用於製造片狀玻璃的方法

2023-05-01 13:52:16 1

專利名稱：用於製造片狀玻璃的方法
技術領域：
本發明涉及玻璃片的製造。更具體的，本發明涉及用於控制由溢出下拉熔化 過程生產的玻璃厚度的改進了的牽引輥。本發明在生產高質量玻璃片時表面缺陷 少，因而尤其有價值。這些玻璃能用作平板顯示器如液晶顯示器的基片。
背景技術：
牽引輥常用於製造玻璃片時對形成玻璃片的玻璃帶施加張力，從而控制玻璃 片的公稱玻璃片厚度。例如，在移出下拉熔化過程中(參見Dockerty，美國專利號 No. s 3,338,696以及3， 682， 609)，牽引輥放置在熔化管的末端或根部的下遊用來 調節形成的玻璃帶離開管道的速率，從而確定玻璃片產品的公稱厚度。
優選設計牽引輥，使其與玻璃帶外緣接觸，具體而言，使其在僅位於玻璃帶 邊緣的厚沿口的內側區域與玻璃帶接觸。這類輥優選的結構採用耐熱材料製成的圓
盤，圓盤安裝在驅動軸上。這種結構的例子可以在Moore的美國專利No. 3， 334， 010、
As翻i等人的美國專利No, 4， 533， 581以及Hart等人的美國專利No. 5， 989， 170中找到。
一個成功的牽引輥要滿足許多互相衝突的標準。首先，輥必須能在充分長的 時間內經受得住新形成的玻璃的高溫。牽引輥在這種環境中維持的時間越長越好， 因為替換牽引輥減少了給定機器生產玻璃成品的數量，從而會增加玻璃的最終成本。
第二，牽引輥必須能產生足夠牽引力來控制玻璃厚度。為了不破壞玻璃帶能 成為有用玻璃成品的中央部分，牽引輥只能在玻璃帶邊緣的有限區域與玻璃帶接 觸。因此，必須僅使用這一區域產生要求的牽引力。然而，施加在玻璃上的力不能太大，因為這樣會產生表面破壞，表面破壞又會傳遞到玻璃帶的有用中央部分。相 應的，牽引輥必須在對玻璃邊緣區域施加太少與太多力之間達到平衡。
第三，牽引輥必須不會釋放多餘的會粘結到玻璃上形成表面缺陷的顆粒(稱為 "夾雜物(。nclusion)")。對於將玻璃應用於高要求的場合如用作平板顯示器基片 時，必須將夾雜物維持在較低程度，因為每個夾雜物通常會代表產品的一個缺陷區 域(例如一個或多個缺陷像素)。由於牽引輥在高溫環境下工作，找到一種能在熾熱 狀態時能對玻璃帶施加足夠牽引力而又不會釋放顆粒的材料是一種很大的挑戰。
現有的牽引輥不能充分滿足長壽命、施加控制大小的力以及低汙染這些具有 競爭性的標準。本發明克服了技術領域的缺陷，提供了能獲得比現有牽引輥更好性 能的改進的牽引輥。
因此，本發明的一個目的是提供一種牽引輥，它具有長的使用壽命。

發明內容
根據第一方面，本發明提供了牽引玻璃帶(11)的牽引輥(13)，牽引輥包括
(a) 軸(17)
(b) 安裝在軸上、面對面接觸的許多耐熱圓盤(15)，所述圓盤具有圓形外圍， 外圍形成牽引輥表面(33)，調整表面的一個或多個部分(27)使其在牽引輥使用期間 與玻璃帶接觸，所述圓盤含有耐火陶瓷纖維(例如玻璃纖維)、雲母以及耐熱粘合劑 (例如粘土)；
(c) 一對配件(例如連到軸上的外軸環(25)或者是外軸環(25)與內軸環(31)的 組合，所述配件沿軸間隔放置，間距能使軸向壓力施加到圓盤上；
其特徵在於，圓盤受到所述軸向壓力作用，調整成與玻璃帶接觸的一個或多 個輥表面部分在室溫下(例如23°C)的肖氏D級硬度在30至55之間。
