CN102531335B - 一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,先获得掺有除氧、除氢剂均匀掺杂的玻璃,使得杂质与除氧剂、除氢剂均匀反应,再通过动态全蒸馏法和封闭式蒸馏法对获得的玻璃进行两次蒸馏,最后将获得的玻璃熔融淬冷,获得所需的高纯块状玻璃材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种低羟基高纯硫系玻璃的制备方法,尤其是涉及一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法。
背景技术
硫系玻璃是以硫、硒、碲元素为阴离子,引入Ge、Sb、Ga、In等金属元素形成的一类玻璃,与氧化物玻璃相比,硫系玻璃具有优良的中远红外透过性能(依据组成不同,其透过范围可从0.5-1 μm~12-25 μm),折射率高(2.0-3.5),极高的非线性折射率n2(n2=2~20×10-18 m2/W,是石英材料的100~1000倍),因此在红外激光传输、非线性光子学器件中有着广阔的应用前景。假设硫系玻璃中没有杂质且结构均匀,基于玻璃中传输光时的瑞利散射、电子吸收和晶格振动吸收计算得到的理论最小损耗极低,如硫化砷和硒化砷玻璃这两种玻璃理论最小损耗位于4~6 μm波段,大小为0.1~0.01 dB/km。然而,由于硫系玻璃中存在杂质,其实际损耗水平较高,处于100-200 dB/km,最低为23 dB/km(2.3um)[ J. S. Sanghera, et al. Fiber Integr. Opt., 2000, 19 (3): 251-274.]。硫系玻璃中的杂质主要取决于合成工艺、原材料的纯度、石英安瓿及真空封接过程。这些杂质包括碳、氢、氧所组成的化合物或者它们和玻璃中的元素所组成的化合物等,通过进入玻璃网格或者溶解在玻璃中对光的选择性吸收。除此之外,不溶解于硫系玻璃熔融体中的杂质形成异相包括体会产生散射,根据Devyatykh等人研究报道,要求这种散射颗粒的浓度小于103~104 cm-3才能获得具有理论光损耗的硫系玻璃。
目前,制备硫系玻璃最常用的方法是由元素单质在熔封石英玻璃管中直接合成。在合成前,往往对初始组分(如易挥发的砷和具强挥发性的硫族元素)进行提纯。国内宁波大学主要针对8-12 μm间氧杂质吸收发明了一种双坩埚蒸馏法(高纯度硫系玻璃的制备装置及制备方法,授权专利号:ZL200910095927.7),对3-5μm间杂质吸收也有一定的改进,但远未达到理论最小光学损耗。俄罗斯高纯材料研究所Churbanov等人最近提到了一种挥发化合物(volatile compounds)方法制备了Ge25Sb10S65玻璃 [J. Non-Cryst. Solids, 2011, 357 (11-13): 2352-2357.],明显抑制玻璃的S-H键,但未见详细工艺参数及光学损耗值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低氧杂质的低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,其特征在于包括如下具体步骤:
第一步骤:选用羟基含量低于3ppm的石英安瓿瓶2个,用于连接石英安瓿瓶的石英玻璃管2段和毛细过滤嘴1个,用氢氟酸清洗所有石英安瓿瓶和石英玻璃管的内壁并用氢氟酸浸泡30秒,然后用去离子水清洗5~7次后烘干;
第二步骤:选取纯度99.999%以上的单质原料,按所需配比放入第一石英安瓿瓶内,分别加入180ppm~220ppm的除氧剂和除氢剂,对第一石英安瓿瓶迅速抽真空并用第一马弗炉加热至200度进行原料表面除水;加热2小时后,用乙炔火焰在第一石英安瓿瓶瓶颈封断;
