DE1812981A1 - Verfahren zum Austausch von Ionen zwischen einem Material,insbesondere Glas,und einem ionisierten Gas - Google Patents

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Dlpl.-Phys. Eduard B«til«r ^515<2 Dipl.-tng. W. Herrmann-Trantopohl

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In der Antwort bitte angeben Zuschrift bltl· nach:

Corapagnie de Saint-Gobain,

62, Boulevard Victor Hugo, 92 Neuilly-sur-Seine,

Frankreich.

Verfahren zum Austausch von Ionen zwischen einem Material, insbesondere Glas, und einem ionisierten Gas.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Durchführung eines Ionenaustausche zwischen einem Material, desen Leitfähigkeit im wesentlichen auf Ionenleitung beruht und das im allgemeinen in I'Orm einer Platte oder eines Plättchens vorliegt, wie zum Beispiel eine Glasplatte oder -scheibe, und einem ionisierten Gas. Hierbei handelt es sich, um Verfahren, bei denen zwischen den beiden Flächen der zu behandelnden Platte ein Gradient des elektrischen Potentials geschaffen wird.

Erfindungsgemäß bringt man hierbei eine der Flächen der Platte mit der Gasatmosphäre in Kontakt, die in einem ersten Behälter eingeschlossen ist und die Ionen enthält, die in die Platte eintreten sollen, und die andere Fläche

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der Platte mit der in einem zweiten Behälter eingeschlossenen Gasatmosphäre, worauf man, zwischen den beiden Gasbehältern mit Hilfe von Elektroden ein elektrisches Feld aufbaut, welches die Wanderung der gewünschten Ionen in die erste Fläche der Platte hinein bewirkt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet die zu behandelnde Materialplatte hierbei eine Trennwand zwischen den beiden Behältern, wobei die Verbindung zwischen dieser Trennwand und den Behälterwänden für das Gas durchlässig, jedoch für die Wanderung der Ionen von einem Behälter in den anderen undurchlässig ist. ⁱ _%

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist .jeder . Behälter mit Vorrichtungen zum Umwälzen eines Gases oder einer Gasmischung versehen, insbesondere einer Gasmischung, welche einerseits die Ionen enthält, die in dem ersten Behälter in die Platte eintreten sollen, und andererseits ein Gas oder eine Gasmischung enthält, welche die aus der Platte des zweiten Behälters zu extrahierenden Ionen herauslösen kann.

Nach der Erfindung wird die Ionisieruang des im ersten Behälter befindlichen Gases durch den Einfluß des elektrischen Feldes erzielt, welches zwischen den beiden Behältern aufgebaut ist und die zu behandelnde Platte durchdringt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Ionisierung der im ersten Behälter befindlichen Atmosphäre mit Hilfe von besonderen in diesem Behälter befindlichen Elektroden unabhängig von der zur Erzeugung eines zwischen den beiden Behältern herrschenden und die zu behandelnde Platte durchdringenden elektrischen Feldes dienenden Elektrode bewirkt werden.

Um die Ausführungen zu vereinfachen, wird die folgende Beschreibung einiger Ausführungsbeispielö. der Erfindung an dem beson-

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deren Beispiel einer aus Natrium-Kalzium-Silikatgas bestehenden Platte vorgenommen, in welchem'Material, wie bekannt, die elektrische Leitung im wesentlichen Ionenleitung ist und auf der Wanderung der Ba⁺-Ionen beruht. Manche der betrachteten Beispiele fassen den besonderen Fall ins Auge, wo man in eine solche Glasplatte Kaliumionen einführen will, d. h. positive Ionen, und zwar derart, daß diese Ionen in das Glas durch die Fläche eindringen, die mit der Gasatmosphäre in Verbindung steht, welche die positive Elektrode enthält, während sich an der gegenüberliegenden Seite der Glasplatte, die mit dem Gas des _M Behälters in Berührung steht, der die negative Elektrode ent- ™ hält, aus dem Glas ausgetretene Natriumionen ansammeln werden, die eventuell von dem in diesem Behälter befindlichen Gas herausgelöst werden werden.

Ganz allgemein enthält das erfindungsgemäße Verfahren die Verwirklichung folgender Bedingungen:

A) Die Schaffung eines ionisierten Oases, welches positive Ionen des Elementes enthält, welches in den zu behandelnden Stoff einzubringen ist, wenn dieser Stoff ein positiver Ionenleiter ist (oder welches negative Ionen des Elementes enthält, welches in den Stoff einzubringen ist, für den Fall, daß das M zu behandelnde Material ein negativer Ionenleiter sein sollte).

B) Das Inkontaktbringen dieses Ionisierten Gases mit der zu behandelnden Platte, wobei letztere die Rolle einer Trennwand zwischen-zwei Behältern spielt, deren einer das gemäß A)-ionisierte Gas enthält.

C) Die Herstellung eines Potential-Gradienten zwischen den beiden zu oeiden Seiten der zu behandelnden Platte' befindlichen Gasatmosphären, was durch die Errichtung eines Potential-

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Gradienten zwischen den beiden Seiten der Platte bewirkt wird, derart, daß die der positiven Elektrode gegenüberliegende Seite der Platte im Verhältnis zu dieser auf einem negativen Potential gehalten wird, während die der negativ.en Elektrode zugewandte Seite auf einem dieser gegenüber positiven Potential gehalten wird.

D) Eventuelle Entfernung der Ansammlung, die sich an der nicht behandelten Seite der Platte infolge der Extraktion von Ionen aus ihr heraus bilden kann, welche von den fremden Ionen, die auf der gegenüberliegenden Seite eingedrungen sind, ersetzt worden sind.

