TW201518234A - 用於具有多組份離子交換浴的基材離子交換系統之混合裝置及混合該浴之方法 - Google Patents

Abstract

提供用於多組份離子交換浴的基材離子交換系統及混合該浴的方法，該系統可使在浴中的分層現象最小化。該系統包括一基材，該基材具有一外部區域，該外部區域包含複數個基材金屬離子；一離子交換浴，該離子交換浴包括第一金屬鹽及第二金屬鹽；以及一容器，該容器用於容納該離子交換浴及該基材。該系統進一步包括一混合裝置，該裝置經配置以混合該浴，使得在該浴中的該第一金屬鹽的金屬離子濃度在該容器內係實質上均勻的。該基材金屬離子與該第一金屬鹽及該第二金屬鹽的金屬離子係可交換的。更甚者，該第一金屬鹽與該第二金屬鹽係可互溶與熔融的。

Description

用於具有多組份離子交換浴的基材離子交換系統之混合裝置及混合該浴之方法

本申請案係根據專利法主張於2013年6月17日提出申請的美國專利申請案序號第61/835,764的優先權益，依據該美國專利申請案之全部內容且其全部內容在此以引用的方式併入本文中。

本發明之揭露大體上係關於基材離子交換系統及維持與控制該系統的方法。更明確而言，在本發明之揭露中的多個具體例係關於用於具有多組份熔融離子交換浴之玻璃、玻璃陶瓷及陶瓷製品的離子交換系統的混合裝置及混合該浴的方法。

離子交換(IOX)處理係透過局部組份的變化以改變及控制在多種玻璃、玻璃陶瓷及陶瓷基材中的金屬離子的濃度。在基材中的組份變化可用來修飾某些基材性質。例如，可加入鹼金屬離子(如，Na⁺及K⁺離子)至基材的表面區域以作為強化機制。又如另一例子，可加入多種重金屬離子(如，Ag⁺、Cu⁺及Zn⁺離子)至基材的表面區域以提供具有抗菌性質 的基材。

此IOX處理通常包含在多組份離子交換浴中於高溫下浸沒基材。此熔融鹽浴包括欲引入至基材中的金屬離子。在IOX處理期間，基材中的離子通常係在基材的外部區域與浴中的金屬離子交換。就此而言，在IOX處理期間，在控制基材的外部區域內交換的離子數量上，浴中金屬離子濃度的控制係很重要的。

當浴中的金屬離子自基材經由離子交換而消耗與置換時(如，「流出物離子」)，此濃度水平可隨著時間改變。此濃度水平上的改變通常顯示為逐步改變，此改變係由在延長的一段期間觀察在一系列離子交換基材內的金屬離子交換量而得。然而，有其他例子顯示，在離子交換的處理中，金屬離子交換的量會在特定基材的區域內非預期地變化。同樣地，觀察到多種基材承受單一離子交換處理或操作因而具有金屬離子加入量的顯著變化，此變化每個基板各異且視基材在離子交換容器內的位置而定。金屬離子加入量的局部變化會造成在離子交換基材的性質中不想要的或非預期的變異。

因此，發展適合用於考量、控制及使金屬離子濃度的局部變化最小化之製造操作的系統及方法係需要的，該金屬離子濃度的局部變化會隨著時間發生在基材處於離子交換的處理中。

根據一個具體例，提供一基材離子交換系統，該系統包括一基材，該基材具有一外部區域，該外部區域包含複 數個基材金屬離子；一離子交換浴，該離子交換浴包括第一金屬鹽及第二金屬鹽，該第一金屬鹽具有第一金屬離子濃度的複數個第一金屬離子，而該第二金屬鹽具有第二金屬離子濃度的複數個第二金屬離子；以及一容器，該容器用於容納該離子交換浴及該基材。該系統進一步包括一混合裝置，該裝置經配置以混合該浴，使得在該浴中的該第一金屬離子濃度在該容器內係實質上均勻的。該基材金屬離子與該複數個第一金屬離子及該複數個第二金屬離子係可交換的，且該第一金屬鹽與該第二金屬鹽係可互溶與熔融的。

該混合裝置可經配置以增加該第一金屬鹽於該第二金屬鹽中的溶解速率。該混合裝置亦可實質位於該容器內且在其他可能的變化中可包含一葉輪組件、一噴灑組件、一混合框架組件、一分配籃或一線外的攪拌器組件。

根據一個附加的具體例，提供一種維持離子交換浴的方法，其包括以下步驟：提供一基材，該基材具有一外部區域，該外部區域包含複數個基材金屬離子；準備一離子交換浴，該離子交換浴包括第一金屬鹽及第二金屬鹽，該第一金屬鹽具有第一金屬離子濃度的複數個第一金屬離子，而該第二金屬鹽具有第二金屬離子濃度的複數個第二金屬離子；以及提供一容器，該容器用於容納該離子交換浴及該基材。該方法亦包括以下步驟：將基材沒入該離子交換浴中，使得複數個基材金屬離子的一部分與複數個第一金屬離子的一部分交換；以及混合該浴，使得在該浴中的該第一金屬離子濃度在該容器內係實質上均勻的。更甚者，該第一金屬鹽與該 第二金屬鹽係可互溶與熔融的。