第三步骤:将封断后的第一石英安瓿瓶放入摇摆炉中,以1~3 oC/min的升温速度缓慢升温至玻璃的熔制温度750~950度,熔制8~12小时后,在空气中自然冷却,冷却到脱膜为止;
第四步骤:准备第二石英安瓿瓶,第二石英安瓿瓶具有两个横向端口,分别为输入端口和输出端口,输入端口连接有第一石英玻璃管,输出端口连接有细长的第二石英玻璃管,第二石英玻璃管输入端设置有毛细过滤嘴,毛细过滤嘴伸入第二石英安瓿瓶;将步骤三获得的第一石英安瓿瓶顶端切开,第一石英安瓿瓶的端口朝上,第一石英安瓿瓶的端口与第一石英玻璃管连通;在第二石英安瓿瓶内加入180 ppm~220 ppm的除氧剂,用于去除石英安瓿瓶连接过程中玻璃表面引入杂质;细长的第二石英玻璃管及采用毛细过滤嘴防止玻璃蒸气进入到外接的真空泵,对连接后的石英安瓿瓶及石英玻璃管抽真空2小时后,用第二马弗炉对第一石英安瓿瓶进行加热,加热温度为700~900度,进行动态玻璃全蒸馏,将玻璃从第一石英安瓿瓶蒸馏至第二石英安瓿瓶内,整个蒸馏过程用真空泵持续抽真空;
第五步骤:蒸馏完成后,先对靠近第二安瓿瓶输入端口的第一石英玻璃管进行封断,再对第二石英玻璃管的后端进行封断,第二石英安瓿瓶和第二石英玻璃管成为封闭区域;将第二石英安瓿瓶置于第三马弗炉中进行二次蒸馏,保持第二石英安瓿瓶和第二石英玻璃管与水平成10~20度倾斜,加热至700~900度,将第二石英安瓿瓶内的玻璃完全蒸馏至第二石英玻璃管内;
第六步骤:在靠近输出端口的第二石英玻璃管处进行封断,将含有玻璃的第二石英玻璃管放入摇摆炉中进行熔融,熔融温度为600度~700度;
第七步骤:将步骤六获得的玻璃在空气或水中迅速冷却,冷却到脱膜,并放入到退火炉中进行退火,退火温度为在玻璃化转变温度以下20度,保温3小时后缓慢冷却至室温后,打开第二石英玻璃管,即获得低羟基高纯硫系玻璃。
第二步骤中的除氧剂和除氢剂分别为Al和TeCl4,或除氧剂和除氢剂分别Mg和AlCl3。
第四步骤中的除氧剂为Al或Mg。
所述的单质原料为Ge、Sb和Se。
与现有技术相比,本发明的优点在于先获得掺有除氧、除氢剂均匀掺杂的玻璃,使得杂质与除氧剂、除氢剂均匀反应,再通过动态全蒸馏法和封闭式蒸馏法对获得的玻璃进行两次蒸馏,最后将获得的玻璃熔融淬冷,获得所需的低羟基高纯硫系玻璃。
附图说明
图1为本发明的第一石英安瓿瓶单独放在第一马弗炉内的结构图;
图2为本发明的动态蒸馏法蒸馏玻璃示意图;
图3为本发明的封闭式蒸馏法蒸馏玻璃示意图;
图4为本发明制备的高纯硫系玻璃的透过光谱与现有技术制得硫系玻璃的比较图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一:一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,以组分为Ge20Sb15Se65、样品直径为16 mm的高纯硫系玻璃为例,包括如下具体步骤:
第一步骤:选用羟基含量低于3ppm的石英安瓿瓶2个、连接安瓿瓶的石英玻璃管2段、毛细过滤嘴1个,用氢氟酸浸泡所有石英安瓿瓶和石英玻璃管的内壁30秒,然后用去离子水清洗5次后烘干;
第二步骤:选取纯度99.999%以上的单质原料1,原料1成分为Ge、Sb和Se,按所需配比放入第一石英安瓿瓶4内,加入180ppm的除氧剂和除氢剂2,除氧剂和除氢剂2分别为Al和TeCl4 或者Mg和AlCl3,对第一石英安瓿瓶4迅速抽真空6并用第一马弗炉5加热至200度进行原料表面除水;加热2小时后,用乙炔火焰在第一石英安瓿瓶瓶颈3处封断;
第三步骤:将封断后的第一石英安瓿瓶4放入管式摇摆炉中,以1 oC/min的升温速度缓慢升温至玻璃的熔制温度750度,熔制12小时后,在空气中自然冷却,冷却到脱膜为止;其目的在于将除氢剂和除氧剂同玻璃液中的杂质充分反应。
