透明石英玻璃产品的制备制造技术

包括制备无空隙、高石英玻璃的大玻璃体的低成本制备方法，它借助于胶体二氧化硅颗粒的水溶胶的胶凝作用，随后干燥和烧结这种凝胶。在干燥的凝胶中无裂纹是由于所含有的聚合物材料润湿所说颗粒的结果。该聚合物材料通过热分解来去除，该热分解取决于在烧结过程中所达到的温度。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

Preparation of transparent quartz glass products

A low cost process for preparing large glass bodies without voids and high silica glass, followed by the gelation of hydrosol of colloidal silica particles, followed by drying and sintering of the gel. In dry gels, no cracks are caused by the wetting of the particles containing the polymer material. The polymeric material is removed by thermal decomposition, depending on the temperature attained during sintering.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用溶胶凝胶法生产高纯石英玻璃的各种制品的经济制备方法。概括地说，本专利技术的优点是成本低。所得到的制品可以具有与通过更高成本的方法制备出的那些产品相同的特性。从而，同样的考虑可以要求用本专利技术经济可行的石英玻璃代替其它材料(如低熔点混合氧化物玻璃)，以便随之明显地改进其特性。一个重要的问题是光学质量，本专利技术的方法不仅可以提高强度、稳定性以及其它有关石英玻璃的特性，百且可以避免诸如多孔性或气泡所造成的有害的光学作用。所涉及的一个重要领域是光导纤维。然而，考虑到光纤的全部制备过程，重要的应用在于将一种复合预制棒拉制成纤维，该预制棒由一芯棒封在一外包覆管内构成。该外包覆管通过溶胶-凝胶方法制成，而所说的芯棒通过利用MCVD或粉尘沉积工艺的沉积法制成。在商业上以及科学上所涉及的该
使用着各种术语，它们没有一致性的使用，或者它们不具有通用的、本
熟知的意义。下面定义的是本专利技术主要涉及有关导纤维的大部分术语。气相法二氧化硅，用于本专利技术的溶胶-凝胶法中最可能的起始材料是通过一种适当的硅化合物(如四氯化硅)的火焰水解法来制备的，通常使用-氢氧焰来得到石英微粒(石英粉末)。“胶体二氧化硅”该术语具有通常在工艺上限定的意义，它是指这样一种颗粒，这种颗粒的粒径/质量比值使得它能在某个允许的一段时间内不产生沉淀而是留在悬浮体中，以使得能够形成所需的溶胶。而本专利技术仅仅需要具有这样粒度分布区域的颗粒，这些颗粒既能在一定时间内维持溶胶状态，而又能在特定条件下产生胶凝作用。其结果是，对于该过渡溶胶态的要求可以比其它文献更放宽一些。“溶胶”是一种在液体中的胶体颗粒的分散体。“凝胶”是一种已凝结成基本上是非流体的溶胶。凝胶由一种起骨架作用的胶体颗粒的网络构成，起初缝隙间还存在一些液体。工艺要求去除这些液体，以便得到一种“干凝胶”。“芯棒”是一种玻璃圆柱体，它由足够的初始外包层材料环绕的芯层材料构成，从而一起形成预制棒的初始部分，它是实现成品纤维光学性能的部分。该芯棒可以通过现在制备纤维时所使用的汽相沉积法(如MCVD、VAD、OVD)来制备。“外包覆层”是将芯棒插入一外包覆管内，从而制得用于拉制纤维的复合预制棒。该外包覆层是石英玻璃，该石英玻璃可通过掺杂来降低折射率。该外包覆管所要求的大小是为了在用该复合预制棒拉制纤维时，得到具有所期望特性的纤维。通常，该外包覆层包括至少占该纤维预制棒体积的80-90%。本专利技术采用溶胶-凝胶法来制备外包覆管，以直接替代现行有效的其它方法所制得的外包覆管。因此，最可能用于本专利技术的初始工业化生产的这种管，在其芯棒插入之前被烧结。另外，在以后的工业化生产的最可能的说明中，该管可以未被烧结-仍是一种由芯棒插入其中的多孔质体，在此情况下，所说的管是在复合预制棒形成过程中，直接塌缩到芯棒上的。石英玻璃通常比许多其它无机玻璃更贵，由于其自身非常好的特性而找到了许多应用领域。这些特性包括透明度、化学惰性、低的热膨胀性、热稳定性、以及强度。由于这些特性，石英玻璃的已知应用领域包括光导纤维;光学元件-透镜和反射镜;烧杯，炉内衬套，坩埚以及其它需要化学和热稳定性的容器;和用于高温环境中的窗玻璃，例如，把不同温度的两个区域隔开的窗户，其优点是不仅具有耐高温的能力，而且还具有极好的耐温度梯度的能力。本专利技术的主要重点是涉及用于光纤的石英玻璃，在考虑了世界性的用低熔点混合氧化物制备纤维的成果之后，石英玻璃的许多优点被认为是判断附加材料/工艺成本的标准。