將於以下的詳細描述中闡述本發明的附加特徵與優點，該等特徵與優點在某種程度上對於本領域中具有通常知識者而言根據該描述將是顯而易見的，或者可藉由實施包括以下詳細描述、申請專利範圍以及圖式之本文所述的具體例來理解。

應了解以上的一般描述與以下的詳細描述兩者僅係示例性的，且旨在提供概觀或架構以理解申請專利範圍的本質與特性。所包括的圖式用於提供進一步的理解，且被結合至本說明書中並構成其一部分。本案圖式描繪本發明的一或多個具體例，並與本案說明書一起用於說明多種具體例的原理與操作。

3‧‧‧第一金屬鹽

4‧‧‧第二金屬鹽

8,8a‧‧‧容器

9‧‧‧門

10‧‧‧基材

12‧‧‧上提組件

14,14a‧‧‧離子交換浴

16,16a‧‧‧葉輪

17‧‧‧葉輪組件

18‧‧‧軸承組件

19‧‧‧葉輪驅動主體

20,20a‧‧‧基材離子交換系統

22‧‧‧噴灑組件

23‧‧‧噴灑組件

24‧‧‧噴嘴

25‧‧‧管線

26‧‧‧噴孔

27‧‧‧鈍氣

28‧‧‧氣泡

30,30a‧‧‧基材離子交換系統

34,34a‧‧‧混合框架組件

35,35a‧‧‧混合框架

36‧‧‧鰭

37‧‧‧氣穴流

40,40a‧‧‧基材離子交換系統

42‧‧‧分配籃

43‧‧‧上提組件

44‧‧‧金屬鹽固體

50‧‧‧基材離子交換系統

52‧‧‧攪拌器組件

54‧‧‧驅動主體

55‧‧‧入口

56‧‧‧出口

58‧‧‧貯槽

59‧‧‧進料組件

60‧‧‧基材離子交換系統

第1圖描繪在離子交換浴中實際的與模擬的AgNO₃濃度水平以及在玻璃基材中的Ag⁺濃度，均與在AgNO₃-KNO₃離子交換浴中的基材離子交換操作的數量比對。

第2圖係根據一具體例之在容器中具有用於混合離子交換浴之葉輪組件的基材離子交換系統的剖視圖。

第3A圖係根據另一具體例之在大容器中的上升位置具有用於混合離子交換浴之可移動的葉輪組件的基材離子交換系統的剖視圖。

第3B圖描繪第3A圖中的基材離子交換系統在可移動的葉輪組件被移至離子交換浴內之一位置的狀態。

第3C圖描繪第3A圖中的基材離子交換系統在操作 可移動的葉輪組件以在大容器內混合離子交換浴內以在浴中改善第一金屬離子濃度的均勻度的狀態。

第3D圖描繪第3A圖中的基材離子交換系統在葉輪組件被移至離子交換浴上方之一位置的狀態。

第4A圖係根據一進一步的具體例之在容器中具有用於混合離子交換浴之可伸縮的噴灑組件的基材離子交換系統的剖視圖。

第4B圖係第4A圖中之噴灑組件的噴嘴之底表面的端點仰視圖。

第4C圖係第4A圖中之噴灑組件的噴嘴的剖面圖。

第5A圖係根據一附加的具體例之在容器底部具有用於混合離子交換浴之噴灑組件的基材離子交換系統的剖視圖。

第5B圖係具有第5A圖之噴灑組件的基材離子交換系統的剖面圖。

第5C圖係第5A圖之噴灑組件的俯視圖。

第5D圖係用於第5A圖之噴灑組件的噴灑管的剖面圖。

第6A圖係根據一進一步的具體例之在容器中具有用於混合離子交換浴之混合框架組件的基材離子交換系統的剖視圖。

第6B圖提供第6A圖之混合框架組件的剖面圖，展示該框架在離子交換浴中的向上與向下移動。

第6C圖係根據另一具體例之在容器中具有用於混 合離子交換浴之垂直鰭件的混合框架組件的基材離子交換系統的剖視圖。

第6D圖提供第6C圖之混合框架組件的剖面圖，展示該框架在離子交換浴中的向上與向下移動。

第7圖係根據另一具體例之在容器中具有用於混合離子交換浴之分配籃組件的基材離子交換系統的剖視圖。

第8圖係根據一附加的具體例之在貯槽中具有用於混合離子交換浴之線外的攪拌器組件的基材離子交換系統的剖視圖。

現在將詳細參照本發明的較佳具體例，其各種實施例在本案圖式中均有描述。在所有圖式中，在可能的情形下，相同的元件符號將用於代表相同或相似的部件。

現在了解當用於多種製造用途之離子交換浴的變化產生之後，用於基材離子交換處理之在多組份浴中的多個位置的濃度水平可以作為時間的函數而變化。如本發明所使用，在浴中的「分層」或「濃度不均勻」係指在多組份離子交換浴(如，AgNO₃與KNO₃)中的一或多個組份在該浴內相對於其平均濃度水平而反分層(destratify)。亦即，例如具有以重量計之0.5%濃度之AgNO₃的AgNO₃-KNO₃離子交換浴，可具有顯著低於或高於以重量計之0.5%平均濃度水平之AgNO₃濃度水平的局部區域。

