雙離子交換過程的制作方法
【專利說明】雙離子交換過程
[0001] 本申請根據35 U.S.C. § 119,要求2013年5月24日提交的美國臨時申請系列第 61/827, 186號的優先權，本文以該申請為基礎并將其全文通過引用結合于此。 技術背景
[0002] 本發明涉及玻璃的化學強化。更具體來說，本發明涉及通過離子交換過程對玻璃 進行化學強化。甚至更具體來說，本發明涉及通過串聯地進行多次離子交換過程對玻璃進 行化學強化。
[0003] 對玻璃使用離子交換過程，通過在玻璃表面處形成壓縮應力層，從而改善玻璃的 機械性能。通常，將玻璃浸入或者浸沒在鹽浴中，來進行離子交換過程。必須對鹽浴的條件 進行控制，以實現所需的層深度（DOL)和壓縮強度（CS)。浴中的鹽濃度、時間以及溫度是可 用于管理最終獲得的CS和DOL的一些參數。隨著離子交換浴中加工的玻璃量的增加，浴中 較大陽離子的濃度下降，同時在交換過程中從玻璃去除的較小陽離子的濃度增加。該現象 稱作浴"中毒"。離子交換浴中，中毒水平隨時間的增加導致玻璃中所實現的壓縮應力和層 深度的逐漸劣化，通過對工藝參數（例如時間和溫度）進行連續調節得以容忍或解決，從而 維持產品規格。
【發明內容】
[0004] 本發明提供了一種對玻璃的離子交換進行優化的方法。玻璃在一系列的兩個離子 交換浴中進行離子交換。第一離子交換浴含有一定量的中毒離子或鹽，以及第二離子交換 浴含有一定量的所述中毒離子或鹽，該含量小于第一浴中的含量。當第一浴中的中毒離子 /鹽的濃度達到最大值時，放棄第一浴并用第二浴替代，并且用初始不含所述中毒陽離子/ 鹽的第三浴替代第二離子交換浴。可以重復這種浴循環來生產多個玻璃制品，每個玻璃制 品分別具有預定限值內的處于壓縮應力的表面層和層深度。
[0005] 因此，本發明的一個方面提供了一種對多個玻璃制品進行離子交換的方法。該方 法包括：在第一離子交換浴中對第一部分的玻璃制品進行離子交換，第一離子交換浴包括 的中毒陽離子的濃度小于或等于最大濃度X并且大于或等于最小濃度y ;在第一離子交換 浴中對所述第一部分進行離子交換之后，在第二離子交換浴中對所述第一部分進行離子交 換，第二離子交換浴包括的中毒陽離子的濃度小于或等于最小濃度y ;當第一離子交換浴 中的中毒陽離子的濃度超過最大濃度X時，用第一替換離子交換浴來替代第一離子交換 浴，第一替換離子交換浴的中毒離子的濃度小于最大濃度X并且大于或等于最小濃度y ;在 第一替換離子交換浴中對第二部分的玻璃制品進行離子交換；當第二離子交換浴中的中毒 陽離子的濃度大于或等于最小濃度y時，用第二替換離子交換浴來替代第二離子交換浴， 第二離子交換替換浴的中毒離子濃度小于最小濃度y ;以及在第二替換離子交換浴中對所 述第二部分進行尚子交換。
[0006] 本發明的第二個方面提供了一種對多個玻璃制品進行離子交換的方法。該方法 包括：在第一溫度下，通過將第一部分的玻璃制品浸沒在第一離子交換浴中，來進行第一離 子交換步驟，離子交換浴包括一定濃度的第一陽離子和一定濃度的中毒陽離子，其中，第一 陽離子的濃度大于中毒陽離子的濃度，并且其中，中毒陽離子的濃度小于或等于第一濃度X 并且大于或等于第二濃度y;在第一離子交換步驟之后，在第二溫度下，通過將玻璃制品浸 沒在第二離子交換浴中，來進行第二離子交換步驟，第二離子交換浴包括第一陽離子和中 毒陽離子，其中，中毒陽離子存在的濃度小于或等于第二濃度y ;當第一離子交換浴中的中 毒陽離子的濃度等于第一濃度時，用所述第二離子交換浴替換第一離子交換步驟中的第一 離子交換浴；在用所述第二離子交換浴替換了所述第一離子交換浴之后，在第三溫度下，在 第二離子交換浴中對第二部分的所述多個玻璃制品進行離子交換；當第二離子交換浴中的 中毒陽離子的濃度大于或等于第二濃度 y時，用所述第三離子交換浴替換第二離子交換步 驟中的第二離子交換浴，其中，所述第三離子交換浴處于第四溫度，其包括所述第一陽離子 并且基本不含中毒陽離子；以及在用所述第三離子交換浴替換所述第二離子交換浴之后， 在第四溫度下，在第三離子交換浴中對所述第二部分進行離子交換。
[0007] 從以下詳細描述、附圖和所附權利要求書能明顯地看出本發明的上述及其他方 面、優點和顯著特征。
【附圖說明】
[0008] 圖1是雙離子交換過程的流程圖；
[0009] 圖2是玻璃的壓縮應力變化相對于雙離子交換浴中加工的玻璃保持盒的數量的 關系圖；
[0010] 圖3是第一和第二離子交換浴中中毒鹽濃度與浴中加工的玻璃保持盒的數量的 關系圖；
[0011] 圖4是當離子交換浴輪換時，表面壓縮應力與加工的玻璃保持盒的數量的的模型 計算關系圖；
