具有单一组分和多种组分离子交换浴的基材离子交换系统和维护这种系统的方法
【专利说明】具有单一组分和多种组分离子交换浴的基材离子交换系统和 维护这种系统的方法
[00011本申请根据35U.S.C.§119要求2013年06月17日提交的美国临时申请系列第61/ 835,808号的优先权，以及要求2013年06月18日提交的美国申请系列第61/836,443号的优 先权，上述申请的内容是本申请的基础并通过参考完整地结合于此。
[0002] 背景
[0003]本发明总体涉及基材离子交换系统，以及维护和控制这种系统的方法。具体来说， 本发明的各种实施方式涉及用于玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷制品的具有单一组分和多种组分 熔融的离子交换浴的离子交换系统，以及用于维护和控制这种系统的方法。
[0004]通过局部的组成改性，离子交换（Ι0Χ)过程用来改变和控制各种玻璃、玻璃-陶瓷 和陶瓷基材中的金属离子的浓度。基材中的这些组成改性可用来改变某些基材性质。例如， 作为强化机理，可将碱金属离子(例如，Na和K离子)提供进入基材的表面区域。作为另一示 例，可将各种重金属离子(例如，Ag，Cu和Zn离子)提供进入基材的表面区域，从而为基材提 供抗微生物性质。在一些情况下，基材可包含增强基材强度的一些碱金属离子(下文中，可 将这种基材称作"强化的基材"），且还可用一种或多种重金属离子进行改性来提供提供抗 微生物性质。
[0005]这些Ι0Χ过程常常涉及于升高的温度下在熔盐浴中浸没基材。熔盐浴包含用于引 入基材中的金属离子。在Ι0Χ过程中，基材中的离子与浴中的金属离子进行交换。这样，对于 控制在Ι0Χ过程中与基材交换的离子的数量，控制浴中金属离子的浓度至关重要。这些浓度 水平会随时间改变，因为浴中的金属离子被消耗，并被与基材交换的离子(例如，"流出的离 子"）置换。在某些时间点，浴中金属离子的浓度下降到低于通过I0X过程在基材中提供所需 的性质的可行水平。然而，在制造中，为各次基材离子交换运行使用"新鲜的"离子交换浴以 应对这些金属离子消耗问题的做法常常不太符合实际或不够经济。
[0006]因此，本领域需要开发适用于制造操作的系统和方法，其考虑了与基材的Ι0Χ加工 相关的离子交换浴中的金属离子浓度随时间的变化。
[0007] 概述
[0008]根据一种实施方式，提供一种基材离子交换系统，其包含基材、包含具有第一金属 离子浓度的多个第一金属离子的离子交换浴，以及用于容纳离子交换浴和基材的容器。离 子交换系统还包含处理器和连接到容器的温度传感器，该处理器构造成接收来自传感器的 容器温度数据和构造成至少部分地基于第一金属离子消耗速率关系和容器温度来评估第 一金属离子浓度。此外，所述第一金属离子消耗速率关系是预先决定的。
[0009]根据另一种实施方式，提供一种基材离子交换系统，其包含具有包含多个基材金 属离子的外部区域的基材、离子交换浴和用于容纳离子交换浴和基材的容器，该离子交换 浴包含具有第一金属离子浓度的多个第一金属离子和具有第二金属离子浓度的多个第二 金属离子。在一种或多种实施方式中，所述基材离子交换系统可包括包含具有第一金属离 子浓度的多个第一金属离子的第一离子交换浴，且可包括包含具有第二金属离子浓度的多 个第二金属离子的第二离子交换浴。或者，基材可包含强化的基材，其包含多个基材金属离 子和任选地包含多个金属离子。这种基材可用于包含单一离子交换浴的基材离子交换系 统，该单一离子交换浴包含具有第一金属离子浓度的多个第一金属离子。在一些实施方式 中，可使用具有不同金属离子和金属离子浓度的多于两种离子交换浴。所述离子交换系统 还包含处理器和连接到容器的温度传感器，该处理器构造成接收来自传感器的容器温度， 并构造成至少部分地基于第一金属离子消耗速率关系和容器温度来评估第一金属离子浓 度。此外，所述第一金属离子消耗速率关系是预先决定的。
[0010] 第一金属尚子消耗速率关系可通过分解分量（component)和基材反应分量来限 定，其各自为阿仑尼乌斯关系的形式。此外，分解分量可至少部分地基于分解速率常数和分 解反应级数。类似地，基材反应分量可至少部分地基于基材反应速率常数和基材反应级数。 例如通过由经验数据建模，可预先决定这些反应速率常数和反应级数。在一些实施方式中， 基材反应速率常数和基材反应级数还可至少部分地基于离子交换浴中的基材金属离子浓 度。
[0011] 这些实施方式中的处理器可构造成当第一金属离子浓度等于或低于第一金属离 子补充阈值时激活信号元件。处理器还可构造成至少部分地基于离子交换浴中的第一金属 离子浓度与第一金属离子补充阈值的比较来限定第一金属离子补充方案，并根据第一金属 离子补充方案激活信号元件。