濃度不均勻會在浴中負載的初始準備期間產生，此期間一組金屬離子(如，固體金屬鹽的形式)被加入已為熔融形 式的另一熔融鹽中。當金屬離子在基材離子交換處理期間在浴中被消耗，在離子交換浴中補充相同形式的金屬離子的步驟亦可導致在浴中濃度的不均勻。最後，在離子交換的處理中，該等在浴中的濃度水平的局部改變通常會在承受離子交換處理之基材的性質上顯露出不想要的改變。

更明確而言，用於在玻璃、玻璃陶瓷與陶瓷基材中化學性地強化與加入抗菌性質的基材離子交換處理的多組份離子交換浴有易於分層的傾向。如美國專利申請案第2010-0028607號的教示，其全部內容在此以引用的方式併入本文中，多種鹼金屬離子(如，Li⁺、K⁺、Na⁺、Cs⁺與Rb⁺)可在離子交換浴中以鹽類形式(如，KNO₃)而化學性地強化浸沒入該等鹽類中一段特定時間的玻璃基材。該等鹼金屬離子通常與已形成於玻璃基材中的較小的鹼金屬離子交換。如美國專利申請案第2012/0034435號(「申請案‘435」)的教示，其全部內容在此以引用的方式併入本文中，重金屬離子(如，Ag⁺)可在離子交換浴中以鹽類形式(如，AgNO₃)而加入抗菌性質至浸沒入該等鹽類中一段特定時間的基材中。該等重金屬離子通常與已形成及/或化學強化基材中的鹼金屬離子交換。亦如申請案‘435所描述，使用特定鹽類以於基材中加入強化及抗菌性質的基材離子交換處理係以「單一步驟」(single-step)或「雙重步驟」(dual-step)離子交換處理(分別為SIOX及DIOX)與多組份浴來執行。例如，SIOX處理可依靠含有AgNO₃及KNO₃鹽的浴，其係配置以交換Ag⁺及K⁺離子兩者至基材中。同樣地，DIOX處理的第二步驟亦可依靠AgNO₃-KNO₃熔融鹽 浴，其亦係配置以傳送Ag⁺及K⁺離子至基材中。

包含兩個或以上不同密度的鹽類的多組份浴係常見的情況。例如，在AgNO₃-KNO₃系統中，AgNO₃的密度為4.35g/cm³，而KNO₃的密度為2.11g/cm³。咸信該等用於基材離子交換系統之用於多組份浴中的組份之間的密度差異導致浴中濃度不均勻以及分層的現象。就此而言，用於基材離子交換系統之具有不同密度的組份的多組份浴更可能傾向於產生分層的效果。

例如，如第1圖所示，在離子交換浴中實際的與模擬的AgNO₃濃度水平以及在玻璃基材中的Ag⁺濃度，係與在具有大量KNO₃的AgNO₃離子交換浴中的基材離子交換操作的數量比對來描繪。在第1圖所繪示的實驗中，AgNO₃-KNO₃離子交換浴係在420℃歷時2.5小時下，以重量計大約0.9%的AgNO₃來製備。三角符號所對應之AgNO₃濃度水平係以AgNO₃-基材離子交換消耗模型(經過實驗以及試驗證實)作為基材離子交換操作的數量的函數來預測。當Ag⁺離子在基材中與金屬離子交換時，該模型預測在浴中的AgNO₃濃度(初始設定以重量計大約為0.9% AgNO₃)會在11次基材離子交換操作後降低至0.4%以下。至少在第一二次操作中，在浴中藉由感應耦合電漿(ICP)技術所量測之實際的AgNO₃濃度水平(方型符號)以及藉由ICP在處理過的基材中所量測之Ag⁺離子水平(菱形符號)係大幅低於藉由AgNO₃-基材離子交換模型所預測之數據。經過第三次操作，藉由ICP在浴中所量測之實際的AgNO₃濃度水平以及在處理過的基材中所量測之Ag⁺離子水 平係與藉由AgNO₃-基材離子交換消耗模型所預測之數據相似的。