A) Schaffung eines ionisierten Gases.

Es wird betont, daß der Ausdruck "ionisiertes Gas" hier in gleicher Weise auch ein neutrales Plasma umfaßt (welches annähernd die gleiche Menge, gemessen an elektrischen Ladungen, von positiven und negativen !Teilchen enthält), wie auch eine Atmosphäre, die einen Überschuß an Teilchen mit einem bestimmten Vorzeichen oder nur Teilehen eines bestimmten Vorzeichens enthält.

In der Literatur sind zahlreiche Mittel beschrieben, um ein ionisiertes Gas oder eine Strömung geladener Teilchen zu erhalten. Zwar sind alle diese Mittel im Prinzip für die Erfindung geeignet, dennoch werden in der Industrie vorzugsweise die einfachsten Methoden verwendet, vorzugsweise die Ionisierung durch elektrische Ladungen von Gleich- oder Wechselstrom hoher oder niedriger "Frequenz. Deswegen beziehen sich die folgenden Ausführungsbeispiele auf diese Methoden.

B) Auswahl des Gases.

Zur Vereinfachung der Ausführungen wird angenommen, daß in eine

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Glasplatte positive Ionen eingebracht werden sollen; dann muß das Gas, welches den anodischen Behälter ausfüllt, folgende Bedingungen erfüllen:

a) Die in das Glas einzubringende Ionenart muß in beträchtlicher Menge vorhanden sein oder erzeugt werden.

b) Unter den Ionen, die in dem ionisierten Gas vorliegen, und geeignet sind, in de Platte einzudringen,muß die Ionenart, deren Eintritt erwünscht ist, der Hauptträger des lonenströmes sein.

c) Die anderen vorhandenen, eventuell ionisierten gasförmigen Substanzen dürfen nicht in schädlicher v/eise mit der Oberfläche des zu behandelnden Stoffes und den Behälterwänden reagieren.

Die erste der obigen Bedingungen kann leicht durch die üblichen Ionisierungsmethoden realisiert werden, die sich in einem sehr großen Druckbereich abspielen, der von 10 mm Quecksilbersäule bis zu einigen Atmosphären reicht.

Die zweite Bedingung, wonach der lonenstrom vorwiegend von λ der in den zu behandelnden Stoff einzuführenden lonenart getragen werden soll, zeigt, daß es wünschenswert ist, ein Gas zu verwenden, in dem die Anzahl und die Beweglichkeit der einzuführenden Ionen einen überwiegenden Wert haben.

Obwohl es nicht möglich ist, eine allgemeine Regel für die Aaswahl des zu verwendenden Gases zu geben, zeigt die Erfahrung, daß man sich in der Praxis mit der Beachtung der drei folgenden einfachen Grundsätze zufriedengeben kann:

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1. Unabhängig von der Ionisierungsart ist ein Gas oder der Dampf lediglich des einzubringenden Elementes geeignet.

2. Wenn die einzubringende lonenart ein Alkalimetall ist, wie das häufig bei Gläsern der Fall ist, dann kann man ein beliebiges Gas oder einen beliebigen Dampf verwenden, der die Atome dieses Metalls in Kombination oder nicht enthält, da die Ionisierungsspannung der Alkalimetalle niedrig ist.

3. Insbesondere ist es empfehlenswert, ein Halogenid des einzubringenden Elementes zu verwenden.

Die Einhaltung der obigen Bedingung c) bringt keinerlei besondere Schwierigkeiten mit sich und erfordert lediglich die Vermeidung sowohl einer Zerstörung der Oberfläche des zu behandelnden Materials durch eine chemische Reaktion, als auch die Ansammlung von störenden Stoffen, die die Wirkungsweise der Vorrichtung verändern können.

Zur näheren Ausführung der Gedanken seien einige Beispiele von für den anodischen Behälter auszuwählenden Gasen gegeben«

Wenn das Material zum Beispiel ein Glas auf der Basis von Natrium-Aluminium-Silikat ist,-bei welchem man alle oder einen Teil der Ionen der Oberflächen-schicht durch Li+Iiiumionen zu ersetzen wünscht, so kann der Austausch mit Hilfe eines Lithiumnitratdampfes geschehen, der durch elektrische Entladung ionisiert worden ist.

Auf diese Weise erzeugt man unschwer eine große Menge von Litfeiumionen, während die Reside ;.äer Zerlegung in Form einer gasförmigen Verbindung ohne chemisches Reaktionsbestreben mit dem Glas entfernt werden.

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Ist das zu behandelnde Material ein Natrium-Kai ζ ium-Silikatglas, bei welchem die Natriumionen der Oberflächenschicht durch Kaliumionen ersetzt werden sollen, dann kann das für die Füllung des anodischen Behälters verwendete Gas der Dampf von metallischem Kalium unter einem Druck in der Größenordnung von einem halben Millimeter Quecksilbersäule sein, oder aber auch ein Inertgas, wie zum Beispiel Argon, welches metallisches Kalium unter einem '.Peildruck derselben Größenordnung enthält.

Die Gesamtanordnung, wie auch die zu behandelnde Glasplatte ^ werden auf einer Temperatur von mindestens 350° C bei dem obengenannten Druck gehalten, um die Kondensierung des Kaliumdampfes zu vermeiden.

Ist das zu behandelnde Material ein Natrium-Kalzium-Silikatglas, welches man durch in die Oberfläche einzuführende Kupferionen färben will, so kann das in den anodischen Behälter einzufüllende Gas vorteilhafterweise Kupferchlorid sein.