[0012] 根据其它实施方式，提供一种维护离子交换浴的方法。所述方法包括以下步骤:提 供具有包含多个基材金属离子的外部区域的基材;制备离子交换浴，该离子交换浴包含具 有第一金属离子浓度的多个第一金属离子和具有第二金属离子浓度的多个第二金属离子； 以及提供用于容纳离子交换浴和基材的容器。所述方法还包含下述步骤:监控离子交换浴 的温度;将基材浸没在离子交换浴中，从而多个基材金属离子的一部分与多个第一金属离 子的一部分进行交换;至少部分地基于离子交换浴的温度、分解分量和基材反应分量，来计 算第一金属离子消耗速率;和至少部分地基于第一金属离子消耗速率，来估算离子交换浴 中的第一金属离子浓度。此外，所述分解分量和基材反应分量是预先决定的。
[0013] 所述方法还包括下述步骤：当第一金属离子浓度等于或低于第一金属离子补充阈 值时激活信号元件。在一些实施方式中，所述方法可包括下述步骤:至少部分地基于离子交 换浴中的第一金属离子浓度与第一金属离子补充阈值的比较来计算第一金属离子补充方 案；以及根据第一金属离子补充方案激活信号元件。
[0014] 在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对 本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利 要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
[0015] 应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解 权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图 被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。【附图说明】了一个或多个实施方式，并与文字 描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
[0016] 附图简要说明
[0017] 图1是根据一种实施方式的开发金属离子消耗模型并将其应用于基材离子交换系 统的示意图。
[0018] 图2是420°C下熔盐浴中AgN〇3浓度随分解时间变化的作图，根据其它实施方式其 可用来计算AgN〇3的热分解速率。
[0019]图3是AgN〇3百分比/平方英尺玻璃基材随离子交换浴中AgN〇3浓度的变化，根据另 一种实施方式，其可用来计算通过基材中离子交换的AgN03消耗速率。
[0020] 图4是根据另一种实施方式的具有离子交换浴的基材离子交换系统的示意图，该 离子交换浴包含多个第一金属离子和第二金属离子。
[0021] 图5是根据其它实施方式的熔盐浴中AgN03浓度随基材离子交换运行次数的变化 关系图。
[0022] 详细描述
[0023]下面详细参考本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要 有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
[0024]本文所述的是用于玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷制品的具有单一组分和多种组分熔融 的离子交换浴的离子交换系统，以及用于维护和控制这种系统的方法。具体来说，这些离子 交换系统包含模型，其可用来预测一个或多个离子交换浴中所用的金属离子的浓度水平随 着基材离子交换循环时间和次数的变化。然后，可使用该信息来控制离子交换的基材(其可 为强化的基材或未强化的基材）的性质，因为金属离子浓度随时间的速率与基材中交换的 离子的量相关。此外，可将这些系统中采用的模型用来预测浴中的金属离子随时间的消耗 速率，从而更好地理解在离子交换浴补充步骤过程中以固体形式添加金属离子溶质的时机 和量。
[0025]例如，可在基材离子交换过程中使用单一组分和多种组分离子交换浴来化学强化 玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷基材并提供抗微生物性质，其会易于分层。如全部内容通过引用纳 入本文的美国专利申请公开号2010-0028607所教导，可在离子交换浴中以盐的形式(例如， KN〇3)使用各种碱金属离子(例如，1^+，1(+，+，(^ +，和1^+)来化学强化玻璃基材，该玻