咸信在第一二次操作期間在浴中的AgNO₃濃度水平(以及在基材中的Ag⁺水平)由於浴中分層現象之故係低於預測的。儘管初始AgNO₃-KNO₃熔融浴可在420℃歷時2.5小時下平衡，然而在此期間內AgNO₃可能尚未完全溶解於大量的KNO₃中。由於AgNO₃的密度遠大於KNO₃的密度，加入於熔融大量KNO₃中的固體AgNO₃在完全溶解於KNO₃之前傾向於朝包含離子交換浴的容器底部沉澱。因此，由於在浴中大量的AgNO₃的未溶解於溶液中，第1圖中於第一二次操作期間所量測之AgNO₃水平係低於預期的。相反地，假設在第一二次基材離子交換操作期間，伴隨著浸沒與移除基材的攪拌及混合，會增加AgNO₃的擴散及溶解至大量KNO₃中。在第三次操作後，由於在浴中觀察到之AgNO₃水平(以及在基材中的Ag⁺水平)與藉由AgNO₃-基材離子交換消耗模型所預測的結果相似，咸信AgNO₃已完全溶解於大量KNO₃中。

最後，第1圖的數據顯示離子交換浴分層現象係顯著的問題，尤其在具有不同密度組份的多組份浴中。亦顯示離子交換浴的混合與攪拌可降低或消除分層現象。就此而言，於此中描述用於具有多組份熔融離子交換浴之玻璃、玻璃陶瓷及陶瓷製品的離子交換系統的混合裝置，以及混合該浴的方法。該等系統以及相關方法係描繪於第2至8圖中。該等基材離子交換系統係配置以考量、控制及使金屬離子濃度的局部變化最小化，該金屬離子濃度的局部變化會隨著時 間發生在處於離子交換的處理中的基材，尤其是用於製造更大量基材的離子交換處理。

如第2圖所描繪的，根據一具體例，具有葉輪16的基材離子交換系統20，可用於基材離子交換處理而將浴中分層與濃度不均勻的現象最小化。更明確而言，基材離子交換系統20包括基材10，該基材具有一外部區域，該外部區域具有複數個基材金屬離子(未顯示)，該金屬離子係典型地為鹼金屬離子。離子交換系統20進一步包括離子交換浴14，該離子交換浴具有第一金屬鹽3及第二金屬鹽4，各具有在一金屬離子濃度下的複數個金屬離子。金屬鹽3與金屬鹽4在離子交換浴14中係可互溶與熔融的。較佳地，第一金屬鹽包含複數個重金屬離子(如，Ag與Cu離子)。第二金屬鹽較佳地包含複數個鹼金屬離子(如，K、Na、Rb及Li離子)。在一些具體例中，第一金屬鹽3與第二金屬鹽4之間的密度差異大於25%。在較佳具體例中，第一金屬鹽3為AgNO₃而第二金屬鹽4為KNO₃。在浴14中第一金屬鹽3的初始濃度以重量計可設定為0.25至1%。

在使用系統20的離子交換處理期間，基材10可被浸沒於浴14中以加速來自第一金屬鹽3及/或第二金屬鹽4之複數個金屬離子與包含在基材10的外部區域之基材金屬離子的交換。亦即，來自第一金屬鹽3的金屬離子可與基材10中的基材離子交換，來自第二金屬鹽4的金屬離子可與基材10中的基材離子交換，及/或來自第一金屬鹽3與第二金屬鹽4兩者的金屬離子可與來自基材10的基材離子交換。如第2 圖所示，在離子交換處理期間基材10係浸沒入浴14中。耦合於基材10的上提組件12(未顯示，配置於驅動裝置)可用於將基材10自基材10浸沒入浴14中的位置，移動至基材10未浸沒入浴14中的一上升位置。

描繪於第2圖的離子交換系統20亦包括包含離子交換浴14及基材10的容器8。如本領域中具有通常知識者已明瞭，容器8可定義為多種形狀與構型以加速具有混合裝置(如，葉輪16)的基材離子交換處理。容器8在其底部周圍亦可具有圓形特徵以在混合操作期間加速浴14之前後一致的液體流。在一些具體例中，葉輪16及軸承組件18係位於容器8的中心線，以在混合操作期間促進在浴14中的紊流以及減少渦流，其效應可能有助於增加金屬鹽3及/或4在浴14內的溶解速率。

舉例而言，容器8亦可調整其大小，以容納用於大體積製造的大量的基材10。在一些具體例中，容器8經配置以將高度最小化，因為增加的容器高度會增加在浴14中的分層及濃度不均勻效應。一般而言，容器8亦包含配置目的為加熱及維持浴14溫度的熱部件(未顯示)。例如，容器8的熱部件可調整以熔化第一金屬鹽3與第二金屬鹽4兩者。例如，在AgNO₃-KNO₃系統中，容器8可設定在420℃以確保浴14係熔融的。

亦如第2圖所示，基材離子交換系統20進一步包括一葉輪16，典型地沿著容器8的中心線耦合於軸承組件18。葉輪16與軸承組件18的可調整其大小及除此之外根據容器8 的大小及浴14的黏性來配置。葉輪16經配置以攪動、混合及/或用其他方法在容器8內移動浴14，以確保第一金屬鹽3與第二金屬鹽4的濃度在容器8的各處係實質上均勻的。在一些具體例中，尤其可配置及操作葉輪16以增加在含有大量金屬鹽4的浴14中第一金屬鹽3的溶解速率。