在努力于节约成本的同时，又要生产出具有低介入损失和最低散射损失的光导纤维，这样就应考虑这样一个事实，即应使得纤维(特别是现在流行的单模光纤)的大部分由具有较低光学性能的材料构成。当考虑光纤起功能作用的部分时，其芯体和内包覆层传输了光能的99+%，而它通常却仅包括了质量的5%，因此，该努力的重要部分已涉及到用于包覆这种内层部分的外包覆层的结构。这时较好的制备常常是通过改进的化学汽相沉积法(MCVD)或通过在外部汽相相沉积(OVD)或轴向汽相沉积(VAD)中的粉尘沉积来制备构成内部的芯和内包覆层的内层。该芯棒被一种对性能要求较低的材料进行外包覆，并因此可以通过较低成本的工艺方法来制备，外包覆层可以在该芯棒上直接沉积，或可以塌缩成一圆形管。此时，这种“外包覆”管可由粉尘或熔融石英工业化地制备。本领域的普通技术人员清楚地知道使用另一种工艺-使用“溶胶-凝胶”法来制备外包覆层是经济的。这种已知的工艺描述于例如在GlassCurrentIssues中J.Zarzychi和“TheGel-GlassProcess”，第203-31页，该书由A.F.Wright和J.Dupois出版，MartinusNijoff，Boston，MA.(1985)，其中可以看出与现在所使用的工艺相比降低了许多成本。尽管该文献表明了大量世界性的成果，但时至今日溶胶-凝胶法还没有找到工业化使用的纤维制备法。通常的解释是在形成大尺寸预制棒外包覆管时会产生裂纹，或另一方面虽然已有可避免这种裂纹的方法但是该方法既复杂又成本较高。一篇代表性参考文献，T.Mori等人的“SilicaGlassTubesByNewSol-GelMethod”，J.Non-GrystallineSolids，100，pp.523-525(1988)，首先提及这种裂纹难题，然后描述了一种避免裂纹的方法，其中涉及一种起始材料和其形成的工艺，而这种材料和工艺二者都是既复杂又昂贵的。在该篇论文中给出的实例得到一个300克玻璃体-不管是在什么样的情况下，这都要比通常所期望的小。由Katagiri和Maekawa在J.Non-CrystallineSolids，134，pp.183-90，(1991)中发表的近期论文强调了这种裂纹问题，该论文提到“在对于整体凝胶的溶胶-凝胶制备方法中最重要的问题之一是避免在干燥过程中产生裂纹。”在JournalofMaterialScience，vol.27，pp520-526(1992)中发表的一篇论文甚至更直率地指出“虽然溶胶-凝胶法是非常具有吸引力的，但是还存在着许多问题，这已由Zarzycki提出。这些问题中，最严重的一个问题被认为是在整体凝胶干燥过程中裂纹的产生”。然后，该参考文献评述了补救方法，如超临界干燥工艺和使用化学添加剂，如N，N二甲基甲酰胺，统称为干燥控制化学添加剂(DCCA)。这两种方法都被认为是成本很高的并因此在日常玻璃生产中是不能令人满意的。其结论是现在没有令人满意的工艺能由凝胶经济地制备大件玻璃体。对于在大件石英玻璃体的制备过程中特别要避免产生裂纹的问题，技术人员已采用不仅超临界地干燥和使用DCCA，而且甚至使用更复杂的工艺。(参见，如，R.Dorn，等人的“GlassfromMechanicallyShapedPreforms”，Glastech，Ber.，vol，66，pp.29-32(1987)和P.Bachmann，等人的“PreparationofQuartzTubesbyCentrifugalDepositionofSilicaParticles”，pp.449-53在Proceedingsofthe14thEuropeanConferenceonOp本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备一种至少部分由高纯石英玻璃组成的制品的方法，其中包括：通过包括使一种溶胶发生胶凝的方法来制备一种高纯石英玻璃体，该溶胶包括一种由胶体二氧化硅颗粒在悬浮液介质中组成的悬浮液，从而获得一种凝胶；干燥该凝胶以便基本上去除这种悬浮液介质，和烧烧结该凝胶以制得一种高纯石英玻璃体，其特征在于，所述溶胶，在基本上部分地胶凝的过程中，含有添加剂，该添加剂包含一种主要由至少一种有机聚合物组成的第一添加剂，该聚合物的特征为：（１）其数量足以能够在该胶体二氧化硅颗粒的全部自由表面的５％至５０％的表面上形成单体分子层，（２）其溶解度足以在发生胶凝之前所述溶胶中得到基本上完全的溶解，（３）具有能使所述二氧化硅颗粒润湿的性质，（４）它是这样的组合物，即通过热分解可以使其基本上变成气体产物，以便烧结的产品基本上不含有这样的聚合物，以及由其分解产品造成的有意义的污染可在上述制品中忽略其不利的影响作用。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：小戴维维尔弗雷德约汉逊，约汉伯耐第迈克什尼，弗雷德里克W沃尔茨，埃德温阿瑟钱德罗斯，德伯拉安尼弗莱明，
申请(专利权)人：美国电话电报公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]