第四步骤:准备第二石英安瓿瓶7,第二石英安瓿瓶7具有两个横向端口,分别为输入端口和输出端口,输入端口连接有第一石英玻璃管,输出端口连接有细长的第二石英玻璃管15,第二石英玻璃管15输入端设置有毛细过滤嘴8,毛细过滤嘴8伸入第二石英安瓿瓶7;将步骤三获得的第一石英安瓿瓶4顶端切开,第一石英安瓿瓶4的端口朝上,第一石英安瓿瓶4的端口与第一石英玻璃管连通;
在第二石英安瓿瓶7内加入180ppm的除氧剂9,除氧剂9为Al或Mg;用于去除石英安瓿瓶连接过程中玻璃表面引入杂质;细长的第二石英玻璃管及采用毛细过滤嘴防止玻璃蒸气进入到外接的真空泵,对连接后的石英安瓿瓶及石英玻璃管抽真空10,2小时后,用第二马弗炉11对第一石英安瓿瓶4进行加热,加热温度为700度,形成玻璃熔融体12,进行玻璃动态全蒸馏,将玻璃从第一石英安瓿瓶4蒸馏至第二石英安瓿瓶7内,整个蒸馏过程保证真空泵持续抽真空。
第五步骤:蒸馏完成后,对靠近输入端口的第一石英玻璃管进行封断13,对第二石英玻璃管的后端进行封断14,第二石英玻璃管15成为封闭蒸馏冷凝区域;将第二石英安瓿瓶7置于第三马弗炉16中,加热至900度进行二次蒸馏,第二石英安瓿瓶7和第二石英玻璃管15与水平成15度倾斜,将第二石英安瓿瓶7内的玻璃完全蒸馏至第二石英玻璃管15内;保持一定的倾斜,有利于玻璃在封闭蒸馏冷凝区域内沉积。
第六步骤:在第二石英玻璃管15靠近输出端口17处进行封断,将含有玻璃的第二石英玻璃管15放入管式摇摆炉中进行熔融,熔融温度为700度;熔融温度不宜过高,防止石英玻璃管表面与硫系玻璃液发生反应引入杂质。
第七步骤:将步骤六获得的玻璃在空气或水中迅速冷却,冷却到脱膜,并放入到退火炉中进行退火,退火温度为玻璃化转变温度以下20度,退火时间和温度取决于玻璃组成和第二石英玻璃管的口径大小,保温3小时后缓慢冷却至室温后,打开第二石英玻璃管15,即获得低羟基高纯硫系玻璃。
采用图3所示的小口径第二石英玻璃管可以获得硫系玻璃光纤预制棒,若要制备大块玻璃样品,区域15可改为大尺寸的石英安瓿。
实施例二:一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,以组分为As2S3,样品直径为16mm的高纯硫系玻璃为例,包括如下具体步骤:
第一步骤:选用羟基含量低于3ppm的石英安瓿瓶2个、连接安瓿瓶的石英玻璃管2段、毛细过滤嘴1个。用氢氟酸浸泡所有石英安瓿、石英玻璃管的内壁30秒,然后用去离子水清洗6次后烘干;
第二步骤:选取纯度99.999%以上的单质原料1,原料1成分为As和S,按所需配比放入第一石英安瓿瓶4内,加入200 ppm的除氧剂和除氢剂2,除氧剂和除氢剂2分别为Al和TeCl4 或者Mg和AlCl3,对第一石英安瓿瓶4迅速抽真空6并用第一马弗炉5加热至200度进行原料表面除水;加热2小时后,用乙炔火焰在第一石英安瓿瓶4的瓶颈3处封断;
第三步骤:将封断后的第一石英安瓿瓶4放入管式摇摆炉中,以2 oC/min的升温速度缓慢升温至玻璃的熔制温度850度,熔制10小时后,在空气中自然冷却,冷却到脱膜为止;其目的在于将除氢剂和除氧剂同玻璃液中的杂质充分反应。
第四步骤:准备第二石英安瓿瓶7,第二石英安瓿瓶7具有两个横向端口,分别为输入端口和输出端口,输入端口连接有第一石英玻璃管,输出端口连接有细长的第二石英玻璃管15,第二石英玻璃管15输入端设置有毛细过滤嘴8,毛细过滤嘴8伸入第二石英安瓿瓶7;将步骤三获得的第一石英安瓿瓶4顶端切开,第一石英安瓿瓶4的端口朝上,第一石英安瓿瓶4的端口与第一石英玻璃管连通;在第二石英安瓿瓶7内加入200 ppm的除氧剂9,除氧剂9为Al或Mg;用于去除石英安瓿瓶连接过程中玻璃表面引入杂质;细长的第二石英玻璃管及采用毛细过滤嘴防止玻璃蒸气进入到外接的真空泵,对连接后石英安瓿瓶及石英玻璃管抽真空10,2小时后,用第二马弗炉11对第一石英安瓿瓶4进行加热,加热温度为800度,形成玻璃熔融体12,进行玻璃动态全蒸馏,将玻璃从第一石英安瓿瓶4蒸馏至第二石英安瓿瓶7内,整个过程保证真空泵持续抽真空。
