用于具有多種組分離子交換浴的基材離子交換系統(tǒng)的混合設(shè)備以及混合這種浴的方法
【專利說明】用于具有多種組分離子交換浴的基材離子交換系統(tǒng)的混合設(shè)備以及混合這種浴的方法
[0001 ]本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§119要求2013年6月17日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)系列第61/835，764號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)的內(nèi)容為基礎(chǔ)并通過參考將其完整地結(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。具體來說，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多種組分熔融的離子交換浴的離子交換系統(tǒng)中所用的混合設(shè)備，以及混合這種浴的方法。
[0004]通過局部的組成改性，離子交換(Ι0Χ)過程用來改變和控制不同玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷基材中的金屬離子的濃度?；闹械倪@些組成改性可用來改變某些基材性質(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，可將不同的重金屬離子(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)。
[0005]這些Ι0Χ過程常常涉及在升高的溫度下將基材浸沒于多種組分離子交換浴中。熔鹽浴包含用于引入基材的金屬離子。在Ι0Χ過程中，基材中的離子與浴中的金屬離子進(jìn)行交換，通常在基材的外部區(qū)域之內(nèi)。這樣，對(duì)于控制在基材的外部區(qū)域之內(nèi)交換的離子的數(shù)量，在Ι0Χ過程中控制浴中金屬離子的濃度至關(guān)重要。
[0006]這些濃度水平可隨時(shí)間改變，因?yàn)樵≈械慕饘匐x子被消耗，并被從基材交換出的離子(例如，“流出的離子”)置換。濃度水平的這些變化常常表現(xiàn)為觀察到的在延長的時(shí)間段內(nèi)于一系列離子交換的基材中交換的金屬離子的量的逐漸的變化。然而，存在其它情況，其中交換的金屬離子的量意料之外地在進(jìn)行離子交換過程的特定基材的區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化。類似地，在進(jìn)行單一離子交換過程或運(yùn)行(run)的多個(gè)基材中，觀察到不同基材之間提供的金屬離子的量發(fā)生顯著變化，該變化取決于基材在離子交換容器之內(nèi)的位置。這種提供的金屬離子的量的局部變化可導(dǎo)致離子交換的基材的性質(zhì)發(fā)生不利的或意料之外的變化。
[0007]因此，本領(lǐng)域需要開發(fā)適用于制造操作的系統(tǒng)和方法，其考慮、控制和最小化在進(jìn)行離子交換過程的基材中可能發(fā)生的隨時(shí)間的金屬離子濃度的局部變化。
[0008]概述
[0009]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所述離子交換浴和基材的容器，該離子交換浴包含以第一金屬離子濃度具有多個(gè)第一金屬離子的第一金屬鹽以及以第二金屬離子濃度具有多個(gè)第二金屬離子的第二金屬鹽。所述系統(tǒng)還包含混合設(shè)備，其構(gòu)造成對(duì)浴進(jìn)行混合，從而容器中的浴中的第一金屬離子濃度是基本上均勻的?；慕饘匐x子是可與所述多個(gè)第一金屬離子和多個(gè)第二金屬離子進(jìn)行離子交換的，且第一金屬鹽和第二金屬鹽是可互混的和熔融的。
[0010]混合設(shè)備可構(gòu)造成增加第一金屬鹽進(jìn)入第二金屬鹽的溶解速率。在其它可能的變體中，混合設(shè)備還可基本上位于容器之內(nèi)且可包含葉輪組件、噴霧組件、混合框架組件、分配器籃或離線的攪拌器組件。
[0011]根據(jù)其它的實(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，該離子交換浴包含以第一金屬離子濃度具有多個(gè)第一金屬離子的第一金屬鹽以及以第二金屬離子濃度具有多個(gè)第二金屬離子的第二金屬鹽;和提供用于容納離子交換浴和基材的容器。所述方法還包括以下步驟:將基材浸沒于離子交換浴中，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;和對(duì)浴進(jìn)行混合，從而容器內(nèi)的浴中的第一金屬離子濃度是基本上均勻的。此外，第一金屬鹽和第二金屬鹽是可互混的和熔融的。
[0012]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，或者通過實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利要求書以及附圖在內(nèi)的本文所述的各種實(shí)施方式而被認(rèn)識(shí)。
