CN105473524A - 用于具有多种组分离子交换浴的基材离子交换系统的混合设备以及混合这种浴的方法 - Google Patents

Abstract

提供用于多种组分离子交换浴的一种基材离子交换系统，其使得浴中的分层效应,以及混合这些浴的方法。该系统包含具有含多个基材金属离子的外部区域的基材；离子交换浴，该离子交换浴具有第一金属盐和第二金属盐；和用于容纳所述离子交换浴和基材的容器。所述系统还包含混合设备，其构造成混合浴从而容器内浴中与第一金属盐相关的金属离子浓度是基本上均匀的。基材金属离子可与来自第一金属盐和第二金属盐的金属离子进行离子交换。此外,第一金属盐和第二金属盐是可互混的和熔融的。

Description

用于具有多种组分离子交换浴的基材离子交换系统的混合设备以及混合这种浴的方法

本申请根据35U.S.C.§119要求2013年6月17日提交的美国临时申请系列第61/835,764号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。

背景

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多种组分熔融的离子交换浴的离子交换系统中所用的混合设备,以及混合这种浴的方法。

通过局部的组成改性，离子交换(IOX)过程用来改变和控制不同玻璃、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，可将不同的重金属离子(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。

这些IOX过程常常涉及在升高的温度下将基材浸没于多种组分离子交换浴中。熔盐浴包含用于引入基材的金属离子。在IOX过程中，基材中的离子与浴中的金属离子进行交换，通常在基材的外部区域之内。这样,对于控制在基材的外部区域之内交换的离子的数量，在IOX过程中控制浴中金属离子的浓度至关重要。

这些浓度水平可随时间改变，因为浴中的金属离子被消耗，并被从基材交换出的离子(例如,“流出的离子”)置换。浓度水平的这些变化常常表现为观察到的在延长的时间段内于一系列离子交换的基材中交换的金属离子的量的逐渐的变化。然而，存在其它情况，其中交换的金属离子的量意料之外地在进行离子交换过程的特定基材的区域内发生变化。类似地，在进行单一离子交换过程或运行(run)的多个基材中，观察到不同基材之间提供的金属离子的量发生显著变化，该变化取决于基材在离子交换容器之内的位置。这种提供的金属离子的量的局部变化可导致离子交换的基材的性质发生不利的或意料之外的变化。

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、控制和最小化在进行离子交换过程的基材中可能发生的随时间的金属离子浓度的局部变化。

概述

根据一种实施方式,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所述离子交换浴和基材的容器，该离子交换浴包含以第一金属离子浓度具有多个第一金属离子的第一金属盐以及以第二金属离子浓度具有多个第二金属离子的第二金属盐。所述系统还包含混合设备，其构造成对浴进行混合，从而容器中的浴中的第一金属离子浓度是基本上均匀的。基材金属离子是可与所述多个第一金属离子和多个第二金属离子进行离子交换的,且第一金属盐和第二金属盐是可互混的和熔融的。

混合设备可构造成增加第一金属盐进入第二金属盐的溶解速率。在其它可能的变体中，混合设备还可基本上位于容器之内且可包含叶轮组件、喷雾组件、混合框架组件、分配器篮或离线的搅拌器组件。

根据其它的实施方式,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，该离子交换浴包含以第一金属离子浓度具有多个第一金属离子的第一金属盐以及以第二金属离子浓度具有多个第二金属离子的第二金属盐；和提供用于容纳离子交换浴和基材的容器。所述方法还包括以下步骤：将基材浸没于离子交换浴中，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；和对浴进行混合，从而容器内的浴中的第一金属离子浓度是基本上均匀的。此外,第一金属盐和第二金属盐是可互混的和熔融的。

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。

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

图1的图片显示实际的和模型化的离子交换浴中的AgNO₃浓度水平，以及玻璃基材中的Ag⁺浓度全部随在AgNO₃-KNO₃离子交换浴中进行的基材离子交换运行次数的变化。

图2是根据一种实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有用于混合离子交换浴的在容器中的叶轮组件。

图3A是根据另一种实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有在较大容器中的在升高的位置处的可拆卸的叶轮组件，该叶轮组件用于混合离子交换浴。