第五步骤:蒸馏完成后,对靠近输入端口的第一石英玻璃管进行封断13,对第二石英玻璃管的后端进行封断14,第二石英玻璃管15成为封闭蒸馏冷凝区域;将第二石英安瓿瓶7置于第三马弗炉16中,加热至800度进行二次蒸馏,第二石英安瓿瓶7和第二石英玻璃管15与水平成18度倾斜,将第二石英安瓿瓶7内的玻璃完全蒸馏至第二石英玻璃管15内;保持一定的倾斜,有利于玻璃在封闭蒸馏冷凝区域内沉积。
第六步骤:在第二石英玻璃管15靠近输出端口17处,进行封接,将含有玻璃的第二石英玻璃管15放入管式摇摆炉中进行熔融,熔融温度为650度;熔融温度不宜过高,防止石英玻璃管表面与硫系玻璃液发生反应引入杂质。
第七步骤:将步骤六获得的玻璃在空气或水中迅速冷却,冷却到脱膜,并放入到退火炉中进行退火,退火温度为一般在玻璃化转变温度以下20度,退火时间和温度取决于玻璃组成和第二石英玻璃管的口径大小,保温3小时后缓慢冷却至室温后,打开第二石英玻璃管,即获得低羟基高纯硫系玻璃。
采用图3所示的小口径第二石英玻璃管可以获得硫系玻璃光纤预制棒,若要制备大块玻璃样品,区域15可改为大尺寸的石英安瓿。
实施例三:一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,以组分为As2Se3,样品直径为16mm的高纯硫系玻璃为例,包括如下具体步骤:
第一步骤:选用羟基含量低于3ppm的石英安瓿瓶2个、连接安瓿瓶的石英玻璃管2段、毛细过滤嘴1个,用氢氟酸浸泡所有石英安瓿、石英玻璃管的内壁30秒,然后用去离子水清洗7次后烘干;
第二步骤:选取纯度99.999%以上的单质原料1,原料1成分为As和Se,按所需配比放入第一石英安瓿瓶4内,加入220 ppm的除氧剂和除氢剂2,除氧剂和除氢剂2分别为Al和TeCl4 或者Mg和AlCl3,对第一石英安瓿瓶4迅速抽真空6并用第一马弗炉5加热至200 oC进行原料表面除水;加热2小时后,用乙炔火焰在第一石英安瓿瓶4的瓶颈3处封断;
第三步骤:将封断后的第一石英安瓿瓶4放入管式摇摆炉中,以3 oC/min的升温速度缓慢升温至玻璃的熔制温度950度,熔制8小时后,在空气中自然冷却,冷却到脱膜为止;其目的在于将除氢剂和除氧剂同玻璃液中的杂质充分反应。
第四步骤:准备第二石英安瓿瓶7,第二石英安瓿瓶7具有两个横向端口,分别为输入端口和输出端口,输入端口连接有第一石英玻璃管,输出端口连接有细长的第二石英玻璃管15,第二石英玻璃管15输入端设置有毛细过滤嘴8,毛细过滤嘴8伸入第二石英安瓿瓶7;将步骤三获得的第一石英安瓿瓶4顶端切开,第一石英安瓿瓶4的端口朝上,第一石英安瓿瓶4的端口与第一石英玻璃管连通;在第二石英安瓿瓶7内加入220 ppm的除氧剂9,除氧剂9为Al或Mg;用于去除石英安瓿瓶连接过程中玻璃表面引入杂质;细长的第二石英玻璃管及采用毛细过滤嘴防止玻璃蒸气进入到外接的真空泵,对连接后的石英安瓿瓶及石英玻璃管抽真空10,2小时后,用第二马弗炉11对第一石英安瓿瓶4进行加热,加热温度为900度,形成玻璃熔融体12,进行玻璃动态全蒸馏,将玻璃从第一石英安瓿瓶4蒸馏至第二石英安瓿瓶7内,整个过程保证真空泵持续抽真空。
第五步骤:蒸馏完成后,对靠近输入端口的第一石英玻璃管进行封断13,对第二石英玻璃管的后端进行封断14,第二石英玻璃管15成为封闭蒸馏冷凝区域;将第二石英安瓿瓶7置于第三马弗炉16中,加热至700度进行二次蒸馏,第二石英安瓿瓶7和第二石英玻璃管15与水平成12度倾斜,将第二石英安瓿瓶7内的玻璃完全蒸馏至第二石英玻璃管15内;保持一定的倾斜,有利于玻璃在封闭蒸馏冷凝区域内沉积。
第六步骤:在第二石英玻璃管15靠近输出端口17处,进行封断,将含有玻璃的第二石英玻璃管15放入管式摇摆炉中进行熔融,熔融温度为600度;熔融温度不宜过高,防止石英玻璃管表面与硫系玻璃液发生反应引入杂质。
