Композиции стекла с повышенной химической и механической стойкостью

Композиции стекла с повышенной химической и механической стойкостью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет по отношению к предварительной заявке на патент США № 61/551163, поданной 25 октября 2011 г. (дело патентного поверенного № SP11-240Р) и озаглавленной «Композиции стекла с повышенной химической и механической стойкостью», во всей полноте включаемой в настоящий документ путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем относится к композициям стекла, более конкретно к химически и механически стойким композициям стекла, которые пригодны для использования при производстве упаковки для лекарственных средств.

Уровень техники

Исторически стекло использовали как предпочтительный материал для производства упаковки для лекарственных средств из-за его герметичности, оптической прозрачности и превосходной химической стойкости по сравнению с другими материалами. В частности, стекло, используемое для упаковки лекарственных средств, обязательно должно обладать адекватной химической стойкостью, чтобы не ухудшать устойчивость заключенных в упаковке лекарственных средств. К стеклам, обладающим надлежащей химической стойкостью, относятся те композиции стекла, которые соответствуют «Типу 1В» согласно стандарту ASTM с давно подтвержденной химической стойкостью.

Однако использование стекла в этих целях ограничено механическими свойствами стекла. А именно, в фармацевтической промышленности бой стекла представляет собой фактор опасности для конечного потребителя, так как разбитая упаковка и/или содержимое упаковки может причинить вред конечному потребителю. Бой стекла может дорого обходиться производителям лекарственных средств, так как в случае боя на линии наполнения необходимо, чтобы соседние неразбитые контейнеры были удалены, так как в них могут попасть фрагменты разбитого контейнера. В случае боя также может потребоваться замедление или остановка линии наполнения, что снижает выход продукции. Кроме того, бой может привести к потере активного фармацевтического продукта, что ведет к дополнительным расходам. Кроме того, некатастрофическое разрушение (т.е., когда стекло трескается, но не распадается) может вызвать потерю стерильности содержимого, что, в свою очередь, может привести к затратному возврату продукции.

Одним из подходов к повышению механической стойкости стеклянной упаковки является термическая закалка стеклянной упаковки. Термическая закалка повышает прочность стекла посредством создания поверхностного напряжения сжатия во время быстрого охлаждения после формования. Эта методика хорошо подходит для изделий из стекла плоской формы (таких как окна), изделий из стекла толщиной >2 мм и композиций стекла с большим термическим расширением. Однако стеклянная упаковка лекарственных средств обычно имеет сложную геометрию (флаконы, трубки, ампулы и т.д.), тонкие стенки (~1–1,5 мм) и производится из стекла с низким коэффициентом термического расширения (30-55×10^-7 К^-1), из-за чего стеклянная упаковка лекарственных средств непригодна для термической закалки с целью повышения ее прочности.

В результате химической закалки стекло также упрочняется путем создания поверхностного напряжения сжатия. Такое напряжение создают погружая изделие в расплавленную соль. По мере того как ионы стекла замещаются более крупными ионами из расплавленной соли, на поверхности стекла возникает напряжение сжатия. Преимуществом химической закалки является то, что она может быть использована в случае сложной геометрии, тонких изделий и относительно нечувствительна к параметрам термического расширения стеклянной подложки. Однако композиции стекла, обладающие умеренной восприимчивостью к химической закалке, как правило, обладают плохой химической стойкостью, и наоборот.

Следовательно, существует потребность в композициях стекла, химически стойких, поддающихся химическому упрочнению путем ионообмена и предназначенных для использования при изготовлении стеклянной упаковки для лекарственных средств и подобных вариантов применения.

Сущность изобретения

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения композиция стекла может содержать: SiO₂ в концентрации более примерно 70% мол. и Y% мол. щелочного оксида. Щелочной оксид может включать Na₂O в количестве более примерно 8% мол. Композиция стекла может не содержать бор или соединения бора.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения композиция стекла может содержать: более чем примерно 68% мол. SiO₂; Х% мол. Al₂O₃; Y% мол. щелочного оксида и В₂О₃. Щелочной оксид может включать Na₂O в количестве более примерно 8% мол. Отношение В₂О₃(% мол.)/(Y% мол.–Х% мол.) может быть больше 0 и меньше 0,3.

