DE112022003561T5

DE112022003561T5 - Verstärkung von glasartikeln durch wässrigen ionenaustausch

Info

Publication number: DE112022003561T5
Application number: DE112022003561.7T
Authority: DE
Inventors: Matthew Vishy; Dan Swiler; Cody Hickerson; Rachel Breitner; John Rich
Original assignee: Owens Brockway Glass Container Inc
Current assignee: Owens Brockway Glass Container Inc
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2022-09-17
Publication date: 2024-06-13
Also published as: US20230087978A1; WO2023044082A1

Abstract

Ein Verstärkungsverfahren durch wässrigen Ionenaustausch zur Verstärkung eines Glasbehälters wird offenbart, das einen Schritt des Exponierens einer Oberfläche eines Glasbehälters gegenüber einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch, die Wasser und ein Alkalimetallsalz umfasst, einschließt, um die Oberfläche des Glasbehälters mit einer Beschichtung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu beschichten. Das Alkalimetall des Alkalimetallsalzes kann Kalium, Rubidium, Cäsium oder Mischungen davon sein. Der Verstärkungsprozess durch wässrigen Ionenaustausch schließt auch den Schritt der Wärmebehandlung des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung mit einer Temperatur im Bereich von 125 °C bis 600 °C ein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft die Verstärkung von Glas und genauer die Verstärkung von Glasbehältern durch eine Ionenaustauschbehandlung.
STAND DER TECHNIK
Verschiedene Ionenaustauschprozesse wurden entwickelt, um Glasoberflächen zu modifizieren. Zum Beispiel offenbart US-Pat. Nr. 3,844,754 einen Prozess zur Verstärkung eines Glasartikels durch Bilden einer festen Schicht eines Alkalimetallsalzes auf einer Oberfläche des Glases und anschließendes Erwärmen des Glasartikels und der festen Schicht bei einer erhöhten Temperatur, um einen Austausch von Ionen auszuführen. Das Alkalimetallsalz muss ein Alkalimetallcarbonat enthalten, und der Glasartikel kann auf eine geeignete erhöhte Temperatur erwärmt werden, indem der Glasartikel durch einen Kühlofen geleitet wird. In einem anderen Beispiel offenbart US-Pat. Nr. 9,045,364 , dass die Oberflächenbehandlung eines Glasbehälters unter Verwendung einer erwärmten wässrigen Elektrolytlösung, die Salze mindestens eines Alkalimetalls der Gruppe IA umfasst, in einem Ionenaustausch an der Oberfläche des Behälters resultieren kann, um die Lichtreflexion von dem Behälter zu reduzieren, ohne die Lichttransmission durch den Behälter hindurch oder die Durchsichtigkeit des Glasbehälters zu reduzieren.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der Offenbarung wird ein Verstärkungsverfahren durch wässrigen Ionenaustausch zur Verstärkung eines Glasbehälters bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Exponieren einer Oberfläche eines Glasbehälters gegenüber einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch, die Wasser und ein Alkalimetallsalz umfasst, um die Oberfläche des Glasbehälters mit einer Beschichtung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu beschichten, und das Wärmebehandeln der Oberfläche des Glasbehälters bei einer Temperatur im Bereich von 125 °C bis 600 °C. Das Alkalimetall des Alkalimetallsalzes, das in der Lösung für wässrigen Ionenaustausch eingeschlossen ist, ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kalium, Rubidium, Cäsium und Mischungen davon
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verstärkungsverfahren durch wässrigen Ionenaustausch zur Verstärkung eines Glasbehälters das Exponieren einer Oberfläche eines Glasbehälters gegenüber einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch mit einer Temperatur im Bereich von 60 °C bis 120 °C, um die Oberfläche des Glasbehälters mit einer Beschichtung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu beschichten, das Wärmebehandeln des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung mit einer Temperatur im Bereich von 150 °C bis 500 °C und das Entfernen des Glases aus der erwärmten Umgebung. Die Lösung für wässrigen Ionenaustausch umfasst Wasser und ein Alkalimetallsalz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaliumnitrat, Kaliumchlorid und Mischungen davon.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verstärkungsverfahren durch wässrigen Ionenaustausch zur Verstärkung eines Glasbehälters das Exponieren einer Oberfläche eines Glasbehälters gegenüber einer Ätzlauge, das Aufsprühen einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch mit einer Temperatur im Bereich von 75 °C bis 100 °C auf die Oberfläche des Glasbehälters, um die Oberfläche des Glasbehälters mit einer Beschichtung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu beschichten, und das Wärmebehandeln der Oberfläche des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung mit einer Temperatur im Bereich von 150 °C bis 500 °C. Die Lösung für wässrigen Ionenaustausch, die auf die Oberfläche des Glasbehälters gesprüht wird, umfasst deionisiertes Wasser und ein Alkalimetallsalz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaliumchlorid, Kaliumnitrat und Mischungen davon.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Bruchfestigkeit (MPa) für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung (AIE-Prozess) behandelt wurden, für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen anderen Prozess, nicht gemäß der vorliegenden Offenbarung, behandelt wurden (weiterer Prozess), und für unbehandelte Grundlinien-Kalknatronsilikatglas-Objektträger;
2 veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Bruchfestigkeit (MPa) für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung bei unterschiedlichen Wärmebehandlungstemperaturen (350 °C bis 550 °C bei 4 Stunden) behandelt wurden;
3 veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Bruchfestigkeit (MPa) für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung bei unterschiedlichen Wärmebehandlungszeiten (30 Minuten bis 4 Stunden bei 450 °C) behandelt wurden;
4 veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Bruchfestigkeit (MPa) für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Lösungen für wässrigen Ionenaustausch behandelt wurden, die unterschiedlich gealtert wurden (neu, alt, modifiziert neu);
5 veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Bruchfestigkeit (MPa) für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt wurden, bei dem die Lösung für wässrigen Ionenaustausch KNO₃ als das gelöste Kaliumsalz einschloss, für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt wurden, bei dem die Lösung für wässrigen Ionenaustausch KNO₃ und KCl in einem Massenverhältnis von KNO₃ : KCl von 2 : 1 als gelöste Kaliumsalze einschloss, und für unbehandelte unbehandelte Kalknatronsilikatglas-Objektträger;
6 (zuvor keine) veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Bruchfestigkeit (MPa) für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer Ätzmitteltränkung vor der Aufbringung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch behandelt wurden, für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung ohne Ätzmitteltränkung behandelt wurden, für Kalknatronsilikatglas-Objektträger, die nur in einer Ätzlauge getränkt und danach nicht durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt wurden, und für unbehandelte Grundlinien-Kalknatronsilikatglas-Objektträger;
