具有單一組分和多種組分離子交換浴的基材離子交換系統(tǒng)和維護(hù)這種系統(tǒng)的方法
【專利說(shuō)明】具有單一組分和多種組分離子交換浴的基材離子交換系統(tǒng)和 維護(hù)這種系統(tǒng)的方法
[00011本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§119要求2013年06月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)系列第61/ 835,808號(hào)的優(yōu)先權(quán)，以及要求2013年06月18日提交的美國(guó)申請(qǐng)系列第61/836,443號(hào)的優(yōu) 先權(quán)，上述申請(qǐng)的內(nèi)容是本申請(qǐng)的基礎(chǔ)并通過(guò)參考完整地結(jié)合于此。
[0002] 背景
[0003]本發(fā)明總體涉及基材離子交換系統(tǒng)，以及維護(hù)和控制這種系統(tǒng)的方法。具體來(lái)說(shuō)， 本發(fā)明的各種實(shí)施方式涉及用于玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷制品的具有單一組分和多種組分 熔融的離子交換浴的離子交換系統(tǒng)，以及用于維護(hù)和控制這種系統(tǒng)的方法。
[0004]通過(guò)局部的組成改性，離子交換（Ι0Χ)過(guò)程用來(lái)改變和控制各種玻璃、玻璃-陶瓷 和陶瓷基材中的金屬離子的濃度。基材中的這些組成改性可用來(lái)改變某些基材性質(zhì)。例如， 作為強(qiáng)化機(jī)理，可將堿金屬離子(例如，Na和K離子)提供進(jìn)入基材的表面區(qū)域。作為另一示 例，可將各種重金屬離子(例如，Ag，Cu和Zn離子)提供進(jìn)入基材的表面區(qū)域，從而為基材提 供抗微生物性質(zhì)。在一些情況下，基材可包含增強(qiáng)基材強(qiáng)度的一些堿金屬離子(下文中，可 將這種基材稱作"強(qiáng)化的基材"），且還可用一種或多種重金屬離子進(jìn)行改性來(lái)提供提供抗 微生物性質(zhì)。
[0005]這些Ι0Χ過(guò)程常常涉及于升高的溫度下在熔鹽浴中浸沒(méi)基材。熔鹽浴包含用于引 入基材中的金屬離子。在Ι0Χ過(guò)程中，基材中的離子與浴中的金屬離子進(jìn)行交換。這樣，對(duì)于 控制在Ι0Χ過(guò)程中與基材交換的離子的數(shù)量，控制浴中金屬離子的濃度至關(guān)重要。這些濃度 水平會(huì)隨時(shí)間改變，因?yàn)樵≈械慕饘匐x子被消耗，并被與基材交換的離子(例如，"流出的離 子"）置換。在某些時(shí)間點(diǎn)，浴中金屬離子的濃度下降到低于通過(guò)I0X過(guò)程在基材中提供所需 的性質(zhì)的可行水平。然而，在制造中，為各次基材離子交換運(yùn)行使用"新鮮的"離子交換浴以 應(yīng)對(duì)這些金屬離子消耗問(wèn)題的做法常常不太符合實(shí)際或不夠經(jīng)濟(jì)。
[0006]因此，本領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)適用于制造操作的系統(tǒng)和方法，其考慮了與基材的Ι0Χ加工 相關(guān)的離子交換浴中的金屬離子濃度隨時(shí)間的變化。
[0007] 概述
[0008]根據(jù)一種實(shí)施方式，提供一種基材離子交換系統(tǒng)，其包含基材、包含具有第一金屬 離子濃度的多個(gè)第一金屬離子的離子交換浴，以及用于容納離子交換浴和基材的容器。離 子交換系統(tǒng)還包含處理器和連接到容器的溫度傳感器，該處理器構(gòu)造成接收來(lái)自傳感器的 容器溫度數(shù)據(jù)和構(gòu)造成至少部分地基于第一金屬離子消耗速率關(guān)系和容器溫度來(lái)評(píng)估第 一金屬離子濃度。此外，所述第一金屬離子消耗速率關(guān)系是預(yù)先決定的。