根據第二方面，本發明提供了製備上述類型牽引輥的方法，所述方法包括
(a) 提供軸(17)，兩個配件(例如外軸環25或外軸環25及內軸環31的組合) 以及許多耐熱圓盤(15)，所述圓盤含有耐火陶瓷纖維、雲母以及耐熱粘合劑；
(b) 在軸上安裝許多耐熱圓盤，壓縮在配件之間的圓盤；
(c) 監控步驟(b)中壓縮圓盤施加的力，若所述力在預定範圍之外，調整圓盤 的數量；
其特徵在於，選擇步驟(c)中的設定範圍使得在牽引輥使用期間，與玻璃帶(ll) 接觸的一個或多個輥表面(33)部分(27)在室溫下的(例如23°C)肖氏D級硬度在30 至55之間。實際中，最終安裝在軸上以及由配件鎖定位置的圓盤數量取決於生的玻璃帶的尺寸， 一般在200-400之間，但實際情況中，如有需要可以使用更多或 更少圓盤。例如，圖6所示實例中一般可以使用較少的圓盤。
根據上述每個方面，耐熱圓盤在安裝形成牽引輥之間最好預先焙燒，從而使 其在牽引輥牽引玻璃帶的溫度下組成基本不變，這樣就可以在工作條件下具有尺寸 穩定性。同時，在預先焙燒前，耐熱圓盤除了含有耐火陶瓷纖維、雲母以及耐熱粘 合劑以外，優選進一步含有纖維素纖維，纖維素纖維在預先焙燒時燒掉。
如有需要，可以不採取預先焙燒，在牽引輥應用的現場除去圓盤含有的任何 非耐熱材料(例如纖維素纖維)。對於這種情況，考慮到輥暴露在新形成的玻璃帶周 圍的熱環境中會有材料從輥上燒掉，應當調節安裝輥的壓力(增大)。尤其是，應當 增大壓力使得在現場燒掉後，輥表面的一個或多個連接玻璃的部分在室溫下的肖氏 D級硬度在30至55之間。
實際情況中，已發現本發明的牽引輥不需要對玻璃帶施加過度的力或者產生 大量顆粒汙染就能獲得較長使用壽命。實際應用中，常因為外部事件使輥破壞(例 如玻璃帶破碎)輥的使用壽命會過早地縮短。然而，排除這些情況，本發明的牽引 輥很容易能獲得較長的使用壽命，例如超過40天的使用壽命，優選超過75天的使 用壽命，最好是超過IOO天的使用壽命。
本發明的其他特徵及優勢將在下面的詳細說明中進一步說明，通過這些說明，
本領域的技術人員能很容易的理解本發明或者通過按照這裡的說明實施本發明來 認可本發明。
要理解，前述總體說明以及下列詳細說明只是示例本發明，只是要用來為理 解本發明的本質和特徵提供一個總體說明或框架。
採用附圖以便進一步理解本發明，附圖包括在本說明書內並作為本說明書的 一部分。示意圖描繪了本發明的各種實例，示意圖與說明一起解釋了本發明的原則 及操作。


圖1所示是採用按照本發明構造的牽引輥牽引新形成的玻璃帶的透視圖。
圖2是圖1左手側部分的放大圖。
圖3是圖1的牽引輥及玻璃帶的端視圖。
圖4是根據本發明構造的牽引輥的前截面圖。
圖5是根據本發明構造的具有六角形軸的牽引輥的部分透視圖。圖6是根據本發明構造的、僅在牽引輥與玻璃帶接觸的附近區域具有半適應 圓盤的牽引輥的前視圖。
附圖中的參考號對應於
11玻璃帶
13牽引輥
15圓盤
17軸
19軸承面
21固定環
23凹槽
25外軸環
27輥表面與玻璃接合部分
29輥表面不與玻璃接合部分
31內軸環
33輥表面
具體實施例方式
參考附圖，其中在數個附圖中，同樣的參考數字代表同樣的或者相應的部件，
圖la所示是一對牽引輥13與玻璃帶，例如由溢出下拉過程製備的新形成的LCD 玻璃帶的接合透視圖。圖2及圖3詳細描繪了玻璃帶與牽引輥的接合情況。