7 (zuvor keine) veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Berstfestigkeit (psi) für Glasbehälter, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung bei unterschiedlichen Wärmebehandlungstemperaturen (400 °C bis 500 °C für 1 Stunde) behandelt wurden;
8 (zuvor keine) veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Berstfestigkeit (psi) für Glasbehälter, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung bei unterschiedlichen Wärmebehandlungszeiten (30 Minuten bis 2 Stunden bei 500 °C) behandelt wurden; und
9 (zuvor keine) veranschaulicht Weibull-Darstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Berstfestigkeit (psi) für Glasbehälter, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt wurden, bei dem die Lösung für wässrigen Ionenaustausch KNO₃ und KCl in einem Massenverhältnis von KNO₃ : KCl von 1 : 5 als die gelösten Kaliumsalze einschloss, für Glasbehälter, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt wurden, bei dem die Lösung für wässrigen Ionenaustausch KNO₃ und KCl in einem Massenverhältnis von KNO₃ : KCl von 2 : 1 als die gelösten Kaliumsalze einschloss, für Glasbehälter, die durch einen AIE-Verstärkungsprozess gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt wurden, bei dem die Lösung für wässrigen Ionenaustausch nur KCl als das gelöste Kaliumsalz einschloss, und für unbehandelte Grundlinien-Kalknatronsilikatglas-Objektträger.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Frühere Verwendungen eines Ionenaustauschs, um die Oberfläche eines Glasbehälters zu behandeln, erforderten lange Expositionszeiten des Glases gegenüber der Ionenaustauschlösung, in der Regel in der Größenordnung von 12 Stunden oder mehr bei Temperaturen von mindestens 75 °C bis zu 400 °C. Diese langen Verarbeitungszeiten verkomplizierten die Ionenaustauschprozeduren und machten sie schwierig zu implementieren. Der vorliegend offenbarte Verstärkungsprozess durch wässrigen Ionenaustausch exponiert den Glasbehälter gegenüber der Ionenaustauschlösung, vorzugsweise durch eine Sprühaufbringung, für eine viel kürzere Expositionszeit, gefolgt von einem Wärmebehandlungsschritt, in dem der Behälter in einer erwärmten Umgebung erwärmt wird, die auf einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Glases gehalten wird. Dieser Prozess verstärkt das Glas und unter Vermeidung von Anforderungen nach langen Verarbeitungszeiten. Darüber hinaus kann der Glasbehälter als Teil des Verstärkungsprozesses durch wässrigen Ionenaustausch vor oder während der Exposition des Behälters gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch gegenüber einer Ätzlauge exponiert werden, was den Ionenaustauschmechanismus verbessern und somit helfen kann, die Behälterfestigkeit weiter zu verbessern.
In dem vorliegenden Ionenaustauschprozess werden Natriumionen in und auf der Oberfläche des Glasbehälters durch Ionen mit einem größeren Radius ausgetauscht, um eine Druckspannungsschicht in das Glas einzubringen, wodurch die Rissverlängerung reduziert und das Glas verstärkt wird. Dies wird vollbracht, indem das Glas gegenüber einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch exponiert wird, die Kaliumionen, vorzugsweise in Form von Kaliumnitrat (KNO₃) und/oder Kaliumchlorid (KCl), und Wasser umfasst, obwohl auch weitere Quellen von Kaliumionen für die Nitrat- und Chloridsalze substituiert werden könnten, einschließlich Sulfate oder Carbonate. Für Sprühaufbringungen der Lösung für wässrigen Ionenaustausch schließt die Lösung vorzugsweise nur Wasser und das/die Kaliumsalz(e) plus ein optionales hydroxidhaltiges Salz wie NaOH, um den pH-Wert der Lösung, falls gewünscht, anzuheben, gemeinsam mit kommerziell annehmbaren Verunreinigungen ein, die in dem Wasser und dem/den Salz(en) vorhanden sein können. Das zum Sprühen verwendete Wasser ist ebenfalls vorzugsweise deionisiertes Wasser (DI-Wasser). Es wird angenommen, dass weitere Alkalimetallionen - in Form von Nitraten, Chloriden, Sulfaten und/oder Carbonaten - mit einem größeren Atomradius als Natriumionen anstelle von Kalium ebenfalls verwendet werden könnten. Diese weiteren Alkalimetallionen schließen Rubidium (Rb), Cäsium (Cs) und/oder Francium (Fr) ein.
Wenn Kaliumionen in der Lösung für wässrigen Ionenaustausch als die Alkalimetallionen mit größeren Atomradien eingeschlossen sind, kann die Lösung von 0,3 bis 6,0 molares KNO₃ und von 0,5 bis 6,0 molares KCl oder enger gefasst von 0,7 bis 2,9 molares KNO₃ und von 1,9 bis 4,8 molares KCl umfassen. Die Massenanteile für jedes von KNO₃ und KCl in Lösung kann im Bereich von 0 % bis 45 % oder enger gefasst von 1 % bis 30 %, bezogen auf die Gesamtmasse der Lösung für wässrigen Ionenaustausch, mit einem Gesamtmassenanteil des KNO₃ plus KCl im Bereich von 5 % bis 45 % oder enger gefasst von 10 % bis 30 % liegen. Zusätzlich liegt das Massenverhältnis von KNO₃ zu KCl (KNO₃ : KCl) in der Lösung für wässrigen Ionenaustausch vorzugsweise im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 8 oder enger gefasst von 1 : 4 bis 1 : 6. Es wird angenommen, dass diese Massenverhältnisbereiche eine bessere anfängliche Retention der wässrigen Ionenlösung auf der Oberfläche eines Glasbehälters unterstützen, da, wie aus dem Phasendiagramm von KCl/KNO₃ gesehen werden kann, eine KCl-reichere Lösung eine größere Proportion des Salzes in der festen Phase bereitstellt.
Zusätzlich kann die Lösung für wässrigen Ionenaustausch einen pH-Wert von 6,0 bis 10,0 oder enger gefasst einen pH-Wert von 8,5 bis 9,5 aufweisen, was durch Einbringen von OH^--Anionen in die wässrige Ionenlösung vollbracht werden kann. Zum Beispiel kann eine Gesamtmenge der OH^--Anionen in der Lösung durch die Zugabe eines hydroxidhaltigen Salzes wie NaOH in einer Menge von bis zu 10 Mol- % oder enger gefasst bis zu 5 Mol- % oder bis zu 2 Mol- % eingeschlossen sein. Es wird angenommen, dass der erhöhte pH-Wert der Lösung für wässrigen Ionenaustausch, vor allem wenn durch Zugabe von OH^--Anionen erzielt, dabei hilft, die Benetzungsfähigkeit der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu verbessern, und exponiert möglicherweise mehr der Oberflächendefekte in der Glasoberfläche gegenüber der Ionenaustauschlösung. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird die Exposition des Glasbehälters gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch und der Ätzlauge als zu der gleichen Zeit, zu der die OH^--Anionen der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zugegeben werden, um den pH-Wert der Lösung auf 8,0 oder mehr anzuheben, auftretend angesehen.
Der vorliegende Verstärkungsprozess durch wässrigen Ionenaustausch kann verwendet werden, um einen Glasbehälter, der aus anorganischen Gläsern auf Silikatbasis - vor allem Kalknatronsilikatglas - zusammengesetzt ist, zu verstärken. Ein bevorzugtes Kalknatronsilikatglas kann die in Tabelle 1 gezeigte Zusammensetzung aufweisen. Weitere Gläser auf Silikatbasis wie Borosilikatglas und Alumosilikatglas können ebenfalls von dem offenbarten Verstärkungsprozess durch wässrigen Ionenaustausch profitieren. Ein bevorzugtes Borosilikatglas kann die nachstehend in Tabelle 2 gezeigte Zusammensetzung aufweisen und ein bevorzugtes Alumosilikatglas kann die nachstehend in Tabelle 3 gezeigte Zusammensetzung aufweisen. TABELLE 1: Kalknatronsilikatglas