葉輪16經實質地配置於容器8內使得其可在與基材10的數個離子交換操作的期間或之間操作。舉例而言，葉輪16可經配置以在與基材10的基材離子交換操作期間在低速下操作，及在數個操作之間在高速下操作。葉輪16亦可在第一金屬鹽3及/或第二金屬鹽4加入至浴14後(例如：在初始電荷的準備或補充步驟期間)立即在數個週期期間在高速下操作。在該等相的任一者期間，葉輪16操作的期間可根據經過先前獲得之經驗測試數據來計算的預定時間週期而定。在基材離子交換系統20中使用葉輪16之一個特定的優點為假使第一金屬鹽3或第二金屬鹽4當作界面活性劑而產生泡沫的情況係較不可能的。

根據另一具體例而描繪於第3A-3D圖中之具有葉輪組件17的基材離子交換系統20a相對於具有葉輪16的系統20(如第2圖所示)而言係非常相似的。除非另外註明，在系統20a中相似數字部件係同等於第2圖所關聯之基材離子交換系統20的數字部件來配置及操作。此外，由於葉輪組件17包括經配置以在容器8內攪動、混合及/或用其他的方法移動浴14的葉輪16a以確保在容器8各處的第一金屬鹽3及第二金屬鹽4的濃度係實質均勻的，如第3A-3D圖所示之葉輪組件 17與葉輪16(如第2圖所示)在某種程度上係相似的。

然而，與系統20對比，基材離子交換系統20a的葉輪組件17係可移入與移出浴14的，如第3A-3D圖相繼地所示。在第3A至3B圖中，葉輪組件17自浴14的上方移動，接著浸入浴14內。在第3C圖中混合浴14後，葉輪組件17可接著移動回浴14上方的一位置，如第3D圖所示。如本領域中具有通常知識者已了解，多種裝置(未顯示)可用於將移動葉輪組件17移入或移出浴14。更甚者，用於在浴14內旋轉葉輪17的部件可藉由容器8a的門9接合。多種部件，包括葉輪驅動主體19(如第3C圖所示)，可用於驅動葉輪組件17。

亦如第3A-3D圖所描繪，基材離子交換系統20a亦包括用於容納離子交換浴14及基材10(未顯示)的容器8a。容器8a一般係大於容器8，以容納將葉輪組件17移入及移出浴14之必要的額外裝置。應了解，系統20a的葉輪組件17可用於在與基材10的離子交換操作後而非在該操作的期間混合浴14。

根據進一步具體例而描繪於第4A-4C圖中之基材離子交換系統30包括噴灑組件22，其可用於基材離子交換處理中以將在離子交換浴14內的分層及濃度不均勻效應最小化。如第4A-4C圖所描繪之基材離子交換系統30相對於系統20及20a(如第2-3D圖所示)而言係非常相似的。除非另外註明，在系統30中相似數字部件係同等於描繪於所關聯之系統20及20a的數字部件來配置及操作。例如，在系統30之離子交換處理期間，基材10浸入浴14中。耦合至基材10的上提組 件12(未顯示，配置於驅動裝置)可用於將基材10自基材10在浴14中浸入的位置，移動至基材10未浸入至浴14中之一升高的位置。如第4A-4C圖所示，容器8及8a亦可用於系統30。

然而，與系統20及20a對比，系統30的噴灑組件22係配置以打入鈍氣27通過浴14中，以在容器8及8a內攪動、混合及/或用其他的方法移動浴14，以確保在容器8及8a各處的第一金屬鹽3及第二金屬鹽4的濃度係實質均勻的。噴灑組件22包括具有複數個噴孔26的噴嘴24，均浸入浴14內且經配置以在浴14中產生氣泡28。噴灑組件22係實質位於容器8及8a內。在一些具體例中，如第4A圖所描繪，噴灑組件22係鄰近容器8及8a的內底表面，但稍微在其上方。另外，噴孔26可位於自噴嘴24朝下的方向及向容器8及8a的外表面朝外。就此而言，在朝向包含基材10的浴14的區域上升之前，自噴孔26噴出的氣泡28朝向容器8及8a的底部均勻地擴散至整個浴14中。

噴灑組件22尤其可藉由通過噴嘴24及離開噴孔26(如第4C圖所示)來打入鈍氣27。浴14內的氣泡28自噴孔26噴出。該等氣泡在浴14中提供混合作用以預防分層及濃度不均勻效應。可憑經驗決定多種輸入因素條件(例如：鈍氣27進料速率、鈍氣27壓力、在噴灑組件22上的浴14的壓力、浴14的溫度及噴嘴24與噴孔26的尺寸)以將藉由噴灑而減少分層的效果最佳化。亦可調整該等因素以確保噴灑組件22的操作不會導致自容器8及8a的潑濺及/或不希望的損失。進一 步地，在系統30的非操作週期期間，鈍氣27的正壓可用於噴灑組件22以減少凝結的金屬鹽3及/或金屬鹽4阻擋及/或堵塞噴孔26的可能性。