0) Errichtung eines Potentialgradienten zwischen den zwei Seiten der zu behandelnden Platte,

Der Potentialgradient quer durch die zu behandelnde.Material- λ platte kann sehr leicht dadurch erzeugt werden, daß eine genügend große Potentialdifferenz zwischen den Gasatmosphären des anodischen und des kathodischen Behälters erzeugt wird» was durch Anordnung geeigneter Elektroden in diesen Behältern ; bewirkt wird.

Dennoch ist es unerläßlich _f die beiden Behälter voneinander elektrisch zu isolieren, um einen Fluß des Ionenstromes quer durch, die zu behandelnde Platte zu erzielen.

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Ein wichtiges Merkmal der Erfindung liegt in der Tatsache, daß diese elektrische Isolierung bewirkt wird, ohne eine Gasdichtheit zwischen dem-anodischen Behälter und dem kathodischen Behälter zu erzeugen. IUr eine gute Wirkungsweise der Anordnung genügt es in der Tat, die Umgehung der'Glasplatte durch die in sie einzubringenden Ionen, nicht aber durch die, die Gasatmosphären der beiden Behälter bildenden Gasatome, zu verhindern.

Die Tatsache, daß das erfindungsgenäSe Verfahren keineswegs eine Gasdichtheit zwischen den beiden Behältern erfordert, erleichtert, wie zuzugeben ist, die Durchführung des Verfahrens in technischem Maßstab beträchtlich. Andererseits kann die zwisychen den beiden im Hinblick auf die in das Material einzubringenden Ionen naotwendige Trennung ohne Schwierigkeiten verwirklicht werden, indem man die Tendenz dieser Ionen ausnützt, sich durch Rekombination untereinander oder Abgabe ihrer Ladung an die Behälterwände zu entladen.

Um, im Hinblick auf die Abgabe ihrer Ladung, die Stöße der geladenen Ionen untereinander und gegen die Behälterwände zu vervielfachen, ist es zweckmäßig, die Verbindung zwischen der zu behandelnden Platte und den Wänden der beiden Behälter in Form von Drosselstellen zu bilden·, etwa durch Kanäle oder enge Spalte, oder besser noch durch poröse Stoffe, wobei natürlich das einem Hindurchtreten der Ionen von einem Behälter in den anderen entgegenstehende Hindernis durch zusätzliche Maßnahmen verstärkt werden kann, wie Ansaugen durch eine Vakuumpumpe, Einblasen eines neutralen Gases, Polarisation mit Hilfe von besonderen Elektroden w»4 in der Nachbarschaft der Verbindung, und so weiter...

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich-'nungen einige Ausführungsbeispiele für eine Anlage zur Durch-

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führung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben werden.

Beispiel 1

i'ig. 1 zeigt eine verrichtung zur Behandlung einer Platte 1 mittels Ionenaustausch, die aus einem katerial, wie z. 3. Glas besteht, durch Binwirkung auf eine ihrer !'lachen, z. B. i'läche 7.

-Diese Vorricntung enthält einen Behälter 2, dessen ./ande aus einem elektrisch isolierenden L<aterial bestehen, oder aus einem leitenden katerial, welches aber an der Innenseite mit isolierendem ieaterial verkleidet ist. JJer obere i'eil der Vorrichtung ist durch einen Deckel 2a verschlossen, welcher leicht entfernt werden kann, um das Einsetzen der zu behandelnden Platte 1, die auf einer Abstützung 6 aufruht, zu ermöglichen. Eine Dichtung 2b ist zur üicherstellung der Abdichtung des Behälters 2 vorgesehen, und um eine Evakuierung der Vorrichtung, z. B. durch die Leitung 21, zu ermöglichen. Der Behälter wird durch die Platte 1 in zwei kammern, und zwar die obere kammer 3a und die untere Kammer 3d aufgeteilt. Die obere Kammer 3a ist mit einer Leitung 20 versehen, welche ein umwälzen des Gases oder Dampfes, der das in Torrn von substituierenden Ionen in die zu behandelnde Platte einzubringende Element enthält, in der Kammer gestattet. Die untere Kammer 3b ist mit Leitungen 22 und 23 versenen, die darin ein umwälzen des gleichen Gases gestatten, wie in der oberen Kammer, oder eines anderen Gases, weiches gegenüber dem zu behandelnden material neutral sein kann, wie z. .3. ctickstoff. Dieses Gas kann auch Jasserstoff enthalten, am das .!atrium zu entfernen, welches auf der nicht behandelten Plache Ö der Glasplatte erscheint.

jie iiammern 3a und 3 b enthalten andererseits Elektroden 4 bzw. 5, an vvelche die zur Ionisierenden elektrischen jintladung und zum

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Aufbaui.eines elektrischen i'eldes, welch.es die Bewegung der positiven Ionen in Richtung der !'lache 7 der Glasplatte bewirkt, notwendige Potentialdifferenz auflegt wird. Die gesamte Vorrichtung ist in einem nicht dargestellten Ofen angeordnet, um die Durchführung des Verfahrens bei einer gewünschten Temperatur sicherzustellen.