Bestandteil Gew.-%

SiO₂ 60-75

Na₂O 7-15

CaO 6-12

Al₂O₃ 0,1-5

MgO 0-2

K₂O 0-2

TABELLE 2: Borosilikatglas

Bestandteil Gew.-%

SiO₂ 70-85

B₂O₃ 8-15

Na₂O 3-5

Al₂O₃ 2-5

K₂O 0-1

TABELLE 3: Alumosilikatglas

Bestandteil Gew.-%

SiO₂ 50-65

Al₂O₃ 20-40

MgO 7-12

CaO 5-10

B₂O₃ 3-4

Na₂O 0-1
Der Glasbehälter kann auch weitere Materialien in relativ kleinen Mengen einschließen. Zum Beispiel kann das Glas kleine Mengen an TiO₂, Fe₂O₃, FeO, MnO₂, SO₃, Se, Färbemittel, Entfärbungsmittel, Redoxmittel und weitere unbedeutende Materialien einschließen. Jedes dieser weiteren Materialien kann Additive und/oder Verunreinigungen in den Rohmaterialien sein, die verwendet werden, um das Glas zu produzieren, und kann in dem Glasbehälter in Mengen von 1 Gew.-% oder weniger, bezogen auf das Gesamtgewicht des Glases, vorhanden sein.
Der Glasbehälter kann durch jegliches geeignete Verfahren produziert werden. Zum Beispiel kann der Glasbehälter in einer kontinuierlich betriebenen Glasfertigungsanlage produziert werden, die in der Regel einen Glasofen mit einem vorgelagerten Ende, an dem Rohmaterialien eingebracht werden, und einem nachgelagerten Ende, von dem geschmolzenes Glas verteilt wird, einschließt. Beispielhafte Bedingungen und Prozeduren zum Zusammensetzen und Schmelzen von Behälterglas können zum Beispiel in The Handbook of Glass Manufacture von Fay V. Tooley (3. Aufl., Ashlee Publishing, 1984) gefunden werden. Weitere Prozesse zum Schmelzen und Formen von Glas zu einem Glasbehälter können ebenfalls eingesetzt werden, da allgemein die Art und Weise, auf die der Glasbehälter produziert wird, für die hier offenbarte Ionenaustauschbehandlung nicht kritisch ist.
Bei einer herkömmlichen Behälterglasfertigungsanlage wird geschmolzenes Glas aus dem Glasofen als abgewogener „Klumpen“ aus geschmolzenem Glas durch einen Vorherd zu einer Behälterformmaschine geleitet. Der Glasklumpen wird in die Formmaschine, als individuelle Sektion bekannt, geladen, wo er zu der gewünschte Behältergestalt geformt wird. Danach wird der Glasbehälter durch einen Kühlofen geleitet, in dem der Behälter wieder erwärmt und langsam gemäß einem vorbestimmten Temperaturprofil abgekühlt wird, um thermisch induzierte Spannung zu entfernen. Die vorgelagerten Abschnitte eines Behälterglasfertigungsprozesses (z. B. die Glasschmelz-, Form- und Kühlprozesse) werden in der Regel als Prozesse am „heißen Ende“ bezeichnet, während die nachgelagerten Abschnitte (z. B. die Glasbehälterüberprüfungs-, Etikettierungs- und Verpackungsprozesse) in der Regel als Prozesse am „kalten Ende“ bezeichnet werden. Herkömmlicherweise wird eine „Beschichtung am heißen Ende“ aus Zinnoxid (SnO₂) oder Titandioxid (TiO₂) auf neu geformte Glasbehälter aufgebracht, bevor sie durch den Kühlofen hindurch geleitet werden. Eine Beschichtung am heißen Ende wird aufgebracht, um die Außenoberfläche des Glasbehälters vor Beschädigung zu schützen und den Behälter auf die nachfolgende Aufbringung einer oder mehrerer „Beschichtungen am kalten Ende“ vorzubereiten, die in der Regel auf den Glasbehälter aufgebracht werden, nachdem der Behälter den Kühlofen verlassen hat. Die Beschichtung am kalten Ende ist üblicherweise ein Wachs, wie Polyethylen war, und wird aufgebracht, um die Außenoberfläche des Glasbehälters vor Beschädigung zu schützen und die Reibung zu verringern, während der Behälter transportiert wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden die Außenoberfläche des Behälters, die Innenoberfläche des Behälters oder beide Oberflächen des Glasbehälters nach dem Tempern, entweder vor oder nachdem der Glasbehälter mit einer Beschichtung am kalten Ende beschichtet wird, durch den Verstärkungsprozess durch wässrigen Ionenaustausch behandelt. Der Verstärkungsprozess durch wässrigen Ionenaustausch bringt eine Druckspannungsschicht auf die behandelte(n) Oberfläche(n) des Glasbehälters ein und schließt Folgendes ein: (i) einen Schritt der Exposition gegenüber einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch (AIE); (ii) einen Wärmebehandlungsschritt; und (iii) einen optionalen Schritt der Exposition gegenüber einer Ätzlauge vor oder im Laufe des Schritts der Exposition gegenüber der AIE-Lösung. In dem Schritt der Exposition gegenüber AIE-Lösung wird zumindest ein Abschnitt einer Oberfläche des Glasbehälters - der etwas oder alles von der Außenoberfläche des Behälters, der Innenoberfläche des Behälters oder beiden Oberfläche einschließen kann - gegenüber der obenstehend beschriebenen AIE-Lösung exponiert, um eine AIE-Beschichtung auf den Behälter aufzubringen, durch die hindurch austauschbare Ionen in dem Glasbehälter durch die Alkalimetallionen in der Lösung ausgetauscht oder ersetzt werden. Die ausgetauschten Ionen sind vorzugsweise Kaliumkationen, wie zuvor erläutert.
Die Exposition des Glasbehälters gegenüber der AIE-Lösung kann auf eine Vielfalt von Wegen vollbracht werden. In einer bevorzugten Implementierung wird die AIE-Lösung durch eine Sprühdüse auf die Oberfläche(n) des Glasbehälters gesprüht. Das Sprühen ist ein guter Kandidat zur Lösungsaufbringung, da die chemische Integrität der Lösung im Laufe der Zeit aufrechterhalten werden kann und die gewünschte Filmdicke und Gleichmäßigkeit zugeschnitten und/oder kontrolliert werden können. Und, um der Sprühaufbringung behilflich zu sein, wie zuvor erwähnt, schließt die AIE-Lösung vorzugsweise nur DI-Wasser, das/die gelöste(n) Kaliumsalz(e) und, falls gewünscht, das optionale hydroxidhaltige Salz ein. Weitere Verfahren zum Aufbringen der Lösung für wässrigen Ionenaustausch können auch in dem vorliegend offenbarten Verstärkungsprozess genutzt werden, einschließlich zum Beispiel Tauchbeschichtung und Eintauchen.
