二氧化硅粒子、合成石英粉、合成石英玻璃的合成方法技术

本发明专利技术涉及通过对含水硅胶进行冻结、解冻、除去解离水的水分使含水硅胶脱水，得到二氧化硅粒子。另外，再通过对得到的二氧化硅粒子进行洗涤、焙烧制造合成石英玻璃粉末。另外，使水玻璃脱碱，添加氧化剂和酸，通过氢型阳离子交换树脂，接着，使该二氧化硅水溶液凝胶化，再通过洗涤、焙烧制造合成石英粉。或者，通过分别在１５０～４００℃、５００～７００℃、接着，在１１００℃～１３００℃下，将二氧化硅保持一定时间，制造石英玻璃。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

Method for synthesizing silicon dioxide particle, synthetic quartz powder and synthetic quartz glass

The invention relates to a method for freezing, thawing and removing the moisture of dissociated water by water containing silica gel so as to dehydrate silica gel and obtain silica particles. In addition, the synthetic silica powder is prepared by washing and baking the obtained silica particles. In addition, the water glass is alkali removed, the oxidant and the acid are added, and the silica water solution is gelled by hydrogen type cation exchange resin, and then synthetic quartz powder is prepared by washing and roasting. Alternatively, quartz glass is made by holding silica at a certain temperature of 150~400 DEG C, 500~700 DEG C, and then at 1100 DEG C to 1300 DEG C. \ue5cf