圖4中可以最清晰的看到包括軸17的每個牽引輥13,軸上帶有許多圓盤15， 圓盤15通過軸環25固定在軸上。優選通過位於軸上的凹槽23中的拼合固定環(開 口環)來固定軸環25。儘管優選固定環，如有需要，可以採用本技術領域已知的能 將軸環連接到軸上的其他機理。同時，儘管優選軸環，本發明的實際實施中，可以 採用任何類型的在與軸連接時能對耐熱圓盤施加軸向壓力的配件。要說明的是，對 於每對配件，只有一個配件是可拆下的，從而能使圓盤15安裝到軸17上。另一個 配件可以永久地連在軸上或者可以作為軸的部分而與軸形成整體。這裡使用的單詞 "附在"是用來涵蓋這些不同的選擇。
如圖1-3所示，完全安裝的牽引輥可以包括位於軸17末端的軸承表面19。盡 管軸及軸承表面可以採用各種材料，優選材料包括軸用鑄造不鏽鋼合金，例如與不 鏽鋼軸承表面例如330不鏽鋼接合的離心鑄造HP45合金。如圖4右手及左手部分所示，第一次安裝在軸17上時，優選所有圓盤15在
整個輪廓上具有或者切割成同樣直徑(參見圖4右手部分)，然後在圓盤中切割整個 輪廓，留下凸起區域(平坦面)27以及凹陷區域29(參見圖4的左手部分)。例如如 圖1所示，在牽引輥使用過程中，只有凸起區域27與玻璃帶11接觸。儘管圖中顯 示的牽引輥只有兩個凸起區域(兩個與玻璃接合的區域)，如有需要可以使用另外的 區域，例如可以採用四個區域，兩個聯接在輥的一端，另外兩個聯接在另一端。實 際上，儘管不優選，本發明可以只帶有一個與玻璃接合的部分。
圖5所示是牽引輥13的另一個可選構型，其中軸17帶有非圓形截面，具體 而言，本圖中是六邊形截面。在本發明的牽引輥的特殊應用中，若觀察到圓盤15 繞軸17旋轉量過多，可以採用這種非圓形截面。在這種情況中，圓盤15包括一個 形狀與非圓形軸對應的中央孔穴，也就是說，中央孔穴不是圓的，而是與軸具有相 同形狀。可以由圓形軸開始通過對軸加工在軸上形成非圓形截面，例如加工碳鋼的 軸使其得到所需構型。本發明的這個實例中還可以使用鑄軸或拉制軸。對於大多數 應用，圓盤15繞軸17的旋轉不會達到很大程度，因此可以使用並且優選帶有圓形 截面的軸。
圖6進一步描繪了本發明可選的牽引輥構型。常規而言，減少位於中央凹陷 區域29的圓盤外圍直徑是有利的，因為除了避免與玻璃接觸以外，這種尺寸縮小 至少在一定程度上將輥中心部分的材料用量降至最低，這些材料可能成為氣載塵埃 並粘附到玻璃帶上形成缺陷。然而，因為在輥表面與玻璃接合部分的圓盤上的填充 壓力會隨中央部分外圍直徑的減少而減小，儘管整體材料減少了(表面積減少)，留 下來的大部分材料具有形成汙染顆粒的可能。
同時，由於填充壓力的減小，平坦部分更易於失去整體性從而縮短了輥的使 用壽命。通常，輥失去整體性時，平坦部分壓實，該區域的圓盤失去彈性，這一現 象可以通過玻璃帶很明顯的打滑來看出。其他情況中，輥的整體性退化很嚴重以至 於平坦部分變形至使玻璃帶彎曲，從而導致片材成品不合格。
圖6所示本發明的實例解決了這些問題。如該圖所示，圓盤從輥中央徹底除 去，僅在平坦區域使用。使用較少的圓盤就減少了圓盤上的顆粒形成氣載塵埃並在 玻璃帶上形成缺陷的可能性。同時，使用較少圓盤也減少了切割具體輥型材所需時 間，因為在輥表面形成所需圖案所需除去的材料更少了。
因為在輥的整個中央部分，軸17的表面完全暴露，優選對軸塗層來減少金屬 軸例如不鏽鋼軸的氧化可能性。合適的塗層包括各種陶瓷塗層，例如由CetekLimited of Berea, Ohio銷售的CERAK M-720黑陶瓷塗層。