./ie aus der .figur hervorgeht, ist die zu behandelnde Materialplatte auf einer umlaufenden Abstützung 6 gelagert. Die ßefe-"' stigung der zu behandelnden Platte auf dieser Abstützung 6 ^ kann mit Hilfe eines Ringes 6a erfolgen. Der zwischen der ""■■-' Kante 9 der zu behandelnden Platte und der Abstützung 6 freigelassene Saum wird vorteilhafterweise -auf ein praktisches Kin im um reduzkiert, z. B. 1 oder 2 mm, während die Flächen 7 und 8 der Platte mit der Abstützung 6, 6a längs mehreren Liillimetern Berührung haben, wo die Platte nicht behandelt wird. . . -

Das Einbringen der Platte 11 in die Abstützung 6, 6a erfordert keinerlei besondere Vorkehrungen hinsichtlich des Zustandes ihrer Oberfläche, da eine Gasdichtheit nicht erforderlich ist. Andererseits schafft eine solche Abstützung zwischen den beiden Kammern des Behälters einen Durchlaß, welcher eng genug ist, um sie elektrisch, voneinander au isolieren, d. h. um die Entladung zu unterbrechen und das Erlöschen der Ladung der Gasionen infolge der zahlreichen Stöße an den ,/anden oder infolge der ftekombination der Ionen untereinander zu bewirken. Die Abstützung 6 kann porös oder von Kanälen durchbohrt sein, wenn man zwischen den beiden Kammern, eine freie Gaszirkulation wünscht. Indessen ist es notwendig, daß die Abmessungen der Kanäle so sind, daß keine Entladung durch sie hindurch stattfinden kann. Als Anhaltspunkt kann z. B. bei einem Gasdruck von 0,1 mm Quecksilbersäule eine Abstützung mit einer Porosität .verwendet werden,

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deren Kenngröße weniger als einige Zehntel Millimeter beträgt. Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Abstützung

Bei dieser Ausführungsvariante enthält die Abstützung einen massiven Teil 11, der von Kanälen 12, welche geradlinig sind oder nicht, durchdrungen wird, und die zu behandelnde Platte 1 wird im Bereich der Abstützung von porösen Metallplatten 10 gehalten, deren Porengröße von derselben Größenordnung wie die freie Weglänge der ionisierten Gasatome bei dem infrage kommenden Druck ist. Unter diesen Bedingungen können % die ionisierten Atome die porösen luetallplatten nicht durchqueren, da sie einer großen ^ahl von Zusammenstößen untereinander und gegen das ivietall ausgesetzt sind, welche ihre Rekombination bewirken, derart, daß lediglich neutrale Atome oder Lioleküle die Kanäle des Isoliermaterials 11 durchdringen können. Es ist indessen zweckmäßig, daß die zwischen den zwei ketallplatten 10 herrschende Potentialdifferenz, die durch den Kontakt mit den Gasionen der beiden Kammern hervorgerufen wird, keine neue elektrische Entladung in den Kanälen der Isolierung einleiten kann. Diese Erscheinung ist zu befürchten, wenn die zu behandelnde Platte sehr dick ist, oder wenn als zu behandelndes Liaterial ein Material geringer elek- ^ trischer leitfähigkeit vorliegt, d. h. wenn sich notwendigerweise eine starke Potentialdifferenz zwischen den beiden Kammern aufbaut. In diesem iall ist es empfehlenswert, den massiven isolierenden 'Heil 11 in mehrere Schichten aufzuteilen, und die porösen Letallplatten 10 zusätzlich zwischen den Schichten anzuordnen, wie es in rig. 3 dargestellt ist. Die wirkung dieser iwischenplatten besteht in einer Verteilung des Potentialabfalls zwischen den verschiedenen Schichten derart, da3 die Potentialdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten 10 immer geringer ist als die Spannung, die cur !Einleitung einer ,Entladung in dem Kanal des massiven

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isolierenden Teils bei dem vorliegenden Druck, der Gasart und dem vorliegenden Metall notwendig ist.

2 1st der Druck gering, z. B. in der Größenordnung von 10 mm Quecksilbersäule, · so kann man zwischen der Abstützung 6 und den Flächen 7 und 8 der zu behandelnden platte einen relativ großen Raum freilassen. Eine besonders befriedigende Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt, wo die ganze Verbindung 6 aus isolierendem Material besteht, während ein Metallstück 13 (oder Metallspäne) die Rekombination der Ionen durch Unterteilung des Potentialgradienten begünstigen. Die Metallplatte 13 dieser Abbildung kann, wie auch die mittlere Zwischenplatte 10 der Fig. 3» &n eine Stromquelle angeschlossen sein, die ihr ein Potential gibt, welches dem mittleren Potential der zu behandelnden Platte gleich ist, wodurch gewisse Risiken infolge Instabilitäten der Entladung vermieden werden und andererseits gefährliche statische Aufladungen vor dem Einbringen der Platte leichter entfernt werden kännen.

Beispiel 2

In dem vorausgehenden Beispiel waren 'die beschriebenen Vorrichtungen so ausgebildet, daß damit die Ionen einer Fläche einer Platte aus einem Material, z.· ß. Glas, die vorher zugeschnitten wurde, ausgetauscht werden konnten.

Die Erfindung ist jedoch auch zur Behandlung einer Seite eines Bandes aus einem ähnlichen Material geeignet, welches kontinuierlich durch die Vorrichtung läuft. Dazu muß die Vorichtung zur Durchführung des Verfahrens Änderungen unterworfen werden, welche aufgrund der Tatsache möglich sind, daß die Verbindung, welche die elektrische Abdichtung zwischen den beiden Kammern , der anodischen und der kathodischen, bewirkt, ■nicht notwendigerweise gasdicht sein muß, wodurch es möglich

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ist, daIB die zu behandelnde Platte kontinuierlich, gegenüber dieser Verbindung bewegt werden kann.

.Sin Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist in I¹Ig. 5 dargestellt, für den lall der Behandlung einer der flächen eines Glasbandes 60 durch Ionenaustausch, welches sich in vertikaler Richtung unter der Einwirkung von Hollen 40 oewegt.

