專利名稱：耐火玻璃的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及耐火玻璃。
在建筑物尤其是辦公室和住房的設計和規(guī)劃中，很重要的是應考慮如何防止火勢的蔓延。目前用于建筑物的耐火玻璃產品主要有三種類型。第一種是其內部填有金屬絲網(wǎng)或其他耐火物質的玻璃。填入的方法或是先置入玻璃熔體而后冷凝成的，或是層壓進去的。這樣當然降低了玻璃的透光性。雖然這種類型的玻璃受到高熱和火焰易破裂，但其中的耐火物質(例如，金屬絲網(wǎng))卻將玻璃部件保持原形并固定在原位，能防止火勢蔓延，這一種類型玻璃產品的缺點在于，它不能阻止熱量輻射到火場之外玻璃另一側區(qū)域。第二種是一種透明玻璃。在英國標準(British standard BS476，Parts 20，22)和其他標準規(guī)定的測試中，這種玻璃在受到高達900℃的高溫時，能至少半小時保持不破碎，因此能阻止火勢蔓延，但是這種玻璃同樣不能阻止熱量輻射到火場之外玻璃另一側的區(qū)域。第三種玻璃在受到高溫(按BS476規(guī)定)時，也至少半小時不破碎，同時還能阻止強熱輻射到火場之外玻璃另一側的區(qū)域。這種產品是被制成玻璃和其他材料的一系列夾層結構，兩者作用的結合防止了熱的傳遞。
這第三種類型的玻璃(夾層產品)通常價格昂貴，而且比較沉重，而第一種類型的玻璃便宜得多，但不美觀。第二種類型的玻璃具有良好的耐火性，價格卻不一定很貴，同時也美觀。
屬于第二種類型耐火玻璃的現(xiàn)在有兩種。其中第一種是硼硅酸平板玻璃。硼硅酸鹽玻璃其本性是比較耐火的，但雖經(jīng)淬火仍不能令人滿意地鋼化，因此達不到“安全玻璃”的某些要求(例如英國標準6206A所規(guī)定的)。另外，硼硅酸鹽玻璃比普通的硅酸鹽玻璃(sil-ica glass)貴。第二種是基于陶瓷的透明產品，該產品具有出色的耐火性能，但是光學性能很差，不適宜作為普通窗戶或面板用玻璃的簡單地替換物。
如能提供一種以普通硅酸鹽制成的屬于上述第二種類型的(即透明性很好的)耐火玻璃的話，將是很有利的，因為它相對便宜而且有出色的光學特性。但是，硅酸鹽基的玻璃(Silica based glass)其本身是耐火性差的，它處于高溫時會破碎。而且它通過鋼化淬火仍不能顯著地改善其耐火特性，即在高溫依然會破碎。
現(xiàn)在我們已發(fā)現(xiàn)能夠從硅酸鹽基玻璃制成上述的第二種類型的耐火產品。這樣，我們就發(fā)明了一種用于建筑物的玻璃，尤其是適用于那些必須阻止火勢迅速蔓延以及同時給予標準“涂層”玻璃外觀的場合。特別是我們已經(jīng)找到一種較簡單，而且經(jīng)濟地制造耐火玻璃的方法。
根據(jù)本發(fā)明，可提供一種耐火平板玻璃，它經(jīng)過鋼化淬火，并且至少在其一個主表面上覆有某種化合物的薄涂層，該涂層在高達900℃的高溫下仍然穩(wěn)定并附著于玻璃表面，因此這種有涂層的玻璃在高達900℃的溫度下不會破碎。在淬火之前，玻璃平板的邊緣經(jīng)過研磨以去除缺陷。
本發(fā)明還提供了一種制造耐火平板玻璃的方法，它包括在平板玻璃的一個或兩個主表面上覆以某種化合物的薄涂層，該涂層在高達900℃時仍然穩(wěn)定并且附著于玻璃表面。在覆以涂層之前或之后，玻璃邊緣經(jīng)過研磨，并且玻璃經(jīng)過鋼化淬火。得到的這種有涂層的平板玻璃在溫度高達900℃下不會破碎。
本發(fā)明進一步還提供了一種用于建筑物的耐火結構單元，該單元是使用耐火的安裝玻璃材料，將本發(fā)明的平板玻璃裝置于耐火的鋼制或木制框架中，其中的平板玻璃則為建筑物提供清晰而不受影響的透視。
