用于对玻璃制品进行离子交换的离子交换系统和方法与流程

相关申请的交叉参考

本申请根据35u.s.c.§120要求2018年11月29日提交的美国临时申请系列第62/772,842号的优先权，其内容作为本申请的基础并且通过参考完整地结合于此。

领域

本公开总体上涉及用于对玻璃制品进行离子交换的离子交换系统和方法，更具体地涉及具有多个腔室的离子交换系统。

背景

由于玻璃相对于其他材料的气密性、光学透明性和出色化学耐久性，玻璃一直被用作许多应用的优选材料，包括食品和饮料包装、药品包装、厨房和实验室玻璃器皿以及窗户或其他建筑特征。

然而，玻璃的许多机械性能限制了玻璃在许多应用中的使用。特别地，玻璃破损是一个问题，尤其是在食品、饮料和药品包装中。在食品、饮料和药物包装行业中，破损的代价会很高，其原因是，例如，在药品灌装线上的破损可能要求丢弃相邻的未破损容器，因为容器中可能包含破损容器的碎片。破损还会要求减慢或停止灌装线，从而降低产量。此外，非灾难性的破损(即当玻璃破裂但未破碎时)可能导致玻璃包装或容器的内容物失去无菌性，这进而可能导致代价高昂的产品召回。

玻璃破损的一个根本原因是在加工玻璃时和/或在随后的灌装过程中在玻璃表面中引入了缺陷。这些缺陷可能从多种来源引入玻璃表面，包括相邻玻璃器皿之间的接触以及玻璃与设备(例如输运和/或灌装设备)之间的接触。无论来源如何，这些缺陷的存在最终都可能导致玻璃破损。

离子交换处理是用于强化玻璃制品的过程。离子交换通过用来自熔融盐浴的较大离子化学替代玻璃制品内的较小离子，从而在玻璃制品的表面上赋予压缩(即压缩应力)。玻璃制品表面上的压缩提高了传播裂纹的机械应力阈值，从而提高了玻璃制品的整体强度。表面压缩和层深度取决于离子交换处理的时间和温度。中心张力在玻璃厚度的中心形成，以抵消表面压缩。当增加时间和提高温度以增加层深度时，由于应力松弛和力平衡，表面压缩随着时间下降，这降低了玻璃制品的强度。中心张力、层深度和表面压缩的组合都可以提高部件的功能性。

通常，常规的离子交换过程在离子交换浴中进行，该离子交换浴包括配置为容纳多达约30公吨熔融盐的大槽。在离子交换过程中，固体可以作为添加剂加入到浴中，这些添加剂可以除去浴中存在的杂质，控制浴的化学性质(例如浴的ph)，或者捕获离子交换过程的副产物以延长浴中盐的使用寿命。这样的固体倾向于沉降到盐浴的底部，并且可以形成具有增加的固体浓度的熔融盐区域。此外，离子交换浴中较小离子的浓度增加，而离子交换浴中较大离子的浓度减小，最终达到这样一个条件，即较大离子的浓度太低而无法维持与玻璃表面平衡的足够高的浓度，导致表面压应力降至目标值以下。在达到这样的浓度之前，通常从离子交换浴槽中排出盐，并用新鲜的盐重新填注整个浴槽。但是，在浴槽底部的固体浓度趋于减慢盐的流动，这增加了从浴槽中除去盐的难度。这继而增加了重新填注浴槽所需的停工时间，导致与常规离子交换处理相关的成本增加。

概述

根据本公开的实施方式，提供了一种离子交换槽。该离子交换槽包括由堰系统隔开的处理室和添加剂室，该堰系统具有将处理室与添加剂室流体连接的流动通道，其中该流动通过第一隔板与添加剂室分开，通过第二隔板与处理室分开，其中添加剂室包括设置在其中的固体吸收材料。

根据本公开的实施方式，提供了一种对玻璃制品进行离子交换的方法。该方法包括将新鲜盐和固体添加剂添加到离子交换槽的添加剂室中；将热量施加到添加剂室以形成熔融盐；使熔融盐流出添加剂室，穿过离子交换槽的堰系统的流动通道，进入离子交换槽的处理室；并在处理室中对至少一个玻璃制品进行离子交换处理，其中添加剂室包含设置在其中的固体吸收材料。

在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，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。