图3B显示图3A中的基材离子交换系统处于下述状态：可拆卸的叶轮组件移动到位于离子交换浴之内的位置。

图3C显示图3A中的基材离子交换系统处于下述状态：可拆卸的叶轮组件在较大容器之内操作来混合离子交换浴，从而改善浴中的第一金属离子浓度的均匀性。

图3D显示图3A中的基材离子交换系统处于下述状态：叶轮组件移动到了离子交换浴上方的位置。

图4A是根据其它实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有在容器中的用于混合离子交换浴的可回缩的喷雾组件。

图4B图4A中所示的喷雾组件的喷雾喷嘴的底部表面端部的仰视图(end-on,upwardview)。

图4C是图4A所示的喷雾组件中的喷雾喷嘴的横截面视图。

图5A是根据其它实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有用于混合离子交换浴的在容器的底部部分中的喷雾组件。

图5B是图5A所示的具有喷雾组件的基材离子交换系统的横截面视图。

图5C是图5A中所示的喷雾组件的俯视图。

图5D是图5A所示的喷雾组件中所用喷雾管的横截面视图。

图6A是根据其它实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有用于混合离子交换浴的在容器中的混合框架组件。

图6B提供图6A所示的混合框架组件的横截面视图，其演示框架在离子交换浴中的向上移动和向下移动。

图6C是根据另一种实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有用于混合离子交换浴的在容器中的含垂直取向的翼的混合框架组件。

图6D提供图6C中所示的混合框架组件的横截面视图，其演示框架在离子交换浴中的向上移动和向下移动。

图7是根据其它实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有用于混合离子交换浴的在容器中的分配器篮组件。

图8是根据其它实施方式的基材离子交换系统的剖切透视图，其具有用于混合离子交换浴的在罐中的离线的搅拌器组件。

详细描述

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。

现已理解，在因为各种制造目的改变离子交换浴之后，在基材离子交换过程所用的多种组分浴中不同位置处的浓度水平会随时间而改变。如本文所使用，浴中的“分层”或“浓度不均匀性”指在多种组分离子交换浴(例如,AgNO₃和KNO₃)中的一种或多种组分在浴中相对于它们的平均浓度水平进行去分层(de-stratify)。即,例如具有浓度为0.5重量％的AgNO₃的AgNO₃-KNO₃离子交换浴可具有局部区域，该局部区域的AgNO₃浓度水平显著低于或高于0.5重量％的平均浓度水平。

浓度不均匀性可在最初制备浴加料的过程中形成，其中将一组金属离子例如以固体金属盐的形式加入另一种已经是熔融形式的熔融的盐。当在基材离子交换过程中金属离子在浴中消耗时,在离子交换浴中补充相同类型的金属离子的步骤也会在浴中形成浓度不均匀性。最后，浴中的这些局部化的浓度水平改变常常通过进行离子交换过程的基材的性质的不利变化来显示。

具体来说，可在基材离子交换过程中使用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和抗微生物性质，但是该多种组分离子交换浴可能易于分层。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,KNO₃)使用各种碱金属离子(例如,Li⁺,K⁺,Na⁺,Cs⁺,和Rb⁺)来化学强化玻璃基材，该玻璃基材在这些盐中浸没特定的时间段。这些碱金属离子通常与刚形成的玻璃基材中存在的较小的碱金属离子进行交换。如全部内容通过引用纳入本文的美国专利申请公开号2012/0034435(“‘435申请”)所教导，可在离子交换浴中以盐的形式(例如,AgNO₃)使用重金属离子(例如,Ag⁺)来在基材中提供抗微生物性质，该基材在这种盐中浸没特定的时间段。这些重金属离子通常与刚形成的和/或化学强化的基材中存在的碱金属离子进行交换。还如‘435申请所述,基材离子交换过程使用特定的盐来在基材中提供强度和抗微生物性质，其在具有多种组分浴的“一步”或“两步”离子交换过程(分别是SIOX和DIOX)中进行。例如,SIOX过程可依靠包含AgNO₃和KNO₃盐的浴,其构造成同时将Ag⁺和K⁺离子交换进入基材。类似地，DIOX过程的第二步骤也可依靠AgNO₃-KNO₃熔盐浴,其也构造成将Ag⁺和K⁺离子递送进入基材。

