DE102012202589A1 - Use for a crucible - Google Patents
Use for a crucible Download PDFInfo
- Publication number
- DE102012202589A1 DE102012202589A1 DE201210202589 DE102012202589A DE102012202589A1 DE 102012202589 A1 DE102012202589 A1 DE 102012202589A1 DE 201210202589 DE201210202589 DE 201210202589 DE 102012202589 A DE102012202589 A DE 102012202589A DE 102012202589 A1 DE102012202589 A1 DE 102012202589A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- silicon dioxide
- elements
- ppm
- crucible
- silicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B35/002—Crucibles or containers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/037—Purification
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einsatz für einen Schmelztiegel umfassend ein Siliziumdioxid-Gefäß, wobei das Siliziumdioxid-Gefäß Siliziumdioxid-Elemente umfasst, die zusammengefügt sind, und die Siliziumdioxid-Elemente flächig mit mindestens einer Graphit-Elementschicht verbunden sind.The present invention relates to an insert for a crucible comprising a silicon dioxide vessel, wherein the silicon dioxide vessel comprises silicon dioxide elements which are joined together and the silicon dioxide elements are connected in a planar manner to at least one graphite element layer.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einsatz für einen Schmelztiegel umfassend ein Siliziumdioxid-Gefäß sowie einen Schmelztiegel umfassend mindestens einen solchen Einsatz.The present invention relates to an insert for a crucible comprising a silicon dioxide vessel and a crucible comprising at least one such insert.
Schmelztiegel für verschiedene Anwendungsgebiete sind weithin bekannt. Zur Verarbeitung von hochschmelzenden Metallen oder Halbmetallen müssen diese hohen Anforderungen genügen. Bei einer Verfestigung von Silicium nimmt das Volumen zu, so dass ein Schmelztiegel, der zur Durchführung einer gerichteten Erstarrung geeignet ist, besonderen Belastungen ausgesetzt ist.Crucibles for various applications are well known. For processing refractory metals or semi-metals, these high requirements must be satisfied. When silicon solidifies, the volume increases, so that a crucible suitable for carrying out directional solidification is subjected to particular stresses.
In Abhängigkeit von ihrer Anwendung müssen Einsätze für Schmelztiegel, wie z.B. Verbunde, insbesondere Verbundgläser, neben hohen Sicherheitsanforderungen auch besondere Stabilitätsanforderungen in Bezug auf äußere mechanische Kräfte erfüllen, die einige kPa betragen können. Insbesondere bei metallurgischen Anwendungen mit Druckbelastungen von typischerweise mindestens ca. 15 kPa (ca. 1,5 m Wassersäule oder einer Last von etwa 1,5 to/m2) oder sogar bis zum Zehnfachen dieses Wertes werden extrem hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften von Einsätzen für Schmelztiegel, wie z.B. Verbund-Sicherheitsglassysteme gestellt. Depending on their application, inserts for crucibles, such as composites, in particular laminated glass, in addition to high safety requirements, also have to meet special stability requirements with respect to external mechanical forces, which may amount to a few kPa. In particular, in metallurgical applications with pressure loads of typically at least about 15 kPa (about 1.5 m water column or a load of about 1.5 to / m 2 ) or even up to ten times this value are extremely high demands on the mechanical properties of Inserts for crucibles, such as composite safety glass systems provided.
Entsprechend bestehenden Sicherheitsvorschriften müssen Verbundgläser bei Prüfungen sogar das Vierfache der praktisch auftretenden Belastungen und damit Werten von bis zu 60 to/m2 und darüber standhalten. Eine hohe mechanische Stabilität kann bereits mit gehärteten Glasplatten erzielt werden, die durch eine thermische Behandlung (thermisch vorgespanntes/gehärtetes oder teilvorgespanntes Glas) oder andere bekannte Verfahren bereitgestellt werden.According to existing safety regulations, laminated glass has to withstand four times the practically occurring loads and thus values of up to 60 to / m 2 and above. High mechanical stability can already be achieved with tempered glass plates provided by a thermal treatment (thermally toughened / tempered or partially tempered glass) or other known methods.