В другом варианте осуществления изобретения изделие из стекла может принадлежать к типу HGB1 гидролитической стойкости в соответствии с ISO 719. Изделие из стекла может содержать более чем примерно 8% мол. Na₂O и менее чем примерно 4% мол. В₂О₃.

В еще одном варианте осуществления изобретения стеклянная упаковка лекарственных средств может содержать: SiO₂ в количестве более чем примерно 70% мол.; Х% мол. Al₂O₃; Y% мол. щелочного оксида. Щелочной оксид может содержать Na₂O в количестве более примерно 8% мол. Отношение концентрации В₂О₃(% мол.) к (Y% мол.–Х% мол.) в стеклянной упаковке для лекарственных средств может быть менее 0,3. Стеклянная упаковка для лекарственных средств также может принадлежать к типу HGB1 гидролитической стойкости в соответствии с ISO 719.

В другом варианте осуществления изобретения композиция стекла может содержать от примерно 70% мол. до примерно 80% мол. SiO₂; от примерно 3% мол. до примерно 13% мол. щелочноземельного оксида; Х% мол. Al₂O₃ и Y% мол. щелочного оксида. Щелочной оксид может включать Na₂O в количестве более примерно 8% мол. Отношение Y:X может быть больше 1, композиция стекла может не содержать бор или соединения бора.

В другом варианте осуществления изобретения композиция стекла может содержать от примерно 72% мол. до примерно 78% мол. SiO₂; от примерно 4% мол. до примерно 8% мол. щелочноземельного оксида; Х% мол. Al₂O₃ и Y% мол. щелочного оксида. Количество щелочноземельного оксида может быть больше или равно примерно 4% мол. и меньше или равно примерно 8% мол. Щелочной оксид может включать Na₂O в количестве, большем или равном примерно 9% мол. и меньшем или равном примерно 15% мол. Отношение Y:X может быть больше 1. Композиция стекла может не содержать бор или соединения бора.

В другом варианте осуществления изобретения композиция стекла может содержать от примерно 68% мол. до примерно 80% мол. SiO₂; от примерно 3% мол. до примерно 13% мол. щелочноземельного оксида; Х% мол. Al₂O₃ и Y% мол. щелочного оксида. Щелочной оксид может включать Na₂O в количестве более примерно 8% мол. Композиция стекла также может содержать В₂О₃. Отношение В₂О₃(% мол.)/(Y% мол.–Х% мол.) может быть больше 0 и меньше 0,3, отношение Y:X может быть больше 1.

В другом варианте осуществления изобретения композиция стекла может содержать от примерно 70% мол. до примерно 80% мол. SiO₂; от примерно 3% мол. до примерно 13% мол. щелочноземельного оксида; Х% мол. Al₂O₃ и Y% мол. щелочного оксида. Щелочноземельный оксид может включать СаО в количестве, большем или равном примерно 0,1% мол. и меньшем или равном примерно 1,0% мол. Х может быть больше или равно примерно 2% мол. и меньше или равно примерно 10% мол. Щелочной оксид может включать от примерно 0,01% мол. до примерно 1,0% мол. К₂О. Отношение Y:X может быть больше 1. Композиция стекла может не содержать бор или соединения бора.

В другом варианте осуществления изобретения композиция стекла может содержать SiO₂ в количестве, которое больше примерно 70% мол. и меньше или равно примерно 80% мол.; от примерно 3% мол. до примерно 13% мол. щелочноземельного оксида; Х% мол. Al₂O₃ и Y% мол. щелочного оксида. Щелочной оксид может включать Na₂O в количестве более примерно 8% мол. Отношение концентрации В₂О₃ (% мол.) к (Y% мол.–Х% мол.) в композиции стекла может быть меньше 0,3. Отношение Y:X может быть больше 1.

В другом варианте осуществления изобретения изделие из стекла может принадлежать к типу HGB1 гидролитической стойкости в соответствии с ISO 719. Изделие из стекла также может характеризоваться пороговой диффузивностью более 16 мкм²/ч при температуре, меньшей или равной 450°С.

