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和維護這種系統的方法
【專利說明】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和 維護這種系統的方法
[00011本申請根據35U.S.C.§119要求2013年06月17日提交的美國臨時申請系列第61/ 835,808號的優先權，以及要求2013年06月18日提交的美國申請系列第61/836,443號的優 先權，上述申請的內容是本申請的基礎并通過參考完整地結合于此。
[0002] 背景
[0003]本發明總體涉及基材離子交換系統，以及維護和控制這種系統的方法。具體來說， 本發明的各種實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，以及用于維護和控制這種系統的方法。
[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改變某些基材性質。例如， 作為強化機理，可將堿金屬離子(例如，Na和K離子)提供進入基材的表面區域。作為另一示 例，可將各種重金屬離子(例如，Ag，Cu和Zn離子)提供進入基材的表面區域，從而為基材提 供抗微生物性質。在一些情況下，基材可包含增強基材強度的一些堿金屬離子(下文中，可 將這種基材稱作"強化的基材"），且還可用一種或多種重金屬離子進行改性來提供提供抗 微生物性質。
[0005]這些Ι0Χ過程常常涉及于升高的溫度下在熔鹽浴中浸沒基材。熔鹽浴包含用于引 入基材中的金屬離子。在Ι0Χ過程中，基材中的離子與浴中的金屬離子進行交換。這樣，對于 控制在Ι0Χ過程中與基材交換的離子的數量，控制浴中金屬離子的濃度至關重要。這些濃度 水平會隨時間改變，因為浴中的金屬離子被消耗，并被與基材交換的離子(例如，"流出的離 子"）置換。在某些時間點，浴中金屬離子的濃度下降到低于通過I0X過程在基材中提供所需 的性質的可行水平。然而，在制造中，為各次基材離子交換運行使用"新鮮的"離子交換浴以 應對這些金屬離子消耗問題的做法常常不太符合實際或不夠經濟。
[0006]因此，本領域需要開發適用于制造操作的系統和方法，其考慮了與基材的Ι0Χ加工 相關的離子交換浴中的金屬離子濃度隨時間的變化。
[0007] 概述
[0008]根據一種實施方式，提供一種基材離子交換系統，其包含基材、包含具有第一金屬 離子濃度的多個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 子交換系統還包含處理器和連接到容器的溫度傳感器，該處理器構造成接收來自傳感器的 容器溫度數據和構造成至少部分地基于第一金屬離子消耗速率關系和容器溫度來評估第 一金屬離子濃度。此外，所述第一金屬離子消耗速率關系是預先決定的。
[0009]根據另一種實施方式，提供一種基材離子交換系統，其包含具有包含多個基材金 屬離子的外部區域的基材、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第一金屬離子和具有第二金屬離子濃度的多個第二 金屬離子。在一種或多種實施方式中，所述基材離子交換系統可包括包含具有第一金屬離 子濃度的多個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 個第二金屬離子的第二離子交換浴。或者，基材可包含強化的基材，其包含多個基材金屬離 子和任選地包含多個金屬離子。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，該單一離子交換浴包含具有第一金屬離子濃度的多個第一金屬離子。在一些實施方式 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 還包含處理器和連接到容器的溫度傳感器，該處理器構造成接收來自傳感器的容器溫度， 并構造成至少部分地基于第一金屬離子消耗速率關系和容器溫度來評估第一金屬離子濃 度。此外，所述第一金屬離子消耗速率關系是預先決定的。
[0010] 第一金屬尚子消耗速率關系可通過分解分量（component)和基材反應分量來限 定，其各自為阿侖尼烏斯關系的形式。此外，分解分量可至少部分地基于分解速率常數和分 解反應級數。類似地，基材反應分量可至少部分地基于基材反應速率常數和基材反應級數。 例如通過由經驗數據建模，可預先決定這些反應速率常數和反應級數。在一些實施方式中， 基材反應速率常數和基材反應級數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] 這些實施方式中的處理器可構造成當第一金屬離子濃度等于或低于第一金屬離 子補充閾值時激活信號元件。處理器還可構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充閾值的比較來限定第一金屬離子補充方案，并根據第一金屬 離子補充方案激活信號元件。
[0012] 根據其它實施方式，提供一種維護離子交換浴的方法。所述方法包括以下步驟:提 供具有包含多個基材金屬離子的外部區域的基材;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第一金屬離子和具有第二金屬離子濃度的多個第二金屬離子； 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:監控離子交換浴 的溫度;將基材浸沒在離子交換浴中，從而多個基材金屬離子的一部分與多個第一金屬離 子的一部分進行交換;至少部分地基于離子交換浴的溫度、分解分量和基材反應分量，來計 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分量是預先決定的。
[0013] 所述方法還包括下述步驟：當第一金屬離子濃度等于或低于第一金屬離子補充閾 值時激活信號元件。在一些實施方式中，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充閾值的比較來計算第一金屬離子補充方 案；以及根據第一金屬離子補充方案激活信號元件。
[0014] 在以下的詳細描述中提出了本發明的其他特征和優點，其中的部分特征和優點對 本領域的技術人員而言，根據所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細描述、權利 要求書以及附圖在內的本文所述的各種實施方式而被認識。
[0015] 應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都僅僅是示例性的，用來提供理解 權利要求的性質和特性的總體評述或框架。所附附圖提供了對本發明的進一步理解，附圖 被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。【附圖說明】了一個或多個實施方式，并與文字 描述一起用來解釋各個實施方式的原理和操作。
[0016] 附圖簡要說明
[0017] 圖1是根據一種實施方式的開發金屬離子消耗模型并將其應用于基材離子交換系 統的示意圖。
[0018] 圖2是420°C下熔鹽浴中AgN〇3濃度隨分解時間變化的作圖，根據其它實施方式其 可用來計算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，根據另 一種實施方式，其可用來計算通過基材中離子交換的AgN03消耗速率。
[0020] 圖4是根據另一種實施方式的具有離子交換浴的基材離子交換系統的示意圖，該 離子交換浴包含多個第一金屬離子和第二金屬離子。
[0021] 圖5是根據其它實施方式的熔鹽浴中AgN03濃度隨基材離子交換運行次數的變化 關系圖。
[0022] 詳細描述
[0023]下面詳細參考本發明的優選實施方式，這些實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記來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，以及用于維護和控制這種系統的方法。具體來說，這些離子 交換系統包含模型，其可用來預測一個或多個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時間和次數的變化。然后，可使用該信息來控制離子交換的基材(其可 為強化的基材或未強化的基材）的性質，因為金屬離子濃度隨時間的速率與基材中交換的 離子的量相關。此外，可將這些系統中采用的模型用來預測浴中的金屬離子隨時間的消耗 速率，從而更好地理解在離子交換浴補充步驟過程中以固體形式添加金屬離子溶質的時機 和量。
[0025]例如，可在基材離子交換過程中使用單一組分和多種組分離子交換浴來化學強化 玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷基材并提供抗微生物性質，其會易于分層。如全部內容通過引用納 入本文的美國專利申請公開號2010-0028607所教導，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^+)來化學強化玻璃基材，該玻