Bekannt sind insbesondere Glasgefäße, sogenannte Crusibles, in denen Metallschmelzen, insbesondere Siliziumschmelzen, bei der Verarbeitung gehandhabt werden können. Diese Glasgefäße müssen allerdings in einer konstruktiv sehr aufwendigen Prozedur in geeignete Graphitschmelztiegel eingepasst werden. Diese aufwendige Prozedur ist nicht nur an sich alleine sehr kostenintensiv, sondern die bislang verwendeten Glasgefäße müssen zuvor in einem vorgeschalteten Verfahren hergestellt werden, was wiederum aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist. Glass containers, so-called crusibles, in which metal melts, in particular silicon melts, can be handled during processing, are known in particular. However, these glass vessels must be fitted in a structurally very complex procedure in suitable graphite crucible. This complex procedure is not only very expensive on its own, but the glass vessels used so far must be prepared beforehand in an upstream process, which in turn is complex and associated with high costs.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen technisch verbesserten Einsatz für einen Schmelztiegel, insbesondere für die technische Handhabung von Metallschmelzen bereitzustellen, der nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Glasgefäße behaftet ist. In view of the prior art, it is an object of the present invention to provide a technically improved use for a crucible, in particular for the technical handling of molten metal, which does not have the disadvantages of conventional glass vessels.
Insbesondere soll ein kostengünstiger und konstruktiv einfach zu erhaltender Einsatz für einen Schmelztiegel für die Handhabung von Siliziumschmelzen, insbesondere zur gerichteten Erstarrung von Silizium, bereitgestellt werden.In particular, a cost-effective and structurally easy-to-maintain use for a crucible for the handling of silicon melts, especially for the directional solidification of silicon, to be provided.
Ferner soll ein Einsatz für einen Schmelztiegel bereitgestellt werden, der als Behälter für eine Aufreinigung einer Siliziumschmelze geeignet ist.Furthermore, an insert for a crucible is to be provided, which is suitable as a container for the purification of a silicon melt.
Weiterhin sollten die verwendeten Einsatzstoffe möglichst kostengünstig herstellbar oder erhältlich sein.Furthermore, the starting materials used should be as inexpensive to produce or obtain.
Ferner soll der Einsatz für einen Schmelztiegel, sowie der Schmelztiegel umfassend einen solchen Einsatz höchste Reinheitsanforderungen des Materials erfüllen können.Furthermore, the use of a crucible, as well as the crucible comprising such a use should be able to meet the highest purity requirements of the material.
Ferner soll ein Schmelztiegel für einen solchen erfindungsgemäß einzusetzenden Einsatz bereitgestellt werden. Furthermore, a crucible is to be provided for such an insert to be used according to the invention.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Beispiele und Ansprüche.Other tasks that are not explicitly mentioned emerge from the overall context of the following description, examples and claims.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch einen Einsatz für einen Schmelztiegel mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Einsatzes für einen Schmelztiegel werden in den Unteransprüchen 2 bis 14 unter Schutz gestellt. Ferner hat Patentanspruch 15 einen Schmelztiegel umfassend mindestens einen solchen Einsatz zum Gegenstand.These and other objects which are not explicitly mentioned, but which are readily derivable or deducible from the contexts discussed hereinabove, are solved by an insert for a crucible having all the features of
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Einsatz für einen Schmelztiegel umfassend ein Siliziumdioxid-Gefäß, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass das Siliziumdioxid-Gefäß Siliziumdioxid-Elemente umfasst, die zusammengefügt sind, und die Siliziumdioxid-Elemente flächig mit mindestens einer Graphit-Elementschicht verbunden sind; sowie einen Schmelztiegel umfassend mindestens einen solchen Einsatz. The present invention accordingly relates to an insert for a crucible comprising a silicon dioxide vessel, which is characterized in that the silicon dioxide vessel comprises silicon dioxide elements which are joined together and the silicon dioxide elements are connected in a planar manner to at least one graphite element layer ; and a crucible comprising at least one such insert.