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。

附图简要说明

从下面仅通过非限制性示例的方式给出的描述和附图，将更清楚地理解本公开，其中：

图1示意性地示出了根据本公开的实施方式的离子交换槽；

图2示意性地示出了根据本公开的实施方式的离子交换槽；

图3示意性地示出了根据本公开的实施方式的离子交换槽；

图4示意性地示出了根据本公开的实施方式的盒组件的截面图；

图5示出了根据本公开的实施方式的具有旋转工具的机械升举系统；

图6示意性地示出了根据本公开的实施方式的离子交换槽的添加剂室的截面图；以及

图7示意性地示出了根据本公开的实施方式的离子交换槽的添加剂室的截面图。

具体实施方式

如本文所用，“具有”、“具备”、“包括”、“包含”、“含有”、“含”等以其开放式含义使用，并且通常意指“包括但不限于”。

除非另有说明，否则本文使用的所有科学和技术术语具有本领域中通常使用的含义。本文提供的定义是为了促进对本文经常使用的某些术语的理解，而不是要限制本公开的范围。

下面首先从总体上描述本公开，然后基于几个示例性实施方式作详细描述。在各个示例性实施方式中彼此结合示出的特征不必全部实现。特别地，各个特征也可以被省略或以某种其他方式与相同示例性实施方式或其他示例性实施方式所示的其他特征组合。

本公开的实施方式涉及一种离子交换槽，该离子交换槽具有通过堰系统分开的处理室和添加剂室。添加剂室包括固体吸收材料，并且至少一个玻璃制品至少部分地浸入处理室中的盐浴中，在该盐浴中进行离子交换过程。本公开的实施方式有利地降低了在玻璃制品上进行离子交换处理的处理室中固体添加剂的浓度。这样，与常规离子交换处理中使用的槽相比，本文所述的离子交换槽有助于更快地对处理室进行排出和重新填注的操作。本公开的实施方式还有利地允许在将新鲜盐添加到添加剂室并且将热施加到添加剂室106b以熔化新鲜盐形成熔融盐的同时，在处理室中进行离子交换处理。在常规离子交换处理使用的槽中，在开始离子交换处理之前，必须先将添加到槽中的新鲜盐加热以形成熔融盐，与之相比，本文所述的离子交换槽允许处理室填注熔融盐，并且一旦完成对处理室的填注，就可以在处理室中开始离子交换过程。

如本文所用，术语“常规离子交换过程”是指这样一种离子交换过程，其中玻璃制品中较小的碱金属离子被交换为较大的碱金属离子，以在玻璃制品中赋予压缩应力，其中离子交换过程在相同的盐浴中对一系列玻璃制品或一系列批次的多个玻璃制品进行相同的操作。

参考图1，示出了根据本公开的实施方式的离子交换槽的横截面。离子交换槽100包括底部102和侧壁104，底部102和侧壁104限定了构造成容纳熔融盐浴的内部空间106。离子交换槽的内部空间106包括由堰系统110隔开的添加剂室106a和处理室106b。如图所示，堰系统110包括从槽100的顶部向槽100的底部102延伸的第一隔板112和从槽100的底部102向槽100的顶部延伸的第二隔板114。流动通道116设置在第一隔板112和第二隔板114之间。第一隔板112将添加剂室106b与流动通道116分隔开，第二隔板114将处理室106a与流动通道116分隔开。离子交换槽100的底部102与第一隔板112之间的开口118将添加剂室106b流体连接至堰系统110的流动通道116。

图1示出了包括堰系统110的第二隔板114的离子交换槽100，该第二隔板114的高度与离子交换槽100的侧壁104的高度基本相似。但应理解，第二隔板114可以具有任何高度，例如小于离子交换槽100的侧壁104的高度的任何高度。图2示出了包括堰系统110的第二隔板114的离子交换槽100，该第二隔板114的高度小于离子交换槽100的侧壁104的高度。

离子交换槽100还可以包括入口122，新鲜盐和/或固体添加剂可通过入口122引入添加剂室106b。离子交换槽100还可以包括处理室出口120a，通过该处理室出口120a可以从处理室106a去除熔融盐。处理室出口120a可以通过在处理室106a内设置在离子交换槽100的底部102中的开口流体地连接至处理室106a。或者，开口可以在处理室106a内设置在离子交换槽100的侧壁104中。另外，该系统还可包括添加剂室出口120b，通过添加剂室出口120b可将添加剂室106b的内容物(包括固体添加剂)从添加剂室106b中移出。添加剂室出口120b可以通过在添加剂室106b内设置在离子交换槽100的底部102中的开口流体地连接至添加剂室106b。或者，开口可以在添加剂室106b内设置在离子交换槽100的侧壁104中。