在此假設打入氣泡的作用可導致金屬鹽3及金屬鹽4的不溶溶質在浴14中維持懸浮。依次地，在金屬鹽3及金屬鹽4於容器8及8a內沉澱之前，在浴14內使金屬鹽3及金屬鹽4懸浮可使溶解時間增加。例如，在AgNO₃-KNO₃系統中，接續著用於浴14的初始電荷的準備或在注入額外的AgNO₃於浴14之後，自噴灑組件22打入氣泡的作用可使稠密的AgNO₃在浴14中立即懸浮。

在描繪於第5A-5D圖的一額外的具體例中，具有噴灑組件23的基材離子交換系統30a亦可用於基材離子交換處理，以將在離子交換浴14內的分層及濃度不均勻效應最小化。基材離子交換系統30a與系統30在某種程度上非常相似，因為二者皆依靠噴灑組件以將混合步驟加至浴14中。除非另外註明，在系統30a中相似數字部件係同等於描繪於所關聯之系統30的數字部件來配置及操作。然而，在系統30a中，噴灑組件23通常係架設在容器8及8a的底部。噴灑組件23包括複數個管線25，該等管線皆浸沒入浴14內，每一管線配置複數個噴孔26。管線25可經由埠(未顯示)來當做容器8及8a的出口。

一般而言，噴灑組件23可藉由通過管線25及離開噴孔26來打入鈍氣27以在系統30a中運作。浴14內的噴灑氣泡28接著自噴孔26噴出。較佳地，管線25係排列成覆蓋 容器8及8a的底表面區域之實質部分，以確保在容器8及8a內可打入氣泡遍及浴14的全部體積。在一些具體例中(如第5C圖及5D圖所示)，噴孔26係排列使其皆直接面向彼此。就此而言，自噴孔26噴出的氣泡28較不會結合成大氣泡，因為咸信較小的氣泡可改善在浴14內的混合效果，因而減少分層的效應。在另一具體例中，加熱器係繞在管線25的周圍(未顯示)以防止金屬鹽3及金屬鹽4凝固在噴孔26，以及防止堵塞噴灑組件23之管線25的可能性。

根據一額外具體例而描繪於第6A-6B圖中之基材離子交換系統40包括混合框架組件34，其可用於基材離子交換處理中以將在離子交換浴14內的分層及濃度不均勻效應最小化。如第6A-6B圖所描繪之基材離子交換系統40相對於系統20及20a(如第2-3D圖所示)而言係非常相似的。除非另外註明，在系統40中相似數字部件係同等於描繪於所關聯之系統20及20a的數字部件來配置及操作。例如，在系統40之離子交換處理期間，基材10浸入浴14中。耦合至基材10的上提組件12可用於將基材10自基材10在浴14中浸入的位置，移動至基材10未浸入至浴14中之一升高的位置。如第6A-6B圖所示，容器8及8a亦可用於系統40。

然而，與系統20及20a對比，系統40的混合框架組件34係配置以垂直地上下移動通過浴14，以在容器8及8a內攪動、混合及/或用其他的方法移動浴14的液體，以確保在容器8及8a各處的第一金屬鹽3及第二金屬鹽4的濃度係實質均勻的。混合框架組件34包括具有一系列「V型」的 混合框架35以及水平方向的鰭36。混合框架35係耦合至軸及其他標準部件(未顯示)以在容器8及8a內上下移動框架。

如第6A及6B圖顯示，在容器8及8a內可垂直移動混合框架組件34而導致在浴14內形成氣穴。當混合框架35向下移動時，在浴14內的氣穴流37係筆直地向上通過框架35及穿過鰭36。當混合框架35向上移動時，在浴14內的氣穴流37係筆直地向下通過框架35及穿過鰭36。因此，在浴14內產生紊流，而減少在浴14內的分層及濃度不均勻效應。

在一些具體例中，系統40的水平方向鰭36提供額外益處。在用於浴14的初始電荷的準備或浴14的補充(即，注入)期間，第一金屬鹽3可以固態的形式添加以熔化第二金屬鹽4。系統40的框架35可用於此目的。水平方向的鰭36可配置以幫助第一金屬鹽3分配於金屬鹽4的熔融浴中，尤其若金屬鹽3的密度遠大於金屬鹽4時。水平方向的鰭36可控制固態金屬鹽3接觸熔融金屬鹽4的速率。因此，在金屬鹽3進入容器8及8a前，金屬鹽3可有較多時間以溶解於大量金屬鹽4中，而因此減少浴14中的分層。