Hierdurch gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise einen Einsatz für einen Schmelztiegel der zuvor dargelegten Gattung bereitzustellen, welcher ein besonders gutes Eigenschaftsprofil aufweist, insbesondere, der nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Glasgefäße behaftet istThis makes it possible to provide in an unpredictable way an insert for a crucible of the type set forth above, which has a particularly good property profile, in particular, which is not associated with the disadvantages of conventional glass vessels
So wurde insbesondere in überraschender Weise gefunden, dass ein kostengünstiger und konstruktiv einfach zu erhaltender Einsatz für einen Schmelztiegel für die Handhabung von Siliziumschmelzen, insbesondere zur gerichteten Erstarrung von Silizium, bereitgestellt werden konnte. In particular, it has surprisingly been found that a cost-effective and structurally easy-to-use insert for a crucible for the handling of silicon melts, in particular for the directed solidification of silicon, could be provided.
Ferner hat sich dieser neuentwickelte Einsatz für einen Schmelztiegel als Behälter für eine Aufreinigung einer Siliziumschmelze als geeignet erwiesen. Furthermore, this newly developed use for a crucible as a container for a purification of a silicon melt has been found to be suitable.
Darüber hinaus können die verwendeten Einsatzstoffe sehr einfach und kostengünstig hergestellt oder erhalten werden.In addition, the starting materials used can be very easily and inexpensively manufactured or obtained.
Ferner erfüllt der Einsatz für einen Schmelztiegel, sowie der Schmelztiegel umfassend einen solchen Einsatz höchste Reinheitsanforderungen des Materials.Furthermore, the use of a crucible, as well as the crucible comprising such an insert, meets the highest purity requirements of the material.
Ferner konnte ein Schmelztiegel für einen solchen erfindungsgemäß einzusetzenden Einsatz bereitgestellt werden.Furthermore, a crucible could be provided for such an insert to be used according to the invention.
Ein erfindungsgemäß einzusetzender Einsatz für einen Schmelztiegel für eine Metallschmelze, insbesondere für eine Siliziumschmelze, ist weiterhin dazu geeignet, einen Temperaturgradienten zur gerichteten Erstarrung einer Siliziumschmelze anlegen zu können.An insert to be used according to the invention for a crucible for a molten metal, in particular for a silicon melt, is furthermore suitable for being able to apply a temperature gradient for directional solidification of a silicon melt.
Unter einzelnen Siliziumdioxid-Elementen versteht man gemäß der vorliegenden Erfindung einzelne verschiedene Bausteine aus Siliziumdioxid, die zur Herstellung eines Siliziumdioxid-Glasgefäßes geeignet sind, wobei das Glasgefäß ein Bestandteil eines Einsatzes für einen Schmelztiegel darstellt. Im Allgemeinen weisen diese Elemente eine Kachelform auf, so dass die Elemente eine im Vergleich zur Länge und Breite geringe Dicke aufweisen. Die Breite ist definiert als die Minimale Ausdehnung des Siliziumdioxid-Elementes über die Fläche, wobei jeweils eine Wölbung mit einbezogen ist. Die Länge ist hierbei definiert als die maximale Ausdehnung des Siliziumdioxid-Elementes senkrecht zur Breite. Die Dicke ist die minimale Ausdehnung senkrecht zur Ebene die von der Länge und der Breite gebildet wird.By individual silicon dioxide elements one understands according to the present invention individual different building blocks of silicon dioxide, which are suitable for the production of a silicon dioxide glass vessel, whereby the glass vessel forms a part of an insert for a crucible. In general, these elements have a tile shape, so that the elements have a small thickness compared to the length and width. The width is defined as the minimum extent of the silica element across the surface, each including a dome. The length is defined here as the maximum extent of the silicon dioxide element perpendicular to the width. The thickness is the minimum extent perpendicular to the plane formed by the length and the width.