在現(xiàn)有技術中有幾種不同的方法在平板玻璃上形成涂層。除了眾所周知的濾光玻璃等所用的方法外，在玻璃表面上形成含金屬的涂層也為人們所知。GB-A-1524650描述了用于窯爐門窗裝置的其兩面均覆有導電性和熱反射性的氧化錫薄膜的鋼化玻璃。這種雙面涂層的玻璃平板能夠反射紅外線。然而這種類型的玻璃不透于耐火之用，因為遇到900℃的高溫時它會破碎。須知熱反射性不等同于耐火性。一塊玻璃可因其表面上的金屬基熱反射層而具有很好的熱反射性，但其耐火性很差。GB-A-1565765描述了一種在玻璃上制備氧化錫膜的方法。該方法是高溫分解一種有機錫化合物，將分解的粉末懸浮于氣態(tài)氟化合物載氣中。如同在GB-A-1524650中一樣，這種得到的涂層通過反射紅外線而給予玻璃某些抗熱的保護，但是，因為這種涂層玻璃在很高溫度下會破碎從而使火勢蔓延，因此它不適宜作為耐火玻璃應用于建筑物。
JP-A-57205343描述了玻璃的一種表面處理，以便提高其光學特性，用于太陽能電池，液晶，激光等場合。其方法是先將玻璃表面用以油為介質的磨料進行拋光，然后進行熱處理，再浸沒于熔融KNO3中以實現(xiàn)離子交換。接著覆以氧化銦薄膜。這種涂層玻璃的制法十分昂貴，而且不適于建筑物的耐火用途。
建筑物用的平板玻璃要能夠耐火，所需要的是當它遇到鄰近火焰的強熱時，仍能保持完整而不裂成碎片，從而阻止火勢的穿過性蔓延。我們發(fā)現(xiàn)，對于硅酸鹽基的平板玻璃，通過三個特征某種新穎性的結合，能夠使其具有出色的耐火性。如果這種結合少了一個特征，就不可能有很好的耐火性。
根據(jù)本發(fā)明的玻璃平板能提供清晰而不受影響的透視，因為涂層很薄而且其光反射很小。這樣，我們就能做到使玻璃平板既耐火，而且在透視清晰度上沒有什么損失，其方法是用一比較簡單的過程在玻璃平板的一面或兩面上形成上述的透明薄涂層，只要符合兩個非常重要的進一步要求，即玻璃的邊緣須經(jīng)研磨，并且該平板玻璃須經(jīng)鋼化淬火。
至于采用何種種類的玻璃，這并不重要，但是我們傾向于使用那種用已獲得著名專利的浮法(float line process)生產的并且已常用于家用和商業(yè)用途的普通玻璃(即硅酸鹽基的玻璃)。玻璃平板的厚度也并不重要。我們通常使用6mm厚的平板，但是其他厚度也可使用，玻璃用標準技術切割，并且用標準方法(最好根據(jù)BS-6206A)淬火(鋼化)。此鋼化淬火過程，就是將玻璃在爐子中以足夠的時間加熱至615-640℃，然后迅速冷卻。淬火(鋼化)過程本身已為人們所熟知，不需在此作進一步描述。淬火使玻璃產品中形成一種應力分布，并得到符合BS6206A的破碎圖案。這個BS6206A是對于建筑物用平板安全玻璃和安全塑料的碰撞性能所作的規(guī)定。關于其進一步的細節(jié)可參閱該英國標準6206A。
玻璃邊緣經(jīng)過研磨以保證沒有諸如“毛刺”、“缺口”或“殼層”(“Chips”or“Shells”)之類的缺陷存在。我們發(fā)現(xiàn)這是一個十分重要的步驟，若其邊緣不經(jīng)研磨，當玻璃處于高溫時就會破碎。因此，將平板玻璃邊緣的缺陷去除非常重要，而且還一步驟是在淬火步驟之前進行。
一般來說，當玻璃要通過淬火而鋼化時，人們知道須事先對邊緣進行粗磨以僅僅去除其相對較大的缺陷。這叫做“邊緣加工”(edgearrising)。其研磨的程度低而且遠沒有達到本發(fā)明的要求。最好的話，在研磨之后，經(jīng)研磨的邊緣再經(jīng)過拋光。按照慣例，玻璃邊緣的拋光僅僅用于達到裝飾效果，或者有時是為了使暴露于最終產品的邊緣盡可能安全。例如在本發(fā)明中，研磨可用鑲裝金剛石的磨輪，而拋光可用纖維磨輪。因為去除所有邊緣缺陷非常重要，所以在研磨拋光處理之后，必須檢查邊緣以保證符合本發(fā)明的嚴格要求。