[0013]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)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分?！靖綀D說明】了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，并與文字描述一起用來解釋各個(gè)實(shí)施方式的原理和操作。
[0014]附圖簡要說明
[0015]圖1的圖片顯示實(shí)際的和模型化的離子交換浴中的AgN03濃度水平，以及玻璃基材中的Ag+濃度全部隨在AgN03-KN03離子交換浴中進(jìn)行的基材離子交換運(yùn)行次數(shù)的變化。
[0016]圖2是根據(jù)一種實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有用于混合離子交換浴的在容器中的葉輪組件。
[0017]圖3A是根據(jù)另一種實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有在較大容器中的在升高的位置處的可拆卸的葉輪組件，該葉輪組件用于混合離子交換浴。
[0018]圖3B顯示圖3A中的基材離子交換系統(tǒng)處于下述狀態(tài):可拆卸的葉輪組件移動(dòng)到位于離子交換浴之內(nèi)的位置。
[0019]圖3C顯示圖3A中的基材離子交換系統(tǒng)處于下述狀態(tài):可拆卸的葉輪組件在較大容器之內(nèi)操作來混合離子交換浴，從而改善浴中的第一金屬離子濃度的均勻性。
[0020]圖3D顯示圖3A中的基材離子交換系統(tǒng)處于下述狀態(tài):葉輪組件移動(dòng)到了離子交換浴上方的位置。
[0021]圖4A是根據(jù)其它實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有在容器中的用于混合離子交換浴的可回縮的噴霧組件。
[0022]圖4B圖4A中所示的噴霧組件的噴霧噴嘴的底部表面端部的仰視圖(end-on，upward view)。
[0023]圖4C是圖4A所示的噴霧組件中的噴霧噴嘴的橫截面視圖。
[0024]圖5A是根據(jù)其它實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有用于混合離子交換浴的在容器的底部部分中的噴霧組件。
[0025]圖5B是圖5A所示的具有噴霧組件的基材離子交換系統(tǒng)的橫截面視圖。
[0026]圖5C是圖5A中所示的噴霧組件的俯視圖。
[0027]圖f5D是圖5A所示的噴霧組件中所用噴霧管的橫截面視圖。
[0028]圖6A是根據(jù)其它實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有用于混合離子交換浴的在容器中的混合框架組件。
[0029]圖6B提供圖6A所示的混合框架組件的橫截面視圖，其演示框架在離子交換浴中的向上移動(dòng)和向下移動(dòng)。
[0030]圖6C是根據(jù)另一種實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有用于混合離子交換浴的在容器中的含垂直取向的翼的混合框架組件。
[0031]圖6D提供圖6C中所示的混合框架組件的橫截面視圖，其演示框架在離子交換浴中的向上移動(dòng)和向下移動(dòng)。
[0032]圖7是根據(jù)其它實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有用于混合離子交換浴的在容器中的分配器籃組件。
[0033]圖8是根據(jù)其它實(shí)施方式的基材離子交換系統(tǒng)的剖切透視圖，其具有用于混合離子交換浴的在罐中的離線的攪拌器組件。
[0034]詳細(xì)描述
[0035]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)記來表示相同或類似的部分。
[0036]現(xiàn)已理解，在因?yàn)楦鞣N制造目的改變離子交換浴之后，在基材離子交換過程所用的多種組分浴中不同位置處的濃度水平會(huì)隨時(shí)間而改變。如本文所使用，浴中的“分層”或“濃度不均勻性”指在多種組分離子交換浴(例如，AgN03和KN03)中的一種或多種組分在浴中相對(duì)于它們的平均濃度水平進(jìn)行去分層(de-stratify)。即，例如具有濃度為0.5重量％的AgN03的AgN03-KN03離子交換浴可具有局部區(qū)域，該局部區(qū)域的AgN03濃度水平顯著低于或高于0.5重量％的平均濃度水平。
[0037]濃度不均勻性可在最初制備浴加料的過程中形成，其中將一組金屬離子例如以固體金屬鹽的形式加入另一種已經(jīng)是熔融形式的熔融的鹽。當(dāng)在基材離子交換過程中金屬離子在浴中消耗時(shí)，在離子交換浴中補(bǔ)充相同類型的金屬離子的步驟也會(huì)在浴中形成濃度不均勻性。最后，浴中的這些局部化的濃度水平改變常常通過進(jìn)行離子交換過程的基材的性質(zhì)的不利變化來顯示。
[0038]具體來說，可在基材離子交換過程中使用多種組分離子交換浴來化學(xué)強(qiáng)化玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷基材并提供和抗微生物性質(zhì)，但是該多種組分離子交換浴可能易于分層。如全