技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體涉及抗微生物和強化玻璃制品及其制備方法，用于各種應(yīng)用包括但不限于用于各種電子裝置的觸摸屏，例如移動手機、筆記本電腦、電子閱讀器、手持視頻游戲系統(tǒng)和自動柜員機。

背景

通過局部的組成改性，離子交換過程用來改變和控制不同玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷基材中的金屬離子的濃度?；闹械倪@些組成改性可用來改變某些基材性質(zhì)。例如,作為強化機理，可將堿金屬離子(例如,Na和K離子)提供進入基材的表面區(qū)域。作為另一示例，可將不同的重金屬離子(例如,Ag,Cu和Zn離子)提供進入基材的表面區(qū)域，從而為基材提供抗微生物性質(zhì)。

這些離子交換過程常常涉及于升高的溫度下在熔鹽浴中浸沒基材。熔鹽浴包含用于引入基材中的金屬離子。在離子交換過程中，基材中的離子與浴中的金屬離子進行交換。多種離子所需地用于離子-交換過程；然而,許多市售鹽具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度的高熔點。這些鹽的高熔點常常超過預(yù)期玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷的應(yīng)力點，且不能使用。此外,熔融的鹽常常具有高粘度，這個問題可負(fù)面影響使用熔融鹽的離子交換過程的動力學(xué)。

因此,本領(lǐng)域需要開發(fā)適用于制造操作的系統(tǒng)和方法，其可用于制備強化和抗微生物玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷制品。

概述

根據(jù)一種實施方式,提供一種在壓力容器中處理基材的方法。所述方法包括：在容器中制備具有浴組合物的浴，其包含極性溶劑和多個陽離子；在浴中淹沒基材；和在容器中將浴加壓到基本上在環(huán)境壓力以上的預(yù)定壓力(例如,約1.6MPa-22.6MPa)。所述方法可包括任選地在容器中將浴加熱到預(yù)定溫度,其可為約100℃-374℃。所述方法還包括在浴中將基材處理預(yù)定持續(xù)時間。在一些實施方式中,所述方法包括在預(yù)定壓力下，將來自浴組合物的多個陽離子的一部分交換或浸泡進入基材外部區(qū)域并保持預(yù)定持續(xù)時間,其中外部區(qū)域從第一表面延伸到基材中的第一選定深度。第一選定深度可為50nm-250nm。在一些實施方式中，所述方法包括控制容器中浴的溫度和壓力，從而多個陽離子中的一部分交換或浸泡進入基材?？刂茐毫砂▽⒃〉膲毫υ黾拥交旧洗笥诃h(huán)境壓力。在一些實施方式中,控制浴的壓力和溫度限定基材的外部區(qū)域,其從基材的多個基本上相對的表面延伸到第一選定深度。在一些實施方式中,陽離子包含Ag⁺離子,且在多個基本上相對的表面上的這種陽離子的濃度是6原子％或更大。

在一些實施方式中,基材包含多個可離子交換的陽離子，其與浴組合物中的多個陽離子的一部分進行交換。在一種或多種實施方式中,基材可包含玻璃基材或玻璃-陶瓷基材。在一些實施方式中,基材包含陶瓷基材，且來自浴組合物的多個陽離子的一部分浸泡(infused)進入基材。在一些實施方式中,基材包含壓縮應(yīng)力層，其從第一表面延伸到壓縮應(yīng)力層。在這種實施方式中,基材可包含堿性玻璃組合物。

一個或多個實施方式的浴可包含H₂O和AgNO₃,且多個陽離子包含Ag⁺離子。在一些實施方式中,極性溶劑包含質(zhì)子極性溶劑或非質(zhì)子極性溶劑。合適的質(zhì)子極性溶劑的示例包含水、甲醇、乙醇、異丙醇、1,3-丙二醇、硝基甲烷、甲酸、乙酸、乙二醇、甘油；且其中非質(zhì)子極性溶劑選自下組：丙酮、乙酸乙酯、乙腈、二甲亞砜、四氫呋喃和二甲基甲酰胺。在一種或多種實施方式中,浴中的多個陽離子衍生自鹽或酸。所述酸可包括硝酸銀、硫酸鉀、氫氧化鉀、硫代硫酸鉀、硫代乙酸鉀、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、磷酸三鉀、硝酸鋰、硫酸鋰、氯化鋰、硝酸銫、硫酸銫、硝酸銣、氯化銣、硫酸銣、硝酸鉺、硫酸鉺、氯化氫、硫酸氫、碳酸氫、磷酸氫、草酸、磷酸氫或其組合。在一些實施方式中,多個陽離子衍生自熔點大于或等于400℃的鹽。

根據(jù)其它實施方式,提供一種制品，其包含玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷基材，具有網(wǎng)狀構(gòu)造和從表面延伸到制品中第一選定深度的外部區(qū)域。在一些實施方式中,所述外部區(qū)域包含相隔小于或等于約50微米的多個基本上相對的表面,從多個基本上相對的表面延伸到壓縮層深度的壓縮應(yīng)力層,其延伸到或延伸超出第一選定深度,以及從多個基本上相對的表面延伸到抗微生物區(qū)域深度的多個Ag⁺離子,其延伸到或延伸超出第一選定深度,其中抗微生物區(qū)域深度是大于50nm和最高達約250nm,多個基本上相對的表面上的Ag⁺離子濃度是6原子％或更大。

在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利要求書以及附圖在內(nèi)的本文所述的各種實施方式而被認(rèn)識。

應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都僅僅是示例性的，用來提供理解權(quán)利要求的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。所附附圖提供了對本發(fā)明的進一步理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖說明了一個或多個實施方式，并與文字描述一起用來解釋各個實施方式的原理和操作。

