DE102010062203A1

DE102010062203A1 - Verfahren zur Herstellung von dotiertem Quarzglas

Info

Publication number: DE102010062203A1
Application number: DE102010062203A
Authority: DE
Inventors: Manfred Deisenhofer; Wolfgang Benten; Thomas Murphy; Olaf Buettner
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012072396A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dotiertem Quarzglas, das aus Quarzsand oder Bergkristall zusammen mit Zusatzstoffen erschmolzen wird, wobei als Zusatzstoff zumindest Neodymaluminat (NdAlO3) zugesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dotiertem Quarzglas gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
I. Stand der Technik
Die US 2001/0044370 A1 offenbart ein Glas mit einem hohen Anteil von Siliziumdioxid, das Neodym, Aluminium, und Cer sowie gegebenenfalls weitere Zusätze in Oxidform enthält und unter dem Markennamen Vycor bekannt ist. Die Herstellung dieses Glases ist allerdings sehr aufwendig, da die Dotierung mit Nd₂O₃, Al₂O₃ und CeO₂ als Flüssigdotierung von porösem Vycor mit nachfolgendem Sintern erfolgt.
Die EP 0 598 987 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von dotiertem Quarzglas, das Cer und Aluminium als Zusätze in Oxidform enthält und eine geringe Transmission im ultravioletten Spektralbereich besitzt.
II. Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Quarzglas, das eine reduzierte Durchlässigkeit für langwelliges Licht aufweist, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von dotiertem Quarzglas, das aus Quarzsand oder Bergkristall zusammen mit den gewünschten Zusatzstoffen erschmolzen wird, wobei als Zusatzstoff zumindest Neodymaluminat (NdAlO₃) zugesetzt wird. Dadurch ist es nicht erforderlich, wie in der US 2001/0044370 A1 offenbart, Borsilikatglas als Ausgangspunkt für die Herstellung von Glas mit hohem SiO₂-Gehalt zu verwenden und die oben genannte Flüssigdotierung mit den Zusatzstoffen vorzunehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nur einen Schmelzvorgang. Ferner hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass im Vergleich zur US 2001/0044370 A1 auch Glas mit einem noch höheren SiO₂-Gehalt gefertigt werden kann, da als Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren Quarzsand oder Bergkristall oder eine Mischung aus Quarzsand und Bergkristall verwendet wird. Außerdem wird der Zusatzstoff Neodym erfindungsgemäß nicht in Form von Neodymoxid (Nd₂O₃), sondern in Form des Mischoxids Neodymaluminat (NdAlO₃) zugesetzt. Die Verwendung der Oxidform Neodymoxid (Nd₂O₃) hätte nämlich den Nachteil, dass sich Neodymoxid (Nd₂O₃) beim Schmelzen in reduzierender Gasatmosphäre zersetzt und dadurch Gasblasen entstehen würden, welche die optische Qualität des Glases beim Glasrohrziehen verschlechtern würden. Dieser Nachteil tritt bei der Verwendung der Oxidform Neodymaluminat (NdAlO₃) nicht auf, da sich das vorgenannte Mischoxid beim Schmelzen nicht zersetzt. Neodym besitzt im Spektralbereich des sichtbaren Lichts, insbesondere bei den Wellenlängen 524 nm, 582 nm, 744 nm und 804 nm, mehrere Absorptionsbanden, so dass sich Neodym als Filter zur Absorption von langwelligem Licht besonders gut eignet. Das erfindungsgemäß hergestellte dotierte Quarzglas besitzt daher eine reduzierte Transmission im langwelligen Spektralbereich. Dem entsprechend kann dadurch der kurzwellige (blaue) Anteil des von einer Lampe emittierten Lichtes erhöht werden, deren Lampengefäß aus dem erfindungsgemäß dotierten Quarzglas hergestellt ist.
Vorteilhafterweise wird gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren das Mischoxid Neodymaluminat (NdAlO₃) in Pulverform dem Quarzsand oder Bergkristall zugesetzt, um eine gute Vermischung mit den Komponenten der Glaskomposition zu erlauben. Vorzugsweise ist die mittlere Korngröße des Neodymaluminats kleiner oder gleich 5 μm, um eine möglichst homogene Vermischung mit den anderen Komponenten des Glaskomposition zu ermöglichen.