Die AIE-Lösung wird bei einer Temperatur im Bereich von 60 °C bis 120 °C oder enger gefasst 75 °C bis 100 °C auf den Glasbehälter aufgebracht, um die AIE-Beschichtung aufzubringen. Die aufgebrachte AIE-Lösung wird für eine Expositionszeit von 2 Sekunden bis 100 Minuten oder länger auf der/den Glasbehälteroberfläche(n) belassen, aber in vielen Instanzen kann die Expositionszeit im Bereich von 2 Minuten bis 60 Minuten liegen. Multiple Expositionen gegenüber der AIE-Lösung mit intermittierender Trocknung zum Beispiel von 30 Sekunden bis 60 Sekunden zwischen den AIE-Expositionen können, falls gewünscht, ebenfalls praktiziert werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Maske verwendet werden, um die Exposition des Behälters gegenüber der AIE-Lösung selektiv zu begrenzen.
Nach dem Schritt der Exposition gegenüber der AIE-Lösung kann der Glasbehälter in Luft bei Raumtemperatur (d. h. 20 °C bis 26 °C) und/oder in einer erwärmten Umgebung über Raumtemperatur getrocknet werden, oder der Glasbehälter kann einfach direkt zu dem Wärmebehandlungsschritt überführt werden. Der Wärmebehandlungsschritt beinhaltet das Erwärmen des Glasbehälters, der nun eine aufgebrachte AIE-Beschichtung aufweist, in einer erwärmten Umgebung, wie zum Beispiel einem Brennofen, Kühlofen oder Ofen, der bei einer Temperatur im Bereich von 125 °C bis 600 °C oder enger gefasst von 150 °C bis 500 °C gehalten wird. In einer bevorzugten Ausführungsform für Kalknatronsilikatglas liegt die Temperatur der erwärmten Umgebung im Bereich von 150 °C bis 470 °C, sodass das Glas im Laufe des Wärmebehandlungsschritts nicht zu entspannt wird. Der Glasbehälter kann für einen Zeitraum im Bereich von 20 Minuten bis 24 Stunden in der erwärmten Umgebung gehalten werden, obwohl in der Regel eine Zeitspanne von 30 Minuten bis 4 Stunden ausreichend ist. Nach der Erwärmungszeitspanne wird der Glasbehälter aus der erwärmten Umgebung entfernt und jegliche Restsalze aus der AIE-Lösung werden mit Wasser abgespült und jegliches Restwasser wird mit Druckluft von dem Glasbehälter abgeblasen.
Der behandelte Glasbehälter, der aus dem Schritt der Exposition gegenüber der AIE-Lösung und dem Wärmebehandlungsschritt resultiert, ist wesentlich stärker als ein unbehandelter Glasbehälter und die Prozesszeit ist kürzer in der Dauer als vorherige Ionenaustauschprozesse, die im Allgemeinen eine 12-stündige bis 24-stündige Expositionszeit gegenüber der Ionenaustauschlösung verlangen. Ohne an eine Theorie gebunden sein wollen, kann eine Erklärung für die gesteigerte Festigkeit sein, dass der größere Radius der K⁺-Ionen verglichen mit den Na⁺-Ionen die Druckspannungsschicht in dem Glas bildet, wo das Na⁺ durch das K⁺ ersetzt wurde, und diese Druckspannungsschicht erzielt eine gleichmäßigere Aufbringung und einen verbesserten Ionenaustausch durch eine Kombination der Formulierung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch und des Wärmebehandlungsschritts. Die resultierende Druckspannungsschicht muss überwunden werden, damit sich Risse ausbreiten, wodurch der Glasbehälter wirksam verstärkt wird.
Der Verstärkungsprozess durch wässrigen Ionenaustausch kann mit dem optionalen Schritt der Exposition gegenüber einer Ätzlauge praktiziert werden, der vor oder zu der gleichen Zeit wie der Schritt der Exposition gegenüber der AIE-Lösung praktiziert werden kann. In dem Schritt der Exposition gegenüber der Ätzlauge wird der Glasbehälter durch jeglichen geeigneten Ansatz gegenüber einer Ätzlauge exponiert, einschließlich zum Beispiel des Tränkens des Behälters in einem Ätzlaugenbad, bevor der Glasbehälter in dem Schritt der Exposition gegenüber einer AIE-Lösung gegenüber der AIE-Lösung exponiert wird. Die Ätzlauge, gegenüber der der Glasbehälter exponiert wird, weist einen pH-Wert von zwischen 8 und 10 oder enger gefasst zwischen 8,8 und 9,6 auf und schließt mindestens 2 Mol- % und mehr bevorzugt zwischen 2 Mol- % und 10 Mol- % des hydroxidhaltigen Salzes, aufgelöst in DI-Wasser, ein. Der Glasbehälter kann gegenüber der Ätzlauge mittels Tränken oder anderweitig für einen Zeitraum im Bereich von 15 Sekunden bis 10 Minuten oder enger gefasst von 1 Minute bis 6 Minuten exponiert werden. Durch Exponieren des Glasbehälters gegenüber der Ätzlauge vor dem Schritt der Exposition gegenüber der AIE-Lösung wird die Festigkeit des Behälters aufgrund der resultierenden Bildung der Druckspannungsschicht optimiert. Es wird angenommen, dass der Mechanismus für diesen Anstieg der Festigkeit mit der kurzzeitigen Auflösung von Glas in der Lösung verbunden ist, was der Druckspannungsschicht ermöglichen kann, bestehende Risse oder weitere Glasdefekte besser zu besetzen.
In einem anderen Beispiel des Schritts der Exposition gegenüber der Ätzlauge kann der Glasbehälter gegenüber der Ätzlauge im Laufe der (d. h. zu der gleichen Zeit wie die) Exposition gegenüber der AIE-Lösung exponiert werden. Diese zwei Expositionsschritte können gleichzeitig ausgeführt werden, indem zusätzlich das hydroxidhaltige Salz, wie NaOH, der AIE-Lösung gemeinsam mit dem/den Kaliumsalz(en) zugegeben wird, um genügend OH^--Anionen in die AIE-Lösung einzubringen, damit der pH-Wert der Lösung auf 8,0 oder darüber angehoben wird, einschließlich des obenstehend genannten bevorzugten Bereichs von 8,8 bis 9,6. Unter diesen Umständen dient die AIE-Lösung mit höherem pH-Wert im Grunde zu der gleichen Zeit sowohl als die AIE-Lösung als auch als die Ätzlauge, derart, dass der Glasbehälter als gegenüber der AIE-Lösung und der Ätzlauge gleichzeitig exponiert angesehen wird, wodurch erlaubt wird, dass der Schritt der Exposition gegenüber der AIE-Lösung und der Schritt der Exposition gegenüber der Ätzlauge zusammen durchgeführt werden. Es wird angenommen, dass der resultierende Anstieg der Festigkeit des Behälters aufgrund der Optimierung der Druckspannungsschicht im Allgemeinen der gleiche ist, unabhängig davon, ob der Schritt der Exposition gegenüber der Ätzlauge vor oder im Laufe des Schritts der Exposition gegenüber einer AIE-Lösung ausgeführt wird.