附圖簡要說明

圖1A是根據(jù)一種實施方式的本文所述的用于制備玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷制品的系統(tǒng)中所用的浴和壓力容器的示意圖。

圖1B是根據(jù)另一種實施方式的圖1A所示系統(tǒng)的示意圖，其具有浸沒在浴中的基材和容器。

圖1C是根據(jù)其它實施方式的在完成圖1B所述的過程之后基材中一個的橫截面。

圖2A是根據(jù)一種實施方式的浸沒在系統(tǒng)中所用壓力容器的浴中的基材的示意圖。

圖2B是在過程完成之后在圖2A中所示基材的放大的橫截面。

圖3A是根據(jù)一種實施方式的浸沒在系統(tǒng)中所用壓力容器的浴中的基材的示意圖。

圖3B是在過程完成之后在圖3A中所示基材的放大的橫截面。

詳細(xì)描述

下面詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，這些實施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來表示相同或類似的部分。

本文所述的是用于制備抗微生物和強化玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷制品和基材的新方法。所述方法通常涉及在壓力容器之內(nèi)使用交換過程，浸泡過程或其組合。所述方法設(shè)計成通過下述來強化和/或賦予基材抗微生物性質(zhì)：在超過大氣壓力和升高的溫度下，將基材暴露于溶解于質(zhì)子或非質(zhì)子極性溶劑中的堿金屬鹽。所述方法的其它實施方式可包括酸和過渡金屬。又在其它實施方式中，可在玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷制品和基材上實施所述方法。又在更多實施方式中，所述方法可包括額外的步驟，其包括洗滌步驟或者設(shè)計成賦予基材額外性質(zhì)的額外的浴。

參考圖1A,提供本文所述的用于制備基材和制品的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包含壓力容器102，其具有壓力容器主體104和壓力容器蓋108。容器102包含浴200。浴200包含溶劑和多個離子或者具體來說陽離子，且離子溶解在溶劑之內(nèi)。在一種實施方式中,壓力容器102可包含壓力傳感器116和溫度傳感器124。兩傳感器可分別通過壓力耦合120和溫度耦合128連接到控制器112。控制器112能獨立地改變壓力容器102和浴200之內(nèi)的溫度和壓力。

浴200的溶劑可包含各種溶劑組合物。在環(huán)境溫度和壓力下，溶劑優(yōu)選地是極性液體。極性溶劑的選擇不限于特定組合物。例如,溶劑可為質(zhì)子極性溶劑例如水、甲醇、乙醇、異丙醇、硝基甲烷、甲酸、乙酸、乙二醇、1,3-丙二醇、甘油、或任何其它質(zhì)子極性溶劑或者質(zhì)子極性溶劑的組合。類似地,極性溶劑還可為非質(zhì)子極性溶劑例如丙酮、乙酸乙酯、乙腈、二甲亞砜、四氫呋喃、二甲基甲酰胺，或任何其它非質(zhì)子極性溶劑或者非質(zhì)子極性溶劑的組合。此外，溶劑可為不同比例的質(zhì)子溶劑和非質(zhì)子溶劑的組合。

系統(tǒng)100中所用浴200的離子可包含來自各種來源的各種離子?？蓮柠}的溶解、酸和其它將離子引入液體的已知方法，將離子引入浴200?？稍谠?00中溶解的鹽的一個家族包括金屬鹽。這些金屬鹽可包括過渡金屬離子，包括但不限于銅、銀、鉻、鎳、鈷、鉺和鐵。示例性鹽可以包括硝酸銀、氟化銀、高氯酸銀、氯化亞銅(I)、乙酸亞銅(I)、氯化銅(II)、硝酸銅(II)、硫酸銅(II)和硝酸鉺。金屬鹽的另一示例性子家族包括包含1A族堿金屬離子的鹽。這種1A族金屬離子可包含鋰、鈉、鉀、銣和銫。含有這些離子的示例性鹽可包括硫酸鉀、氫氧化鉀、硫代硫酸鉀、硫代乙酸鉀、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、磷酸三鉀、硝酸鋰、硫酸鋰、氯化鋰、硝酸銫、硫酸銫、硝酸銣、氯化銣和硫酸銣。可用的金屬鹽的另一示例性子家族是2A族金屬鹽。2A族金屬離子包括鈹、鎂、鈣、鍶和鋇。2A族種類的金屬鹽可與其它金屬鹽相似的方式，溶解于浴200的極性溶劑中。

酸也可用作用于系統(tǒng)100的浴200的離子來源。酸通常提供帶正電的氫離子和各種帶負(fù)電的離子。示例性酸包括硫酸氫(hydrogen sulfate)、氯化氫(hydrogen chloride)、硝酸氫(hydrogen nitrate)、磷酸氫(hydrogen phosphate)、碳酸氫(hydrogen carbonate)、草酸。在水的情況下,游離的氫離子與水反應(yīng)來形成水合氫離子或H₃O⁺離子,其可用于系統(tǒng)100中所用的方法。

再次參考圖1A,系統(tǒng)100中所用的控制器112能傳感壓力容器102和浴200的溫度和壓力。控制器112還能與容器溫度獨立地協(xié)調(diào)壓力容器102之內(nèi)的壓力。控制器112還可執(zhí)行各種其它功能，包含控制將壓力容器102和浴200在特殊溫度和壓力下保持的持續(xù)時間。