如图1进一步所示，本文所述的离子交换槽100可包括多个加热装置130a、130b，其被配置为将盐浴加热至离子交换温度，离子交换温度通常是第一和第二金属盐熔融的温度。离子交换温度可以例如但不限于在约380℃至约570℃之间；然而，本领域技术人员将理解，可以使用其他温度。根据本公开的实施方式，第一加热装置130a可以被定位和配置为加热处理室106a，并且第二加热装置130b可以被定位和配置为加热添加剂室106b。在本文中设想，第一加热装置130a和第二加热装置130b各自可以包括多个加热装置。第一和第二加热装置130a、130b可以具有相同的工作功率，或者加热装置130a可以具有与加热装置130b不同的工作功率。作为一个非限制性示例，第二加热装置130b可以将添加剂室106b加热到形成熔融盐的温度。相比之下，第一加热装置130a在处理室106a中保持离子交换温度，其中离子交换温度小于形成熔融盐的温度。在这样的示例中，因为维持离子交换温度需要更少的能量，所以与第二加热装置130b相比，第一加热装置130a可以是具有较低工作功率的更小、更便宜的装置。与常规的离子交换过程相比，这有效地降低了离子交换槽100的总成本，并且还导致离子交换处理成本降低。

离子交换槽100还可包括设置在添加剂室106b内的固体吸收材料140。固体吸收材料140选择性地吸收添加剂室106b中的固体或降低固体的浓度。特别地，例如，由于固体吸收材料140与固体添加剂的反应在热力学和/或动力学上比固体吸收材料与添加剂室106b中其他盐离子的反应更有利，固体吸收材料140可以选择性地吸收固体添加剂。固体吸收材料140可以设置在添加剂室106b的底部或底部附近。当添加剂室106b的内容物在固体吸收材料140上方移动并朝向堰系统110的流动通道116移动时，固体与熔融盐分离，并阻止固体通过流动通道116进入处理室106a。可选地，固体吸收材料140的至少一部分可以设置在堰系统110的流动通道116中。

如图1所示，固体吸收材料140可以设置在添加剂室106b的底部或底部附近。图6示出了添加剂室106b的替代构造，其中固体吸收材料140位于离子交换槽100的底部102和第一隔板112之间的开口118中。如图7所示，添加剂室106b可进一步包括多孔容器160，其中固体吸收材料140设置在多孔容器160中。在操作中，添加剂室106b的内容物可流经多孔容器160的孔，以接触固体吸收材料140。

任选地，离子交换系统可以进一步包括搅拌装置150，其设置在添加剂室106b中并配置为搅拌添加剂室106b的内容物。搅拌装置150可有利地帮助熔融盐的形成以及熔融盐与添加剂室内的固体添加剂的反应。搅拌装置150还可以减少或消除添加剂室中内容物的各成分的分层或浓度不均匀性。

图1进一步示出了玻璃制品302，其可以至少部分地浸入槽100内的盐浴中。例如，玻璃制品302可以是玻璃容器，并且如图1所示，可以是多个玻璃容器。仅出于图示离子交换槽100的目的，示出了容纳在盒匣装置(magazineapparatus)400中的玻璃容器，该盒匣装置400将在下面更详细地描述。玻璃制品302包括多个衬底金属离子，它们是碱金属离子(例如，li⁺、na⁺、k⁺)。盐浴304包括具有第一金属离子浓度的多个第一金属阳离子(例如，k⁺)和具有第二金属离子浓度的多个第二金属阳离子(例如，na⁺)。可以第一和第二金属盐(例如分别为kno3和nano3)的形式将第一金属阳离子和第二金属阳离子引入盐浴中。

在本文所述的离子交换槽100的操作中，新鲜盐通过入口122或通过离子交换槽100顶部的开口被引入到添加剂室106b中。同样，本文所述的添加剂也可以通过入口122添加到添加剂室中，或通过离子交换槽100顶部的开口引入。通过加热装置130b将热施加到添加剂室106b，以熔化新鲜盐并形成熔融盐。任选地，操作搅拌装置150以搅拌添加剂室106b的内容物。

