双离子交换过程的制作方法
【专利说明】双离子交换过程
[0001] 本申请根据35 U.S.C. § 119,要求2013年5月24日提交的美国临时申请系列第 61/827, 186号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。 技术背景
[0002] 本发明涉及玻璃的化学强化。更具体来说，本发明涉及通过离子交换过程对玻璃 进行化学强化。甚至更具体来说，本发明涉及通过串联地进行多次离子交换过程对玻璃进 行化学强化。
[0003] 对玻璃使用离子交换过程，通过在玻璃表面处形成压缩应力层，从而改善玻璃的 机械性能。通常，将玻璃浸入或者浸没在盐浴中，来进行离子交换过程。必须对盐浴的条件 进行控制，以实现所需的层深度（DOL)和压缩强度（CS)。浴中的盐浓度、时间以及温度是可 用于管理最终获得的CS和DOL的一些参数。随着离子交换浴中加工的玻璃量的增加，浴中 较大阳离子的浓度下降，同时在交换过程中从玻璃去除的较小阳离子的浓度增加。该现象 称作浴"中毒"。离子交换浴中，中毒水平随时间的增加导致玻璃中所实现的压缩应力和层 深度的逐渐劣化，通过对工艺参数（例如时间和温度）进行连续调节得以容忍或解决，从而 维持产品规格。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种对玻璃的离子交换进行优化的方法。玻璃在一系列的两个离子 交换浴中进行离子交换。第一离子交换浴含有一定量的中毒离子或盐，以及第二离子交换 浴含有一定量的所述中毒离子或盐，该含量小于第一浴中的含量。当第一浴中的中毒离子 /盐的浓度达到最大值时，放弃第一浴并用第二浴替代，并且用初始不含所述中毒阳离子/ 盐的第三浴替代第二离子交换浴。可以重复这种浴循环来生产多个玻璃制品，每个玻璃制 品分别具有预定限值内的处于压缩应力的表面层和层深度。
[0005] 因此，本发明的一个方面提供了一种对多个玻璃制品进行离子交换的方法。该方 法包括：在第一离子交换浴中对第一部分的玻璃制品进行离子交换，第一离子交换浴包括 的中毒阳离子的浓度小于或等于最大浓度X并且大于或等于最小浓度y ;在第一离子交换 浴中对所述第一部分进行离子交换之后，在第二离子交换浴中对所述第一部分进行离子交 换，第二离子交换浴包括的中毒阳离子的浓度小于或等于最小浓度y ;当第一离子交换浴 中的中毒阳离子的浓度超过最大浓度X时，用第一替换离子交换浴来替代第一离子交换 浴，第一替换离子交换浴的中毒离子的浓度小于最大浓度X并且大于或等于最小浓度y ;在 第一替换离子交换浴中对第二部分的玻璃制品进行离子交换；当第二离子交换浴中的中毒 阳离子的浓度大于或等于最小浓度y时，用第二替换离子交换浴来替代第二离子交换浴， 第二离子交换替换浴的中毒离子浓度小于最小浓度y ;以及在第二替换离子交换浴中对所 述第二部分进行尚子交换。
[0006] 本发明的第二个方面提供了一种对多个玻璃制品进行离子交换的方法。该方法 包括：在第一温度下，通过将第一部分的玻璃制品浸没在第一离子交换浴中，来进行第一离 子交换步骤，离子交换浴包括一定浓度的第一阳离子和一定浓度的中毒阳离子，其中，第一 阳离子的浓度大于中毒阳离子的浓度，并且其中，中毒阳离子的浓度小于或等于第一浓度X 并且大于或等于第二浓度y;在第一离子交换步骤之后，在第二温度下，通过将玻璃制品浸 没在第二离子交换浴中，来进行第二离子交换步骤，第二离子交换浴包括第一阳离子和中 毒阳离子，其中，中毒阳离子存在的浓度小于或等于第二浓度y ;当第一离子交换浴中的中 毒阳离子的浓度等于第一浓度时，用所述第二离子交换浴替换第一离子交换步骤中的第一 离子交换浴；在用所述第二离子交换浴替换了所述第一离子交换浴之后，在第三温度下，在 第二离子交换浴中对第二部分的所述多个玻璃制品进行离子交换；当第二离子交换浴中的 中毒阳离子的浓度大于或等于第二浓度 y时，用所述第三离子交换浴替换第二离子交换步 骤中的第二离子交换浴，其中，所述第三离子交换浴处于第四温度，其包括所述第一阳离子 并且基本不含中毒阳离子；以及在用所述第三离子交换浴替换所述第二离子交换浴之后， 在第四温度下，在第三离子交换浴中对所述第二部分进行离子交换。
[0007] 从以下详细描述、附图和所附权利要求书能明显地看出本发明的上述及其他方 面、优点和显著特征。
【附图说明】
[0008] 图1是双离子交换过程的流程图；
[0009] 图2是玻璃的压缩应力变化相对于双离子交换浴中加工的玻璃保持盒的数量的 关系图；
[0010] 图3是第一和第二离子交换浴中中毒盐浓度与浴中加工的玻璃保持盒的数量的 关系图；
[0011] 图4是当离子交换浴轮换时，表面压缩应力与加工的玻璃保持盒的数量的的模型 计算关系图；