Fig. 5 ist ein Vertikalschnitt durch die Vorrichtung, fcan erkennt, daß die Elektroden 14 und 15 in den beiden Kammern 44a und 44b eines Behälters 72 angeordnet sind, welcher an seiner Innenseite mit einer isolierenden Verkleidung versehen ist. Diese kammern 44a, 44b stehen mit Leitungen 16 bzw. 17 und 1 ei bzw. 19 in Verbindung, die eine Zirkulation geeigneter Gase, wie dies am Beispiel der Kammern "3a und 3d der jj'ig. 1 erläutert wurde, erlauben*

den Pail, daß man das Ionenaustauscherfahren bei einem raktiv niedrigen JJrucK durchführen will, welcher unter dem Atmosphärendruck -liegt, Sj.nd die spalte 53, durch welche das zu behandelnde -Sand durch die Kammern 44a, 44b hindurchläuft Dzw. aus diesen austritt, von einer ieine von ähnlichen aufeinanderfolgenden Kammern umgeben, in welchen stufenweise λ

Drücice herrschen, ois ein dem Aula endruck angenäherter Jrucic erreicht Ist. Auf der Zeichnung wurde zur Vereinfachung die zahl dieser aufeinanderfolgenden Kammern, wie 43, 42 und 41, auf drei begrenzt, wobei es von seklbst versteht, daß in de.ii ./all, in welchem man in den Kammern 44a, 44 b einen sehr ri^:.edri/?en iJruck aufrechterhalten will, eine viel größere Zahl von aufein-anderfolgenden Kammern notwendig sein icann. Die ι ararnern 41, durch welche das Band nach dem Durchqueren der spalte 50 hindurchläuft, werden aui einea Druck gehalten, welcher etwas üoer dem AUiiendruck liegt, um den Eintritt von j.uft in d.te '/orrichtunc zu verhindern. JJLeser Druck wird

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BAt ORtQiNAU

durch Einblasen in äs Leitungen 61 erzeugt. Andererseits sind die Leitungen 62 der Kammern 42 an eine Vakuumpumpe angeschlossen, welche in diesen Kammern, dank eines kalibrierten Spaltes 51, einen Druck herstellen kann, welcher .unter dem Atmosphärendruck liegt. Ebenso erzeugt man in den Kammern 43 mit Hilfe der Leitungen 63 einen noch schwächeren Druck als in den Kammern 42, der etwas größer ist als der in den Kammern 44a, 44b gewünschte Druck.

Das Reaktionsgas, das z. B. Kaliumdampf oder eine Kaliumverbindung enthalten kann, und welches durch die Leitung 16 in die Kammer 44a eingebracht worden ist, bleibt auf den Kreislauf 16-44a-17 beschränkt, ohne sich in andere Kammern der Vorrichtung zu verteilen. Der kalibrierte Spalt 53 bewirkt einen Ladungsverlust zwischen den Kammern 43 und 44a, unterbricht jedoch gleichzeitig die elektrische Entladung wegen des Einschnürungseffektes, von dem oben bereits gesprochen wurde und aufgrund der Tatsache, daß das leicht ionisierbare Kalium nicht durch die Verbindung hindurchtreten kann, da es von dem zwischen den Kammern 43 und 44a herrschenden Lecxstrom zurückgeworfen wird. Allgemein ist es wünschenswert, den Spalt 53 so klein wie möglich zu machen.

jj'ig. 6 zeigt eine Ansicht in vergrößertem Maßstab von dem Spalt 53 in einer besonderen Ausführungsform, derzufolge eine in geeigneter '"/eise polarisierte Hilfselektrode 70 in der isolierenden Verkleidung 71 der Kammer 44 angeordnet ist, während der Spalt 53 bezüglich der Kammer 43 von der Verlängerung 72a der ivie tall wand 72 der Kammer 44 gebildet wird.

Die Aufgabe der Elektrode 70 ist es, die Ionen oder die Elektronen aufzufangen, die sich in dem Spalt befinden, um das Erlöschen des Entladungsvorganges zu bewirken. Diese Hilfs-

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elektrode erlaubt die Anordnung eines größeren Spaltes 53 als es in dem Fall möglich ist, wo keine Elektroden vorgesehen sind.

Bei einer in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist der Spalt durch eine Längsabdichtung der im Beispiel 1 beschriebenen Art ersetzt: Ein Stück aus isolierendem Material 74 enthält Nuten 74a, in welchen Dichtungslippen 75 gleiten können, welche durch Federn 76 gegen die Platte 60 gedruckt werden. Um das Einbringen der Platte 60 und der Justiereinrichtungen zu erleichtern, kann der Block 74 vorteilhafterweise, wie in der Figur dargestellt, aus zwei um Achsen 77 schwenkbaren Hälften bestehen, derart, daß sie durch mit Hilfe der Hebel 7δ bewirkte Drehung auseinandertreten können. Die Dichtungslippen 75 können aus elektrisch leitendem Laterial, wie z. Graphit bestehen. Da die Länge der Kammer 44 von der Notwendigen 7erfahrensdauer und der Durchtrittsgeschwindigkeit der Platte 60 bestimmt wird, kann sie, in bestimmten Fällen, wichtig sein. 3s kann auch notwendig sein, den Block 74 in mehrere nebeneinander angeordnete öegmente zu unterteilen.

Pig. 6 zeigt einen Halb-Querschnitt durch die vorrichtung, wobei die Sextenabdichtung von spalten 79 gebildet wird, welche in eine Hammer öO ausmünden, die ihrerseits mit den kammern 43 verDunden ist.