由于添加剂室106b中存在液体静压，熔融盐受驱动从添加剂室106b经开口118，沿着堰系统110的流动通道116，通过堰系统110的第二隔板114的顶部上方进入处理室106a。在处理室106a中，在熔融盐浴中对处理室106b中的至少一个玻璃制品302进行离子交换处理。由于添加剂室106b中的固体吸收材料140，固体添加剂被保留在添加剂室106b中，并且基本上所有固体添加剂都被阻止通过开口118并沿着堰系统110的流动通道116从堰系统110的第二隔板114的顶部进入处理室106a。

通常，在离子交换处理期间，在处于离子交换温度下的离子交换槽的处理室106a中，将玻璃制品302放置预定时间，例如大约1小时至大约10小时。整个玻璃制品302，或仅玻璃制品302的一部分，可以在离子交换过程中浸入熔融盐中。任选地，可以在离子交换过程中将单个玻璃制品302浸入熔融盐中，或者可以将多个玻璃制品302同时浸入熔融盐中。在处理多个玻璃制品302的情况下，可以将多个玻璃制品302细分为较小的组、“轮次”或批次，其在熔融盐中连续进行离子交换。

如本文所述的玻璃制品302可以由碱金属铝硅酸盐玻璃组合物形成，所述碱金属铝硅酸盐玻璃组合物适于通过离子交换来强化。这样的组合物通常包括sio2、al2o3、至少一种碱土金属氧化物和一种或多种碱金属氧化物如na2o和/或k2o的组合。该玻璃组合物可以不包含硼和含硼化合物。所述玻璃组合物可进一步包含少量的一种或多种附加氧化物，例如sno2、zro2、zno、tio2、as2o3等。这些组分可以作为澄清剂加入和/或进一步增强玻璃组合物的化学耐久性。例如，本文所述的玻璃制品可以由在2012年10月25日提交的授权美国专利第8,980,777号中描述的可离子交换的玻璃组合物形成，其标题为“具有改善的化学和机械耐久性的玻璃组合物”，其内容通过引用并入本文。

可用来形成本文所述的玻璃制品302的示例性玻璃组合物包括满足由管理部门基于其耐水解性描述的药用玻璃标准例如usp(美国药典)、ep(欧洲药典)和jp(日本药典)的玻璃组合物。根据usp660和ep7，硼硅酸盐玻璃符合i型标准，通常用于肠胃外用药物包装。硼硅酸盐玻璃的例子包括但不限于康宁7740、7800和惠顿(wheaton)180、200和400，肖特杜兰(schottduran)，肖特菲奥来(schottfiolax)，基马克斯(kimax)n-51a，格雷斯海姆(gerrescheimer)gx-51菲林特(flint)等。钠钙玻璃符合iii类标准，在干粉包装中是可以接受的，干粉后续可溶解以制成溶液或缓冲剂。iii型玻璃也适用于包装对碱不敏感的液体制剂。iiii型钠钙玻璃的示例包括惠顿800和900。脱碱的钠钙玻璃含有较高含量的氢氧化钠和氧化钙，并符合ii型标准。这些玻璃的耐浸出性比i型玻璃低，但比iii型玻璃更强。ii型玻璃可用于在保质期内ph保持低于7的产品中。例子包括经硫酸铵处理的钠钙玻璃。这些药用玻璃具有不同的化学组成，线性热膨胀系数(cte)在20-85×10^-7℃^-1之间。

通常，熔融盐浴可包括第一阳离子和第二阳离子，其中第一阳离子大于第二阳离子。在离子交换过程的开始，盐浴可仅包含第一阳离子。任选地，第二阳离子可以在离子交换过程开始时有意地包含在浴中。无论哪种情况，在离子交换过程中都会将第二阳离子引入浴中。离子交换浴可以包括例如钾盐(例如硝酸钾(kno3))和少量相应的钠盐(nano3)，后者可能作为污染物存在或故意添加到浴中，k⁺离子是第一阳离子，na⁺离子是第二阳离子。在认为离子交换完成之后，将玻璃制品302移出并洗涤，以除去来自离子交换浴的过量的盐。在同一离子交换浴中对其他玻璃制品重复此过程，直到离子交换浴中的盐不再提供足够高的表面浓度以使cs高于目标cs、ct高于目标ct或dol高于目标dol。当在每个玻璃制品302上进行离子交换处理时，离子交换浴中较小阳离子的浓度增加，而离子交换浴中较大阳离子的浓度减小，最终达到这样的浓度，使得几乎没有可用的较大阳离子供交换玻璃制品中较小的阳离子。这种现象被称为盐浴“中毒”。如本文所用，术语“毒离子”和“毒阳离子”是指在离子交换过程中离开玻璃并进入离子交换/盐浴的较小阳离子，“毒盐”是指此类阳离子的盐。随着离子交换的进行，毒阳离子浓度的增加导致随后在同一盐浴中进行离子交换的玻璃制品的cs、ct和dol随着时间的推移逐渐劣化。在达到可用的较大阳离子太少而无法交换玻璃制品中的较小离子的浓度之前，可以更换离子交换浴中的全部内容物。