BEISPIELE
Beispiel 1
In einem ersten Beispiel des vorliegenden Verstärkungsprozesses durch wässrigen Ionenaustausch („AIE-Prozess“ in 1) wurde eine Lösung für wässrigen Ionenaustausch durch Auflösen von 200 Gramm KNO₃ und 100 Gramm KCl in 700 Milliliter DI-Wasser vorbereitet. Dies produzierte eine Lösung von 2,82 molarem KNO₃ und 1,91 molarem KCl mit einem Massenprozentsatz an Alkalimetallsalzen von 30 %. Die Lösung wurde auf eine Temperatur von 75 °C erwärmt und bei dieser gehalten. Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurden durch Eintauchen für 30 Minuten gegenüber der Lösung exponiert, entfernt und für 30 bis 60 Sekunden lufttrocknen gelassen und dann erneut durch Eintauchen für weitere 30 Minuten gegenüber der Lösung exponiert, entfernt und lufttrocknen gelassen. Die endgültigen luftgetrockneten Proben wurden dann zu einem Ofen bewegt, der bei einer Temperatur von 350 °C gehalten wurde und für 4 Stunden wärmebehandelt. Nach 4 Stunden Wärmebehandlung wurden die Proben entfernt und für 30 Minuten abkühlen gelassen. Die Proben wurden dann für 10 bis 20 Sekunden mit DI-Wasser abgespült, um jegliche Restsalze zu entfernen, und mit Druckluft trockengeblasen.
Ein zweiter Satz von Kalknatronsilikatglas-Objektträgern wurde gemäß einem Prozess behandelt, bei dem die Objektträger für 24 Stunden gegenüber der gleichen Lösung für wässrigen Ionenaustausch bei 75 °C exponiert, aus der Lösung entfernt, mit DI-Wasser für 10 bis 20 Sekunden abgespült, um jegliche Restsalze zu entfernen, und mit Druckluft trockengeblasen („Weiterer Prozess“ in 1) wurden. Ein dritter Satz unbehandelter Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurde als ein Kontrollsatz von Objektträgern verwendet; diese Objektträger wurden weder gegenüber irgendwelchen Ionenaustauschlösungen exponiert noch wärmebehandelt („Grundlinie“ in 1).
Die drei Sätze von Kalknatronsilikatglas-Objektträgern wurden unter Verwendung einer Doppelring-Druckprüfung (ROR-Druckprüfung), wie im Stand der Technik bekannt, auf Bruchfestigkeit geprüft. Die Objektträger wurden vor der Prüfung mit Polytetrafluorethylen-Band (PTFE-Band) festgeklebt, sodass nach der Prüfung eine Fehleranalyse durchgeführt werden konnte. Die Verformungsrate der Bruchfestigkeits-Brechvorrichtung betrug 0,24 Millimeter/Minute und die beschichtete Seite des Objektträgers lag im Laufe der Prüfung unter Zugspannung vor. Die Proben wurden belastet, bis sie zerbrachen, und die maximale Last, die vor dem Ausfall erreicht wurde, wurde als die Bruchfestigkeit aufgezeichnet. Die durchschnittliche Bruchfestigkeit der Objektträger gemäß dem AIE-Prozess, der Objektträger gemäß dem weiteren Prozess und der Grundlinien-Objektträger sind in 1 gezeigt, wobei die Daten zu einer Weibull-Verteilung passen. Die Daten zeigen, dass es eine wahrnehmbare Rechtsverschiebung der Linie für die Objektträger gab, die gemäß dem AIE-Prozess behandelt wurden, was eine Steigerung der Bruchfestigkeit anzeigt. Die durchschnittliche Bruchfestigkeit der Grundlinien-Objektträger betrug 57,4 Megapascal (MPa), ähnlich den Objektträgern des weiteren Prozesses (durchschnittliche Bruchfestigkeit von 64,3 MPa, während die durchschnittliche Bruchfestigkeit der gemäß dem AIE-Prozess behandelten Objektträger 233 MPa betrug - eine vierfache Steigerung der Bruchfestigkeit. Zusätzlich lag die Bruchfestigkeits-Brechkraft für den weiteren Prozess im Bereich von 1100 bis 3700 Newton, wohingegen die Bruchfestigkeits-Brechkraft für die Objektträger, die gemäß dem AIE-Prozess behandelt wurden, im Bereich von 3700 bis 6000 Newton lag.
Beispiel 2
In einer zweiten Reihe von Experimenten wurde die gleiche AIE-Lösung, die in Beispiel 1 für den AIE-Prozess beschrieben wird (d. h. 200 Gramm KNO₃ und 100 Gramm KCl, aufgelöst in 700 Milliliter DI-Wasser), vorbereitet und eingekerbte Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurden gegenüber der Lösung durch Eintauchen exponiert. Die eingekerbten Objektträger wurden unter Verwendung eines Vickers-Prüfkörpers unter Aufbringen von 300 Gramm Kraft (gf) gleichmäßig beschädigt und wo dann gegenüber der AIE-Lösung exponiert, die für 2 Minute Minuten bei 75 °C gehalten wurde. Nach Exposition gegenüber der AIE-Lösung wo die Objektträger für 4 Stunden bei verschiedenen Temperaturen (350 °C, 450 °C, 500 °C und 550 °C) wärmebehandelt. Zusätzlich wurde zum Vergleich eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Objektträgern in die Experimente eingeschlossen. Die Glasobjektträger wurden einer ROR-Frakturprüfung unterzogen und die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen angepasst, die in 2 gezeigt sind. Die aufgetragenen Daten zeigen, dass die Bruchfestigkeit der Proben im Allgemeinen mit einer Temperatur von bis zu 500 °C gesteigert wurde, aber bei 550 °C abzunehmen zu beginnen schien, wovon angenommen wird, dass es das Ergebnis der Durchführung des Ionenaustauschmechanismus über dem Dehnungspunkt des Glases ist.
Beispiel 3