多种组分浴常常包含密度不同的两种或更多种盐。例如,在AgNO₃-KNO₃系统中,AgNO₃的密度是4.35g/cm³，KNO₃的密度是2.11g/cm³。据信基材离子交换系统中所使用的多种组分浴中所用的组分之间的这些密度差异形成浴浓度不均匀性和分层。这样,基材离子交换系统中所使用的密度不相似的多种组分浴更易于发生分层效应。

例如，如图1所示，显示实际的和模型化的离子交换浴中的AgNO₃浓度水平，以及玻璃基材中的Ag⁺浓度随在具有本体KNO₃的AgNO₃离子交换浴中进行的基材离子交换运行次数的变化。在图1所示的实验中,使用约0.9重量％AgNO₃在420℃下保持2.5小时，来制备AgNO₃-KNO₃离子交换浴。空心三角形符号对应于通过AgNO₃-基材离子交换消耗模型(通过实验和试验运行来验证)预测的AgNO₃浓度水平随基材离子交换运行次数的变化。随着Ag⁺离子与基材中的金属离子进行交换,模型预测在11次基材离子交换运行之后，浴中的AgNO₃浓度(初始设定为约0.9重量％AgNO₃)降低到低于0.4％。至少在开始的两次运行中,通过电感耦合等离子体(ICP)技术测量的浴中的实际的AgNO₃浓度水平(实心正方形符号)以及用ICP测量的在加工的基材中的Ag⁺离子水平(实心菱形符号)显著低于通过AgNO₃-基材离子交换模型预测的那些。到第三运行时,用ICP测量的浴中的实际的AgNO₃浓度水平和测量的在加工的基材中的Ag⁺离子水平与通过AgNO₃-基材离子交换消耗模型所预测的那些相似。

据信在开始的两次运行中浴中的AgNO₃浓度水平(和基材中的Ag⁺水平)低于预测的是因为发生浴分层效应。尽管使初始AgNO₃-KNO₃熔融的浴在420℃下平衡2.5小时,但可能在该时间段中，AgNO₃没有完全溶解于本体KNO₃中。添加到熔融的本体KNO₃的固体AgNO₃的加料可能在完全溶解于KNO₃中之前沉降到包含离子交换浴的容器的底部，因为其密度显著高于KNO₃。结果,图1所示的在开始的两次运行中测量的浴中的AgNO₃水平低于预期，因为显著量的浴中的AgNO₃并未处于溶液之中。相反，假设与在开始的两次基材离子交换运行过程中浸没和取出基材相关的搅拌和混合增加AgNO₃扩散和溶解进入本体KNO₃。在第三次运行之后,据信AgNO₃完全溶解于本体KNO₃中，因为观察到的浴中的AgNO₃水平(和基材中的Ag⁺水平)平行于通过AgNO₃-基材离子交换消耗模型预测的结果。

最后，图1的数据表明离子交换浴分层是个大问题，尤其是在具有不同密度的组分的多种组分浴中。还显示离子交换浴的混合和搅拌可减少或消除分层。这样,本文所述的是具有多种组分熔融的离子交换浴的离子交换系统中所使用的混合设备,以及混合这种浴的方法，其用于离子交换玻璃,玻璃-陶瓷和陶瓷基材。这些系统和相关的方法参见图2-8。这些基材离子交换系统构造成考虑下述因素：对基材进行离子交换过程时可能随着时间发生的金属离子浓度的局部变化进行控制和最小化,特别是制造较大数量的基材所用的离子交换过程。

如图2所示,根据一种实施方式，可将具有叶轮16的基材离子交换系统20用于基材离子交换过程，其使得浴分层和浓度不均匀性最小化。具体来说,基材离子交换系统20包含基材10，该基材20具有含有多个基材金属离子(未显示)--通常是碱金属离子--的外部区域。离子交换系统20还包含离子交换浴14，其包含各自含有具有金属离子浓度的多个金属离子的第一金属盐3和第二金属盐4。离子交换浴14中中的盐3和4是可互混的和熔融的。优选地,第一金属盐包含多个重金属离子(例如,Ag和Cu离子)。第二金属盐优选地包含多个碱金属离子(例如,K,Na,Rb和Li离子)。在一些实施方式中,第一金属盐3和第二金属盐4的密度差异大于25％。在优选的实施方式中,第一金属盐3是AgNO₃，第二金属盐4是KNO₃。浴14中的第一金属盐3的初始浓度可设定为0.25重量％-1重量％。