參考圖1B,基材300放置在系統(tǒng)100所用的壓力容器102的壓力容器主體104之內(nèi)，從而基材300是淹沒在浴200中。在一種實施方式中,系統(tǒng)100的壓力容器102能將浴200加熱到50℃-1000℃的溫度,和更優(yōu)選地加熱到80℃-500℃的溫度。系統(tǒng)100的壓力容器102可以獲得和保持約0.1MPa-約100MPa的壓力。在一些實施方式中,容器102可獲得和保持約1.6MPa-約70MPa的壓力。壓力容器102能節(jié)省具有不同尺寸和物理性能特征的基材300。在一種示例性實施方式中,壓力容器102能接受約3.4ft x 4ft(英尺)的玻璃面板。在另一種示例性實施方式中,壓力容器102設(shè)計成接受約6ft x 7ft的玻璃面板。又在另一種實施方式中,壓力容器102能接收具有不同尺寸和構(gòu)造的多個基材300。壓力容器102的設(shè)計在尺寸和形狀上都是可放大的。因此,壓力容器102可構(gòu)造成在不可觀地?fù)p失系統(tǒng)100所用浴200中壓力或溫度的情況下，配合各種尺寸和構(gòu)造的基材300。

在一種實施方式中,在其使用之前，在壓力容器102之內(nèi)制備系統(tǒng)100中所用的浴200。在另一種實施方式中,在遠(yuǎn)離壓力容器102處制備浴200，并在適當(dāng)?shù)臅r間泵吸或類似地傳輸進入容器102。又在其它實施方式中,浴200可在相同容器102中再次使用，或者可轉(zhuǎn)移到不同壓力容器來在不同基材300或不同組的基材300上實施相似的過程。

再次參考圖1B,基材300可包含玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷基材組合物或者主要由其組成。沒有將用于基材300的玻璃的選擇限定到特定組合物,因為可使用各種玻璃組合物獲得本文所述的性質(zhì)。例如，選定的組合物可為硅酸鹽、硼硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼鋁硅酸鹽或鈉鈣玻璃組合物中的任意一種，其任選地可包括一種或更多種堿金屬和/或堿土金屬改性劑。

例如，可用于玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷基材300的組合物的一個家族包含具有氧化鋁或氧化硼中的至少一種以及堿金屬氧化物或堿土金屬氧化物中的至少一種的那些組合物,其中–15摩爾％≤(R₂O+R’O–Al₂O₃–ZrO₂)–B₂O₃≤4摩爾％,其中R可為Li,Na,K,Rb,和/或Cs,且R’可為Mg,Ca,Sr,和/或Ba。組合物的這種家族的一個子組包含約62摩爾％-約70摩爾％SiO₂；0摩爾％-約18摩爾％Al₂O₃；0摩爾％-約10摩爾％B₂O₃；0摩爾％-約15摩爾％Li₂O；0摩爾％-約20摩爾％Na₂O；0摩爾％-約18摩爾％K₂O；0摩爾％-約17摩爾％MgO；0摩爾％-約18摩爾％CaO；和0摩爾％-約5摩爾％ZrO₂。這種玻璃更全面的描述參見美國專利申請?zhí)?2/277,573,該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文，猶如全文在下文描述。

可用于玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷基材300的組合物的另一示例性家族包含具有至少50摩爾％SiO₂以及選自堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物的至少一種改性劑的那些組合物,其中[(Al₂O₃(摩爾％)+B₂O₃(摩爾％))/(∑堿金屬改性劑(摩爾％))]>1。這個家族的一個子組包含50摩爾％-約72摩爾％SiO₂；約9摩爾％-約17摩爾％Al₂O₃；約2摩爾％-約12摩爾％B₂O₃；約8摩爾％-約16摩爾％Na₂O；和0摩爾％-約4摩爾％K₂O。這種玻璃更全面的描述參見美國專利申請?zhí)?2/858,490,該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文，猶如全文在下文描述。

可用于玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷基材300的組合物的又一示例性家族包含具有SiO₂,Al₂O₃,P₂O₅,和至少一種堿金屬氧化物(R₂O)的那些組合物,其中0.75≤[(P₂O₅(摩爾％)+R₂O(摩爾％))/M₂O₃(摩爾％)]≤1.2,其中M₂O₃＝Al₂O₃+B₂O₃。組合物的這個家族的一個子組包含約40摩爾％-約70摩爾％SiO₂；0摩爾％-約28摩爾％B₂O₃；0摩爾％-約28摩爾％Al₂O₃；約1摩爾％-約14摩爾％P₂O₅；和約12摩爾％-約16摩爾％R₂O。組合物的這個家族的另一個子組包含約40摩爾％-約64摩爾％SiO₂；0摩爾％-約8摩爾％B₂O₃；約16摩爾％-約28摩爾％Al₂O₃；約2摩爾％-約12摩爾％P₂O₅；和約12摩爾％-約16摩爾％R₂O。這種玻璃更全面的描述參見美國專利申請?zhí)?3/305,271,該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文，猶如全文在下文描述。

可用于玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷基材300的組合物的又一示例性家族包含具有至少約4摩爾％P₂O₅的那些組合物,其中(M₂O₃(摩爾％)/R_xO(摩爾％))<1,其中M₂O₃＝Al₂O₃+B₂O₃,且其中R_xO是玻璃中存在的單價陽離子和二價陽離子氧化物之和。單價和二價陽離子氧化物選自下組：Li₂O、Na₂O、K₂O、Rb₂O、Cs₂O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。組合物的這個家族的一個子組包括具有0摩爾％B₂O₃的玻璃。這種玻璃更全面的描述參見美國臨時專利申請?zhí)?1/560,434,該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文，猶如全文在下文描述。