為了保持圓盤的完整性，可以採用例如上述討論的扣環將兩個內軸環31附在 軸17上與外軸環25連接。這些內軸環提高了平坦部分附近的填充壓力因此延長了
輥的使用壽命。
本發明的該實例的另一個優勢在於，它能使位於牽引輥區域的玻璃獲得更高 的冷卻程度。這種額外的冷卻是有價值的，因為在這一區域可以高達80(TC的玻璃 溫度決定了翹曲量以及玻璃帶承受的應力，因此決定了成品片材的外觀。
圖6的實例可以採用圓形或非圓形軸，可以使用軸承表面19。
不管牽引輥採用何種構型(也就是圖1-6中所示構型或者其他已知的或以後開 發的構型)，輥最終的成功取決於圓盤15的性能。根據本發明優選的實例，採用預 先焙燒並以特殊方式安裝的具有特殊組成的圓盤形成本發明的牽引輥。已經發現， 這種圓盤能滿足上述討論的使用壽命要求、控制施加的壓力並達到低汙染標準。
總體而言，在牽引新形成的玻璃帶過程中受力以及在這種工作溫度下圓盤必 須不是易碎的。根據本發明，已經發現，含有耐火陶瓷纖維、雲母以及耐熱粘合劑 的圓盤具有這種性能。總體而言，非耐熱成分燒去後，圓盤優選的重量組成是 10-20%耐火陶瓷纖維，40-50%雲母以及40-50%耐熱粘合劑。
更具體的，最佳圓盤為(l)粘土、雲母、玻纖以及纖維素纖維的複合體；(2) 預先焙燒使其在牽引輥使用溫度時基本不會發生組成變化，從而在工作條件下尺寸 穩定。例如，預先焙燒包括加熱圓盤至700-80(TC優選760-80(TC(例如760 "C)， 維持在該溫度至少2小時，接著在安裝到牽引輥的軸上之前冷卻至室溫。
預先焙燒至該溫度能確保圓盤材料在使用前經歷所有相變化，因此減少了材 料使用之後的可變性。當然，本發明也可以採用其他預焙燒時間及溫度，只要這些 條件能得到在輥工作溫度時組成穩定的牽引輥產品。
可以從Nichias Corporation of Tokyo, Japan購買具有上述組成的複合物 商品，其產品名為SD-115。該產品以片材供應，厚度約為6毫米，可以採用噴水 切割機或者合適尺寸的打孔機，優選打孔機將其切割成具有圓形外圍直徑(例如直 徑為140mm)的圓盤以及中央孔穴(例如直徑為64inm的圓形孔穴)。
另外，複合物片材可以通過下列方法製備(l)形成粘土(例如GL0MAX LL)、 雲母、玻纖(例如10wt% A1A-Si02纖維)、木纖維(例如加拿大的HIBRITE)以及澱 粉的水漿料；(2)採用轉鼓式"造紙機"使漿料成層；(3)堆疊層(例如20層)形成 6mm厚的硬紙板；(4)將該硬紙板覆蓋在乾燥架上空氣乾燥至少24小時；(5)將乾燥架放在110°C烘箱中24小時。
當然，本發明可以採用除了 SD-115以外的其他市售複合物以及製備這種複合 物的其他方法。
對於本發明的成功而言，比圓盤組成以及預焙燒更關鍵的是圓盤在牽引輥的 軸上的安裝情況。特別是，已經發現必須小心控制安裝圓盤形成牽引輥的壓縮力(壓 力)來取得長使用壽命。例如，如下面詳細說明，已經發現，約33，000磅的壓力得 到的牽引輥只有有限的使用壽命(例如39天)，而壓力在11， 000至14， 000磅得到 的輥則具有較長的使用壽命(大於IOO天)。對於外直徑約為5英寸(127毫米)、內 直徑約為2. 5英寸(63. 5毫米)的圓盤，高壓力對應於約2，250psi的軸向壓力，低 壓力對應於約750-950psi的軸向壓力。