[0009]根據(jù)另一種實(shí)施方式，提供一種基材離子交換系統(tǒng)，其包含具有包含多個(gè)基材金 屬離子的外部區(qū)域的基材、離子交換浴和用于容納離子交換浴和基材的容器，該離子交換 浴包含具有第一金屬離子濃度的多個(gè)第一金屬離子和具有第二金屬離子濃度的多個(gè)第二 金屬離子。在一種或多種實(shí)施方式中，所述基材離子交換系統(tǒng)可包括包含具有第一金屬離 子濃度的多個(gè)第一金屬離子的第一離子交換浴，且可包括包含具有第二金屬離子濃度的多 個(gè)第二金屬離子的第二離子交換浴?；蛘?，基材可包含強(qiáng)化的基材，其包含多個(gè)基材金屬離 子和任選地包含多個(gè)金屬離子。這種基材可用于包含單一離子交換浴的基材離子交換系 統(tǒng)，該單一離子交換浴包含具有第一金屬離子濃度的多個(gè)第一金屬離子。在一些實(shí)施方式 中，可使用具有不同金屬離子和金屬離子濃度的多于兩種離子交換浴。所述離子交換系統(tǒng) 還包含處理器和連接到容器的溫度傳感器，該處理器構(gòu)造成接收來(lái)自傳感器的容器溫度， 并構(gòu)造成至少部分地基于第一金屬離子消耗速率關(guān)系和容器溫度來(lái)評(píng)估第一金屬離子濃 度。此外，所述第一金屬離子消耗速率關(guān)系是預(yù)先決定的。
[0010] 第一金屬尚子消耗速率關(guān)系可通過(guò)分解分量（component)和基材反應(yīng)分量來(lái)限 定，其各自為阿侖尼烏斯關(guān)系的形式。此外，分解分量可至少部分地基于分解速率常數(shù)和分 解反應(yīng)級(jí)數(shù)。類似地，基材反應(yīng)分量可至少部分地基于基材反應(yīng)速率常數(shù)和基材反應(yīng)級(jí)數(shù)。 例如通過(guò)由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建模，可預(yù)先決定這些反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)級(jí)數(shù)。在一些實(shí)施方式中， 基材反應(yīng)速率常數(shù)和基材反應(yīng)級(jí)數(shù)還可至少部分地基于離子交換浴中的基材金屬離子濃 度。
[0011] 這些實(shí)施方式中的處理器可構(gòu)造成當(dāng)?shù)谝唤饘匐x子濃度等于或低于第一金屬離 子補(bǔ)充閾值時(shí)激活信號(hào)元件。處理器還可構(gòu)造成至少部分地基于離子交換浴中的第一金屬 離子濃度與第一金屬離子補(bǔ)充閾值的比較來(lái)限定第一金屬離子補(bǔ)充方案，并根據(jù)第一金屬 離子補(bǔ)充方案激活信號(hào)元件。
[0012] 根據(jù)其它實(shí)施方式，提供一種維護(hù)離子交換浴的方法。所述方法包括以下步驟:提 供具有包含多個(gè)基材金屬離子的外部區(qū)域的基材;制備離子交換浴，該離子交換浴包含具 有第一金屬離子濃度的多個(gè)第一金屬離子和具有第二金屬離子濃度的多個(gè)第二金屬離子； 以及提供用于容納離子交換浴和基材的容器。所述方法還包含下述步驟:監(jiān)控離子交換浴 的溫度;將基材浸沒(méi)在離子交換浴中，從而多個(gè)基材金屬離子的一部分與多個(gè)第一金屬離 子的一部分進(jìn)行交換;至少部分地基于離子交換浴的溫度、分解分量和基材反應(yīng)分量，來(lái)計(jì) 算第一金屬離子消耗速率;和至少部分地基于第一金屬離子消耗速率，來(lái)估算離子交換浴 中的第一金屬離子濃度。此外，所述分解分量和基材反應(yīng)分量是預(yù)先決定的。
[0013] 所述方法還包括下述步驟：當(dāng)?shù)谝唤饘匐x子濃度等于或低于第一金屬離子補(bǔ)充閾 值時(shí)激活信號(hào)元件。在一些實(shí)施方式中，所述方法可包括下述步驟:至少部分地基于離子交 換浴中的第一金屬離子濃度與第一金屬離子補(bǔ)充閾值的比較來(lái)計(jì)算第一金屬離子補(bǔ)充方 案；以及根據(jù)第一金屬離子補(bǔ)充方案激活信號(hào)元件。
[0014] 在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)所作描述就容易看出，或者通過(guò)實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利 要求書(shū)以及附圖在內(nèi)的本文所述的各種實(shí)施方式而被認(rèn)識(shí)。
