Thus, thin glasses can not or at best only inadequately thermally prestressed, since when cooling the glass, a sufficient temperature gradient can not be achieved in the glass. Furthermore, thermally tempered glasses can not be cut. In the case of chemically tempered glasses, on the other hand, subsequent heating of the glass results in relaxation of the built-up stresses. Thus, temperatures of over 200 ° C are used for the tempering of sol-gel layers.
Das Dokument
Der Erfindung liegt angesichts der oben genannten Probleme daher die Aufgabe zugrunde, optisch beschichtete Gläser mit erhöhter Festigkeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The invention is therefore based on the object, in view of the above-mentioned problems, to provide optically coated glasses with increased strength. This object is already achieved in a surprisingly simple manner by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtig beschichteten Natrium-haltigen Glases vor, bei welchem das Glas mit einer Sol-Gel-Beschichtung versehen und das Glas mit der Sol-Gel-Beschichtung zur Aushärtung der Beschichtung bei einer Temperatur von mehr als 200°C getempert wird. Dabei wird das so beschichtete Glas nach dem Tempern der Sol-Gel-Beschichtung chemisch vorgespannt, indem das beschichtete Glas in einem Kalium-haltigen Medium gelagert wird, so daß Natrium-Ionen des Glases an der Oberfläche und in oberflächennahen Bereichen zumindest teilweise durch Kalium-Ionen ausgetauscht werden. Als Medium ist insbesondere eine Kalium-haltige Schmelze, wie etwa eine entsprechende Salzschmelze geeignet. Auch andere Medien, wie etwa Kalium-haltige Lösungen kommen in Betracht. Bei der bevorzugten Vorspannung in einer Salzschmelze werden im allgemeinen hohe Temperaturen über 350°C eingesetzt. Bei diesen Temperaturen steigt die Ionenbeweglichkeit entsprechend, so daß sich der Ionenaustausch beschleunigt.Accordingly, the invention provides a process for producing a multilayer coated sodium-containing glass in which the glass is provided with a sol-gel coating and the glass with the sol-gel coating for curing the coating at a temperature of more than 200 ° C is annealed. The glass thus coated is chemically tempered after annealing of the sol-gel coating by storing the coated glass in a potassium-containing medium, so that sodium ions of the glass at the surface and in near-surface regions are at least partially covered by potassium. Ions are exchanged. As a medium in particular a potassium-containing melt, such as a corresponding molten salt is suitable. Other media, such as potassium-containing solutions come into consideration. The preferred bias in a molten salt generally uses high temperatures above 350 ° C. At these temperatures, the ion mobility increases accordingly, so that the ion exchange accelerates.
Der Ionenaustausch erfolgt dementsprechend erfindungsgemäß durch die getemperte Sol-Gel-Beschichtung hindurch. Das mit diesem Verfahren herstellbare beschichtetes Natrium-haltige Glas ist dementsprechend mit einer Sol-Gel-Beschichtung versehen und chemisch vorgespannt, wobei die chemische Vorspannung nach dem Beschichten mit der Sol-Gel-Beschichtung in einem Kalium-haltigen Medium durchgeführt ist, so daß Natrium-Ionen des Glases in oberflächennahen Bereichen zumindest teilweise durch Kalium-Ionen ausgetauscht sind, wobei der Ionenaustausch durch die getemperte Sol-Gel-Beschichtung hindurch erfolgt ist, wobei die Sol-Gel-Schicht aufgrund des chemischen Vorspannens Kalium aus dem für die Vorspannung verwendeten Medium enthält. Die Kalium-Ionen in der Sol-Gel-Beschichtung sind ein Charakteristikum für dieses Herstellungsverfahren.Accordingly, the ion exchange takes place according to the invention through the tempered sol-gel coating. Accordingly, the coated sodium-containing glass obtainable by this process is provided with a sol-gel coating and is chemically tempered, the chemical bias being carried out after coating with the sol-gel coating in a potassium-containing medium such that sodium Ions of the glass in near-surface regions are at least partially replaced by potassium ions, wherein the ion exchange has taken place through the tempered sol-gel coating, wherein the sol-gel layer due to the chemical bias Contains potassium from the medium used for the bias. The potassium ions in the sol-gel coating are a characteristic of this manufacturing process.
Es ist dabei ein unerwarteter Effekt, daß ein chemisches Vorspannen des Glases überhaupt noch durch die ausgehärtete Sol-Gel-Beschichtung hindurch möglich ist. Es hat sich dabei weiterhin gezeigt, daß die chemische Vorspannung sowohl durch eine auf dem Glas hergestellte Siliziumoxid-haltige Sol-Gel-Beschichtung, als auch durch eine Titanoxid-haltige Sol-Gel-Beschichtung hindurch erfolgen kann. Dies gilt allgemein für viele metalloxidhaltige Beschichtungen, wie sie mit dem Sol-Gel-Verfahren herstestellt werden können, dabei insbesondere auch für solche Metalloxide, wie sie für optische, im Speziellen auch interferenzoptischen Beschichtungen eingesetzt werden.It is an unexpected effect that a chemical biasing of the glass is still possible through the cured sol-gel coating. It has further been found that the chemical bias can be done both by a silicon oxide-containing sol-gel coating produced on the glass, as well as by a titanium oxide-containing sol-gel coating. This applies in general to many metal oxide-containing coatings, such as those which can be prepared by the sol-gel process, and in particular also to those metal oxides which are used for optical, in particular also interference-optical coatings.