В другом варианте осуществления изобретения изделие из стекла может принадлежать к типу HGB1 гидролитической стойкости в соответствии с ISO 719. Изделие из стекла также может иметь слой напряжения сжатия глубиной более 25 мкм и характеризоваться поверхностным напряжением сжатия, большим или равным 350 МПа. Изделие из стекла может быть упрочнено путем ионообмена, ионообменное упрочнение может включать обработку изделия из стекла в расплавленной соли в течение периода времени, большего или равного 5 часам, при температуре, меньшей или равной 450°С.

Дополнительные отличительные особенности и преимущества будут изложены далее, в нижеследующем подробном описании, и отчасти станут без труда понятны специалистам в данной области из описания или при реализации на практике описанных вариантов осуществления изобретения, включая нижеследующее подробное описание, формулу изобретения, а также прилагаемые чертежи.

Следует понимать, что и приведенное ранее общее описание, и нижеследующее подробное описание содержат описание различных вариантов осуществления изобретения и предназначены для изложения общего представления или основы, необходимой для понимания природы и характера заявленного объекта изобретения. Прилагаемые чертежи предназначены для дополнительного пояснения различных вариантов осуществления изобретения, включаются в настоящее описание и составляют его неотъемлемую часть. Чертежи поясняют различные описанные в данном документе варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов и функционирования заявленного объекта изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 графически показано соотношение между отношением количества щелочных оксидов к количеству оксида алюминия (ось Х) и температурой деформации, температурой отжига и температурой размягчения (оси Y) для композиций стекла по настоящему изобретению и сравнительных композиций.

На фиг.2 графически показано соотношение между отношением количества щелочных оксидов к количеству оксида алюминия (ось Х) и максимальным напряжением сжатия и изменением напряжения (оси Y) для композиций стекла по настоящему изобретению и сравнительных композиций.

На фиг.3 графически показано соотношение между отношением количества щелочных оксидов к количеству оксида алюминия (ось Х) и гидролитической стойкостью, определяемой в соответствии с ISO 720 (ось Y), для композиций стекла по настоящему изобретению и сравнительных композиций.

На фиг.4 графически изображена диффузивность D (ось Y) как функция отношения (CaO/(CaO+MgO)) (ось Х) для композиций стекла по настоящему изобретению и сравнительных композиций.

На фиг.5 графически изображено максимальное напряжение сжатия (ось Y) как функция отношения (CaO/(CaO+MgO)) (ось Х) для композиций стекла по настоящему изобретению и сравнительных композиций.

На фиг.6 графически изображена диффузивность D (ось Y) как функция отношения (B₂O₃/(R₂O-Al₂O₃)) (ось Х) для композиций стекла по настоящему изобретению и сравнительных композиций.

На фиг.7 графически изображена гидролитическая стойкость, определяемая в соответствии с ISO 720 (ось Y), как функция отношения (B₂O₃/(R₂O-Al₂O₃)) (ось Х) для композиций стекла по настоящему изобретению и сравнительных композиций.

Подробное описание изобретения

Далее будут подробно описаны различные варианты осуществления композиций стекла, обладающих повышенной химической и механической стойкостью. Такие композиции стекла пригодны для использования в различных областях применения, включая, помимо прочего, материалы для упаковки лекарственных средств. Эти композиции стекла также могут быть подвергнуты химическому упрочнению, чтобы тем самым придать стеклу повышенную механическую стойкость. Описанные в данном документе композиции стекла в общем могут содержать оксид кремния (SiO₂), оксид алюминия (Al₂O₃), щелочноземельные оксиды (такие как MgO и/или СаО) и щелочные оксиды (такие как Na₂O и/или K₂O) в таких количествах, в которых они придают композиции стекла химическую стойкость. Кроме того, щелочные оксиды, присутствующие в композициях стекла, облегчают химическое упрочнение композиций стекла путем ионообмена. Далее различные варианты осуществления композиций стекла будут описаны и дополнительно пояснены со ссылкой на конкретные примеры.

Термин «температура размягчения», используемый в данном документе, относится к температуре, при которой вязкость композиции стекла равна 1×10^7,6 пуаз.

Термин «температура отжига», используемый в данном документе, относится к температуре, при которой вязкость композиции стекла равна 1×10¹³ пуаз.

Термин «температура деформации» и «T_strain», используемый в данном документе, относится к температуре, при которой вязкость композиции стекла равна 3×10¹⁴ пуаз.