本發(fā)明的涂層可以用任何一種方便的方式形成。但是我們愿意使用等離子體沉積法，例如濺射、等離子體增強化學蒸汽沉積、化學蒸汽沉積、蒸發(fā)或離子束等離子體沉積。其中，濺射法通常是最方便的。這些方法已為人們所熟知，這里不作進一步描述。
涂層是直接形成于玻璃表面上。涂層物質的類別千差萬別。我們認為在平常使用時以及能在防火條件下遇到的高溫(例如為900℃)時，仍然穩(wěn)定且在此高溫能牢固附著于玻璃表面的任何涂層物質都可使用。最佳的涂層物質有硅或某種金屬的氧化物、氮化物、氧氮化物和氟化物，或者金屬硅化物(包括可用兩種或多種這些物質的混合物)。涂層物質的具體選擇取決于諸如價格和所采用的施涂技術等因素。我們是使用氧化錫，用濺射法施涂。但是也可用其它種種涂層物質，包括鋁、鎳、鉻、鈦、銅的氧化物或其他化合物，以及諸如鎳-鉻合金之類的合金和不銹鋼。
涂層的厚度最好控制在能達到所期望的耐火性的最小值。這樣既經(jīng)濟，同時因為涂層越薄，對玻璃透明性的干擾也越小，這兩者都是有好處的。通常，涂層厚度在10埃(10-10米)至1微米之間的范圍，而且常常接近此范圍的下降。由于涂層而造成的可見光透射的減少通常小于10%。對氧化錫，其最小厚度最好約10埃。非常薄的金屬氧化物涂層厚度的測量當然難以避免有誤差，因此我們傾向于只給出數(shù)量級而不是其精確的數(shù)字。在任一具體情況下的最佳厚度可通過通常的嘗試和實驗而確定。我們認為，達到所期望的耐火性所需的最小厚度，對于所有可使用的涂層都是很相近的。
在本發(fā)明方法中，涂層可以在淬火步驟之前或之后施涂于玻璃。但是，邊緣處理必須在淬火之前完成。因此，例如可以先進行玻璃平板邊緣處理，然后淬火，最后施涂涂層;或者對已涂層的玻璃進行邊緣處理，然后淬火。
本發(fā)明的玻璃平板可僅在其一面涂層(如果該面是暴露于火焰的話)以獲得其耐火性。但是，通常更為方便的是在玻璃平板的兩面都施涂以涂層，從而在其最終使用時不存在安裝方向上的限制。
本發(fā)明的玻璃平板主要用于建筑物結構以提供必要的耐火性。它們能用于外部或內部的窗戶，例如內部的墻和屏障，或者用于其他配有玻璃的裝置。通常，它們安裝在金屬制或木制的防火框架中，安裝時使用合適的耐火的玻璃裝配材料，例如條帶等，使得整個裝置具有所期望的耐火性。
為了更充分理解本發(fā)明，給出以下的實施例僅作為例示說明。對這些實施例可參閱相應的附圖，其中

圖1是測試玻璃產品耐火性過程中爐溫與時間的關系圖;
圖2是本發(fā)明耐火玻璃平板的一個具體實施例的剖面圖;
圖3是某一建筑單元采用本發(fā)明的耐火玻璃平板實例的平面視圖，這里僅作為一個具體例子。
實施例16mm厚約1m2的玻璃平板，經(jīng)過邊緣研磨和拋光以去除所有的邊緣缺陷。然后將該平板在常規(guī)的淬火爐中加熱然后急劇冷卻，使其破碎圖案能與BS6206A相符。接著，此鋼化平板在真空DC磁控濺射設備中兩而覆以氧化錫薄涂層。先在其一面涂層，然后再次通過設備在另一面上涂層。得到的涂層厚度大約10埃。
這種涂層玻璃具有BS476所要求的抗至少900℃高溫而涂層不燒壞的性能。(英國標準476是敘述建筑材料和建筑結構的防火試驗，其第20部分和第22部分則敘述非載重建筑結構單元耐火性的測試。欲知其細節(jié)，可參見Britrish Standards Institution的有關出版物。)附圖1表示玻璃測試過程中的爐溫(玻璃溫度實際上與之相同)。經(jīng)此試驗涂層仍保持完好。
附圖2以剖面(但不按比例)形式顯示本實施例的涂層玻璃平板。薄的氧化錫涂層1在平板2的兩面都有，也顯示了經(jīng)過研磨和拋光的邊緣3。圖3則表示本發(fā)明的一個結構單元，該單元包括一個剛性的矩形鋼制或木制耐火框架10，在框架中安裝本發(fā)明的耐火玻璃平板11。玻璃安裝材料12也是耐火的。這一單元當然可以單裝或雙裝玻璃。