Allgemein kann die Beschichtungszusammensetzung zur Herstellung der Sol-Gel-Beschichtung hydrolysierbare Verbindungen oder Salze zumindest eines der Elemente der Hauptgruppen III bis V, zum Beispiel Al, In und/oder der Nebengruppen II bis V, zum Beispiel Sn, Zn, Zr, Nb, Ta, V und/oder hydrolysierbare Verbindungen der Lanthaniden, wie etwa Ce enthalten. Auch andere hydrolisierbare Verbindungen können eingesetzt werden, wie solche von Elementen der Hauptgruppen I und II des Periodensystems, z. B. Na, Ca, Mg und der Nebengruppen VI bis VIII des Periodensystems, wie beispielsweise Mn, Cr, Ni. Die fertig getemperte und ausgehärtete Sol-Gel-Beschichtung enthält dann entsprechend Oxide der vorgenannten Elemente. Als besonders wichtig für optische, insbesondere interferenzoptische Beschichtungen sind dabei Oxide der Metalle Ti, Si, Nb, Ta, Al, Zr zu nennen.In general, the coating composition for producing the sol-gel coating may contain hydrolyzable compounds or salts of at least one of the elements of main groups III to V, for example Al, In and / or subgroups II to V, for example Sn, Zn, Zr, Nb, Ta, V and / or hydrolyzable compounds of the lanthanides, such as Ce included. Other hydrolyzable compounds can be used, such as those of elements of main groups I and II of the Periodic Table, z. B. Na, Ca, Mg and subgroups VI to VIII of the periodic table, such as Mn, Cr, Ni. The finished tempered and cured sol-gel coating then contains corresponding oxides of the aforementioned elements. Particularly important for optical, in particular interference-optical coatings are oxides of the metals Ti, Si, Nb, Ta, Al, Zr.
Es kann eine mehrlagige Sol-Gel-Beschichtung, insbesondere mit den oben genannten Metalloxiden hergestellt und nach der Temperung die chemische Vorspannung durchgeführt werden. Insbesondere können dabei die einzelnen Lagen der mehrlagigen Beschichtung unterschiedliche Zusammensetzungen mit Oxiden der oben genannten Elemente aufweisen. Die vorgenannten Elemente können insbesondere auch zur Erzeugung gewünschter Schichteigenschaften, wie etwa einem bestimmten Brechungsindex gemischt werden, so daß entsprechende Mischoxid-Schichten erhalten werden.It can be a multilayer sol-gel coating, in particular made with the above-mentioned metal oxides and after annealing the chemical bias can be performed. In particular, the individual layers of the multilayer coating may have different compositions with oxides of the abovementioned elements. In particular, the aforementioned elements can also be mixed to produce desired layer properties, such as a specific refractive index, so that corresponding mixed oxide layers are obtained.
Solche mehrlagigen Beschichtungen können als Interferenzschichten ausgebildet werden. Beispielsweise können mittels der Erfindung auf diese Weise Glasscheiben mit Entspiegelungsschichten versehen und dann chemisch gehärtet werden.Such multilayer coatings can be formed as interference layers. For example, by means of the invention, glass panes can be provided with antireflection coatings in this manner and then be chemically hardened.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Ionenaustausch für die chemische Härtung in einem Kaliumnitrat-haltigen Medium, insbesondere einer Kaliumnitrat-haltigen Schmelze. Vorzugsweise wird das Glas dazu mehrere Stunden im Kalium-haltigen Medium gelagert. Unabhängig von der Art des Kalium-haltigen Mediums sollte das Glas länger als 30 Minuten, vorzugsweise zumindest 2 Stunden, besonders bevorzugt zumindest 3 Stunden im Medium gelagert werden, um einen guten Vorspann-Effekt zu erreichen. Je nach Fall können auch noch deutlich längere Vorspannzeiten, etwa bis zu 16 Stunden gewählt werden. Typische Vorspannzeiten liegen oft im Bereich von 4 bis 16 Stunden. Diese Vorspann-Prozeduren können in gleichem Maße auch für die erfindungsgemäß beschichteten Gläser eingesetzt werden.In a preferred embodiment of the invention, the ion exchange is carried out for the chemical curing in a potassium nitrate-containing medium, in particular a potassium nitrate-containing melt. Preferably, the glass is stored for several hours in the potassium-containing medium. Regardless of the nature of the potassium-containing medium, the glass should be stored in the medium for more than 30 minutes, preferably at least 2 hours, more preferably at least 3 hours to achieve a good tempering effect. Depending on the case, even much longer preload times, for example up to 16 hours, can be selected. Typical bias times are often in the range of 4 to 16 hours. These biasing procedures can be used to the same extent for the glasses coated according to the invention.