Термин «СТЕ» (thermal coefficient of expansion - коэффициент термического расширения), используемый в данном документе, относится к коэффициенту термического расширения композиции стекла в температурном диапазоне от примерно комнатной температуры до примерно 300°С.

В описанных в данном документе вариантах осуществления композиций стекла концентрации составляющих их компонентов (например, SiO₂, Al₂O₃ и т.п.) указаны в молярных процентах (% мол.) в оксидной форме, если не указано иное.

Термины «не содержит» и «по существу не содержит», используемые при описании концентрации и/или отсутствия определенного составляющего компонента композиции стекла, означают, что данный составляющий компонент специально не добавляют в композицию стекла. Однако эта композиция стекла может содержать следовые количества данного составляющего компонента в виде загрязняющей или случайно попавшей примеси в количестве менее 0,01% мол.

Термин «химическая стойкость» в контексте настоящего документа означает способность композиции стекла противостоять разложению под действием определенных химических условий. А именно, химическую стойкость описанных в данном документе композиций стекла оценивали в соответствии с тремя общепризнанными стандартами испытания материалов: DIN 12116, датируемый мартом 2001 г. и озаглавленный «Испытание стекла – Стойкость к воздействию кипящего водного раствора соляной кислоты – Метод испытания и объяснения»; ISO 695:1991, озаглавленный «Стекло – Стойкость к воздействию кипящего водного раствора смеси щелочей – Метод испытания и объяснения»; и ISO 720:1985, озаглавленный «Стекло – Гидролитическая стойкость стеклянных гранул при 121°С – Метод испытания и объяснения». Дополнительно к указанным выше стандартам оценка химической стойкости стекла также может быть осуществлена в соответствии с ISO 719:1985 «Стекло – Гидролитическая стойкость стеклянных гранул при 98°С – Метод испытания и объяснения». Стандарт ISO 719:1985 представляет собой менее строгую версию стандарта ISO 720:1985, при этом считается, что стекло, удовлетворяющее классификации, предусмотренной стандартом ISO 720:1985, также будет удовлетворять соответствующей классификации стандарта ISO 719:1985. Классификации, связанные с каждым из этих стандартов, описаны более подробно в настоящем документе.

Описываемые композиции стекла представляют собой композиции щелочноалюмосиликатного стекла, которые в общем могут включать сочетание SiO₂ и одного или нескольких щелочных оксидов, таких как Na₂O и/или K₂O. Композиция стекла также может включать Al₂O₃ и по меньшей мере один щелочноземельный оксид. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиции стекла могут не содержать бор и соединения, содержащие бор. Композиции стекла являются стойкими к химическому разложению, а также пригодными для химического упрочнения путем ионообмена. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиции стекла могут дополнительно содержать незначительные количества одного или нескольких дополнительных оксидов, таких как, например, SnO₂, ZrO₂, ZnO, TiO₂, As₂O₃ и т.п. Эти компоненты могут быть добавлены в качестве осветлителей и/или для дополнительного увеличения химической стойкости композиции стекла.

В описанных в данном документе вариантах осуществления композиций стекла SiO₂ является самой значительным составляющей композиции и как таковая является наиболее важным компонентом итоговой структуры стекла. SiO₂ повышает химическую стойкость стекла, в частности стойкость композиции стекла к разложению в кислоте и стойкость композиции стекла к разложению в воде. Следовательно, высокая концентрация SiO₂, вообще, желательна. Однако, если содержание SiO₂ слишком велико, могут ухудшаться формовочные свойства стекла, так как при более высоких концентрациях SiO₂ повышается сложность плавления стекла, что, в свою очередь, оказывает негативное влияние на формовочные свойства стекла. В описанных в данном документе вариантах осуществления изобретения композиция стекла в общем содержит SiO₂ в количестве, которое больше или равно 67% мол. и меньше или равно 80% мол. или даже меньше или равно 78% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения количество SiO₂ в композиции стекла может быть больше примерно 68% мол., больше примерно 69% мол. или даже больше примерно 70% мол. В некоторых других вариантах осуществления изобретения количество SiO₂ в композиции стекла может быть больше примерно 72% мол., больше примерно 73% мол. или даже больше примерно 74% мол. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения композиция стекла может содержать от примерно 68% мол. до примерно 80% мол. или даже до примерно 78% мол. SiO₂. В некоторых других вариантах осуществления изобретения композиция стекла может содержать от примерно 69% мол. до примерно 80% мол. или даже до примерно 78% мол. SiO₂. В некоторых других вариантах осуществления изобретения композиция стекла может содержать от примерно 70% мол. до примерно 80% мол. или даже до примерно 78% мол. SiO₂. В некоторых других вариантах осуществления изобретения композиция стекла содержит SiO₂ в количестве, которое больше или равно 70% мол. и меньше или равно 78% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения SiO₂ может присутствовать в композиции стекла в количестве от примерно 70% мол. до примерно 78% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения SiO₂ может присутствовать в композиции стекла в количестве от примерно 72% мол. до примерно 78% мол. В некоторых других вариантах осуществления изобретения SiO₂ может присутствовать в композиции стекла в количестве от примерно 73% мол. до примерно 78% мол. В других вариантах осуществления изобретения SiO₂ может присутствовать в композиции стекла в количестве от примерно 74% мол. до примерно 78% мол. В других вариантах осуществления изобретения SiO₂ может присутствовать в композиции стекла в количестве от примерно 70% мол. до примерно 76% мол.