Die Kammer oO .-cann auch in bestimmten lullen direkt mit einer Vakuumpumpe verbunden sein, die den Drucic auf einen /ert aosenkt, welcher den Ablauf des ilntladungsvorganges gestattet. Diese vorrichtung ist dann günstig, wenn die mittlere freie YeglÜnge ler 'lasionen die Spaltdimensionen klar übersteigt, oder nenn, die zvl behandelnde Platte sehr dick ist.

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Diese Art eines direkt in eine mit einer Vakuumpumpe in Verbindung stehende Kammer mündenden Spaltes ermöglicht eine durch ihre Einfachheit besonders'vorteilhafte Ausführungsform, die im folgenden anhand-der Figur 9 beschrieben wird. Der Spalt mündet in eine Kammer 90 aus, die mit einer Vakuumleitung 89 verbunden ist und eine Kaliumfalle 91 enthält, die durch einen Flüssigkeits (91a)-Kreislauf gekühlte Wände aufweist, an welchen sich der Metalldampf niedergeschlagen hat. Die Temperatur der Anordnung wird auf 62,5 C gehalten, derart, daß das geschmolzene Metall in der Auffangrinne 92 gesammelt und in einen Rezipienten 93 zurückgeführt wird, wo es verdampft, um den notwendigen Druck im Entladungsbehälter 44 aufrechtzuerhalten. Die Verdampfung des Metalls kann bequem dadurch geregelt werden, daß die Temperatur des Verdampfungsrezipienten 93 durch Kühleinrichtungen 93a im Plüssigkeitskreislauf eingestellt wird. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, .sehr einfach konstruiert zu sein und eine Reinigung durch ' ......

V/asserstrahl zu ermöglichen für den FaH, daß durch unvorhergesehenen Eintritt von Wasserdampf Kaliumkarbonat gebildet wurde.

Werden leicht kondensierbare Metalldämpfe verwendet (z. B, Alkalimetalle), dann kann man in der Kammer 44 mit Drücken

ρ
arbeiten, die merklich über 10 tom Quecksilbersäule liegen und z. B. 8 χ 10 mm erreichen können, indem man für den Spalt 79 konische Dichtlippen 86 (vergleiche Fig. 10) verwendet, die durch einen in Kanälen 85 strömenden Flüssigkeitskreislauf gekühlt werden. Der Metalldampf kondensiert an der Wand 86 und man schafft auf diese Weise einen ausätzlichen Druckabfall stromaufwärts, der Dichtlippe, wodurch die Funktionsweise der Anordnung verbessert wird.

Jn den vorhergehenden Beispielen dient die elektrische Entladung, die sich zwischen den Elektroden quer durch die zu

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behandelnde Platte abspielt, gleichzeitig dazu, daß zur Wanderung der Ionen bestimmte elektrische Feld zu schaffen, und die Ionisierung selbst zu bewirken. Diese Anordnung hat den Vorteil der Einfachheit, kann jedoch gewisse Unannehmlichkeiten mit sich bringen, wenn man getrennt auf den Ionisierungsvorgang und auf das elektrische Feld einwirken will.

In dem folgenden Beispiel wird daher die Vorrichtung zur Durchführung der Ionisierung durch elektrische Entladung von der Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, welc-hes die zu behandelnde Platte durchdringt, getrennt.

.Beispiel 3

Die vorrichtung ist schematisch in rig. 11 wiedergegeben, auf welcher zu erkennen ist, daß die zu behandelnde Platte 1 von den iiDstützungen 6 des .Beispiels der Fig. 1 analogen Abstützungen 6 gehalten wird.

Unter der Annahme, daß die zu behandelnde Platte 1 eine Glasplatte 1st, in deren oberer Fläche 7 italiumionen eingebracht werden sollen, steht diese Fläche mit der Kalium enthaltenden GasatiiioSphäre der oberen kammer 67 in Berührung.

."Die Ionisierung des in der kammer 87 enthaltenen Gases wird durch Elektroden 94 und 95 erreicht, die an die Sekundärwicklung eines Transformators 81 angeschlossen sind, der von dem Generator Ö2 mit Y/echselstrom versorgt wird.

In der riach bar schaft der Fläche 7 der zu behandelnden Platte ist andererseits eine perforierte 'Elektrode 96 vorgesehen, die an den positiven Pol einer .Batterie 03 angeschlossen ist. Jer negative Pol dieser .Batterie ist an der perforierten Elek-

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trode 97 angeschlossen, die in der Nachbarschaft der Glasplatte in der kathodischen Kammer 88 angeordnet ist.

Die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators 81 ist mit dem positiven Pol einer Batterie 84 verbunden, deren negativer Pol mit der positiven Klemme der Batterie 83 verbunden ist. Die Kammern 87, und 88 sind, wie die der Fig. 1, mit Gaszuführungsleitungen und Evakuierungsleitungen verbunden (die nicht dargestellt sind). So kann man'den Kalium-, dampf, welcher unter dem Einfluß der zwischen den Elektroden 94 und 95 hervorgerufenen 7/echselentladung ionisiert, in der Kammer zirkulieren lassen.

Die so gebildeten Kaliumionen werden von dem elektrischen , Feld auf die perforierte Elektrode 96 zu bewegt, die gegenüber dem mittleren Potential der Elektroden 94 und 95 auf einem negativen Potential ist. Von der Elektrode 9o aus, werden diese positiven Ionen auf negative Elektrode 97 zu bewegt, wobei sie in die Glasplatte eindringen. Auf der Fläche 8 dieser letzteren erscheinen Natriumionen, die man in die Atmosphäre der Kammer 88 hineinziehen kann, welche z. B. Y/asserstoff enthalten kann, der mit dem Natrium Natriumhydrid bildet. Diese Verbindung kann wie im Falle der Fig.; 1 aus der Kammer 88 entfernt werden.