[0012] 图5是对于第一离子交换浴和第二离子交换浴的中毒NaNO3盐浓度与加工的玻璃 保持盒的数量的模型计算关系图；
[0013] 图6是当第一离子交换浴温度变化而第二离子交换温度保持恒定时，表面压缩应 力与加工的总玻璃表面积的关系图；
[0014] 图7是当每个浴中的离子交换时间发生变化以实现近似相同的层深度和起始压 缩应力值时，表面压缩应力与加工的总玻璃表面积的关系图；
[0015] 图8是当第一离子交换浴中的起始中毒盐水平变化时，表面压缩应力与加工的总 玻璃表面积的关系图；
[0016] 图9是表1所列的例子中，预测的压缩应力与实际压缩应力的差异图；
[0017] 图10是表1所列的例子中，预测的层深度与实际层深度的差异图；以及
[0018] 图11是表1所列的例子中的离子交换的玻璃的总表面积和加工时间。
【具体实施方式】
[0019] 在以下描述中，相同的附图标记表示附图所示的若干视图中类似或相应的部分。 还应理解，除非另外指出，术语如"顶部"，"底部"，"向外"，"向内"等是方便词语，不构成对 术语的限制。此外，每当将一个组描述为包含一组要素中的至少一个要素和它们的组合时， 应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式包含任何数量的这些所列要素，或者 主要由它们组成，或者由它们组成。类似地，每当将一个组描述为由一组要素中的至少一个 要素或它们的组合组成时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式由任何数 量的这些所列要素组成。除非另有说明，否则，列举的数值范围同时包括所述范围的上限和 下限，以及所述范围之间的任意范围。除非另外说明，否则，本文所用的不定冠词"一个"或 "一种"及其相应的定冠词"该"表示至少一（个/种），或者一（个/种）或多（个/种）。 还应理解的是，在说明书和附图中揭示的各种特征可以任意和所有的组合方式使用。
[0020] 本文所用术语"玻璃"和"玻璃（glasses) "同时包括玻璃和玻璃陶瓷。术语"玻 璃制品"和"玻璃制品（glass articles) "以它们最广泛的意义来使用，包括全部或部分由 玻璃和/或玻璃陶瓷制成的任何物体。
[0021] 应注意，本文可用术语"基本上"和"约"表示可由任何定量比较、数值、测量或其 它表示方法造成的内在不确定性。在本文中还使用这些术语表示数量的表示值可以与所述 的参比值有一定的偏离程度，但是不会导致审议的主题的基本功能改变。
[0022] 从总体上参见附图，并具体参见图1，应理解举例说明是为了描述本发明的具体实 施方式的目的，这些举例说明不是用来限制本发明的说明书或所附权利要求书的。为了清 楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示 或以示意图方式显示。
[0023] 本发明涉及对离子交换工艺进行控制和优化的技术，在所述离子交换工艺中，串 联运行两个离子交换浴。在离子交换过程中，在距离玻璃制品的表面的一定层深度内，较小 阳离子被盐浴中可用的相同价态（通常 1+)的较大阳离子替换，以形成压缩应力层，从而改 善玻璃的机械性能。对诸如浸入玻璃的盐浴中的时间、温度以及盐浓度之类的条件进行控 制，以实现所需的层深度（DOL)和压缩应力（CS)。
[0024] 随着相同浴中加工的玻璃量的增加，盐浴中较大阳离子的数量或浓度变得耗尽， 同时从玻璃去除或交换的较小阳离子的浓度增加。该现象称作浴的"中毒"。本文所用术语 "中毒离子"和"中毒阳离子"指的是如下这些较小阳离子，它们在离子交换过程中离开玻璃 并进入离子交换/盐浴，以及"中毒盐"指的是此类阳离子的盐。随着离子交换的进行，中 毒阳离子的浓度增加，导致对于相同盐浴中进行离子交换的玻璃而言，压缩应力和层深度 随时间发生逐渐劣化。
[0025] 增加与第一离子交换浴串联运行的第二离子交换浴提供了在不同设定点工作的 各个浴的灵活性，从而操作离子交换的层深度内的玻璃的应力曲线。在中毒的第一浴中进 行离子交换，然后在较"未中毒"或"新鲜"的第二浴中进行离子交换，可改善盐利用率。仍 可在中毒的浴中进行部分离子交换，并且可以在新鲜浴中进行符合具体CS和DOL要求所需 的余下离子交换。此外，在中毒的第一浴中进行离子交换，然后在第二新鲜浴中进行离子交 换，增加了玻璃表面处的压缩应力。除此之外，使用两个离子交换浴提供了可用于实现所需 CS和DOL范围的不止一组参数。本发明采用详细的基本原理模型以及实验结果，来提供工 艺理解和控制策略，从而管理双离子交换过程并限定满足上文所列目标的操作窗口。
[0026] 本文所述的双离子交换方法对于在相同浴或者相同的一系列浴中加工的一系