Описываемые в данном документе композиции стекла могут дополнительно содержать Al₂O₃. Al₂O₃ в сочетании с присутствующими в композиции стекла щелочными оксидами, такими как Na₂O и т.п., повышает восприимчивость стекла к ионообменному упрочнению. В некоторых описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения Al₂O₃ присутствует в композиции стекла в количестве Х% мол., тогда как щелочные оксиды присутствуют в композиции стекла в количестве Y% мол. Отношение Y:Х в описываемых в настоящем документе композициях стекла превышает 1 для повышения указанной выше восприимчивости к ионообменному упрочнению. А именно, коэффициент диффузии или диффузивность D композиции стекла относится к скорости, с которой щелочные ионы проникают сквозь поверхность стекла в ходе ионообмена. Стекла, характеризующиеся отношением Y:Х больше примерно 0,9 или даже больше чем примерно 1, обладают более высокой диффузивностью, чем стекла, характеризующиеся отношением Y:Х менее 0,9. В стеклах, где щелочные ионы обладают большей диффузивностью, можно получить более глубокий слой за данное время ионообмена и при данной температуре ионообмена, чем в стеклах, где щелочные ионы обладают меньшей диффузивностью. Кроме того, с ростом отношения Y:Х температура деформации, температура отжига и температура размягчения стекла уменьшаются, поэтому стекло лучше поддается формованию. Кроме этого, было обнаружено, что для данных времени ионообмена и температуры ионообмена напряжения сжатия, создаваемые в стеклах, характеризующихся отношением Y:Х, большим примерно 0,9 и меньшим или равным 2, как правило, больше, чем создаваемые в стеклах, для которых отношение Y:Х составляет менее 0,9 или более 2. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления изобретения отношение Y:Х больше 0,9 или даже больше 1. В некоторых вариантах осуществления изобретения отношение Y:Х больше 0,9 или даже больше 1 и меньше или равно примерно 2. В других вариантах осуществления изобретения отношение Y:Х может быть больше или равно примерно 1,3 и меньше или равно примерно 2,0, чтобы получить максимальное напряжение сжатия, создаваемое в стекле за установленное время ионообмена и при установленной температуре ионообмена.

Однако, если количество Al₂O₃ в композиции стекла слишком велико, стойкость композиции стекла к воздействию кислоты ухудшается. Следовательно, описываемые в настоящем документе композиции стекла в общем содержат Al₂O₃ в количестве, которое больше или равно примерно 2% мол. или меньше или равно примерно 10% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения количество Al₂O₃ в композициях стекла больше или равно примерно 4% мол. и меньше или равно примерно 8% мол. В некоторых других вариантах осуществления изобретения количество Al₂O₃ в композициях стекла больше или равно примерно 5% мол. и меньше или равно примерно 7% мол. В некоторых других вариантах осуществления изобретения количество Al₂O₃ в композициях стекла больше или равно примерно 6% мол. и меньше или равно примерно 8% мол. В других вариантах осуществления изобретения количество Al₂O₃ в композициях стекла больше или равно примерно 5% мол. и меньше или равно примерно 6% мол.