可用于玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷基材300的組合物的又一示例性家族包含具有Al₂O₃,B₂O₃,堿金屬氧化物且包含具有三重配位硼陽離子的那些組合物。當(dāng)強化(例如，通過離子交換過程)時，這些玻璃可具有至少約30千克力(kgf)的維氏(Vickers)裂紋引發(fā)閾值。組合物的這個家族的一個子組包括至少約50摩爾％SiO₂；至少約10摩爾％R₂O,其中R₂O包含Na₂O；Al₂O₃,其中-0.5摩爾％≤Al₂O₃(摩爾％)–R₂O(摩爾％)≤2摩爾％；和B₂O₃,且其中B₂O₃(摩爾％)–(R₂O(摩爾％)–Al₂O₃(摩爾％))≥4.5摩爾％。組合物的這個家族的另一個子組包括至少約50摩爾％SiO₂,約9摩爾％-約22摩爾％Al₂O₃；約4.5摩爾％-約10摩爾％B₂O₃；約10摩爾％-約20摩爾％Na₂O；0摩爾％-約5摩爾％K₂O；至少約0.1摩爾％MgO和/或ZnO,其中0≤MgO+ZnO≤6摩爾％；以及任選地,CaO、BaO和SrO中的至少一種,其中0摩爾％≤CaO+SrO+BaO≤2摩爾％。這種玻璃更全面的描述參見美國臨時專利申請?zhí)?1/653,485,該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文，猶如全文在下文描述。

如本文所使用，將在環(huán)境壓力下在其沸點溫度以上的液體稱作“過熱”。在系統(tǒng)100的示例性實施方式中所用的極性溶劑例如水可在分子間力發(fā)生變化，其誘導(dǎo)液體性質(zhì)發(fā)生變化。例如,極性液體可呈現(xiàn)更接近有機溶劑性質(zhì)的性質(zhì)。在另一示例中,在接近臨界溫度時，過熱液體具有接近零的粘度。通過在系統(tǒng)100的壓力容器102之內(nèi)執(zhí)行所述方法,可利用這些關(guān)系來獲得制造和產(chǎn)品優(yōu)勢。

還參考圖1B,示例性處理方法包括以下步驟：在容器(例如,容器102)中制備具有浴組合物的浴(例如,浴200)，浴組合物包含極性溶劑和多個離子或陽離子；以及在浴中淹沒基材(例如,基材300)。在一些實施方式中,基材可包含含有多個離子的外部區(qū)域，所述多個離子與來自浴的多個陽離子中的至少一部分交換。然后，所述方法包括以下步驟：將容器中的浴加壓到基本上大于環(huán)境壓力的預(yù)定壓力；和任選地將容器中的浴加熱到預(yù)定溫度以及在預(yù)定壓力和溫度下將基材處理預(yù)定時間，從而來自浴的多個離子中的一部分交換或浸泡進入基材。在一些情況下,來自浴的多個離子中的一部分與基材中的多個離子交換。在一些實施方式中,來自浴的多個離子中的一部分浸泡進入基材。如本文所使用，術(shù)語“交換”指將來自浴的陽離子引入基材(或者基材的表面部分)以及置換具有與來自浴的陽離子相同價態(tài)/電荷/氧化狀態(tài)的來自基材的其它陽離子。術(shù)語“交換”還可包括置換具有與來自浴的陽離子不同價態(tài)/電荷/氧化狀態(tài)的來自基材的其它陽離子。在一種或多種實施方式中,可置換(或交換)出基材的陽離子包含堿性組分。在一種或多種實施方式中,置換出基材的其它陽離子是基材的非堿性組分。如本文所使用，術(shù)語“浸泡”指通過物理過程將陽離子引入基材(且具體是基材的表面部分)，其中將陽離子引入基材中的空隙空間。在特殊環(huán)境中，浸泡進入基材的陽離子從基材釋放。可至少部分地基于基材組合物和浴組合物，來分別選擇預(yù)定的持續(xù)時間、溫度和壓力。

根據(jù)一些實施方式,可基于下述將使用系統(tǒng)100的方法進行預(yù)定時間：浴200的組成,浴200的溫度,基材300的組成,容器102中的壓力和/或基材300中可離子交換的離子的濃度。又在其它實施方式中,可預(yù)定持續(xù)時間,浴溫度,和壓力來在基材300之內(nèi)限定區(qū)域。區(qū)域324定義為基材第一表面308和基材第一選定深度312之間的區(qū)域?；牡谝贿x定深度312可在基材外部區(qū)域304的深度極限處或以上?；耐獠繀^(qū)域304是在使用系統(tǒng)100的方法過程中，來自浴200的離子在其中交換或浸泡進入基材300的區(qū)域。

參考圖1B和1C,在示例性實施方式中，基材300可包含具有可離子交換的金屬離子的硅酸鹽玻璃組合物。將基材300和基材第一表面308暴露于包含離子的浴200可導(dǎo)致用來自浴200的離子交換基材300中的一些可離子交換的金屬離子，就此而言，金屬離子是可離子交換的。在交換過程中,用浴200中的多個離子通過基材第一表面308交換來自基材300的多個可離子交換的金屬離子。來自浴200的交換的離子進入基材300到達第一選定深度312，由此在基材外部區(qū)域304之內(nèi)形成區(qū)域324。在一些實施方式中,100中使用的方法可包含在基材300上進行的多個交換(和/或浸泡)步驟。在額外的交換和/或浸泡過程中(例如,使用在不同壓力、時間和持續(xù)時間下的第二浴200),離子浴200可比之前過程更深地或更淺地交換或浸泡進入基材300。在這種實施方式中,第一選定深度312是用于最深交換或浸泡過程的內(nèi)部邊界。

離子的浸泡或交換深度(例如,到達第一選定深度312)常常稱作層深度(“DOL”)?；?00的DOL可為約15微米或更大。在一些情況下,DOL可為約15微米-約50微米,約20微米-約45微米,或約30微米-約40微米。在一些實施方式中,基材300的DOL可取決于基材300和/或浴200的組成。在其它實施方式中,DOL還可取決于系統(tǒng)100中所用壓力容器102之內(nèi)的加工條件例如溫度和壓力。

