[发明专利]用于对玻璃制品进行离子交换的方法

说明书

提供了用于对玻璃制品进行离子交换的方法。所述方法包括：在离子交换盐浴中分步对多个批次进行离子交换，其中，所述多个批次中的每个批次包括至少一个玻璃制品，并且其中，所述离子交换盐浴包括熔融盐，以及在从离子交换盐浴移除最后批次后，从离子交换盐浴移除基本上整个体积的熔融盐。所述方法还包括：在从离子交换盐浴移除基本上整个体积的盐之前，在离子交换盐浴中维持稳态条件，以使得基本上所有的玻璃制品的压缩应力和/或中心张力与任何其他玻璃制品的压缩应力和/或中心张力相差小于约20％。

相关申请

本申请要求2017年11月21日提交的美国临时申请系列第62/589,239号的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其全文纳入本文，如同在下文完整阐述。

技术领域

本公开一般涉及离子交换系统以及用于对玻璃制品进行离子交换的方法，更具体地，涉及离子交换系统以及用于维持和控制所述系统的方法。

背景技术

历史上，由于玻璃相对于其他材料具有气密性、光学清晰度和优异的化学耐久性，因此，已将玻璃用作许多应用的优选材料，包括食品和饮料包装、药物包装、厨房和实验室玻璃器皿和窗户或其他建筑特征。

然而，玻璃用于许多应用的用途受到玻璃的机械性能的限制。特别是玻璃破裂是一个令人焦虑的问题，尤其是在食品、饮料和药物的包装中。在食品、饮料和药物包装行业中，破裂可能是成本很高的，因为，例如在药物灌装线内破裂可能要求弃去相邻的未破裂的容器，因为该容器可能含有来自破裂容器的碎片。破裂还要求灌装线变慢或停止，因而降低了产量。此外，非毁灭性的破裂(即，当玻璃有裂纹却没有破裂时)可能导致玻璃包装或容器的内容物丧失其无菌性，这进而可能导致高成本的产品召回。

玻璃破裂的一个根本原因是在对玻璃进行加工和/或随后的灌装期间，在玻璃的表面中引入了瑕疵。这些瑕疵可从各种来源被引入到玻璃的表面中，包括相邻的玻璃器皿件之间的接触以及玻璃与设备(例如处理和/或灌装设备)之间的接触。无论何种来源，这些瑕疵的存在最终可导致玻璃破裂。

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换玻璃制品内的较小离子而将压缩(即，压缩应力)赋予到玻璃制品的表面上。玻璃制品表面上的压缩升高了裂纹扩展的机械应力阈值；从而提高了玻璃制品的总体强度。表面压缩和层深度取决于离子交换处理时间和温度。在玻璃厚度的中心中演变出中心张力，以抵消表面压缩。在增加时间和温度来增大层深度的同时，表面压缩随着时间流逝而减小，这是因为应力松弛以及因为力平衡的原因所致，所述力平衡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均可有助于部件的功能性能。

一般来说，在常规的离子交换处理期间，离子交换浴中的较小离子的浓度增大而离子交换浴中的较大离子的浓度减小，从而在最终达到的浓度中，较大离子的浓度过低而不能维持与玻璃表面平衡的足够高的浓度，这导致表面压缩应力下降到低于目标值。在达到所述浓度之前，常规是更换整个离子交换浴。解决这些离子浓度变化的一种技术包括从离子交换浴中的新鲜盐开始，该盐具有相对较高的较大离子浓度。这有效地实现了可远高于目标压缩应力和中心张力的压缩应力和中心张力。虽然提供这种相对较高的较大离子浓度确保了在相同的离子交换浴中可处理几个玻璃制品以实现高于目标最小极限的压缩应力和中心张力，但是这种技术也导致几个玻璃制品中的每个玻璃制品具有不同的压缩应力和中心张力。另外，常规的离子交换处理取决于目标产品的属性，这可导致因为不能有效地利用离子交换浴中的盐而使得成本增加，在正常工艺期间使得盐损失，以及还导致与暂停工艺以更换整个离子交换浴有关的停机时间。

发明内容