Der Anteil von Neodymaluminat in der Glaskomposition liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent. Im Fall eines geringeren Anteils von Neodymaluminat wird keine ausreichende Filterwirkung des dotierten Quarzglases im langwelligen Spektralbereich erreicht. Im Fall eines höheren Anteils von Neodymaluminat ist die Filterwirkung des dotierten Quarzglases so stark, dass das von einer Lampe, deren Lampengefäß aus dem dotierten Quarzglas besteht, emittierte Licht nicht mehr als weißes Licht mit erhöhter Farbtemperatur, sondern als farbiges Licht wahrgenommen wird. Außerdem erhält man bei mehr als 2,0 Gewichtsprozent kein homogenes Glas mehr.
Vorteilhafterweise werden während des erfindungsgemäßen Verfahrens dem Quarzglas weitere Zusatzstoffe zugesetzt, um die Eigenschaften des dotierten Quarzglases zu beeinflussen. Als weiterer Zusatzstoff werden ein oder mehrere Stoffe aus der Gruppe von Ceraluminat (CeAlO₃), Bariummetaborat (BaB₂O₄), Europiumoxid (Eu₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Titandioxid (TiO₂) zugesetzt. Cer und Titan werden in Oxidform zugesetzt, um die Durchlässigkeit des Quarzglases im ultravioletten Spektralbereich zu reduzieren. Dabei wird Cer vorzugsweise ebenfalls als Mischoxid in Form von Ceraluminat (CeAlO₃) und nicht als Ceroxid (CeO₂) zugesetzt, um die Löslichkeit von Cer im Quarzglas zu erhöhen und das Freisetzen von Sauerstoff im Schmelzofen zu vermeiden, wie bereits in der EP 0 598 987 A1 beschrieben ist. Der Anteil von Ceraluminat (CeAlO₃) in der Glaskomposition liegt für diesen Zweck vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent. Mittels Titandioxid wird die Durchlässigkeit des Quarzglases für UV-C-Strahlung reduziert. Der Anteil von Titandioxid in der Glaszusammensetzung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent.
Bariummetaborat wird zugesetzt, um die Viskosität des Quarzglases zu verringern und dadurch seine Verarbeitbarkeit zu verbessern. Der Anteil von Bariummetaborat in der Glaskomposition liegt für diesen Zweck vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 2,0 Gewichtsprozent.
Zusätzlich kann ferner Europiumoxid (Eu₂O₃) zugesetzt werden, um die Farbtemperatur des Lampenspektrums zu erhöhen. Europium bewirkt im Quarzglas bei UV-Anregung eine intensive blaue Fluoreszenzstrahlung, so dass bei einer Codotierung von Neodym mit Europium in Oxidform der Anteil an Neodymaluminat für die gleiche Farbtemperaturerhöhung nahezu um ein Drittel verringert werden kann und dadurch auch die Homogenität des Quarzglases verbessert werden kann. Der Zusatz von Europiumoxid reduziert ferner die Durchlässigkeit des Quarzglases im ultravioletten Spektralbereich im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 280 nm, so dass auf eine Sauerstoffglühung des Glases verzichtet werden kann. Der Anteil von Europiumoxid in der Glaskomposition liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent. Durch zusätzliches Hinzufügen von Aluminiumoxid (Al₂O₃) kann die Löslichkeit des Mischoxids Neodymaluminat (NdAlO₃) und von Europiumoxid (Eu₂O₃) erhöht werden. Der Anteil von Aluminiumoxid liegt für diesen Zweck vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent.
Die Anteile der Zusatzstoffe sind aber vorzugsweise so gewählt, dass der Anteil der Hauptkomponente Siliziumdioxid (SiO₂) in der Glaskomposition größer als 90 Gewichtsprozent ist, um eine hohe Hitzebeständigkeit des Glases und seine Eignung zur Fertigung von Lampengefäßen für thermisch hoch belastete Lampen zu gewährleisten.
III. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Als Ausgangspunkt für die Quarzglasschmelze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dienen pegmatitischer, gereinigter Quarzsand, Neodymaluminat (NdAlO₃), Ceraluminat (CeAlO₃) und Bariummetaborat (BaB₂O₄). Die vorgenannten Zusatzstoffe werden dem Quarzsand in Pulverform mit einer mittleren Korngröße (d50-Wert) von jeweils kleiner als 5 μm zugesetzt und mit dem Quarzsand vermischt, so dass eine homogene Mischung entsteht. Der Anteil von Neodymaluminat in der Mischung beträgt 1,6 Gewichtsprozent. Der Anteil von Ceraluminat in der Mischung beträgt 1,0 Gewichtsprozent und der Anteil von Bariummetaborat in der Mischung beträgt 0,8 Gewichtsprozent. Der Restanteil in der Mischung wird vom Quarzsand, das heißt von Siliziumdioxid (SiO₂) gebildet, wenn man von unvermeidbaren Verunreinigungen des Quarzsandes absieht. Die Mischung dieser Zutaten wird in einem elektrisch beheizten Schmelzofen in bekannter Weise kontinuierlich geschmolzen und zu Glasrohren gezogen. Um die Absorption des Glases im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 280 nm zu erhöhen, kann das Glas in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, beispielsweise bei 1000°C für 5 Stunden, geglüht werden.