In einer dritten Reihe von Experimenten wurde die gleiche AIE-Lösung, die in Beispiel 1 für den AIE-Prozess beschrieben ist (d. h. 200 Gramm KNO₃ und 100 Gramm KCl, aufgelöst in 700 Milliliter DI-Wasser), vorbereitet und eingekerbte Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurden gegenüber der Lösung durch Eintauchen exponiert. Die Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurden gegenüber der AIE-Lösung, die bei 75 °C gehalten wurde, durch Eintauchen für 2 Minuten exponiert und dann einer Wärmebehandlung bei 450 °C bei verschiedenen Zeiten von 30 Minuten, 1 Stunde, 2 Stunden und 4 Stunden unterzogen. Zusätzlich wurde zum Vergleich eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Objektträgern in die Experimente eingeschlossen. Die Glasobjektträger wurden der ROR-Frakturprüfung unterzogen und die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen angepasst, die in 3 gezeigt sind. Die aufgetragenen Daten zeigen, dass die Bruchfestigkeit der Proben nicht notwendigerweise mit einer gesteigerten Wärmebehandlungszeit gesteigert wurde, wovon angenommen wird, dass es das Ergebnis davon ist, dass die AIE-Beschichtung auf dem Behälter im Laufe der Zeit mit Natriumionen aus dem Glas gesättigt wird.
Beispiel 4
In einer vierten Reihe von Experimenten wurde die Optimierung der Bruchfestigkeit, wie durch die AIE-Lösung, insbesondere den pH-Wert der Lösung, beeinflusst, untersucht. Bei diesen Experimenten wurde eine „neue“ AIE-Lösung als 200 Gramm KNO₃ und 100 Gramm KCl, aufgelöst in 700 Milliliter DI-Wasser, wie in den weiteren Beispielen vorbereitet. Auch wurde eine „chemiemodifizierte“ AIE-Lösung vorbereitet, indem zunächst eine neue Lösung, wie obenstehend beschrieben, vorbereitet wurde und dann 40 Kalknatronsilikatglas-Objektträger für zwei Wochen in der neuen Lösung getränkt wurden. Eine „alte“ AIE-Lösung war einfach eine AIE-Lösung, die sechs Monate lang mit intermittierender Verwendung verwendet wurde. Jede von der alten und der chemisch modifizierten AIE-Lösung wies einen höheren pH-Wert (pH-Wert > 8) als das neue Bad (pH-Wert < 8) auf.
Eingekerbte Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurden durch Eintauchen gegenüber jeder der „neuen“, „chemiemodifizierten“ und „alten“ AIE-Lösung exponiert. Die Objektträger wurden in die vorgesehene AIE-Lösung platziert, die für 2 Minuten bei 75 °C gehalten wurde, und dann entfernt und in einen Ofen platziert, der für 30 Minuten bei 450 °C gehalten wurde, um die Objektträger wärmezubehandeln. Die Objektträger wurden aus dem Ofen entfernt und für 10 bis 20 Sekunden mit DI-Wasser abgespült. Zusätzlich wurde zum Vergleich eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Objektträgern in die Experimente eingeschlossen. Die Glasobjektträger wurden einer ROR-Frakturprüfung unterzogen und die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen angepasst, die in 4 gezeigt sind. Wie gesehen werden kann, trugen der angehobene pH-Wert der „chemiemodifizierten“ und der „alten“ Lösung zu einer verbesserten Bruchfestigkeit in dem Glas bei, wie durch die Verschiebung der Linien, die mit der „chemiemodifizierten“ und „neuen“ AIE-Lösung assoziiert sind, auf die rechte Seite der Linie, die mit der „neuen“ AIE-Lösung assoziiert ist, beobachtet wird.
Beispiel 5
In einer fünften Reihe von Experimenten wurden zwei AIE-Lösungen vorbereitet: (1) eine Lösung, wie in Beispiel 1 für den AIE-Prozess beschrieben (d. h. 200 Gramm KNO₃ und 100 Gramm KCl, aufgelöst in 700 Milliliter DI-Wasser), und (2) eine andere Lösung, die 335 Gramm KNO₃, aufgelöst in 700 Milliliter DI-Wasser, einschloss. Eingekerbte Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurden gegenüber den zwei Lösungen, die bei 75 °C gehalten wurden, durch Eintauchen für 2 Minuten exponiert, gefolgt von einer Wärmebehandlung der Objektträger in einem Ofen bei 450 °C für 30 Minuten. Zusätzlich wurde zum Vergleich eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Objektträgern in die Experimente eingeschlossen. Die Glasobjektträger wurden einer ROR-Frakturprüfung unterzogen und die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen angepasst, die in 5 gezeigt sind. Die Daten zeigen, dass Zugewinne der Bruchfestigkeit gesehen wurden, wenn die AIE-Lösung sowohl die Nitrat- als auch Chloridsalze von Kalium enthält, obwohl die Verwendung nur eines der Kaliumsalze dennoch eine verbesserte Bruchfestigkeit verglichen mit dem Grundlinienglas zeigte.
Beispiel 6
In einer sechsten Reihe von Experimenten wurde die gleiche AIE-Lösung, die in Beispiel 1 für den AIE-Prozess beschrieben ist (d. h. 200 Gramm KNO₃ und 100 Gramm KCl, aufgelöst in 700 Milliliter DI-Wasser), vorbereitet. Zusätzlich wurde eine Ätzlauge vorbereitet, die 5 Mol-% NaOH in DI-Wasser enthielt. Eingekerbte Kalknatronsilikatglas-Objektträger wurden gegenüber der AIE-Lösung durch Eintauchen exponiert oder wurden zunächst für 20 Minuten bei Raumtemperatur in der Ätzlauge getränkt, gefolgt von Exposition gegenüber der AIE-Lösung durch Eintauchen. In jedem Fall wurde die AIE-Lösung bei 75 °C gehalten und die Objektträger wurden für 2 Minuten in die Lösung eingetaucht. Außerdem wurden die Glasobjektträger nach Exposition gegenüber der AIE-Lösung für 30 Minuten in einem Ofen bei 450 °C wärmebehandelt. Eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Objektträgern wurde zum Vergleich ebenfalls in die Experimente eingeschlossen. Die Glasobjektträger wurden einer ROR-Frakturprüfung unterzogen und die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen angepasst, die in 6 gezeigt sind. Eine Verbesserung der Bruchfestigkeit wurde mit der Ätzmitteltränkung gesehen. Der Grund für diese Festigkeitsverbesserung kann darauf zurückzuführen sein, dass die Ätzlauge die Einkerbungsrisse auf den Glasobjektträgern angreift, was wiederum die Sprünge öffnen und erlauben kann, dass die AIE-Lösung tiefer in die Risse eindringt und der Ionenaustausch direkter mit den Rissspitzen erfolgt.
Beispiel 7