因為壓力會隨使用圓盤的組成以及數量這些因素的不同而變化，施加到圓盤 上的壓力大小的較好度量是安裝完的輥外表面，尤其是在輥使用期間與玻璃帶接觸 的外表面的肖氏硬度(具體而言是肖氏D級硬度)。根據本發明，已經發現牽引輥與 玻璃連接的外表面肖氏D級硬度在30至55之間，優選在40至55之間以便獲得較 長的使用壽命。這些範圍內的肖氏D級硬度能使牽引輥符合玻璃表面，從而減少導 致龜裂的表面破壞。採用市售設備測量肖氏D級硬度。
不是要以任何方式限制本發明，通過對下列對比實施例的說明，將更完整的 說明本發明。
對比例1
本實施例對比了用來形成牽引輥圓盤的不同材料以及在牽引輥軸上安裝圓盤 所用的不同壓力。測試了下列材料(1) ZYALITE—由Vesuvius McDanel of Beaver Falls, PA出售的鋁矽酸鹽纖維以及非晶形矽石(膠體)的混合物；(2)ZYAR0CK—同 樣由由Vesuvius McDanel出售的多孔熔融矽石；(3)約在33， 000磅(約2， 250psi) 壓縮的Nichias SD-115(密集Nichias) ; (4)約在11， 000至14,000磅(約 750-950psi)壓縮的Nichias SD-115 (低密集Nichias)。
結果如下
(1) ZYALITE--由該材料製得的輥很明顯磨損，磨損顆粒汙染原始玻璃表面， 即材料易碎並形成夾雜物。我們相信這些問題是由於低表面硬度以及由於纖質微結 構而產生的各向異性而導致的。
(2) ZYAROCK—由這種材料形成的輥產生大量摩擦破壞。這一問題是由於材料的高滲透硬度以及高彈性模量導致的。
(3) 密集Nichial—與上述材料相比，這種材料性能很好，只是輥的使用壽命
很短。高密度輥通過收集輥表面的玻璃加大了對玻璃帶的破壞。相對較高的滲透硬 度不能使粘附的玻璃"下沉"到輥表面。
(4) 低密集Nichias—與上述所有材料相比，這種材料性能較好。在不形成 夾雜物或者明顯磨損材料的情況下，它能獲得較長使用壽命。儘管不想受制於任何 具體操作理論，我們認為這種優異性能是由於材料具有低彈性模量以及低滲透硬度 的原因。該材料能與玻璃配合而不會產生過大應力，輥表面的玻璃顆粒能"植入" 材料中而不會導致過多破壞。
對比例2
本實施例描繪了在安裝牽引輥時控制施加到圓盤上的壓力大小的重要性。測 試了由Nichias SD-115材料製備的五個輥。輥具有下列性能及使用壽命，表中圓 盤的高壓力表示壓力約為33,000磅(約為2,250psi)，低壓力表示壓力為11,000 至14， 000磅(約750 — 950psi):
輥 序號性質使用 壽命
1圓盤焙燒至640。C;六角碳鋼軸；用高壓力把圓盤壓縮到軸上3天
2圓盤焙燒至64(TC;鑄合金HP 45圓軸； 用高壓力把圓盤壓縮到軸上22天
3圓盤焙燒至760"C;鑄合金HP 45圓軸； 用高壓力把圓盤壓縮到軸上39天
4未焙燒圓盤；六角碳鋼軸；用高壓力把圓盤壓縮到軸上77天
5圓盤焙燒至760"C;鑄合金HP 45圓軸； 用低壓力把圓盤壓縮到軸上>100天
表中數據假定輥的使用壽命不因外來破壞而過早縮短。表中可以明顯看出，
輥5的使用壽命延長了，從而說明了安裝時壓力大小對牽引輥最終使用的重要性。