Композиции стекла также содержат один или несколько щелочных оксидов, таких как Na₂O и/или K₂O. Щелочные оксиды облегчают способность композиции стекла к ионному обмену и по этой причине облегчают химическое упрочнение стекла. Щелочной оксид может включать один или оба оксида из Na₂O и K₂O. Щелочные оксиды, как правило, присутствуют в композиции стекла в общей концентрации Y% мол. В некоторых описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения Y может быть больше примерно 2% мол. и меньше или равен примерно 18% мол. В некоторых других вариантах осуществления изобретения Y может быть больше примерно 8% мол., больше примерно 9% мол., больше примерно 10% мол. или даже больше примерно 11% мол. Например, в некоторых описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения Y больше или равен примерно 8% мол. и меньше или равен примерно 18% мол. В других вариантах осуществления изобретения Y может быть больше или равен примерно 9% мол. и меньше или равен примерно 14% мол.

Способность композиции стекла к ионному обмену сообщается композиции стекла, главным образом, тем количеством щелочного оксида Na₂O, которое изначально присутствует в композиции стекла, до ионообмена. Следовательно, в описываемых в настоящем документе вариантах осуществления композиций стекла щелочной оксид присутствует в композиции стекла и включает по меньшей мере Na₂O. А именно, для достижения заданной прочности сжатия и глубины слоя в композиции стекла в ходе ионообменного упрочнения, композиции стекла содержат Na₂O в количестве от примерно 2% мол. до примерно 15% мол. относительно молекулярного веса композиции стекла. В некоторых вариантах осуществления изобретения композиция стекла содержит по меньшей мере около 8% мол. Na₂O относительно молекулярного веса композиции стекла. Например, концентрация Na₂O может быть больше 9% мол., больше 10% мол. и даже больше 11% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения концентрация Na₂O может быть больше или равна 9% мол. или больше или равна 10% мол. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения композиция стекла может содержать Na₂O в количестве, которое больше или равно примерно 9% мол. и меньше или равно примерно 15% мол. или даже больше или равно примерно 9% мол. и меньше или равно 13% мол.

Как указано выше, щелочной оксид в композиции стекла может дополнительно включать К₂О. Количество К₂О, присутствующее в композиции стекла, также влияет на способность композиции стекла к ионному обмену. А именно, с увеличением количества К₂О, присутствующего в композиции стекла, напряжение сжатия, достижимое при ионообмене, снижается в результате обмена ионов калия и натрия. Следовательно, желательно ограничить количество К₂О, присутствующее в композиции стекла. В некоторых вариантах осуществления изобретения количество К₂О больше или равно 0% мол. и меньше или равно 3% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения количество К₂О больше или равно 2% мол. или даже меньше или равно 1,0% мол. В тех вариантах осуществления изобретения, в которых композиция стекла содержит К₂О, К₂О может присутствовать в концентрации, большей или равной примерно 0,01% мол. и меньшей или равной примерно 3,0% мол., или даже большей или равной примерно 0,01% мол. и меньшей или равной примерно 2,0% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения количество К₂О, присутствующее в композиции стекла, больше или равно примерно 0,01% мол. и меньше или равно примерно 1,0% мол. Следовательно, следует понимать, что К₂О не обязательно должен присутствовать в композиции стекла. Однако, когда К₂О включают в композицию стекла, количество К₂О в общем составляет менее примерно 3% мол. относительно молекулярного веса композиции стекла.

Щелочноземельные оксиды могут присутствовать в композиции стекла для улучшения плавкости стекольной шихты и повышения химической стойкости композиции стекла. В описываемых в настоящем документе композициях стекла общая мольная доля щелочноземельных оксидов, присутствующих в композициях стекла, в общем меньше, чем общая мольная доля щелочных оксидов, присутствующих в композициях стекла для повышения способности композиции стекла к ионному обмену. В описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения композиции стекла в общем содержат от примерно 3% мол. до примерно 13% мол. щелочноземельного оксида. В некоторых из этих вариантов осуществления изобретения количество щелочноземельного оксида в композиции стекла может составлять от примерно 4% мол. до примерно 8% мол. или даже от примерно 4% мол. до примерно 7% мол.