In einer siebten Reihe von Experimenten wurde eine Lösung für wässrigen Ionenaustausch durch Auflösen von 240 Gramm KNO₃ und 120 Gramm KCl in 500 Milliliter DI-Wasser vorbereitet. Dies produzierte eine Lösung von 4,74 molarem KNO₃ und 3,22 molarem KCl mit einem Massenprozentsatz an Alkalimetallsalzen von 42 %. Kalknatronsilikatglas-Flaschen (220 Gramm Gewicht) wurden gegenüber der AIE-Lösung, die bei 75 °C gehalten wurde, durch Eintauchen für 1 Minute exponiert. Nach Exposition gegenüber der AIE-Lösung wurden die Glasflaschen in einen Ofen platziert und für 1 Stunde bei verschiedenen Temperaturen (350 °C, 450 °C, 500 °C und 550 °C) wärmebehandelt. Eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Flaschen wurde zum Vergleich ebenfalls in die Experimente eingeschlossen. Die Glasflaschen wurden mit Packband festgeklebt und mit Druck, wie im Stand der Technik bekannt, unter Verwendung eines Glasflaschen-Berstdruckprüfgeräts geprüft. Die Berstfestigkeitsergebnisse wurden aufgezeichnet und die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen der kumulativen Bruchwahrscheinlichkeit (%) vs. die Berstfestigkeit (psi), die in 7 gezeigt sind, angepasst. Wie aus 7 gesehen werden kann, gibt es einen allgemeinen Trend zu einer gesteigerten Berstfestigkeit für die behandelten Glasbehälter versus den Grundlinien-Glasbehältern.
Beispiel 8
In einer achten Reihe von Experimenten wurde die gleiche Lösung für wässrigen Ionenaustausch, die in Beispiel 7 beschrieben ist (d. h. 240 Gramm KNO₃ und 120 Gramm KCl, aufgelöst in 500 Millilitern DI-Wasser), vorbereitet und Kalknatronsilikatglas-Flaschen wurden gegenüber der Lösung durch Eintauchen exponiert. Die Kalknatronsilikatglas-Flaschen wurden gegenüber der AIE-Lösung, die bei 75 °C gehalten wurde, durch Eintauchen für 1 Minute exponiert und dann für verschiedene Zeiten von 30 Minuten, 1 Stunde und 2 Stunden in einen Ofen, der bei 500 °C gehalten wurde, platziert, um die Flaschen wärmezubehandeln. Zusätzlich wurde zum Vergleich eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Flaschen in die Experimente eingeschlossen. Die Berstfestigkeiten der Flaschen wurden bestimmt, die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen angepasst, die in 8 gezeigt sind. Wie aus 8 gesehen werden kann, gibt es einen allgemeinen Trend zu einer gesteigerten Berstfestigkeit für die behandelten Glasbehälter gegenüber den Grundlinienglasbehältern, und es scheint, dass kürzere Wärmebehandlungszeiten bevorzugt sein können, wenn die Wärmebehandlungstemperatur über dem Dehnungspunkt des Glases liegt, wie es in diesen Experimenten war.
Beispiel 9
In einem neunten Satz von Experimenten wurden drei AIE-Lösungen vorbereitet: (1) eine KCl-Lösung, die 250 Gramm KCl aufgelöst in 700 Milliliter DI-Wasser einschloss; (2) eine Lösung, die 240 Gramm KNO₃ und 120 Gramm KCl aufgelöst in 500 Millilitern DI-Wasser einschloss (Massenverhältnis von KNO₃ : KCl von 2 : 1); und (3) eine Lösung, die 50 Gramm KNO₃ und 250 Gramm KCl aufgelöst in 700 Millilitern DI-Wasser einschloss (Massenverhältnis von KNO₃ : KCl von 1 : 5). Alle Lösungen wurden auf 75 °C erwärmt und die Glasflaschen wurden gegenüber jeder Lösung durch Eintauchen für 1 Minute exponiert. Die Glasflaschen wurden dann für 30 Minuten in einen Ofen platziert, der bei 450 °C gehalten wurde, um die Flaschen wärmezubehandeln. Zusätzlich wurde zum Vergleich eine Grundlinienreihe von unbehandelten Kalknatronsilikatglas-Flaschen in die Experimente eingeschlossen. Die Berstfestigkeiten der Flaschen wurden bestimmt und die Daten wurden an Weibull-Verteilungsdarstellungen angepasst, die in 9 gezeigt sind. Die Daten zeigen, dass Glasflaschen, die gegenüber der AIE-Lösung exponiert wurden, die ein Massenverhältnis von KNO₃ : KCl von 1 : 5 aufwies, im Allgemeinen höhere Berstfestigkeiten erzielten als die Flaschen, die gegenüber der AIE-Lösung exponiert wurden, die ein Massenverhältnis von KNO₃ : KCl von 2 : 1 aufwies, und dass beide AIE-Lösungen, die eine Kombination von Nitrat- und Chlorid-Kaliumsalzen einschlossen, hinsichtlich der Optimierung der Glasbehälterfestigkeit eine bessere Leistung erbrachten als die AIE-Lösung, die nur KCl einschloss.
Wie hierin verwendet ist die Terminologie „zum Beispiel“, „z. B.“, „beispielsweise", „wie“, „umfassend“, „aufweisend“, „einschließlich“ und dergleichen, wenn mit einer Aufzählung eines oder mehrerer Elemente verwendet, als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Aufzählung zusätzliche Elemente nicht ausschließt. Auch ist der Ausdruck „kann“, wie hierin verwendet, ein Hilfsmittel, um lediglich die Optionalität beispielsweise eines offenbarten Elements, Merkmals oder dergleichen anzuzeigen, und sollte nicht ausgelegt werden, dass eine beliebige Offenbarung hierin unbestimmt gemacht wird. Darüber hinaus werden Richtungswörter wie vorne, hinten, oben, unten, oberes, unteres, radial, umlaufend, axial, seitlich, längs, vertikal, horizontal, quer und/oder dergleichen beispielhaft und nicht notwendigerweise als Einschränkung eingesetzt. Alle hierin verwendeten Ausdrücke sollen lediglich beschreibend sein, nicht notwendigerweise einschränkend, und sind gemäß ihrer gewöhnlichen und üblichen Bedeutung im Stand der Technik zu interpretieren und auszulegen, sofern nicht in einem Kontext verwendet, der eine unterschiedliche Interpretation erfordert.
Schließlich wird der Gegenstand dieser Anmeldung vorliegend in Verbindung mit mehreren veranschaulichenden Ausführungsformen und Modifikationen an diesen Ausführungsformen offenbart. Viele weitere Ausführungsformen und Modifikationen und Äquivalente dazu existieren entweder jetzt oder müssen erst noch entdeckt werden, und somit ist es weder beabsichtigt noch möglich, derzeit alle solchen Gegenstände zu beschreiben, die für den Durchschnittsfachmann vor dem Hintergrund der vorliegenden Offenbarung naheliegend sind. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung alle solchen Ausführungsformen und Modifikationen des Gegenstands dieser Anmeldung und Äquivalente dazu umschließen, die in den breiten Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3844754 [0002]
US 9045364 [0002]