實施例2重復實施例1的操作過程，但是不采用邊緣拋光步驟，即僅通過粗磨粗略地去除其銳利邊緣，這樣得到的涂層玻璃平板，其耐火性不能令人滿意。溫度上升時平板因受高熱而破碎。
實施例3重復實施例1的操作過程，但使用其他金屬和硅的氧化物、氮化物、氧氮化物和氟化物。得到的結果類似實施例1。濺射硅的涂層是使用低頻磁控裝置。硅化物涂層使用時也有很滿意的效果。
實施例4此例所述的結構單元(參見圖3)被制成3m見方(3m square)，經(jīng)過耐火性的測試，它甚至在高于900℃的溫度下長達30分鐘仍然保持完好。
權利要求
1.一種耐火玻璃平板，其特征在于，該玻璃平板經(jīng)過鋼化淬火，至少在其一個主表面上覆有一薄的化合物涂層，該化合物涂層在溫度高達900℃仍然穩(wěn)定并且附著于表面，因此這種涂層平板玻璃在高達900℃的高溫下不會破碎，在淬火之前玻璃平板的邊緣經(jīng)過研磨以去除缺陷。
2.如權利要求1所述的玻璃平板，其特征在于，所述的該涂層(或兩個表面上的每一涂層)是金屬或硅的氧化物、氮化物、氧氮化物或氟化物，或者是金屬硅化物。
3.如權利要求2所述的玻璃平板，其特征在于所述的金屬氧化物是選用氧化錫，二氧化鈦和鉻的氧化物(chromium oxide)。
4.如權利要求1或2或3所述的玻璃平板，其特征在于其兩個主平面均覆以所述的涂層。
5.按權利要求1或2或3或4的玻璃平板，其特征在于所用的硅酸鹽玻璃(silica glass)經(jīng)過加熱至615°至640℃然后快速冷卻而淬火。
6.厚度4-8mm的硅酸鹽玻璃平板，該玻璃平板經(jīng)過了加熱到615℃-640℃然后快速冷卻的鋼化淬火，從而符合BS 6206A的破碎要求，在淬火之前，平板的邊緣經(jīng)過了研磨和拋光以去除缺陷，該平板的每個主表面上用濺射法覆以氧化錫的薄涂層，從而使平板在直至900℃的高溫下不會破碎，該涂層平板提供清晰的不受影響的透視。
7.一種制造耐火玻璃平板的工藝方法，其特征在于在玻璃平板的一個或兩個主表面上覆以薄的化合物涂層，該涂層在高達900℃時仍然穩(wěn)定并且附著于玻璃表面，玻璃邊緣經(jīng)過研磨和拋光，而且在覆以涂層之前或之后玻璃經(jīng)過鋼化淬火，這樣制造的涂層玻璃平板在900℃高溫下不會破碎。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述的涂層是用等離子體沉積法涂覆的涂層物質是某種金屬或硅的氧化物、氮化物、氧氮化物或氟化物，或者金屬硅化物。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特征在于金屬氧化物涂層是用濺射沉積法涂覆形成的。
10.一種用于建筑物的耐火建筑單元，其特征在于該單元是將權利要求1至6中任一種的玻璃平板，安裝在鋼制或木制的耐火框架中并使用耐火的玻璃裝配材料，該單元中的玻璃平板能提供清晰而不受影響的透視。
全文摘要
通過在平板玻璃(2)的一個或兩個表面上覆以在高達900℃仍然穩(wěn)定并附著于玻璃表面的薄涂層(1)，從而使平板玻璃(2)具有耐火性。最佳涂層物質是金屬或硅的氧化物、氮化物、氧氮化物或氟化物，或者金屬硅化物。該平板經(jīng)過加熱然后快速冷卻而鋼化，而且在淬火步驟之前對其邊緣(3)研磨以去除其所有缺陷。
文檔編號C03C17/245GK1071901SQ9211168
公開日1993年5月12日 申請日期1992年10月12日 優(yōu)先權日1991年10月11日
發(fā)明者布賴恩·約翰·柯林斯, 格雷厄姆·貝弗利·海英特, 邁克爾·韋斯特利·海登, 馬丁·埃德蒙·克拉格斯 申請人:卡拉頓·埃菲而士有限公司