CN1113044C - 石英玻璃组合物 - Google Patents

石英玻璃组合物

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Abstract

一种含有二氧化硅和粘合剂的石英玻璃组合物。粘合剂是甲基纤维素或含有以化学式(1)所表示的重复单元的聚合物：式中R是C1-C12烷基或者乙酰基团。本发明石英玻璃组合物包括一种比普通聚乙基噁唑啉价廉并对人体无害的粘合剂。由于使用该石英玻璃组合物，减低了溶胶的粘度、增加了气泡的脱除效率并增加了溶胶中的固体含量。而且增加了湿凝胶的强度使后续过程容易处理。该石英玻璃组合物能够用来生产石英玻璃用于半导体器件、光学透镜及光纤包管。

Description

石英玻璃组合物
本发明是关于一种石英玻璃组合物，更具体地说是关于通过溶胶一凝胶工艺过程来制备石英玻璃的组合物。
一般石英玻璃是透明的，在化学上是惰性的并具有优良的特性如热稳定性或强度以及具有低的热膨胀系数。这些特性使得石英玻璃可有效地用于光学器件例如光学纤维或光学透镜。
有一种光学纤维主要是由核芯和折光率不同于核芯的包覆层组成，这样使总的光反射发生于核芯中。与总的光反射相联系，包覆层的折光率比核芯的折光率低约1％。通常所使用的核芯，具有折光率1.47，而包覆层具有折光率1.46。
为了生产光学纤维，首先制作由一种芯棒和围绕着芯棒的外包管所组成的光学纤维预制坯型。然后将光学纤维预制坯型进行热处理和拉长而形成光学纤维。
下面简述使用溶胶一凝胶工艺过程生产由石英玻璃形成外包管的方法。
首先，将石英颗粒与去离子水和分散剂一起混合。然后向混合物中加入粘合剂和增塑剂，再充分混合以形成溶胶。
将该溶胶进行预定时间的熟化处理。从熟化处理后的溶胶中除去气泡，向其中加入胶凝剂，然后注入模具中。
当凝胶化作用完成之后，将得到的凝胶从模具中取出，然后干燥。
此后将干燥了的凝胶进行热处理以除去凝胶中的有机物质，然后对得到的凝胶进行脱羟基和烧结，以此完成由石英玻璃形成外包管。
在上述生产过程中，主要是使用聚乙基噁唑啉(polyethyloxazoline)作为粘合剂。然而，由于这种化合物是对人体有害的并且价钱昂贵，因而需要另一种材料作为这种材料的代用品。而且，用聚乙基噁唑啉所制得的湿凝胶强度不够好，在随后的工艺过程中不易处理。
用作石英玻璃组合物的粘合剂需满足以下要求：
第一，粘合剂必需在溶胶分散介质中是高度可溶性的。
第二，粘合剂应当以少量使用并均匀分散在各颗粒之间。如果粘合剂使用过多，会在石英玻璃中产生很多的孔隙，这是不希望的。
本发明的目的是提供一种石英玻璃组合物，其中含有一种粘合剂而能改进湿凝胶的强度，该粘合剂对人体无害，不像普通用的乙基噁唑啉那样对人体有害，该粘合剂价钱便宜。
相应地，为了达到第一个目的，本发明提供了一种具有二氧化硅和粘合剂的石英玻璃组合物，其粘合剂是甲基纤维素或者一种聚合物含有以化学式(1)所表示的重复单元：
Figure C9812047700041
式中R是C1-C12烷基或者乙酰基团。
本发明的石英玻璃组合物包含有二氧化硅和一种粘合剂，以及甲基纤维素或具有以下式为代表的重复单元的一种聚合物，特别是聚乙酸乙烯酯，用作粘合剂。
Figure C9812047700042
式中R是C1-C12烷基或者乙酰基团。
式(1)所示的聚合物的重均分子量较佳为50,000至500,000，这是因为在此范围内聚合物表现出优良的溶解性、热分解性及在溶胶悬浮液中的分散性。
粘合剂在组合物中的含量，按照二氧化硅(石英)重量计算，优选0.05(重量)％至1.0(重量)％，更佳为0.1(重量)％至0.6(重量)％。如果粘合剂的含量大于1.0(重量)％，便会得到不良透明度的石英玻璃。反之，如果粘合剂的含量小于0.05(重量)％，则在干燥后在石英玻璃中容易产生裂纹。这两种情况都是不希望的。
该组合物还包括一种分散剂、一种增塑剂、一种粘合剂、一种胶凝剂以及一种溶剂，也像普通玻璃组合物那样。本发明组合物中的分散剂、增塑剂、粘合剂、胶凝剂及溶剂没有专门限定，但一般用于制备石英玻璃的材料均可使用。各种材料的用量也采用通常的用量。