在一種或多種實施方式中,在區(qū)域324中形成壓縮應(yīng)力水平，參見圖1C。在下述過程中形成壓縮應(yīng)力：其中用離子半徑大于來自基材的多個離子的離子半徑的來自浴200的多個離子來交換在基材300中的多個離子且具體是包含在基材第一選定深度312和基材第一表面308之間的離子。在一些實施方式中，浴中的離子和基材中的離子是金屬離子。結(jié)果,基材300的區(qū)域324呈現(xiàn)可測量的壓縮應(yīng)力水平。待與浴中的離子交換的基材中的金屬離子可為堿金屬離子，例如鋰、鈉、鉀和銣。浴中的金屬離子可為堿金屬離子例如鈉、鉀、銣和銫，前提是浴中的金屬離子的離子半徑大于基材中的金屬離子的離子半徑。

因為犧牲基材300中原始存在的一些離子來使來自浴200的一些離子分布和以其它方式結(jié)合進入基材300,在基材300中于區(qū)域324之內(nèi)形成壓縮應(yīng)力層318。壓縮應(yīng)力層318從基材第一表面308延伸到基材壓縮層深度316。在一些實施方式中,壓縮應(yīng)力層318可具有在基材第一選定深度312以上的深度316,又在其它實施方式中，深度316可在第一選定深度312處。

一般來說,將基材300在強化浴200中淹沒之后，可觀濃度的來自強化浴200的離子(例如,K⁺離子)存在于基材300的壓縮應(yīng)力層318中。來自浴的這些離子(例如,K⁺離子)通常大于基材中的離子(例如,Na⁺離子),由此增加基材300之內(nèi)的區(qū)域324中的壓縮應(yīng)力水平。此外,基于基材300的預(yù)期應(yīng)用，與壓縮應(yīng)力層318相關(guān)的壓縮應(yīng)力的量以及基材壓縮層深度316的深度可各自變化(例如，通過系統(tǒng)100中所用的交換加工條件)。在一些實施方式中,控制壓縮應(yīng)力層318中的壓縮應(yīng)力水平，從而因壓縮應(yīng)力層318導(dǎo)致的在基材300之內(nèi)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力不過量到使基材300變得易碎的點。在一些實施方式中,層318中的壓縮應(yīng)力水平可為約200MPa或更大。例如,層318中的壓縮應(yīng)力水平可最高達約700MPa,約800MPa,約900MPa,或甚至約1000MPa。

還參考圖1B和1C,在一些實施方式中，系統(tǒng)100且特別是壓力容器102能在單一基材300或一組基材300中進行多步驟交換和/或浸泡過程。在一些實施方式中,多步法包括在不同壓力和溫度下的額外強化處理或使用不同強化浴的處理。在其它實施方式中,使用系統(tǒng)100的額外交換和/或浸泡可包含構(gòu)建新的層，例如抗微生物區(qū)域。

現(xiàn)在參考圖1C,在一些實施方式中,浴200包含多個銀離子，其在結(jié)合進入基材300時可提供抗微生物效果。在一些情況下,浴200還可包含多個金屬離子，其與基材300中存在的那些離子和/或其它離子一致。根據(jù)示例性實施方式,浴200可具有衍生自濃度為約5M的溶解的AgNO₃,AgF,AgClO₄或另一種銀鹽的多個銀離子。根據(jù)另一種示例性實施方式，浴200具有衍生自浴濃度為約3M-8M的AgNO₃的多個銀離子。在其它實施方式中，抗微生物浴200包含約1M-10M AgNO₃。應(yīng)理解，來自浴200的多個銀離子可結(jié)合進入由之前的交換步驟強化的基材或結(jié)合進入未強化的基材(例如,未強化的鈉鈣玻璃基材)。

在其它實施方式中，浴200具有來自AgNO₃,KNO₃和NaNO₃鹽的溶解的離子。在這些實施方式中，浴200的KNO₃和/或NaNO₃成分的存在有助于阻止基本上數(shù)量的增強強度的K⁺離子從基材300中的壓縮應(yīng)力層318除去(例如,用于使用系統(tǒng)100的方法，其中將過程首先用于通過結(jié)合K⁺離子來強化基材300)。

根據(jù)一些實施方式,可在約80℃-約500℃的溫度下和在0.16MPa-100MPa的壓力下使用包含抗微生物離子的浴200。當(dāng)抗微生物浴200包含約5M浴濃度的溶解的AgNO₃時,優(yōu)選地將浴200設(shè)定在約100℃-約374℃的溫度和約1.6MPa-70MPa的壓力。在一些實施方式中,浴200的壓力可為1.6MPa-22.6MPa。在一些實施方式中,浴200可設(shè)定為約80℃-約120℃。

在一些實施方式中,使用系統(tǒng)100將Ag⁺離子給予進入基材300的基材區(qū)域324。結(jié)合Ag⁺離子構(gòu)建在基材300的基材第一表面308和抗微生物區(qū)域深度348之間的抗微生物區(qū)域344。在抗微生物交換和/或浸泡過程之后,基材第一表面308可具有原子濃度為約5％,10％,15％,20％,25％,30％,35％,或40％的Ag⁺離子。在一些實施方式中,基于浴200的組成和溫度,壓力容器102之內(nèi)的壓力,和/或基材300的組成，通過系統(tǒng)100來控制交換和/或浸泡的持續(xù)時間，從而產(chǎn)生與基材第一表面308相關(guān)的所需的抗微生物性質(zhì)。在一些實施方式中,將系統(tǒng)100用來構(gòu)建抗微生物區(qū)域344的交換和/或浸泡過程的持續(xù)時間控制為約15分鐘(例如,約20分鐘或更多,約25分鐘或更多,約30分鐘或更多,或約35分鐘或更多)-約10小時。在其它實施方式中,用于構(gòu)建層344的交換和/或浸泡過程的持續(xù)時間是約15分鐘-約60分鐘。在一些其它實施方式中，將交換和/或浸泡過程控制為約25分鐘-約35分鐘的持續(xù)時間，從而構(gòu)建層344。還應(yīng)理解，在一些實施方式中,Ag⁺離子可以使用現(xiàn)有分析技術(shù)不可測量的和/或不靈驗的濃度在抗微生物區(qū)域深度348以下結(jié)合進入基材300。