在使用系统20的离子交换过程中,可将基材10浸没于浴14中，以促进来自第一和/或第二金属盐3和4的多个金属离子与在基材10的外部区域中包含的基材金属离子进行交换。即,来自第一金属盐3的金属离子可与基材10中的基材离子交换、来自第二金属盐4的金属离子可与基材10中的基材离子和/或来自第一金属盐和第二金属盐3和4的金属离子都可与来自基材10的基材离子进行交换。如图2所示,在离子交换加工过程中，基材10浸没在浴14中。可使用连接到基材10的提升元件12(以及未显示的驱动设备)来将基材10从其中基材10浸没于浴14中的位置移动到其中基材10没有浸没于浴14中的升高的位置。

图2所示的离子交换系统20还包含容器8，其用于容纳离子交换浴14和基材10。如本领域普通技术人员所容易理解,容器8可由不同的形状和构造来限定，以与混合设备例如叶轮16一起促进基材离子交换过程。容器8还可沿着其底部具有圆化的特征，从而在混合操作过程中促进浴14的一致的流体流动。在一些实施方式中,叶轮16和轴承组件18设置成偏离容器8的中心线，以在混合操作中于浴14中鼓励涡流和更少的漩涡,类似地，这种努力可优选地增加金属盐3和/或4在浴14中的溶解速率。

例如，容器8还可形成到所需尺寸来容纳大量的基材10，用于大量制造。在一些实施方式中,容器8构造成最小化高度，因为容器高度增加可增加浴14中的分层和浓度不均匀性效应。一般来说,容器8还包含加热组件(未显示)，其构造用于加热和保持浴14的温度。例如,还可调节容器8的加热组件来熔融第一金属盐和第二金属盐3和4。例如,在AgNO₃-KNO₃系统中,可将容器8设定为420℃以确保浴14是熔融的。

还如图2所示,基材离子交换系统20还包含叶轮16,其通常沿着容器8的中心线连接到轴承组件18。其中可基于容器8的尺寸和浴14的粘度等因素来定制叶轮16和轴承组件18的尺寸和构造。叶轮16构造成搅拌、混合和/或以其它方式在容器8中移动浴14，从而确保第一金属盐3和第二金属盐4的浓度在整个容器8中是基本上均匀的。在一些实施方式中,可特别构造和操作叶轮16来增加第一金属盐3进入包含本体金属盐4的浴14的溶解速率。

叶轮16基本上构造在容器8之内，从而它可在使用基材10的离子交换运行的过程中或之间进行操作。例如,叶轮16可构造成在使用基材10的基材离子交换运行过程中低速操作，以及在运行之间高速操作。叶轮16还可在将第一金属盐3和/或第二金属盐4添加到浴14(例如,在补充步骤或制备初始加料的过程中)紧跟的时间段中高速操作。在任何这些阶段中，叶轮16的操作的持续时间可基于预先决定的时间段，其已基于现有获得的经验测试数据进行计算。在基材离子交换系统20中使用叶轮16的一个特别优势是在第一金属盐3或第二金属盐4用作表面活性剂的情况下，形成泡沫的可能性较低。

根据另一种实施方式的图3A-3D所示的具有叶轮组件17的基材离子交换系统20a非常类似于具有叶轮16的系统20(参见图2)。除非另有说明，系统20a中附图标记相同的组件的构造和操作可与图2结合基材离子交换系统20所述的那些相似。此外,图3A-3D所示的叶轮组件17与叶轮16(参见图2)相似到下述程度：叶轮组件17包含叶轮16a，其构造成搅拌、混合和/或以其它方式在容器8中移动浴14，从而确保第一金属盐3和第二金属盐4在整个容器8中的浓度是基本上均匀的。