作为分散剂，是使用季铵氢氧化物，例如氢氧化四甲基铵或氢氧化四乙基铵。这些材料有助于二氧化硅均匀地分布于组合物中，并使分散的二氧化硅溶胶在静电学上稳定化。
作为增塑剂，是使用多元醇，例如甘油、乙二醇或2-甲基丙-1，2，3-三醇。
胶凝剂是一种酸的水性脂肪酸酯，酸是选自一组包括甲酸、乳酸及乙醇酸。其中，本发明优先使用乳酸乙酯或乳酸甲酸作为胶凝剂。如果这些物质与所述的粘合剂一起使用，则使溶胶变成凝胶所需的时间容易调节，在模制之前能够很快从溶胶中除去气泡，以此减少干燥后产生裂纹的几率，以及减少总收缩比例。结果可以生产出一种高密度的石英玻璃管并在烧结后产生很少的孔隙。
下面将结合实施例进一步描述本发明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
将10.4毫升氢氧化四甲基铵(TMAH)水溶液(25(重量)％在水中)加入到100克的热解法二氧化硅(得自德国Degussa公司)和117.39克去离子水中(此处热解法二氧化硅与去离子水的混合重量比为46∶54)，然后将所得产物用一混合器均匀混合。
将1.3克甘油和0.2克甲基纤维素加入到混合物中，然后在匀化器中以8000rpm的转速混合3分钟，以制备溶胶。
此后，将此溶胶在冷冻箱中保持温度6-10℃经过20小时进行熟化处理。
将1.35毫升乳酸甲酯加入到溶胶中，然后均匀混合。此后除去溶胶中的气泡。再将得到的产物注入到一压模中。
在凝胶化作用完成后，将湿凝胶从压模中分离出来，在一控制在30℃和85％相对湿度的恒温恒湿干燥箱中干燥数天，然后在120℃温度下干燥5小时以除去其中的水分。
在干燥之后，将得到的凝胶进行热处理以除去有机物质，然后利用氯气(Cl2)在约800℃从凝胶中除去羟基。之后，将残留的氯气用氧气除去。
将所得产物在约1300℃烧结，以此完成石英玻璃外包管的制作。
实施例2
本实施例的进行方法与实施例1所述的相同，不同之处仅在于使用0.5克甲基纤维素来代替0.2克甲基纤维素，来完成石英玻璃外包管的制作。
实施例3
本实施例的进行方法与实施例1所述的相同，不同之处仅在于使用0.2克重均分子量为52700的聚乙酸乙烯酯来代替0.2克甲基纤维素。
实施例4
本实施例的进行方法与实施例1所述的相同，不同之处仅在于使用0.5克的重均分子量为5270的聚乙酸乙烯酯来代替0.2克甲基纤维素。比较实施例
本实施例的进行方法与实施例1中所述相同，不同之处在于使用了聚乙基噁唑啉作为粘合剂来代替甲基纤维素。
曾经测量了实施例1至4及比较实施例中所制得的湿凝胶的强度。
结果，可以看出按照实施例1至4所制得的湿凝胶的强度，大于在比较实施例中所制得的凝胶，并且能够容易处理。
而且按照实施例1到4制得的凝胶的粘度小于按照比较例制得的凝胶的粘度，因而增强了气泡的脱除效率，并且溶胶中的固体含量能够相应增加。
本发明的石英玻璃组合物包括一种粘合剂，它比普通聚乙基噁唑啉价钱便宜，对人体无害。因而，通过减低溶胶的粘度可增加气泡的脱除效率，并且通过使用本发明的石英玻璃组合物能够增加溶胶中的固体含量。
还有，湿溶胶的强度增加，这样在随后的工艺过程中容易处理。
而且，本发明的石英玻璃化合物可以用来制作半导体器件，光学透镜以及光纤包管用的石英玻璃。

Claims (3)

1、一种用于制备石英玻璃的组合物，包括：二氧化硅和聚(乙酸乙烯酯)，聚(乙酸乙烯酯)和二氧化硅的重量比在0.05∶100到1∶100的范围内；氢氧化季铵；多元醇；一种酸的水-溶性脂族酯，该酸选自乳酸、甲酸及乙醇酸；和一种溶剂。
2、权利要求1所述的组合物，其中的聚(乙酸乙烯酯)和二氧化硅的重量比在0.1∶100到0.6∶100的范围内
3、权利要求1所述的组合物，其中所述的聚(乙酸乙烯酯)的重均分子量为50,000至500,000。
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