Claims

Verstärkungsverfahren durch wässrigen Ionenaustausch zur Verstärkung eines Glasbehälters, wobei das Verfahren umfasst: (a) Exponieren einer Oberfläche eines Glasbehälters gegenüber einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch, die Wasser und ein Alkalimetallsalz umfasst, um die Oberfläche des Glasbehälters mit einer Beschichtung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu beschichten, wobei das Alkalimetall des Alkalimetallsalzes ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kalium, Rubidium, Cäsium und Mischungen davon; und (b) Wärmebehandeln der Oberfläche des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung mit einer Temperatur im Bereich von 125 °C bis 600 °C.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Massenanteil des Alkalimetallsalzes in der Lösung für wässrigen Ionenaustausch im Bereich von 10 bis 30 %, bezogen auf die Gesamtmasse der Lösung, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch mindestens eines von KNO₃ oder KCl umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch aus KNO₃, KCl, Wasser und optional einem hydroxidhaltigen Salz besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Exponieren der Oberfläche des Glasbehälters gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch das Aufsprühen der Lösung für wässrigen Ionenaustausch auf die Oberfläche des Behälters umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch einen pH-Wert von 8 oder größer aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend das Exponieren der Oberfläche des Glasbehälters gegenüber einer Ätzlauge vor dem oder im Laufe des Schritts des Exponierens der Oberfläche des Glasbehälters gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Schritt (a) das Exponieren der Oberfläche des Glasbehälters, die bei einer Temperatur im Bereich von 60 °C bis 120 °C vorliegt, gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch für einen Zeitraum im Bereich von 2 Sekunden bis 100 Minuten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Schritt (b) das Wärmebehandeln des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung für einen Zeitraum im Bereich von 20 Minuten bis 24 Stunden umfasst.
Verstärkungsverfahren durch wässrigen Ionenaustausch zur Verstärkung eines Glasbehälters, wobei das Verfahren umfasst: (a) Exponieren einer Oberfläche eines Glasbehälters gegenüber einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch mit einer Temperatur im Bereich von 60 °C bis 120 °C, um die Oberfläche des Glasbehälters mit einer Beschichtung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu beschichten, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch Wasser und ein Alkalimetallsalz umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaliumnitrat, Kaliumchlorid und Mischungen davon; (b) Wärmebehandeln der Oberfläche des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung mit einer Temperatur im Bereich von 150 °C bis 500 °C; und (c) Entfernen des Glasbehälters aus der erwärmten Umgebung.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch KNO₃ und KCl umfasst und wobei ein Massenverhältnis von KNO₃ zu KCl in der Lösung für wässrigen Ionenaustausch im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 8 liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Massenverhältnis von KNO₃ zu KCl im Bereich von 1 : 4 bis 1 : 6 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch einen pH-Wert von 8 oder größer aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei Schritt (a) das Exponieren der Oberfläche des Glasbehälters gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch für einen Zeitraum im Bereich von 2 Sekunden bis 100 Minuten umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei Schritt (b) das Wärmebehandeln des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung für einen Zeitraum im Bereich von 30 Minuten bis 4 Stunden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, ferner umfassend das Exponieren der Oberfläche des Glasbehälters gegenüber einer Ätzlauge vor dem oder im Laufe des Schritts des Exponierens der Oberfläche des Glasbehälters gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch aus KNO₃, KCl, Wasser und optional einem hydroxidhaltigen Salz besteht, und wobei das Exponieren der Oberfläche des Glasbehälters gegenüber der Lösung für wässrigen Ionenaustausch das Aufsprühen der Lösung für wässrigen Ionenaustausch auf die Oberfläche des Behälters umfasst.
Verstärkungsverfahren durch wässrigen Ionenaustausch zur Verstärkung eines Glasbehälters, wobei das Verfahren umfasst: (a) Exponieren einer Oberfläche eines Glasbehälters gegenüber einer Ätzlauge; (b) Aufsprühen einer Lösung für wässrigen Ionenaustausch mit einer Temperatur im Bereich von 75 °C bis 100 °C auf die Oberfläche des Glasbehälters, um die Oberfläche des Glasbehälters mit einer Beschichtung der Lösung für wässrigen Ionenaustausch zu beschichten, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch deionisiertes Wasser und ein Alkalimetallsalz umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kaliumnitrat, Kaliumchlorid und Mischungen davon; und (c) Wärmebehandeln der Oberfläche des Glasbehälters in einer erwärmten Umgebung mit einer Temperatur im Bereich von 150 °C bis 500 °C.
Verfahren nach Anspruch 18, Schritt (a) und Schritt (b) gleichzeitig durchgeführt werden, indem ferner ein hydroxidhaltiges Salz in die Lösung für wässrigen Ionenaustausch eingeschlossen wird, um einen pH-Wert der Lösung für wässrigen Ionenaustausch auf 8,0 oder darüber anzuheben, bevor die Oberfläche eines Glasbehälters mit der Lösung für wässrigen Ionenaustausch besprüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19, wobei die Lösung für wässrigen Ionenaustausch KNO₃ und KCl umfasst, und wobei ein Massenverhältnis von KNO₃ zu KCl in der Lösung für wässrigen Ionenaustausch im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 8 liegt.