然而,与系统20相反,基材离子交换系统20a的叶轮组件17能够移动进出浴14,如图3A-3D连续地显示。在图3A-3B中,叶轮组件17从浴14上方移动，并随后浸没在浴14中。在图3C中混合浴14之后,随后可将叶轮组件17移动回到浴14上方的位置，如图3D所示。如本领域普通技术人员容易理解,可使用各种设备(未显示)来将叶轮组件17移动进出浴14。此外，用来在浴14中旋转叶轮17的组件可通过容器8a的门9衔接。可使用不同组件来驱动叶轮组件17,其包含叶轮驱动体19(参见图3C)。

还如图3A-3D所示,基材离子交换系统20a还包含容器8a，其用于容纳离子交换浴14和基材10(未显示)。容器8a通常大于容器8，以容纳将叶轮组件17移动进出浴14所需的额外的设备。应理解，可在使用基材10的离子交换运行之后将系统20a的叶轮组件17用来混合浴14，但不在运行过程中将系统20a的叶轮组件17用来混合浴14。

图4A-4C中显示根据其它实施方式的基材离子交换系统30，其包含可用于基材离子交换过程以最小化离子交换浴14中的分层和浓度不均匀性效应的喷雾组件22。图4A-4C中所示的基材离子交换系统30类似于系统20和20a(参见图2-3D)。除非另有说明，系统30中附图标记相同的组件构造和操作可与结合系统20和20a所述的那些相似。例如,在使用系统30的离子交换加工中，将基材10浸没于浴14中。可使用连接到基材10的提升元件12(以及未显示的驱动设备)来将基材10从其中基材10浸没于浴14中位置移动到其中基材10没有浸没于浴14中的升高的位置。同样地，可与系统30一起使用容器8或8a，如图4A-4C所示。

然而,与系统20和20a相反,系统30的喷雾组件22构造成鼓入惰性气体27使其通过浴14，从而搅拌、混合和/或以其它方式在容器8,8a之内移动浴14，从而确保第一金属盐3和第二金属盐4在整个容器8,8a的浓度是基本上均匀的。喷雾组件22包含具有多个喷雾小孔26的喷雾喷嘴24,其全部浸没于浴14中并构造成在浴14中产生气泡28。喷雾组件22基本上设置在容器8,8a之内。在一些实施方式中,喷雾组件22位于靠近但在容器8,8a的底部内部表面但略在其上方的位置，如图4A示意性地显示。此外，喷雾小孔26可从喷嘴24朝下取向并朝向容器8,8a的外部表面朝外取向。这样,在上升到包含基材10的浴14的区域之前，从小孔26发出的气泡28在整个浴14中朝向容器8,8a的底部均匀地铺展。

具体来说,可通过经由喷嘴24鼓入惰性气体27并鼓出小孔26来操作喷雾组件22(参见图4C)。浴14中的气泡28在小孔26发出。这些气泡在浴14中提供混合作用，从而阻止分层和浓度不均匀性效应。可经验性地决定不同输入来优化通过喷雾获得的浴14中分层的减少–例如,惰性气体27进料速率、惰性气体27压力、喷雾组件22上的浴14的压力、浴14的温度以及喷嘴24和小孔26的尺寸。还可调节这些因素，以确保喷雾组件22的操作不导致从容器8,8a泼洒和/或不利的损失浴14。此外,在系统30不操作的时间段中，可在喷雾组件22中使用正压力的惰性气体27，从而减少冷冻的金属盐3和/或4阻挡和/或堵塞小孔26的可能性。

假设鼓泡作用可使未溶解的金属盐3和4溶质仍然悬浮于浴14中。在浴14中悬浮盐3和4，使得盐3和4在容器8,8a内沉降之前有更多时间来进行溶解。例如,在AgNO₃-KNO₃系统中,紧跟制备用于浴14的初始加料或向浴14添加额外的AgNO₃之后，来自喷雾组件22的鼓泡作用可在浴14中悬浮较致密的AgNO₃。

在图5A-5D其它实施方式中,还可将具有喷雾组件23的基材离子交换系统30a用于基材离子交换过程，其使得离子交换浴14中的分层和浓度不均匀性效应最小化。基材离子交换系统30a与系统30非常相似，因为它们都依靠喷雾组件向浴14提供混合。除非另有说明，系统30a中附图标记相同的组件构造和操作可与结合系统30所述的那些相似。然而,在系统30a中,喷雾组件23通常安装到容器8,8a的底部。喷雾组件23包含多个管25，各自构造有多个小孔26,全部浸没于浴14中。管25可通过端口(未显示)排出容器8,8a。