輥4比輥1-3具有較長的使用壽命是因為，儘管該輥採用高壓壓縮，它沒有 預先焙燒，它經歷了現場燒盡。現場燒盡以及伴隨的非耐熱材料的損失降低了有效 壓力。相應的，輥4表現的就像已經經過預先焙燒並採用低壓力壓縮一樣。
10輥2及輥3比輥1具有較長的使用壽命是因為，這些輥採用不鏽鋼而不是碳
鋼軸。不鏽鋼軸比碳鋼軸的CTE熱膨脹係數高，因此在輥加熱至工作溫度時，減
少了圓盤上的有效壓力。也就是說，在兩種情況中，軸比圓盤膨脹大，但對於不鏽 鋼軸的情況，膨脹更大，因此圓盤在使用時受的壓力更小，這樣就延長了使用壽命。 儘管說明了本發明的具體實例，本領域的技術人員可以理解，在不背離本發 明的精神及範圍的情況下可以對本發明作出修改和變動。下列權利要求書覆蓋了這 裡說明的具體實例、修改、變化及相當改動。
權利要求
1.一種製造片狀玻璃的方法，它包括(a)形成玻璃帶；(b)使用一對牽引輥對該玻璃帶施加牽引力；其特徵在於(I)每根牽引輥包括許多以面對面接觸的方式安裝在軸上的耐熱圓盤，所述圓盤具有圓形的外周，所述圓盤的外周一起形成一個輥表面；(II)所述輥表面具有至少兩個與所述玻璃帶接觸的玻璃嚙合部分；其中(i)所述圓盤，從而所述玻璃嚙合部分，包括耐火陶瓷纖維、雲母以及耐熱粘合劑；(ii)在室溫下試驗時，所述玻璃嚙合部分在室溫的肖氏D硬度為30-55；(III)在沒有由外部引起的破壞時，每根牽引輥用於實施步驟(b)的使用壽命至少為40天。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述玻璃嚙合部分在室溫的肖氏D 硬度為40-55。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在沒有由外部引起的破壞時， 每根牽引輥用於實施步驟(b)的使用壽命至少為75天。
4. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在沒有由外部引起的破壞時， 每根牽引輥用於實施步驟(b)的使用壽命至少為100天。
5. 如權利要求1-4中任一項所述的方法，其特徵在於，將所述圓盤安裝在軸 上以前，焙燒該圓盤，從而使牽引輥在用於實施步驟(b)時所述圓盤基本不會發生 組成變化。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於所述圓盤至少在700'C的溫度下焙 燒至少2小時。
全文摘要
本發明提供了一種製造片狀玻璃的方法，它包括(a)形成玻璃帶；(b)使用一對牽引輥來牽引該玻璃帶；其特徵在於(I)每根牽引輥包括許多以面對面接觸的方式安裝在軸上的耐熱圓盤，所述圓盤具有圓形的外周，所述圓盤的外周一起形成一個輥表面；(II)所述輥表面具有至少兩個與所述玻璃帶接觸的玻璃嚙合部分；其中(i)所述圓盤，從而所述玻璃嚙合部分，包括耐火陶瓷纖維、雲母以及耐熱粘合劑；(ii)在室溫下試驗時，所述玻璃嚙合部分在室溫的肖氏D硬度為30-55；(III)在沒有由外部引起的破壞時，每根牽引輥用於實施步驟(b)的使用壽命至少為40天。
文檔編號F27D3/02GK101560048SQ20091014141
公開日2009年10月21日 申請日期2003年3月10日 優先權日2002年3月22日
發明者D·S·凱舍, J·馬爾多納多 申請人:康寧股份有限公司