根據(jù)示例性實施方式,通過使用系統(tǒng)100來制備基材300獲得的抗微生物活性和效率可非常高。例如,當(dāng)使用美國臨時專利申請?zhí)?1/908,401所述的“干”協(xié)議進行測試時，預(yù)期使用本文所述的系統(tǒng)100制造的基材300可使至少Staphylococcus aureus(金黃色葡萄球菌),Enterobacter aerogenes(產(chǎn)氣腸桿菌),和Pseudomonas aeruginosa bacteria(綠膿假單胞菌)呈現(xiàn)至少2對數(shù)減少(log reduction)(即,LR>～2或99％的殺滅率)，該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文猶如全文在下文所述?？稍诩s23℃-約37℃下和在約38％-42％濕度下測試抗微生物制品，就此而言，這個協(xié)議是“干”的。優(yōu)選地,在約23℃下，在約42％濕度中測試抗微生物基材300,且當(dāng)根據(jù)“干”協(xié)議在這些條件下測試時，基材300預(yù)期使至少金黃色葡萄球菌,產(chǎn)氣腸桿菌,和綠膿假單胞菌顯示至少2對數(shù)減少(即,LR>～2或99％的殺滅率)。此外，用于顯示使用系統(tǒng)100制造的基材300的抗微生物效率的“干”協(xié)議可包括下述步驟：(a)使用具有多個細(xì)菌組織的母液的一部分接種營養(yǎng)瓊脂來形成培養(yǎng)基；(b)培養(yǎng)該培養(yǎng)基來形成第一培養(yǎng)的培養(yǎng)基,使用營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)第一培養(yǎng)的培養(yǎng)基的一部分來形成第二培養(yǎng)的培養(yǎng)基,使用營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)第二培養(yǎng)的培養(yǎng)基的一部分來形成第三培養(yǎng)的培養(yǎng)基,且將第三培養(yǎng)的培養(yǎng)基培養(yǎng)約48小時來形成具有多個細(xì)菌菌群的接種的測試板；(c)在緩沖測試溶液中懸浮多個細(xì)菌菌群中的一部分,將測試溶液的pH調(diào)節(jié)到約7至8,以及以約10％-30重量％的濃度向測試溶液添加有機土血清，來形成接種物；(d)用接種物的一部分來接種抗微生物制品的抗微生物區(qū)域；(e)將接種的抗微生物制品培養(yǎng)至少約2小時；以及(f)在中性溶液中洗滌培養(yǎng)的和接種的抗微生物制品來形成殘留的測試接種物，對殘留的測試接種物中存活的細(xì)菌菌群的數(shù)目/體積進行計數(shù)，以及計算相對于殘留的對照接種物的殘留的測試接種物中存活的細(xì)菌菌群的數(shù)目的百分比減少。

抗微生物基材300的抗微生物活性和效率，且使用系統(tǒng)100制造的這種基材還可使用“環(huán)境”協(xié)議來顯示，其主要基于題目為“抗微生物制品-用于抗微生物活性和效率的測試”的日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2801(2000),該文的全部內(nèi)容通過引用納入本文，猶如全文在下文所述。例如,可在約23℃和約42％濕度下將基材300測試約24小時。具體來說，可使用五(5)個對照樣品和五(5)個測試樣品，其中各樣品具有施加到該樣品的特殊的接種物組成和體積，并向接種的樣品施加無菌蓋玻片來確保在已知表面積上的均勻的鋪展?？稍谌缟纤龅臈l件下培養(yǎng)覆蓋的樣品，干燥約6-約24小時,用緩沖液淋洗，并通過在瓊脂板上進行培養(yǎng)來計數(shù)，最后兩步與JIS Z 2801(2000)測試所用的步驟類似。使用這種測試時，據(jù)信使用本文所述的系統(tǒng)100制備的抗微生物基材300可使至少金黃色葡萄球菌呈現(xiàn)至少1對數(shù)減少(即,LR>～1或殺滅率90％)，且使至少產(chǎn)氣腸桿菌,和綠膿假單胞菌呈現(xiàn)至少2對數(shù)減少(即,LR>～2或99.99％的殺滅率)。在其它實施方式中,據(jù)信在這些測試條件下，本文所述的抗微生物基材300可使接觸基材300的任何細(xì)菌呈現(xiàn)至少3對數(shù)減少(即,LR>～3或99.9％的殺滅率)。

抗微生物活性和效率還可根據(jù)題目為“用于抗微生物活性和效率的抗微生物產(chǎn)品測試”的日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2801(2000)來測量。在該測試的“濕”條件下(即,約37℃和大于90％濕度，測試約24小時),據(jù)信使用系統(tǒng)100制造的抗微生物基材300可使至少金黃色葡萄球菌,產(chǎn)氣腸桿菌,和綠膿假單胞菌呈現(xiàn)至少5對數(shù)減少(即,LR>～5或99.999％的殺滅率)。根據(jù)其它實施方式，當(dāng)根據(jù)美國臨時專利申請?zhí)?1/908,401所述的協(xié)議測試時，使用系統(tǒng)100制造的基材300可使至少金黃色葡萄球菌,產(chǎn)氣腸桿菌,和綠膿假單胞菌呈現(xiàn)至少2對數(shù)減少(即,LR>～2或99％的殺滅率)。