In der Kammer 88 sind Elektroden 98, 99 vorgesehen, die mit der Sekundärwicklung eines Transformators 100 verbunden sind, der von einem Generator 100a mit Wechselstrom versorgt wird.

Beispiel 4 -

Y/ie bereits oben ausgeführt wirde, besteht einer, der Vorteile der Erfindung in der Tatsache, daß es nicht notwendig ist, zwischen der anodischen und der kathodischen Kammer eine gas-

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dichte Abdichtung vorzusehen, so daß die von der zu behandelnden Platte gebildete ffirennwand einfach gegen eine isolierende, eventuell poröse Dichtung gedruckt werden kann, wodurch die Montage der Vorrichtung und das Einbringen der zu behandelnden Platte in die Vorrichtung sehr viel leichter und schneller erfolgen kann.

So kann man z. B. vom technischen Standpunkt aus in einem einzigen Behälter eine große Anzahl von zu behandelnden Platten übereinanderstapeln. Eine Vorrichtung dieser Art ist in den ^ Figuren 12 und 13 zur gleichzeitigen Behandlung einer gewissen Zahl von gebogenen Windschutzscheiben dargestellt.

Die Vorrichtung wird von einem Behälterstapel gebildet, gleich dem in Pig. 13 dargestellten. Diese Behälter können jeder eine Windschutzscheibe 104 enthalten, die sich einerseits auf eine Schulter der isolierenden Innenverkleidung des Behälters abstützt, und andererseits auf einen Distanzhalter.

Die ganze Anordnung ist perspektivisch und teilweise geschnitten in Fig. 12 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß die aufeinanderfolgenden Behälter voneinander nach dem Einführen der Windschutzscheiben abgeschlossen sind, dank Zugankern 101, welche durch Bohrungen 102, die in den die Behälter begrenzenden Flanschen 103 vorgesehen sind, gesteckt sind. In I'lg. 12 erkennt man auch die isolierende Auskleidung 105» welche die Innenwände der Behälter- bedecict. Itiese Auskleidungen bilden eine Schulter 106, gegen welche sich die zu behandelnden .Vindschutzscheiben 104 abstützen können. Die Windschutzscheibe wird durch einen gleichfalls isolierenden Distanzhalter 107 auf ihrem Platz gehalten.

Jeder Behälter enthält auch eine Elektrode 108 in Plattenform, deren Polarität von einem Behälter zu dem folgenden Wechselt.

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Die Platt en elektroden können von Heizelementen 109 "beheizt werden.

Der Innenraum jedes Behälters ist durch eine gewölbte Windschutzscheibe 104 in zwei Kammern, eine anodische und eine kathodische, aufgeteilt, in welchen man die Gase oder geeigneten Dämpfe mit Hilfe von Versorgungsleitungen 110 und Evakuierungsleitungen 111, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen sind, zirkulieren läßt.

Eine solche Vorrichtung arbeitete unter folgenden Bedingungen:_

Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden betrug 600 Volt;

ρ
die Stromdichte 5 Milliampere pro cm ; die gesamte Vorrichtung wurde auf einer Temperatur von 400° C gehalten. Die anödischen Kammern der verschiedenen Behälter wurden mit Argon beaufschlagt, welches Kaliumdampf enthielt; d>er Sruck betrug 10 mm Quecksilbersäule in beiden Kammern. In der kathodischen Kammer wurde vvasserstoff umgewälzt, um das Natrium, welches sich auf der nicht behandelten Fläche der Glasplatte bildete, in der Form von Natriumhydrid zu entfernen, iährt man die Anlage unter diesen Bedingungen 30 Minuten lang, so erzielt man eine Substitution der Natriumionen durch Kaliumionen in der Oberfläche der Glasplatte, die der positiven Elektrode gegenüberliegt, in einer Tiefe von 80 - 100 ja.

Will man beide Flächen der Windschutzscheibe behandeln, so wechselt man die Polarität der Elektroden und fährt die Anlage, nachdem man die Zuleitungen des mit Kaliurndampf beladenen Gases vertauscht hat, noch einmal etwa 20 Minuten lang. Man erhält nun auf .jeder Seite der Glasplatte eine substituierte Schicht von etwa 60^1'ieie.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Ausführunes-

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freispiele und oben beschriebenen vorrichtungen beschränkt.

wach einer anderen Äusiührungsforui der Erfindung kann die zweite Kammer, wie die kammer 3'b der Y^-Ig. 1 oder die jiammer der I^!'ig. 11, weggelassen werden, wobei die zweite Elektrode, wie die Elektrode 5 oder die Elektrode 97 dieser Beispiele, nun in direkten Lon takt mit der zweiten Fläche der !-latte stent.

latentansprüche:

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Claims (1)

1. at en tan s ρ rüche :

   1. Verfahren zum Austausch von Ionen zwischen eine-a im wes'ehtauchen in Plattenform vorliegenden Material, insbesondere Glasplatten, mit lonenleitfähigkeit und .einem ionisierten Gras, wobei zwischen beiden Flächen der zu behandelnden" Platte ein Potentialgradient aufrechterhalten .wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Fläche der Platte mit der abgeschlossenen Atmosphäre eines die einzuführenden Ionen enthaltenden Gases und die andere Fläche der Platte mit der abgeschlossenen Atmosphäre eines anderen Gases in Kontakt gebracht wird, und mit Hilfe von zu beiden oeiten der Platte angeordneten Elektroden ein die Ionenwanderung in die zu behandelnde i/läche der Platte bewirkendes elektrisches >eld aufgebaut wird. "

   2. verfahren xiach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-, net , dem die Platte eine i'rennwand zwischen den Atmosphären bildet, die ansonsten gasdurchlässig, aber ionenundurchlässig voneinander getrennt sind.