Щелочноземельный оксид в композиции стекла может включать MgO, CaO, SrO, BaO или их сочетания. В некоторых вариантах осуществления изобретения щелочноземельный оксид включает MgO, CaO или их сочетания. Например, в описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения щелочноземельный оксид включает MgO. MgO присутствует в композиции стекла в количестве, которое больше или равно примерно 3% мол. и меньше или равно примерно 8% мол. MgO. В некоторых вариантах осуществления изобретения MgO может присутствовать в композиции стекла в количестве, которое больше или равно примерно 3% мол. и меньше или равно примерно 7% мол., или даже больше или равно 4% мол. и меньше или равно примерно 7% мол. относительно молекулярного веса композиции стекла.

В некоторых вариантах осуществления изобретения щелочноземельный оксид может дополнительно включать СаО. В этих вариантах осуществления изобретения СаО присутствует в композиции стекла в количестве от примерно 0% мол. до меньшего или равного 6% мол. относительно молекулярного веса композиции стекла. Например, количество СаО, присутствующего в композиции стекла, может быть меньше или равно 5% мол., меньше или равно 4% мол., меньше или равно 3% мол. или даже меньше или равно 2% мол. В некоторых из этих вариантов осуществления изобретения СаО может присутствовать в композиции стекла в количестве, которое больше или равно примерно 0,1% мол. и меньше или равно примерно 1,0% мол. Например, СаО может присутствовать в композиции стекла в количестве, которое больше или равно примерно 0,2% мол. и меньше или равно примерно 0,7% мол. или даже в количестве, которое больше или равно примерно 0,3% мол. и меньше или равно примерно 0,6% мол.

В описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения композиции стекла, в общем, богаты MgO (т.е., концентрация MgO в композиции стекла больше, чем концентрация в композиции стекла других щелочноземельных оксидов, включая, помимо прочего, СаО). Составление композиции стекла так, чтобы композиция стекла была богата MgO, повышает гидролитическую стойкость готового стекла, особенно после ионообменного упрочнения. Кроме того, богатые MgO композиции стекла, в общем, обладают лучшими параметрами ионообмена по сравнению с композициями стекла, которые богаты другими щелочноземельными оксидами. А именно, стекла, формуемые из богатых MgO композиций, в общем, обладают большей диффузивностью, чем композиции стекла, богатые другими щелочноземельными оксидами, такими как СаО. Более высокая диффузивность позволяет формировать в стекле более глубокие слои. Богатые MgO композиции стекла позволяют достичь на поверхности стекла большего напряжения сжатия по сравнению с композициями стекла, богатыми другими щелочноземельными оксидами, такими как СаО. Кроме того, общепризнано, что в ходе процесса ионообмена и проникновения щелочных ионов глубже в стекло максимальное напряжение сжатия, достигнутое на поверхности стекла, со временем может уменьшаться. Однако стеклам, формуемым из композиций стекла, богатых MgO, свойственно более медленное снижение напряжения сжатия, чем стеклам, изготовленным из композиций стекла, богатых СаО или богатых другими щелочноземельными оксидами (т.е., стеклам, бедным MgO). Таким образом, богатые MgO композиции стекла позволяют получить стекла с более высоким напряжением сжатия на поверхности и большей глубиной слоя, чем стекла, богатые другими щелочноземельными оксидами.

Как было обнаружено, чтобы полностью реализовать преимущества присутствия MgO в композициях стекла, описываемых в настоящем документе, отношение концентрации СаО к сумме концентрации СаО и концентрации MgO в % мол. (т.е., (СаО/(СаО+MgO)) должно быть сведено к минимуму). А именно, было обнаружено, что (СаО/(СаО+MgO)) должно быть меньше или равно 0,5. В некоторых вариантах осуществления изобретения (СаО/(СаО+MgO)) меньше или равно 0,3 или даже меньше или равно 0,2. В некоторых других вариантах осуществления изобретения (СаО/(СаО+MgO)) может быть даже меньше или равно 0,1.