Der Zusatzstoff Neodymaluminat (NdAlO₃) wird beispielsweise aus einer Mischung aus Neodymoxid (Nd₂O₃) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit dem Molverhältnis von 1:1,1 in reduzierender Atmosphäre unter Formiergas durch eine einstündige Glühung bei einer Temperatur von 1450°C hergestellt. Das daraus entstandene Sinterprodukt kann anschließend gemahlen und gesiebt werden, um eine mittlere Korngröße (d50-Wert) von kleiner als 4 μm zu erhalten. Dem vorgenannten Mischungsansatz für die Herstellung von Neodymaluminat (NdAlO₃) kann außerdem 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent H₃BO₃ als Flussmittel zur Verbesserung der Sinterreaktion sowie 0,01 bis 1 Gewichtsprozent pyrogenes Aluminiumoxid als Mischhilfe zugesetzt werden. Die Herstellung des Zusatzstoffes Ceraluminat ist bereits in der EP 0 598 987 A1 beschrieben. Die Verwendung von Barium-Bor-Mischoxiden, insbesondere Bariummetaborat ist in der EP 0 601 391 A1 beschrieben.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für dotiertes Quarzglas dienen als Ausgangspunkt pegmatitischer, gereinigter Quarzsand, Neodymaluminat (NdAlO₃), Ceraluminat (CeAlO₃), Bariummetaborat (BaB₂O₄), Europiumoxid (Eu₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Titandioxid (TiO₂). Die vorgenannten Zusatzstoffe werden dem Quarzsand in Pulverform mit einer mittleren Korngröße (sogenannter d50-Wert) von jeweils kleiner als 5 μm zugesetzt und mit dem Quarzsand vermischt, so dass eine homogene Mischung entsteht. Der Anteil von Neodymaluminat in der Mischung beträgt 0,5 Gewichtsprozent. Der Anteil von Ceraluminat in der Mischung beträgt 0,6 Gewichtsprozent, der Anteil von Bariummetaborat in der Mischung beträgt 0,6 Gewichtsprozent, der Anteil von Europiumoxid in der Mischung beträgt 0,1 Gewichtsprozent, der Anteil von Aluminiumoxid in der Mischung beträgt 0,15 Gewichtsprozent und der Anteil von Titandioxid in der Mischung beträgt 0,05 Gewichtsprozent. Der Restanteil in der Mischung wird vom Quarzsand, das heißt von Siliziumdioxid (SiO₂) gebildet, wenn man von unvermeidbaren Verunreinigungen des Quarzsandes absieht. Die Mischung dieser Zutaten wird in einem elektrisch beheizten Schmelzofen in bekannter Weise kontinuierlich geschmolzen und zu Glasrohren gezogen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2001/0044370 A1 [0002, 0006, 0006]
EP 0598987 A1 [0003, 0009, 0015]
EP 0601391 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung von dotiertem Quarzglas, wobei Quarzglas aus Quarzsand oder Bergkristall zusammen mit Zusatzstoffen erschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzstoff zumindest Neodymaluminat (NdAlO₃) zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Neodymaluminat in Pulverform dem Quarzsand oder Bergkristall zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die mittlere Korngröße des Neodymaluminats kleiner oder gleich 5 μm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anteil von Neodymaluminat im Bereich von 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als weiterer Zusatzstoff ein oder mehrere Stoffe aus der Gruppe von Ceraluminat (CeAlO₃), Bariummetaborat (BaB₂O₄), Europiumoxid (Eu₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Titandioxid (TiO₂) zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anteil von Ceraluminat im Bereich von 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anteil von Bariummetaborat im Bereich von 0,01 bis 2,0 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anteil von Europiumoxid im Bereich von 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anteil von Aluminiumoxid im Bereich von 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anteil von Titanoxid im Bereich von 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Anteil von Siliziumdioxid (SiO₂) größer als 90 Gewichtsprozent ist.
Quarzglas hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.