Um die Sol-Gel-Beschichtung aufzutragen, wird weiterhin bevorzugt Tauchbeschichtung eingesetzt. Bei der Tauchbeschichtung wird die zu beschichtende Glasscheibe in das Sol getaucht und dann langsam herausgezogen. Bei diesem Verfahren kann die gewünschte Schichtdicke, beispielsweise eine interferenzoptisch wirkende λ/4-Schicht sehr genau durch Einstellung der Ziehgeschwindigkeit eingestellt werden. Es kommen aber auch andere Auftragverfahren in Betracht. Hier ist insbesondere noch die Sprühbeschichtung zu nennen. Auch mit diesem Beschichtungsverfahren ist eine noch ziemlich genaue Einstellung der aufgetragenen Menge von Beschichtungsmaterial möglich, wobei dieses Verfahren gleichzeitig einen deutlich schnelleren Auftrag ermöglicht.In order to apply the sol-gel coating, it is further preferred to use dip coating. In dip coating, the glass sheet to be coated is dipped in the sol and then slowly pulled out. In this method, the desired layer thickness, for example, an interference-optical acting λ / 4 layer can be set very accurately by adjusting the pulling speed. But there are also other application methods into consideration. In particular, the spray coating should be mentioned here. Even with this coating method, a fairly accurate adjustment of the applied amount of coating material is possible, this method at the same time allows a much faster order.
Die Erfindung ist besonders geeignet, um Kalk-Natron-Gläser zu beschichten. Der hohe Natrium-Anteil solcher Gläser prädestiniert diese für das chemische Vorspannen. Zudem haften die Sol-Gel-Schichten sehr gut auf einem solchen Glas.The invention is particularly suitable for coating lime-soda glasses. The high sodium content of such glasses predestines them for chemical toughening. In addition, the sol-gel layers adhere very well to such a glass.
Mit der Erfindung läßt sich eine Steigerung der Bruchfestigkeit um zumindest einen Faktor 2,5 gegenüber einem gleichartigen, nicht erfindungsgemäß vorgespannten Glas erreichen.With the invention, an increase in the breaking strength by at least a factor of 2.5 compared to a similar, not inventively tempered glass can be achieved.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the accompanying drawings. Show it:
Ein Sol-Gel-Verfahren, wie es dabei erfindungsgemäß zum Einsatz kommt, ist ein nasschemisches Beschichtungsverfahren, mit dem anorganische Oxidschichten herstellbar sind. Die Herstellung der Beschichtung geht jeweils von einem flüssigen Sol aus, welches durch eine Sol-Gel-Transformation in einen festen Gel-Zustand überführt wird. Das Sol stellt dabei eine Dispersion von Partikeln dar, die typischerweise Größen im Bereich deutlich unter 1 Mikrometer aufweisen. Vielfach werden metallorganische Verbindungen als Precursor-Substanzen für die Beschichtung eingesetzt, wobei hier der Begriff ”Metall” auch Halbleiter, wie insbesondere Silizium mit einschließt. Bei der Transformation des Sols in ein Gel kommt es zu einer Vernetzung der dispergierten Partikel im Lösungsmittel. Ist das Sol aufgetragen und in ein Gel überführt, wird die so erhaltene Beschichtung noch – vorzugsweise unter Luft oder in einer anderen oxidierenden Umgebung getempert, so daß organische Rest-Bestandteile der Beschichtung pyrolisieren und eine verdichtete anorganische Oxidschicht erhalten wird. Die Umsetzung des metallorganischen Precursors erfolgt typischerweise durch Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen.A sol-gel process, as used according to the invention, is a wet-chemical coating process, with which inorganic oxide layers can be produced. The preparation of the coating starts in each case from a liquid sol, which is converted by a sol-gel transformation into a solid gel state. The sol represents a dispersion of particles, which typically have sizes in the range well below 1 micrometer. In many cases, organometallic compounds are used as precursor substances for the coating, in which case the term "metal" also includes semiconductors, in particular silicon. In the transformation of the sol into a gel, crosslinking of the dispersed particles in the solvent occurs. If the sol is applied and converted into a gel, the coating thus obtained is still - preferably tempered under air or in another oxidizing environment, so that organic residual constituents of the coating pyrolyze and a densified inorganic oxide layer is obtained. The reaction of the organometallic precursor is typically carried out by hydrolysis and condensation reactions.
Die Ausgangsverbindung (der Precursor) zur Herstellung einer Beschichtungslösung enthält ein Metall oder Übergangsmetall, beispielsweise auch Silizium Die am häufigsten benutzten Precursor-Verbindungen sind Metallalkoxide und Salze. Zur Solherstellung werden eine oder mehrere Ausgangsverbindungen, gegebenenfalls unter saurer oder basischer Katalyse in wässrigen oder organischen Lösungsmitteln hydrolysiert und gegebenenfalls zumindest teilweise kondensiert. Die Beschichtungszusammensetzungen können allgemein, ohne Beschränkung auf das Ausführungsbeispiel der
Anschließend an die Sol-Gel-Beschichtung mit Aushärtung wird die beschichtete Glasscheibe
Dazu wird die Glasscheibe
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