一般来说,可通过管25鼓入惰性气体27并鼓出小孔26，来在系统30a中操作喷雾组件23。然后，喷雾气泡28从小孔26发出并进入浴14。优选地,管25设置成覆盖显著部分的容器8,8a的底部表面积，从而确保在容器8,8a之内在浴14的全部体积鼓泡。在一些实施方式中(参见图5C和5D),设置小孔26，从而它们都不直接面向彼此。这样,从小孔26发出的气泡28更不可能聚集，因为据信较小的气泡改善浴14中的混合效应,由此减少分层效应。在其它实施方式中,绕着管25包覆加热器(未显示)，从而防止金属盐3和4靠近小孔26冷凝和潜在地堵塞喷雾组件23的管25。

图6A-6B中显示根据其它实施方式的基材离子交换系统40，其包含可用于基材离子交换过程以最小化离子交换浴14中的分层和浓度不均匀性效应的混合框架组件34。图6A-6B中所示的基材离子交换系统40类似于系统20和20a(参见图2-3D)。除非另有说明，系统40中附图标记相同的组件构造和操作可与结合系统20和20a所述的那些相似。例如,在使用系统40的离子交换加工中，将基材10浸没于浴14中。可使用连接到基材10的提升元件12来将基材10从其中基材10浸没于浴14中的位置移动到其中基材10没有浸没于浴14中的升高的位置。同样地，可与系统40一起使用容器8或8a，如图6A-6B所示。

然而,与系统20和20a相反,系统40的混合框架组件34构造成垂直地上下移动通过浴14，从而搅拌、混合和/或以其它方式在容器8,8a之内移动浴14的流体，从而确保第一金属盐3和第二金属盐4在整个容器8,8a的浓度是基本上均匀的。混合框架组件34包含混合框架35，其具有一系列“V-形”且水平取向的翼36。混合框架35是连接到轴和其它标准组件(未显示)，从而在容器8,8a之内上下移动框架。

如图6A和6B所示,混合框架组件34可在容器8,8a中垂直地移动，并在浴14中形成气穴。当混合框架35向下移动时,在浴14中通过框架35和越过翼36向上引导气穴流动37。当混合框架35向上移动时,在浴14中通过框架35和越过翼36向下引导气穴流动37。结果,在浴14中形成涡流,因此减少浴14中的分层和浓度不均匀性。

在一些实施方式中,系统40中框架35的水平取向的翼36提供额外的益处。在制备浴14的初始加料或补充浴14(即,添加)的过程中,第一金属盐3可以固体形式添加到熔融的金属盐4。系统40中的框架35可用于此目的。水平取向的翼36可构造成辅助将第一金属盐3分配进入金属盐4的熔融的浴,特别是如果金属盐3的密度显著高于金属盐4时。水平取向的翼36可控制固体金属盐3接触熔融的金属盐4的速率。结果，金属盐3在容器8,8之内浴14中下降之前，金属盐3有更多时间来溶解于本体金属盐4中,由此减少浴14中的分层。

图6C和6D所示的根据另一种实施方式的具有混合框架组件34a的基材离子交换系统40a非常类似于图6A和6B中所示的系统40。除非另有说明，系统40a中附图标记相同的组件构造和操作可与结合系统40所述的那些相似。然而,在系统40a中,其混合框架35a的构造不同于系统40所使用的混合框架35。这里，混合框架35a的翼36通常沿着垂直方向取向，且朝向容器8,8a的壁具有一些角度的倾斜。虽然这些特征对于初始分布进入熔融的浴4或添加的固体第一金属盐3不提供太多的去分层益处,但混合框架35a中的翼36尤其优化用于在浴14中产生旋转的涡流。当混合框架35a向下移动时,借助朝向容器8,8a的壁的旋转的组件，在浴14中向上引导气穴流动37。这是因为翼36随着与框架35a中最中间的位置的距离的变化而逐步地倾斜朝向容器8,8a的壁(参见图6D)。当混合框架35a向上移动时,借助朝向容器8,8a的壁的旋转的组件，在浴14中向下引导气穴流动37。结果,通过基材离子交换系统40a所使用的混合框架组件34a,在浴14中产生显著的涡流，因此减少浴14中的分层和浓度不均匀性。