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含水硅胶的脱水方法、和使用该脱水方法的合成石英玻璃粉末的制造方法，尤其涉及作为半导体用热处理部件、拉制半导体单晶用坩埚、光学用部件等的原料而使用的高纯度合成石英玻璃粉末的制造方法。另外，本专利技术是涉及高纯度合成石英粉的制造方法，尤其涉及作为半导体用热处理部件、拉制半导体单晶用坩埚、光学用部件、石英灯、堆芯材料、工卡模具、洗涤槽材料等的原料而使用的高纯度合成石英粉的制造方法。进而，本专利技术还涉及石英玻璃的制造方法，特别是涉及用作半导体用热处理部件、拉制半导体单晶用坩埚、光学用部件等的原料的高纯度、OH含量少的石英玻璃的制造方法。天然石英玻璃价格低廉，但通常杂质含量多，而且质量也不稳定，因此，特别是作为半导体用热处理部件、拉制半导体单晶用坩埚、光学用部件等的原料使用天然石英玻璃时，必须严格挑选高纯度的天然石英玻璃，但是仍然存在杂质多的问题。石英原料长期使用天然石英，但由于纯度参差不齐、资源枯竭、因开发而引起的环境污染问题等，因此，目前都要求使用合成石英。以往，由于合成石英粉是以四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四氯化硅等作为原料，虽然纯度高但价格也高，进而在使用它们制造合成石英玻璃时使成本提高，故缺乏工业上的高适用性。另一方面，由于半导体制品进一步高集成化，尤其对于拉制半导体单晶用坩埚部件则要求杂质极少的高纯度合成石英玻璃。按照这样的要求，已在尝试使用廉价的水玻璃作为原料，而以低成本获得高纯度的合成石英玻璃粉的方法，这些方法在特开昭59-54632号公报、特开平4-349126号公报、特开平11-11929号公报等中有报导。但是，这些公报中公开的方法，都是从水玻璃暂时得到含水硅胶，然后将其加热干燥除去水分而获得成为石英玻璃的直接原料的方法，此方法从能量-成本上看是工业实用性低的方法。另外，水相中含有的微量水溶性杂质由于加热干燥而浓缩，故必须仔细地进行洗涤工序等，就这点而言也使其工业适用性下降。另外用这些方法得到的合成石英粉不能充分地去除微量的重金属，尤其不可能充分除去钛。作为其他的合成石英玻璃的制造方法，有记载在S.SakkaTreatise on Material Science and Technology，22中的水解烷氧基硅烷进行凝胶化，脱碳后在至少1200℃下进行焙烧的方法；还有记载在特开平11-11931公报中的从碱金属硅酸盐得到二氧化硅，然后将其进行焙烧的方法等。然而，在这些二氧化硅中含有较多量的OH基(硅醇基)，即使焙烧也不能将其充分地减少。把从含有这样硅醇基的二氧化硅得到的石英玻璃作为原料，例如在制造像拉制半导体单晶用坩埚等时存在熔融时发生气泡，或使粘度下降之类的工业实用上的问题。因此，作为从二氧化硅粒子中除去硅醇基的方法，在特开平8-26741号公报中公开了在脱湿空气中、在1220℃下保持50小时，利用硅醇的扩散技术，但是，该方法不仅因长时间热处理使在成本上缺乏工业适用性，而且还存在二氧化硅粒子失透(结晶化)之类的问题。另外，在特开平2-289416号公报中公开了在600～1000℃下暂时保持一段时间进行脱硅醇的方法，但是为了充分地减少硅醇基含量则要求长时间进行焙烧。因此，本专利技术的目的在于，提供在能量-成本方面工业适用性高的含水硅胶的脱水方法，进一步还提供在能量-成本方面工业适用性高且高纯度的合成石英玻璃粉末的制造方法。另外，本专利技术的其他目地在于，提供即使以低成本的水玻璃作为原料，也可以以高纯度得到钛含量极少的合成石英粉的高纯度合成石英粉的制造方法。本专利技术的另一个目的在于，提供以高纯度可以高效地得到硅醇基含量极少的合成石英玻璃的石英玻璃的制造方法。即，本第1专利技术是含水硅胶的脱水方法，其特征在于，该方法包含，使含水硅胶冻结的第1工序、使冻结了的含水硅胶解冻的第2工序、除去由于解冻而解离水的水分获得二氧化硅粒子的第3工序。另外，本第2专利技术是合成石英玻璃粉末的制造方法，其特征在于，该方法包含，使含水硅胶冻结的第1工序、使冻结了的含水硅胶解冻的第2工序、除去因解冻而解离水的水分获得二氧化硅粒子的第3工序、洗涤二氧化硅粒子的第4工序、将洗净的二氧化硅焙烧的第5工序。在本第2专利技术的合成石英玻璃粉末的制造方法中，优选通过使水玻璃或从水玻璃中分离除碱分的二氧化硅水溶液凝胶化而获得供给上述第1工序的含水硅胶。优选的是，在获得供给上述第1工序的含水硅胶的工序中，相对于SiO2使用5wt％～50ppm的过氧化氢，而且/或，至少在第1工序～第4工序的任一工序中相对于SiO2使用5wt％～50ppm的过氧化氢。或者，在供给上述第1工序的含水硅胶被凝胶化之前的任一阶段中，相对于SiO2使用5wt％～50ppm的过氧化氢为优选。另外，本第3专利技术是高纯度合成石英粉的制造方法，其特征在于，该方法包含，使水玻璃脱碱处理得到二氧化硅水溶液的第1工序、向第1工序得到的二氧化硅水溶液中添加氧化剂和酸后，在氢型阳离子交换树脂中通过的第2工序、使在第2工序得到的二氧化硅水溶液凝胶化得到二氧化硅粒子的第3工序、洗涤凝胶化的二氧化硅的第4工序、焙烧洗净的二氧化硅的第5工序。而且，本专利技术者们还发现，由于原料二氧化硅的焙烧使二氧化硅中的硅醇基脱水缩合则形成硅氧烷网络，由此而减少了硅醇基，在考察二氧化硅粒子的比表面积时还发现，当初约为800m2/g的比表积在300℃附近减少到约250m2/g左右。因此，可以认为，达到超过300℃时当初二氧化硅中存在的极小的细孔崩溃了，结果使脱硅醇的效果下降。而且，本专利技术者们还发现，通过在减压气氛下将等于或低于特温度的温度区域，保持在等于或低于细孔崩溃的温度的温度区域，则可以有效地减少二氧化硅中的水分或硅醇基的大部分，于是完成了本第4和第5专利技术。即，本第4专利技术是石英玻璃的制造方法，其特征在于，加热二氧化硅，作为第1加热阶段在150℃～400℃的温度范围保持等于或多于3小时后，作为第2加热阶段在1100℃～1300℃的温度范围保持等于或多于1小时(但是，通过全加热阶段至少在500℃或低于500℃的温度范围在减压气氛下进行加热)。另外，本第5专利技术是石英玻璃的制造方法，其特征在于，加热二氧化硅，作为第1加热阶段在150℃～400℃的温度范围内保持等于或多于30分钟后，作为第2加热阶段在500℃～700℃的温度范围内保持等于或多于30分钟，接着作为第3加热阶段在1100℃～1300℃的温度范围内保持等于或多于1小时(但是，达到第2加热阶段期间在减压气氛下进行加热)。本第1专利技术的含水硅胶的脱水方法中使用的含水硅胶，可适于使用的是使水玻璃或从水玻璃中分离除去碱成分的二氧化硅水溶液凝胶化得到的产物，但是没有特殊的限定。为了下述的冻结、解冻、脱水，优选含水率为约等于或大于50％，更优选约70～97％左右的，而且还优选凝胶短径为等于或大于0.1mm，更优选至少1mm的含水硅胶。水份量不到50％时，下述的冻结、解冻、脱水的效率低，另外凝胶的短径不到0.1mm时，还有冻结、解冻、脱水的效率下降的倾向。本第1专利技术中的凝胶化方法，没有任何限定，可以使用公知的方法，但是作为能作成如上所述的优选状态的含水硅胶的优选方法，例如，在首先使水玻璃凝胶化时，向水玻璃中添加酸(或将水玻璃加到酸中)并进行加热(或放置在室温下)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含水硅胶的脱水方法，其特征在于，该方法包含，使含水硅胶冻结的第１工序、使冻结了的含水硅胶解冻的第２工序、除去通过解冻而解离水的水分获得二氧化硅粒子的第３工序。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：杉山邦夫，多田修一，尾见仁一，仲田忠洋，森田博，楠原昌树，渡部弘行，上原启史，三瓶桂子，
申请(专利权)人：株式会社渡边商行，株式会社艾迪科，
类型：发明
国别省市：JP[日本]