根據另一具體例而描繪於第6C-6D圖中之具有混合框架組件34a的基材離子交換系統40a與第6A-6B圖所描繪之系統40係非常相似的。除非另外註明，在系統40a中相似數字部件係同等於描繪於所關聯之系統40a的數字部件來配置及操作。然而，在系統40a中，其混合框架35a具有的結構與用於系統40的混合框架35不同。在此，混合框架35a 具有大體為垂直方向且具有部分角度傾向容器8及8a的壁的鰭36。由於該等特徵未能給予用於第一金屬鹽3於熔融浴4的初始分配或注入之去分層效應太多幫助，特別將混合框架35a的鰭36最佳化以在浴14內產生轉動的紊流。當混合框架35a向下移動時，在浴14內的氣穴流37具有轉動的部分朝向容器8及8a的壁而筆直地向上。此係因為鰭36以距框架35a中心位置的距離為函數而漸進地傾向容器8及8a的壁(如第6D圖所示)。當混合框架35a向上移動時，在浴14內的氣穴流37具有轉動的部分朝向容器8及8a的壁而筆直地向下。因此，藉由用於基材離子交換系統40a的混合框架組件34a而在浴14內產生巨大的紊流，因而減少在浴14內的分層及濃度不均勻效應。

在一些基材離子交換系統40及40a的具體例中，混合框架35及35a可用於在基材10的數個離子交換操作之間攪動及混合浴14。亦即，系統40及40a係用於在浴14的初始準備期間，以加速第一金屬鹽3在大量金屬鹽4中的去分層效應或具有第一金屬鹽3及/或第二金屬鹽4的浴14的補充。在複數個基板10的連續離子交換操作期間，在浴14中可觀察到達到某種濃度不均勻程度的現象，因此亦可能引入混合框架35及35a以在數個操作之間攪動浴14。

根據另一具體例，具有分配籃42之基材離子交換系統50係描繪於第7圖中。基材離子交換系統50可用於基材離子交換處理以將在離子交換浴14內的分層及濃度不均勻效應最小化。如第7圖所描繪之基材離子交換系統50相對於系 統40(如第6A-6B圖所示)而言係非常相似的。除非另外註明，在系統50中相似數字部件係同等於描繪於所關聯之系統40的數字部件來配置及操作。例如，在系統50之離子交換處理期間，基材10(未顯示)浸入浴14中。耦合至基材10的上提組件12可用於將基材10自基材10在浴14中浸入的位置，移動至基材10未浸入至浴14中之一升高的位置(未顯示)。如第7圖所示，容器8及8a亦可用於系統50。

然而，在離子交換浴14的電荷準備或浴14的補充(即，注入)之後，基材離子交換系統50的運作通常立即在數個周期之中受到限制。原因為藉由控制固態第一金屬鹽3至熔融金屬鹽4(或反之亦然)的引入速率，系統50係運作以減少分層。更明確而言，分配籃42首先裝載金屬鹽固體44(例如，金屬鹽3或金屬鹽4)。籃42可包含線網或其他同等結構配置，其具有的大小可在浴14中控制固體44的分布。分配籃42接著藉由上提組件43下降至離子交換浴14的平衡面，該面已在熔融的狀態。因此，僅有部分金屬鹽固體44的放置與熔融離子交換浴14有接觸。此具有的效應可使金屬鹽固體(例如，金屬鹽3或金屬鹽4)在容器8及8a底部沉澱之前，具有較多時間以溶解於離子交換浴內。此外，固體44必須行進穿過籃42的線網部分，因而固體44的表面區域與熔融離子交換浴14的接觸增加。

在第8圖中，具有攪拌器組件52之基材離子交換系統60係根據一額外具體例而描繪，基材離子交換系統60可用於基材離子交換處理以將在離子交換浴14內的分層及濃度 不均勻效應最小化。如第8圖所描繪之基材離子交換系統60相對於系統20及20a(如第2-3D圖所示)而言係非常相似的。除非另外註明，在系統60中相似數字部件係同等於描繪於所關聯之系統20及20a(如第2-3D圖所示)的數字部件來配置及操作。例如，在系統60之離子交換處理期間，基材10浸入浴14中。耦合至基材10的上提組件12可用於將基材10自基材10在浴14中浸入的位置，移動至基材10未浸入至浴14中之一升高的位置。如第8圖所示，容器8及8a亦可用於系統60。

然而，與系統20及20a相反，系統60的攪拌器組件52係脫離容器8及8a來排列的。更明確而言，攪拌器組件52係位於具有入口55與出口56的貯槽58中，入口與出口二者皆耦合於容器8及8a。入口55可使離子交換浴14自容器8及8a流至貯槽58。出口56可使離子交換浴14a的混合部分自貯槽58留置容器8及8a。更甚者，攪拌器組件52係藉由驅動主體54(即，DC馬達)來驅動。貯槽58亦包括進料組件59，其用於將金屬鹽3及/或金屬鹽4進料至離子交換浴14a的混合部分中。