[0015] 應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都僅僅是示例性的，用來(lái)提供理解 權(quán)利要求的性質(zhì)和特性的總體評(píng)述或框架。所附附圖提供了對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，附圖 被結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分。【附圖說(shuō)明】了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，并與文字 描述一起用來(lái)解釋各個(gè)實(shí)施方式的原理和操作。
[0016] 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0017] 圖1是根據(jù)一種實(shí)施方式的開(kāi)發(fā)金屬離子消耗模型并將其應(yīng)用于基材離子交換系 統(tǒng)的示意圖。
[0018] 圖2是420°C下熔鹽浴中AgN〇3濃度隨分解時(shí)間變化的作圖，根據(jù)其它實(shí)施方式其 可用來(lái)計(jì)算AgN〇3的熱分解速率。
[0019]圖3是AgN〇3百分比/平方英尺玻璃基材隨離子交換浴中AgN〇3濃度的變化，根據(jù)另 一種實(shí)施方式，其可用來(lái)計(jì)算通過(guò)基材中離子交換的AgN03消耗速率。
[0020] 圖4是根據(jù)另一種實(shí)施方式的具有離子交換浴的基材離子交換系統(tǒng)的示意圖，該 離子交換浴包含多個(gè)第一金屬離子和第二金屬離子。
[0021] 圖5是根據(jù)其它實(shí)施方式的熔鹽浴中AgN03濃度隨基材離子交換運(yùn)行次數(shù)的變化 關(guān)系圖。
[0022] 詳細(xì)描述
[0023]下面詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，這些實(shí)施方式的例子在附圖中示出。只要 有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同或類似的部分。
[0024]本文所述的是用于玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷制品的具有單一組分和多種組分熔融 的離子交換浴的離子交換系統(tǒng)，以及用于維護(hù)和控制這種系統(tǒng)的方法。具體來(lái)說(shuō)，這些離子 交換系統(tǒng)包含模型，其可用來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)離子交換浴中所用的金屬離子的濃度水平隨 著基材離子交換循環(huán)時(shí)間和次數(shù)的變化。然后，可使用該信息來(lái)控制離子交換的基材(其可 為強(qiáng)化的基材或未強(qiáng)化的基材）的性質(zhì)，因?yàn)榻饘匐x子濃度隨時(shí)間的速率與基材中交換的 離子的量相關(guān)。此外，可將這些系統(tǒng)中采用的模型用來(lái)預(yù)測(cè)浴中的金屬離子隨時(shí)間的消耗 速率，從而更好地理解在離子交換浴補(bǔ)充步驟過(guò)程中以固體形式添加金屬離子溶質(zhì)的時(shí)機(jī) 和量。
[0025]例如，可在基材離子交換過(guò)程中使用單一組分和多種組分離子交換浴來(lái)化學(xué)強(qiáng)化 玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷基材并提供抗微生物性質(zhì)，其會(huì)易于分層。如全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用納 入本文的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2010-0028607所教導(dǎo)，可在離子交換浴中以鹽的形式(例如， KN〇3)使用各種堿金屬離子(例如，1^+，1(+，+，(^ +，和1^+)來(lái)化學(xué)強(qiáng)化玻璃基材，該玻