更一般地，根據(jù)本文所述的方法制造的基材300可具有超常的抗微生物性質(zhì)，且具有與玻璃所呈現(xiàn)的一致的或更高的增強的強度水平。還可以較低成本制造基材300。這部分地因為使用系統(tǒng)100，將淺的但有效水平的Ag⁺離子給予進入基材300(例如,到達抗微生物區(qū)域深度348)。較低成本還因為與在常規(guī)熔鹽浴工藝中所用的浴溫度相比的系統(tǒng)100中所用抗微生物浴200的較低溫度(和較高壓力)。

為了使用系統(tǒng)100來引發(fā)交換和/或浸泡,必須克服活化能屏障來使基材離子和浴離子遷移進出浴200和基材300或使浴離子浸泡出浴200并進入基材300。溫度和壓力都可用作克服活化能的能量來源；然而,通常需要標(biāo)稱增加的溫度。根據(jù)一些實施方式,可在大于常壓下，在浴200的常壓沸點以下，在壓力容器102中實施使用系統(tǒng)100的方法。在其它實施方式中,可在大于常壓下，在浴200的溫度設(shè)定在基材300的應(yīng)力點以下時，來實施該方法。在這種實施方式中,浴200的壓力可為0.16MPa-100MPa,更具體地1.6MPa-70MPa,和甚至更具體的1.6MPa-22.6MPa。在這些示例性實施方式中，系統(tǒng)100中所用的浴200的溫度和壓力可提供活化能來引發(fā)浴200和基材300之間的交換和/或浸泡。在大于常壓下使用系統(tǒng)100的一個優(yōu)勢是可在不可觀的增加加工持續(xù)時間的情況下，最小化浴200的溫度。在一些實施方式中,浴200溫度的下降允許基材300構(gòu)造成具有對熱量敏感的功能層或裝飾層。示例性功能層包括但不限于觸摸屏圖案化、耐刮擦涂層和用于消費者電子產(chǎn)品的其它保護性特征。從系統(tǒng)100的這些實施方式可實現(xiàn)的另一優(yōu)勢是與用于交換和/或浸泡所需的更低溫度相關(guān)的生產(chǎn)成本下降。

在一些實施方式中,浴200的離子包含來自如相對于基材300的組成的應(yīng)力點所測定的高熔融溫度鹽的離子。在其它實施方式中，浴200中的離子至少部分地來自熔融溫度大于400℃的鹽。在其它實施方式中，鹽的熔融溫度大于系統(tǒng)100中基材300(例如,玻璃,玻璃-陶瓷,或陶瓷)的應(yīng)力點。衍生自極性溶劑中的溶解鹽的一個優(yōu)勢是在系統(tǒng)100所使用的過程中，無需高到足以損壞基材300的溫度。鹽在浴200的溶劑中的溶解允許游離的離子在低于鹽的熔點的溫度下接觸基材外部區(qū)域304。因此,浴200可使用熔融溫度高于被交換和/或浸泡的基材300(例如,玻璃,玻璃-陶瓷,或陶瓷)應(yīng)力點的鹽?？捎糜谙到y(tǒng)100的離子-交換過程的示例性高溫鹽家族包含1A族堿金屬硫酸鹽、2A族堿金屬鹽和過渡金屬鹽。

在其它實施方式中,系統(tǒng)100可使用壓力容器102，其包括含有高臨界點溶劑的浴200和具有高應(yīng)力點的玻璃組合物的基材300。以這種方式設(shè)置時，系統(tǒng)100可用于使用壓力容器102來在400℃以上的溫度和40MPa以上的壓力下進行離子交換。在這種實施方式中,因為由高溫和高壓導(dǎo)致的增加的交換和/或浸泡速率，可縮短交換和/或浸泡的持續(xù)時間。

引發(fā)系統(tǒng)100中方法的另一方面是浴200中的鹽和/或酸的濃度以及浴200和基材300之間的濃度梯度的大小。在一些實施方式中,浴200中鹽或酸的濃度在環(huán)境溫度下可從不飽和到過飽和變化，具體來說，在環(huán)境溫度下從飽和的變化到過飽和的。在其它實施方式中,浴200中鹽或酸的濃度在環(huán)境溫度和壓力下可為過飽和的，但在預(yù)定加工溫度和壓力下是飽和的。達到過熱狀態(tài)的浴200的一個優(yōu)勢是浴200攜帶溶解的離子的能力增加。過熱浴200的另一優(yōu)勢是在環(huán)境溫度下在溶劑中具有低溶解度的鹽或酸可在過熱狀態(tài)時具有高溶解度。增加的保持溶質(zhì)離子的能力在浴200和基材300之間形成更大的濃度梯度。這個增加的濃度梯度可積極地影響基材300和浴200之間的交換速率,由此縮短形成預(yù)定或所需的第一深度312和區(qū)域324所要求的持續(xù)時間。

在一種示例性實施方式中,系統(tǒng)100中所用的壓力容器102能回收浴200,包含極性溶劑和鹽的貴金屬。在一種實施方式中,可回收過熱溶劑(例如,在交換和/或浸泡步驟過程中加熱)用于在洗滌步驟中用作洗滌液體，來從基材300的表面洗滌過量和沉積的鹽。在另一種實施方式中,可在洗滌步驟之前篩選或過濾過熱溶劑，從而增加基材300的清潔度。在這種實施方式中，可將過濾的鹽再次引入后續(xù)的交換和/或浸泡來降低材料成本。這種洗滌步驟無需將基材300轉(zhuǎn)移到獨立的清潔線，所以節(jié)省了加工時間。通過無需加熱另一溶劑用于洗滌步驟，洗滌步驟還最小化了能量和材料使用。在另一種實施方式中,洗滌液體可進行回收和再次用作系統(tǒng)100中的浴200，直至所需的交換和/或浸泡的百分比下降到小于預(yù)定最小數(shù)值。