   3. verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in der Atmosphäre, die mit der zu behandelnden Plattenfläche in Kontakt steht, Gas'oder eine Gasmischung .oder vorzugsweise, eioe die einzuführenden Ionen enthaltende Gasmischung umgewälzt wird, und in der anderen Atmosphäre ein Gas oder eine Gasmischung umgewälzt wird, die zur Entfernung der zu ersetzenden Ionen geeignet ist.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 3, dadurch g e. k e η η ζ e ic h η e t -,. daß die Ionisierung der ersten Gasatmosphäre (3a) von dem die Ionenwanderung Her- ■

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   vorrufenden elektrischen lreld bewirkt wird, welches die Platte (1) durchdringt.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionisierung der ersten Gasatmosphäre (3a) unabhängig von dem die Ionenwanderung hervorrufenden elektrischen l^;'eld bewirkt wird.

   6. /erfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennseichn3et , daß der Ionendurchtritt von einer üasatmoSphäre (3^) in die andere (3b) z. 3. durch Evakuieren, iJiniüllen eines neutralen Gases, Polarisation mittels Bilfselektroden (96, 97) im Bereich der zu behandelnden Platte (1) und dergleichen erschwert wird.

   7. /erfahren nach einem der /msprüche 1 - 6, dadurch

   g e ic e η η ζ e ? c h η et, daß die zu behandelnde Platte die i'orm eines kontinuierlich an den beiden Gasatmosphären (44a, 44d) voroe:ilaufenden ^andes hat, das vor dem eintritt in das und nach dem Austritt aus dem GasatmosphLrenpaar (44a, 44Ό) aufeinanderfolgende Druckräome (41, A^, 43) durchläuft, deren Drücke von dem Atmosphärenpaar (44a, 44b) su den äußeren Drucicräumen (41) hin stufenweise bis annähernd auf den Atmosphärendruck ansteigen.

   c. verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenns e ichn e τ , da.? die verbindungsstellen der Gasatmosphären (44a, 44o) at it dem .and an dessen 3e:.temcanten Lecks teilen sind, die in :uxt den ürucKräuiaen (41, 42, 43) verbundene I₅.air.mern au&üünden.

   9. veriahren nach xinspracii ö, dadurch geicennzeich- v. β t , iaiö d^:.e i-ec.cstellen an eine Vakuumpumpe ange

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   schlossen oind.

   10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,, daß die Kammern, an welche die Lecksteilen angeschlossen sind, Ionenfallen (91) für die Substitutionsionen enthalten.

   11. V erfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - ■ zeichnet , daß nur die die einzuführenden Ionen enthaltende Atmosphäre vorgesehen ist, und die andere Fläche der Platte (1) direkt an der ihr zugeordneten· Elektrod^e anliegt.

   12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß durch Umpolen der Elektroden und gegenseitiges Auswechseln der zu dem Paar gehörigen Gasatmosphären nacheinander beide Flächen der Platte behandelt werden.

   13· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13» g'e kennzeich net durch einen Behälter (2), der durch die zu behandelnde Platte (1) in zwei Kammern (3.a, 3b), welche die beiden Grasatmosphären und je eine Elektrode (4 bzw. 5) enthalten, sowie mit Zu- und Ableitungen (20, 21; 22, 23) versehen sind, aufgeteilt ist,.wobei die Platte (1) längs ihrer Kanten (9) mittels umlaufenden Abstützungen (6, 6a) an der Behälterwand befestigt ist.

   14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Abstützung (6, 6a; 10, 11) Drosselstellen enthält, die von Kanälen (12) oder engen Spalten gebildet werden.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η -■ zeichnet , daß die Abstützungen (6, 6a; 10) aus porösem Material gebildet sind.- "■"'■■' '"" ' ' ''

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   16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13-14 zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansrüchen 1-12, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Materialplatte (1, 60) und ihrer Abstützung (6) bzw. der Kammer-Wand (71, 72) ein kalibrierter Spalt freibleibt, in dem eine polarisierte Elektrode (13, 70) zur Entladung der Ionen und Unterbrechung eines eventuellen Ionenstromes angeordnet ist (Figuren 4 und 6).

   17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungsstellen der Seitenkanten des Bandes (60) mit den Kammerwänden (71, 72) ein Isolierender Block (74) angeordnet ist, der parallel zu der Bandkante verlaufende Nuten (74a) aufweist, in welchen federgespannte (76) Dichtlippen (75), die gegen das Band drücken, angeordnet sind (Pig. 7).

   18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 - 1β, die vorzugsweise zur Behandlung von Windschutzscheiben geeignet ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Behältern mittels durch in Bohrungen (102) ihrer Plansche (103) gesteckte Zuganker (101) zu einer Einheit zusammengefaßt ist, von denen jeder durch eine Windschutζscheibe (104) in zwei Kammern aufgeteilt ist, deren jede eine Plattenelektrode (108) enthält, deren Polarität von einem Behälter zu dem nächstfolgenden Wechselt, und von den für den Ionenaustausch geeigneten Gasen oder Dämpfen durchströmt wird.

   19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur der Plattenelektroden durch Heißelemente (109) geregelt werden kann.

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