[0012] 圖5是對于第一離子交換浴和第二離子交換浴的中毒NaNO3鹽濃度與加工的玻璃 保持盒的數量的模型計算關系圖；
[0013] 圖6是當第一離子交換浴溫度變化而第二離子交換溫度保持恒定時，表面壓縮應 力與加工的總玻璃表面積的關系圖；
[0014] 圖7是當每個浴中的離子交換時間發生變化以實現近似相同的層深度和起始壓 縮應力值時，表面壓縮應力與加工的總玻璃表面積的關系圖；
[0015] 圖8是當第一離子交換浴中的起始中毒鹽水平變化時，表面壓縮應力與加工的總 玻璃表面積的關系圖；
[0016] 圖9是表1所列的例子中，預測的壓縮應力與實際壓縮應力的差異圖；
[0017] 圖10是表1所列的例子中，預測的層深度與實際層深度的差異圖；以及
[0018] 圖11是表1所列的例子中的離子交換的玻璃的總表面積和加工時間。
【具體實施方式】
[0019] 在以下描述中，相同的附圖標記表示附圖所示的若干視圖中類似或相應的部分。 還應理解，除非另外指出，術語如"頂部"，"底部"，"向外"，"向內"等是方便詞語，不構成對 術語的限制。此外，每當將一個組描述為包含一組要素中的至少一個要素和它們的組合時， 應將其理解為所述組可以單個要素或相互組合的形式包含任何數量的這些所列要素，或者 主要由它們組成，或者由它們組成。類似地，每當將一個組描述為由一組要素中的至少一個 要素或它們的組合組成時，應將其理解為所述組可以單個要素或相互組合的形式由任何數 量的這些所列要素組成。除非另有說明，否則，列舉的數值范圍同時包括所述范圍的上限和 下限，以及所述范圍之間的任意范圍。除非另外說明，否則，本文所用的不定冠詞"一個"或 "一種"及其相應的定冠詞"該"表示至少一（個/種），或者一（個/種）或多（個/種）。 還應理解的是，在說明書和附圖中揭示的各種特征可以任意和所有的組合方式使用。
[0020] 本文所用術語"玻璃"和"玻璃（glasses) "同時包括玻璃和玻璃陶瓷。術語"玻 璃制品"和"玻璃制品（glass articles) "以它們最廣泛的意義來使用，包括全部或部分由 玻璃和/或玻璃陶瓷制成的任何物體。
[0021] 應注意，本文可用術語"基本上"和"約"表示可由任何定量比較、數值、測量或其 它表示方法造成的內在不確定性。在本文中還使用這些術語表示數量的表示值可以與所述 的參比值有一定的偏離程度，但是不會導致審議的主題的基本功能改變。
[0022] 從總體上參見附圖，并具體參見圖1，應理解舉例說明是為了描述本發明的具體實 施方式的目的，這些舉例說明不是用來限制本發明的說明書或所附權利要求書的。為了清 楚和簡明起見，附圖不一定按比例繪制，附圖的某些特征和某些視圖可能按比例放大顯示 或以示意圖方式顯示。
[0023] 本發明涉及對離子交換工藝進行控制和優化的技術，在所述離子交換工藝中，串 聯運行兩個離子交換浴。在離子交換過程中，在距離玻璃制品的表面的一定層深度內，較小 陽離子被鹽浴中可用的相同價態（通常 1+)的較大陽離子替換，以形成壓縮應力層，從而改 善玻璃的機械性能。對諸如浸入玻璃的鹽浴中的時間、溫度以及鹽濃度之類的條件進行控 制，以實現所需的層深度（DOL)和壓縮應力（CS)。
[0024] 隨著相同浴中加工的玻璃量的增加，鹽浴中較大陽離子的數量或濃度變得耗盡， 同時從玻璃去除或交換的較小陽離子的濃度增加。該現象稱作浴的"中毒"。本文所用術語 "中毒離子"和"中毒陽離子"指的是如下這些較小陽離子，它們在離子交換過程中離開玻璃 并進入離子交換/鹽浴，以及"中毒鹽"指的是此類陽離子的鹽。隨著離子交換的進行，中 毒陽離子的濃度增加，導致對于相同鹽浴中進行離子交換的玻璃而言，壓縮應力和層深度 隨時間發生逐漸劣化。
[0025] 增加與第一離子交換浴串聯運行的第二離子交換浴提供了在不同設定點工作的 各個浴的靈活性，從而操作離子交換的層深度內的玻璃的應力曲線。在中毒的第一浴中進 行離子交換，然后在較"未中毒"或"新鮮"的第二浴中進行離子交換，可改善鹽利用率。仍 可在中毒的浴中進行部分離子交換，并且可以在新鮮浴中進行符合具體CS和DOL要求所需 的余下離子交換。此外，在中毒的第一浴中進行離子交換，然后在第二新鮮浴中進行離子交 換，增加了玻璃表面處的壓縮應力。除此之外，使用兩個離子交換浴提供了可用于實現所需 CS和DOL范圍的不止一組參數。本發明采用詳細的基本原理模型以及實驗結果，來提供工 藝理解和控制策略，從而管理雙離子交換過程并限定滿足上文所列目標的操作窗口。
[0026] 本文所述的雙離子交換方法對于在相同浴或者相同的一系列浴中加工的一系