如上所述，图4示意性地示出了盒组件410的截面图，该盒组件可以包括多个相邻地堆叠并固定在盒608中的盒匣装置400。盒匣装置400被配置为在离子交换处理期间保持玻璃制品302，例如玻璃小瓶，同时允许当盒匣装置400部分或完全浸没在熔融盐中时，熔融盐在处理室106a中与玻璃制品302的所有区域(内部和外部)发生可接受水平的流体接触。每个盒匣装置400通常包括底部支撑底板500、多个玻璃器皿固定构件420、盖板440和竖直支撑件430，竖直支撑件430牢固地连接底部支撑底板500、玻璃器皿固定构件420，并且可以可移动地固定盖板440。

根据本公开的实施方式，本文所述的离子交换槽100的操作还可包括使盐从离子交换槽100的处理室106a再循环。当玻璃制品302和/或固定装置或托架从离子交换槽100中取出时，玻璃制品302的表面或者在离子交换槽100中接触玻璃制品302的任何固定装置或托架的表面所附着的带出物(dragout)或盐离开熔融盐浴。常规做法是将带出物从玻璃制品302和/或固定装置上冲洗掉而没有再循环。

然而，根据本公开的实施方式，包括旋转工具215的机械升举系统210可以被配置为将玻璃制品302和/或固定装置或托架从处理室106a移动到添加剂室106b上方的位置。旋转工具215可以包括接合(engagement)特征，例如图5所示的多个叉形物(prongs)219，其构造成与盒匣装置400的一部分接合，使得盒匣装置400可以旋转。因此，在操作中，可以控制机械升举系统210，以将盒匣装置400安装到旋转工具215上。旋转工具215可以电动化，使得旋转工具215可以执行旋转序列，以将盒匣装置400上的熔融盐基本上排到添加剂室106b中。

图3示出了根据本公开的实施方式的离子交换槽100。如图3所示，离子交换槽100可包括泵设备250，该泵设备250被配置成将熔融盐从处理室106a转移到添加剂室106b。在操作中，熔融盐通过泵设备250从处理室106a再循环。根据本公开的实施方式，熔融盐可以连续地循环。或者，可以预定间隔将熔融盐循环预定时间。如图3所示，熔融盐通过泵设备250从处理室106a中泵出，经过堰系统110的顶部上方进入添加剂室106b中。作为替代，处理室106a可以通过管道与添加剂室106b流体连接，并且泵设备250可以配置成将熔融盐从处理室106a中的再循环出口(未示出)泵出，通过管道，并进入添加剂室106b。

根据本公开的实施方式，可以在处理室106a中进行离子交换处理，同时将新鲜盐添加到添加剂室106b中，并且将热施加到添加剂室106b中，以熔化新鲜盐并形成熔融盐。在常规离子交换处理使用的槽中，在开始离子交换处理之前，必须先将添加到槽中的新鲜盐加热以形成熔融盐，与之相比，本文所述的离子交换槽允许处理室106a填注熔融盐，并且一旦完成对处理室106a的填注，就可以在处理室中开始离子交换过程。

根据本公开的实施方式，处理室106a中的熔融盐可通过处理室出口120a排出，而添加剂室106b的内容物保持不变。因为固体添加剂被限制在本文所述的离子交换槽的添加剂室106b中，所以本公开的实施方式防止了诸如在常规离子交换处理中经常发生的固体在槽底部浓缩，与常规离子交换处理中所使用的槽相比，这促进了处理室106a的更快排放和重新填注。添加剂室106b也可以通过添加剂室出口120b排放。因为处理室106a和添加剂室106b通过分开的出口排放，所以这些室可以不同的频率在不同的时间排放。

尽管本公开包括有限数量的实施方式，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离本公开的范围的其他实施方式。