Оксид бора (В₂О₃) представляет собой флюс, который может быть добавлен в композиции стекла с целью уменьшения вязкости при данной температуре (например, температуре деформации, отжига и размягчения) и тем самым улучшения формовочных свойств стекла. Однако было обнаружено, что добавление бора существенно снижает диффузивность ионов натрия и калия в композиции стекла, что, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на способность готового стекла к ионному обмену. В частности, было обнаружено, что добавление бора значительно увеличивает время, необходимое для достижения заданной толщины слоя по сравнению с не содержащими бор композициями. Следовательно, в некоторых описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения количество бора, добавляемое в композицию стекла, сведено к минимуму с целью повышения способности композиции стекла к ионному обмену.

Например, было определено, что влияние бора на способность стекла к ионному обмену может быть ослаблено путем регулирования отношения концентрации В₂О₃ к разности между общей концентрацией щелочных оксидов (т.е., R₂O, где R означает щелочные металлы) и концентрацией оксида алюминия (т.е., В₂О₃(% мол.)/(R₂O(% мол.)–Al₂O₃(% мол.)). В частности, было определено, что когда отношение В₂О₃/(R₂O-Al₂O₃) больше или равно примерно 0 и меньше примерно 0,3 или даже меньше примерно 0,2, диффузивность щелочных оксидов в композициях стекла не снижается и по этой причине способность композиции стекла к ионному обмену сохраняется. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления изобретения отношение В₂О₃/(R₂O-Al₂O₃) больше 0 и меньше или равно 0,3. В некоторых из этих вариантов осуществления изобретения отношение В₂О₃/(R₂O-Al₂O₃) больше 0 и меньше или равно 0,2. В некоторых вариантах осуществления изобретения отношение В₂О₃/(R₂O-Al₂O₃) больше 0 и меньше или равно 0,15 или даже меньше или равно 0,1. В некоторых других вариантах осуществления изобретения отношение В₂О₃/(R₂O-Al₂O₃) может быть больше 0 и меньше или равно 0,05. Поддержание отношения В₂О₃/(R₂O-Al₂O₃) меньшим или равным 0,3 или даже меньшим или равным 0,2 позволяет включать в композицию В₂О₃ с целью снижения температуры деформации, температуры отжига и температуры размягчения композиции стекла без негативного влияния В₂О₃ на способность стекла к ионному обмену.

В описываемых в настоящем документе вариантах осуществления изобретения концентрация В₂О₃ в композиции стекла, в общем, меньше или равна примерно 4% мол., меньше или равна примерно 3% мол., меньше или равна примерно 2% мол. или даже меньше или равна примерно 1% мол. Например, в тех вариантах осуществления изобретения, в которых В₂О₃ присутствует в композиции стекла, концентрация В₂О₃ может быть больше примерно 0,01% мол. и меньше или равна 4% мол. В некоторых из этих вариантов осуществления изобретения концентрация В₂О₃ может быть больше примерно 0,01% мол. и меньше или равна 3% мол. В некоторых вариантах осуществления изобретения В₂О₃ может присутствовать в количестве, которое больше или равно примерно 0,01% мол. и меньше или равно 2% мол. или даже меньше или равно 1,5% мол. В качестве альтернативы, В₂О₃ может присутствовать в количестве, которое больше или равно примерно 1% мол. и меньше или равно 4% мол., больше или равно примерно 1% мол. и меньше или равно 3% мол. или даже больше или равно примерно 1% мол. и меньше или равно 2% мол. В некоторых из этих вариантов осуществления изобретения концентрация В₂О₃ может быть больше или равна примерно 0,1% мол. и меньше или равна 1,0% мол.

Хотя в некоторых из вариантов осуществления изобретения концентрация В₂О₃ в композиции стекла сведена к минимуму с целью повышения формовочных свойств стекла без уменьшения способности стекла к ионному обмену, в некоторых других вариантах осуществления изобретения композиции стекла не содержат бор и соединения бора, такие как В₂О₃. Более конкретно, было обнаружено, что составление композиции стекла без бора или соединений бора способствует повышению способности композиций стекла к ионному обмену посредством снижения времени и/или температуры обработки, необходимых для достижения определенной величины напряжения сжатия и/или глубины слоя.

В некоторых вариантах осуществления композиций стекла, описываемых в настоящем документе, композиции стекла не содержат фосфор и содержащие фосфор соединения, в том числе, помимо прочего, Р₂О₅. А именно, было обнаружено, что составление композиции стекла без фосфора или соединений фосфора способствует увеличению химической