在基材离子交换系统40,40a的一些实施方式中,混合框架35,35a可用来在涉及基材10的离子交换运行之间对浴14进行搅拌和混合。即,可在初始制备浴14或使用第一金属盐3和/或第二金属盐4补充浴14时使用系统40,40a，以促进第一金属盐3在本体金属盐4中的去分层。当在涉及多个基材10的连续的离子交换运行中在浴14中观察到浓度不均匀性时,还可在运行之间引入混合框架35,35a来搅拌浴14。

根据另一种实施方式,具有分配器篮42的基材离子交换系统50参见图7。可将基材离子交换系统50用于基材离子交换过程，其最小化离子交换浴14中的分层和浓度不均匀性效应。图7所示的基材离子交换系统50类似于系统40(参见图6A和6B)。除非另有说明，系统50中附图标记相同的组件构造和操作可与结合系统40所述的那些相似。例如,在使用系统50的离子交换加工中，基材10(未显示)浸没于浴14中。可使用连接到基材10的提升元件12来将基材10从其中基材10浸没于浴14中的位置移动到其中基材10没有浸没于浴14中的升高的位置(未显示)。此外，容器8,8a可与系统50一起使用，如图7所示。

然而,基材离子交换系统50通常限于在紧跟制备离子交换浴14的加料或补充浴14(即,添加)之后的时间段内操作。原因是系统50操作通过控制将第一金属盐3以固体形式引入熔融的金属盐4来减少分层(反之亦然)。具体来说,首先用金属盐固体44(例如,金属盐3或4)对分配器篮42进行加料。篮42可包含丝网或其它类似的构造，其设定尺寸来控制固体44在浴14中的分布。然后，通过提升元件43将分配器篮42降低到已经处于熔融状态的离子交换浴14的平衡的表面。结果,只有部分金属盐固体44设置成接触熔融的离子交换浴14。这具有下述效果：使金属盐固体(例如,金属盐3或4)在沉降到容器8,8a的底部之前具有更多时间来溶解于离子交换浴中。此外,固体44必须移动通过篮42的网部分,由此增加固体44接触熔融的离子交换浴14的表面积。

在图8中,显示根据其它实施方式的可用于基材离子交换过程的具有搅拌器组件52的基材离子交换系统60，其最小化离子交换浴14中的分层和浓度不均匀性效应。在某些方面，图8所示的基材离子交换系统60类似于系统20和20a(参见图2-3D)。除非另有说明，系统60中附图标记相同的组件构造和操作可与结合系统20和20a所述的那些相似。例如,在使用系统40的离子交换加工中，将基材10浸没于浴14中。可使用连接到基材10的提升元件12来将基材10从其中基材10浸没于浴14中的位置移动到其中基材10没有浸没于浴14中的升高的位置。同样地，可与系统60一起使用容器8或8a，如图8所示。

然而,与系统20和20a相反，系统60的搅拌器组件52设置成相对于容器8,8a是离线的。具体来说,搅拌器组件52位于罐58中，该罐58具有连接到容器8,8a的进口55和出口56。进口55允许离子交换浴14从容器8,8a流入罐58。出口56允许离子交换浴14a的混合的部分从罐58流入容器8,8a。此外,搅拌器组件52由驱动体54(例如,DC电机)驱动。罐58还包含进料器组件59，其用于将金属盐3和/或4固体加入离子交换浴14a的混合的部分。

可操作系统60来减少或消除离子交换浴14中的分层和浓度不均匀性。通过在离子交换浴14a的混合的部分中的驱动体54旋转搅拌器组件52。引导未混合的离子交换浴14通过进口55进入容器8,8a。当混合离子交换浴14时,其变成在罐58之内的离子交换浴14a的混合的部分。然后，离子交换浴14a的混合的部分通过出口56返回到容器8,8a。系统60的关键益处是可通过搅拌器组件52将高速搅拌和涡流施加到离子交换浴14。泼洒不是问题，因为混合在罐58之内进行，该罐58为基本上封闭的容器，如图8所示。此外,离子交换浴14中的搅拌在罐58中实施,其与其中相对于基材10进行离子交换过程的容器8,8a的位置具有一些距离。这样,可在基材10的离子交换过程中使用系统60或在离子交换浴14的制备和补充阶段中使用系统60。