使用過程在壓力容器(例如,壓力容器102)中處理基材的另一示例性方法包括下述步驟：在容器(例如,容器102)中制備包含極性溶劑和多個離子的浴(例如,浴200)；和在離子-交換浴中淹沒基材(例如,卷繞的基材328)?；目砂卸鄠€離子的外部區(qū)域。外部區(qū)域(例如,外部區(qū)域330)可包含相隔小于或等于50微米的多個基本上相對的表面(例如,相對的表面330a,330b)。示例性方法還包括下述步驟：控制容器中浴的溫度和壓力，從而來自浴的多個離子中的一部分交換或浸泡進入基材。在控制步驟中，浴的壓力可升高到基本上大于環(huán)境壓力。此外,基材可主要由玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷組合物組成。

參考圖2A和2B,系統(tǒng)100a基本上類似于在上文中所述的系統(tǒng)100。結(jié)合系統(tǒng)100a和系統(tǒng)100所述的具有相同附圖標(biāo)記的元件的操作和/或構(gòu)造彼此相同。在一些實施方式中,系統(tǒng)100a可與一種方法一起使用來處理具有多個基本上相對的表面330a和330b的基材328。在其它實施方式中,當(dāng)使用系統(tǒng)100a在壓力容器102中處理時，基材328可以卷繞的或基本上卷繞的構(gòu)造來構(gòu)造?？墒褂孟到y(tǒng)100a處理的示例性基材328包含玻璃和其它柔性玻璃。圖2A顯示淹沒在浴200中的基本上卷繞的基材328。圖2B顯示圖2A所示卷繞的基材328和壓力容器102的俯視橫截面視圖。如圖2B所示,在基材328的卷繞的基材外部區(qū)域330的基本上相對的表面330a和330b之間限定距離336。浴200能在基本上相對的表面330a和330b之間流動。在一種實施方式中,距離336可為小于或等于50微米。在其它實施方式中,距離可為小于或等于25微米，具體來說，小于或等于10微米。又在更多實施方式中，距離336可小于500nm。

如上所述，系統(tǒng)100中浴200的過熱可降低浴200的粘度。系統(tǒng)100a中所用的浴200也可以這種方式過熱。粘度的降低允許浴200在基本上相對的表面330a和330b之間流動，并促進與基材328的交換和/或浸泡。因此,區(qū)域324,壓縮應(yīng)力層318,和/或抗微生物區(qū)域344可分別從基本上相對的表面330a和330b延伸到基材328之內(nèi)的選定深度(例如,第一選定深度312或壓縮應(yīng)力層深度316)。隨著浴200的粘度接近0,其中浴200可在基材328中和繞著基材328流動的理論極限接近浴離子和溶劑分子的實際尺寸。因此,在系統(tǒng)100a的一些實施方式中,基本上相對的表面330a和330b之間的距離336可為納米、皮米和/或原子尺度。

在一些實施方式中,基材基本上相對的表面330a和330b可通過如圖2A和圖2B所示的卷繞的或基本上卷繞的構(gòu)造來形成。在其它實施方式中,基材328可為有波紋的，或者可沿其表面包含精細(xì)脊。又在其它構(gòu)造中，基材328可為具有緊密間隔在一起的凸起的物體，或者可包括具有朝向表面開口的內(nèi)部空穴。又在更多實施方式中，基本上相對的表面330a和330b可不包含在單一基材上,但可為在不同基材上的相對的表面。例如,可在系統(tǒng)100中所用的壓力容器102中裝載多個基材，從而基材表面之間的距離336可限定基本上相對的表面330a和330b。在這種實施方式中，基材328之間的距離可為小于或等于50微米、小于或等于40微米、小于或等于30微米、小于或等于20微米和小于或等于10微米。在一些實施方式中，這個距離336可小于500nm。

通過使用結(jié)合系統(tǒng)100或100a如上所述的示例性方法中的一些,可制備具有區(qū)域(例如,區(qū)域324)的制品(例如,基材300,基材328)。這種制品可包括：(a)主要由下述組成的組合物：玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷組合物；和(b)外部區(qū)域(例如,外部區(qū)域304)，其包含相隔小于或等于50微米的多個基本上相對的表面。外部區(qū)域可包含制品中從多個基本上相對的表面延伸到第一選定深度的區(qū)域(例如,從表面330a和330b到第一選定深度312)。

參考圖3A和3B,基材332可以不同構(gòu)造設(shè)置在壓力容器102中，或者當(dāng)系統(tǒng)100a用于處理基材時具有不同構(gòu)造。在一些實施方式中,基材332是柔性玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷，其可以剛制造的構(gòu)造在壓力容器102之內(nèi)進行處理。

在一些實施方式中,可使用系統(tǒng)100a將具有基本上網(wǎng)狀構(gòu)造的基材332淹沒在浴200中。圖3A顯示當(dāng)淹沒在系統(tǒng)100a的壓力容器102的浴200中時的基本上網(wǎng)狀基材332。圖3B顯示網(wǎng)狀基材332和壓力容器102的俯視橫截面視圖。在一些實施方式中,網(wǎng)狀基材332可具有多個基本上相對的基材表面334a,334b。在一些實施方式中，距離340可為小于或等于50微米、小于或等于40微米、小于或等于30微米、小于或等于20微米和小于或等于10微米。在其它實施方式中，距離340可小于500nm。類似地,網(wǎng)狀基材332可包含其它特征，例如其可為彎曲的和/或尖銳彎曲的。類似的，基材332可以是單個一體式物體、多層結(jié)構(gòu)或?qū)盈B件。

雖然為了說明提出了典型的實施方式，但是前面的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本說明書或所附權(quán)利要求書范圍的限制。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見的是可以在不背離權(quán)利要求書的精神或范圍的情況下作出各種修改和變動。