第七步骤:将步骤六获得的玻璃在空气或水中迅速冷却,冷却到脱膜,并放入到退火炉中进行退火,退火温度为在玻璃化转变温度以下20度,退火时间和温度取决于玻璃组成和第二石英玻璃管的口径大小,保温3小时后缓慢冷却至室温后,打开第二石英玻璃管,即获得低羟基高纯硫系玻璃。
采用图3所示的小口径第二石英玻璃管可以获得硫系玻璃光纤预制棒,若要制备大块玻璃样品,区域15可改为大尺寸的石英安瓿。
Claims (4)
1.一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,其特征在于包括如下具体步骤:
第一步骤:选用羟基含量低于3ppm的石英安瓿瓶2个,用于连接石英安瓿瓶的石英玻璃管2段和毛细过滤嘴1个,用氢氟酸清洗所有石英安瓿瓶和石英玻璃管的内壁并用氢氟酸浸泡30秒,然后用去离子水清洗5~7次后烘干;
第二步骤:选取纯度99.999%以上的单质原料,按所需配比放入第一石英安瓿瓶内,分别加入180ppm~220ppm的除氧剂和除氢剂,对第一石英安瓿瓶迅速抽真空并用第一马弗炉加热至200度进行原料表面除水;加热2小时后,用乙炔火焰在第一石英安瓿瓶瓶颈封断;
第三步骤:将封断后的第一石英安瓿瓶放入摇摆炉中,以1~3℃/min的升温速度缓慢升温至玻璃的熔制温度750~950度,熔制8~12小时后,在空气中自然冷却,冷却到脱膜为止;
第四步骤:准备第二石英安瓿瓶,第二石英安瓿瓶具有两个横向端口,分别为输入端口和输出端口,输入端口连接有第一石英玻璃管,输出端口连接有细长的第二石英玻璃管,第二石英玻璃管输入端设置有毛细过滤嘴,毛细过滤嘴伸入第二石英安瓿瓶;将步骤三获得的第一石英安瓿瓶顶端切开,第一石英安瓿瓶的端口朝上,第一石英安瓿瓶的端口与第一石英玻璃管连通;在第二石英安瓿瓶内加入180ppm~220ppm的除氧剂,对连接后的石英安瓿瓶及石英玻璃管抽真空2小时后,用第二马弗炉对第一石英安瓿瓶进行加热,加热温度为700~900度,进行动态玻璃全蒸馏,将玻璃从第一石英安瓿瓶蒸馏至第二石英安瓿瓶内,整个蒸馏过程用真空泵持续抽真空;
第五步骤:蒸馏完成后,先对靠近第二安瓿瓶输入端口的第一石英玻璃管进行封断,再对第二石英玻璃管的后端进行封断,第二石英安瓿瓶和第二石英玻璃管成为封闭区域;将第二石英安瓿瓶置于第三马弗炉中进行二次蒸馏,保持第二石英安瓿瓶和第二石英玻璃管与水平成10~20度倾斜,加热至700~900度,将第二石英安瓿瓶内的玻璃完全蒸馏至第二石英玻璃管内;
第六步骤:在靠近输出端口的第二石英玻璃管处进行封断,将含有玻璃的第二石英玻璃管放入摇摆炉中进行熔融,熔融温度为600度~700度;
第七步骤:将步骤六获得的玻璃在空气或水中迅速冷却,冷却到脱膜,并放入到退火炉中进行退火,退火温度为在玻璃化转变温度以下20度,保温3小时后缓慢冷却至室温后,打开第二石英玻璃管,即获得低羟基高纯硫系玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,其特征在于第二步骤中的除氧剂和除氢剂分别为Al和TeCl4,或除氧剂和除氢剂分别为Mg和AlCl3。
3.根据权利要求1所述的一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,其特征在于第四步骤中的除氧剂为Al或Mg。
4.根据权利要求1所述的一种低羟基高纯硫系玻璃的动态全蒸馏提纯方法,其特征在于所述的单质原料为Ge、Sb和Se。
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- 2011-12-16 CN CN201110425504.4A patent/CN102531335B/zh not_active Expired - Fee Related
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