对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。

Claims (20)

1.一种基材离子交换系统，其包括：

基材，其具有包含多个基材金属离子的外部区域；

离子交换浴，该离子交换浴包含以第一金属离子浓度具有多个第一金属离子的第一金属盐以及以第二金属离子浓度具有多个第二金属离子的第二金属盐；

容器，其用于容纳所述离子交换浴和基材；和

混合设备，该混合设备构造成混合该浴，从而容器中的浴中的第一金属离子浓度是基本上均匀的，

其中基材金属离子可与所述多个第一金属离子和多个第二金属离子进行离子交换，和

此外其中第一金属盐和第二金属盐是可互混的和熔融的。

2.如权利要求1所述的基材离子交换系统，其特征在于，该混合设备还构造成增加第一金属盐进入该离子交换浴的溶解速率。

3.如权利要求1或2所述的基材离子交换系统，其特征在于，第一金属盐和第二金属盐的密度相差至少25％。

4.如前述权利要求中任一项所述的基材离子交换系统，其特征在于，第一金属盐是硝酸银，且第二金属盐是硝酸钾。

5.如前述权利要求中任一项所述的基材离子交换系统，其特征在于，第一金属离子浓度是0.25重量％-1重量％的硝酸银。

6.如前述权利要求中任一项所述的基材离子交换系统，其特征在于，该混合设备基本上位于容器之内，并包含叶轮组件。

7.如前述权利要求中任一项所述的基材离子交换系统，其特征在于，该混合设备基本上位于容器之内，并包含喷雾组件。

8.如前述权利要求中任一项所述的基材离子交换系统，其特征在于，该混合设备基本上位于容器之内，并包含混合框架组件。

9.如前述权利要求中任一项所述的基材离子交换系统，其特征在于，该混合设备包含分配器篮，该分配器篮构造成将第一金属盐分散进入浴。

10.如前述权利要求中任一项所述的基材离子交换系统，其特征在于，该混合设备包含搅拌器组件和罐,该搅拌器组件和罐位于容器外部并连接到浴，且构造成对浴进行混合，从而容器内浴中的第一金属离子浓度是基本上均匀的。

11.一种维护离子交换浴的方法，所述方法包括下述步骤：

提供基材，该基材具有包含多个基材金属离子的外部区域；

制备离子交换浴，该离子交换浴包含以第一金属离子浓度具有多个第一金属离子的第一金属盐以及以第二金属离子浓度具有多个第二金属离子的第二金属盐；

提供用于容纳所述离子交换浴和基材的容器；

将基材浸没于所述离子交换浴中，从而所述多个基材金属离子的一部分与所述多个第一金属离子的一部分进行交换；

对浴进行混合，从而容器内的浴中的第一金属离子浓度是基本上均匀的，和

其中所述第一金属盐和第二金属盐是可互混的和熔融的。

12.如权利要求11所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，还通过实施所述对浴进行的步骤来增加第一金属盐进入离子交换浴的溶解速率。

13.如权利要求11或12所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，第一金属盐和第二金属盐的密度相差至少25％。

14.如权利要求11-13中任一项所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，第一金属盐是硝酸银，且第二金属盐是硝酸钾。

15.如权利要求11-14中任一项所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，第一金属离子浓度是0.25重量％-1重量％的硝酸银。

16.如权利要求11-15中任一项所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，所述混合步骤通过使用叶轮组件对浴实施混合来进行。

17.如权利要求11-15中任一项所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，所述混合步骤通过使用喷雾组件鼓入惰性气体使其通过浴来进行。

18.如权利要求11-15中任一项所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，所述混合步骤由移动混合框架通过所述浴来进行。

19.如权利要求11-15中任一项所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，所述混合步骤由以下方式来进行：将分配器篮组件移动进入浴以将第一金属盐分散进入浴。

20.如权利要求11-15中任一项所述的维护离子交换浴的方法，其特征在于，所述混合步骤通过下述来进行：在位于容器外面的罐中接收浴的一部分，并用位于该罐内的搅拌器组件混合该部分。