系統60可操作以減少或消除在離子交換浴14中的分層及濃度不均勻效應。攪拌器組件52藉由在離子交換浴14a的混合部分內的驅動主體54來轉動。未經混合的離子交換浴14的流動係直接穿過入口55至容器8及8a。當離子交換浴14混合時，其在貯槽58中變為離子交換浴14a的混合部分。系統60的一個重要優點為高攪動速率及紊流可藉由攪拌器組 件52應用於離子交換浴14中。濺潑在本發明中並不重要，因為混合係在貯槽58內執行，而該貯槽係實質封閉的容器，如第8圖所示。更甚者，離子交換浴14a中的攪動係在貯槽58內執行，該貯槽係在離容器8及8a的位置的一些距離處，而該處為就基材10而言主導離子交換處理之處。就此而言，系統60可用於基材10的基材離子交換處理期間或離子交換浴14的準備及補充階段期間。

在不背離本案申請專利範圍的精神與範疇下，多種改變與變動對於本領域中具有通常知識者而言係明顯的。

3‧‧‧第一金屬鹽

4‧‧‧第二金屬鹽

8‧‧‧容器

10‧‧‧基材

12‧‧‧上提組件

14‧‧‧離子交換浴

16‧‧‧葉輪

18‧‧‧軸承組件

20‧‧‧基材離子交換系統

Claims (10)

1. 一種基材離子交換系統，其包含：一基材，該基材具有一外部區域，該外部區域包含複數個基材金屬離子；一離子交換浴，該離子交換浴包括第一金屬鹽及第二金屬鹽，該第一金屬鹽具有第一金屬離子濃度的複數個第一金屬離子，而該第二金屬鹽具有第二金屬離子濃度的複數個第二金屬離子；一容器，該容器用於容納該離子交換浴及該基材；以及一混合裝置，該裝置經配置以混合該浴，使得在該浴中的該第一金屬離子濃度在該容器內係實質上均勻的，其中該基材金屬離子與該複數個第一金屬離子及該複數個第二金屬離子係可交換的，且進一步其中該第一金屬鹽與該第二金屬鹽係可互溶與熔融的。
2. 如請求項1所述之基材離子交換系統，其中該混合裝置進一步經配置以增加該第一金屬鹽溶解於該離子交換浴中的速率。
3. 如請求項1所述之基材離子交換系統，其中該第一金屬鹽與該第二金屬鹽在密度上的差異至少為25%。
4. 如請求項1所述之基材離子交換系統，其中該第一金屬鹽係硝酸銀且該第二金屬鹽係硝酸鉀。
5. 如請求項1至請求項4中任一項所述之基材離子交換系統，其中該混合裝置係實質位於該容器內且該混合裝置包括以下至少一者： 一葉輪組件；一噴灑組件；及一混合框架組件。
6. 如請求項1至請求項4中任一項所述之基材離子交換系統，其中該混合裝置包括以下至少一者：一分配籃，該分配籃經配置以將該第一金屬鹽分散於該浴中；以及一攪拌器組件與一貯槽，該攪拌器組件與該貯槽係位於該容器外部、耦合至該浴且經配置以混合該浴，使得在該浴中的該第一金屬離子濃度在該容器內係實質上均勻的。
7. 一種維持離子交換浴的方法，其包含以下步驟：提供一基材，該基材具有一外部區域，該外部區域包含複數個基材金屬離子；準備一離子交換浴，該離子交換浴包括第一金屬鹽及第二金屬鹽，該第一金屬鹽具有第一金屬離子濃度的複數個第一金屬離子，而該第二金屬鹽具有第二金屬離子濃度的複數個第二金屬離子；提供一容器，該容器用於容納該離子交換浴及該基材；將基材浸沒入該離子交換浴中，使得該複數個基材金屬離子的一部分與該複數個第一金屬離子的一部分交換；以及混合該浴，使得在該浴中的該第一金屬離子濃度在該容器內係實質上均勻的，且其中該第一金屬鹽與該第二金屬鹽係可互溶與熔融的，且選擇性地，該第一金屬鹽與該第二金屬鹽在密度上的差異至少為25%。
8. 如請求項7所述之維持離子交換浴的方法，其中該混合該浴的步驟亦作為用於增加該第一金屬鹽溶解於該離子交換浴中的速率。
9. 如請求項7至請求項8中任一項所述之維持離子交換浴的方法，其中該第一金屬鹽係硝酸銀且該第二金屬鹽係硝酸鉀。
10. 如請求項9所述之維持離子交換浴的方法，其中該混合的步驟係用以下方法中之至少一者進行：將該浴與一葉輪組件混合；使用一噴灑組件將鈍氣打入通過該浴；將一混合框架移動通過該浴；將一分配籃組件移動至該浴中，以將該第一金屬鹽分散於該浴中；以及接收位於該容器外部之該貯槽中的該浴的一部分，且將該部份與位於該貯槽中的一攪拌器組件混合。