Die Länge der Siliziumdioxid-Elemente kann vorzugsweise im Bereich von 1 bis 104 mm, bevorzugt von 10 bis 1000 mm, besonders bevorzugt von 10 bis 250 mm liegen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann ein Siliziumdioxid-Element vorzugsweise eine Breite von 1 bis 104 mm, bevorzugt von 10 bis 1000 mm, besonders bevorzugt von 10 bis 250 mm aufweisen.The length of the silicon dioxide elements may preferably be in the range from 1 to 10 4 mm, preferably from 10 to 1000 mm, particularly preferably from 10 to 250 mm. According to a particular embodiment, a silicon dioxide element may preferably have a width of 1 to 10 4 mm, preferably from 10 to 1000 mm, particularly preferably from 10 to 250 mm.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der durchschnittlichen Länge eines einzelnen Siliziumdioxid-Elementes zu der durchschnittlichen Breite eines einzelnen Siliziumdioxid-Elementes von 1 bis 100, bevorzugt von 1 bis 3, besonders bevorzugt etwa 1 beträgt. Furthermore, it may be provided that the ratio of the average length of a single silicon dioxide element to the average width of a single silicon dioxide element is from 1 to 100, preferably from 1 to 3, particularly preferably about 1.
Solche einzelnen Siliziumdioxid-Elemente können gemäß der vorliegenden Erfindung eine Fläche von 1 bis 108 mm2, bevorzugt von 102 bis 106 mm2, besonders bevorzugt von 102 bis 103 mm2 aufweisen.Such individual silicon dioxide elements according to the present invention may have an area of from 1 to 10 8 mm 2 , preferably from 10 2 to 10 6 mm 2 , more preferably from 10 2 to 10 3 mm 2 .
Die Siliziumdioxid-Elemente können in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 100 mm, bevorzugt von 1 bis 50 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 25 mm aufweisen.The silicon dioxide elements in the embodiments according to the invention may have a thickness in the range from 0.1 to 100 mm, preferably from 1 to 50 mm, particularly preferably from 2 to 25 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Verhältnis der einzelnen Fläche eines solchen Siliziumdioxid-Elementes im Verhältnis zum gesamten Volumen des Siliziumdioxid-Glasgefäßes von 10–10 bis 10–1 1/mm, bevorzugt von 10–6 bis 10–2 1/mm, besonders bevorzugt von 10–5 bis 10–3 1/mm ist.In a preferred embodiment of the invention, it may be provided that the ratio of the individual area of such a silicon dioxide element in relation to the total volume of the silica glass vessel of 10 -10 to 10 -1 1 / mm, preferably from 10 -6 to 10 -2 1 / mm, more preferably from 10 -5 to 10 -3 1 / mm.
Die Anzahl der einzelnen Siliziumdioxid-Elemente, die benötigt werden um ein erfindungsgemäßes Siliziumdioxid-Glasgefäß herzustellen, soll von 1 bis 100000, bevorzugt von 5 bis 20000, besonders bevorzugt von 10 bis 1000 sein.The number of individual silicon dioxide elements required to produce a silica glass vessel according to the invention should be from 1 to 100,000, preferably from 5 to 20,000, particularly preferably from 10 to 1000.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann sich die Größe der einzelnen Elemente insgesamt an der Zielgeometrie orientieren, die durch den approximativen Fehler angegebenen werden kann, der durch das Bauelement mindestens gegeben ist. Die gilt beispielsweise für Ausführungsformen mit runden oder ovalen Teilbereichen des Einsatzes, wobei die Bauelemente diese runden oder ovalen Formen nicht entsprechend aufweisen müssen, so dass Kreisausschnitte mit Ringspalten, Fugen oder ähnlichem erhalten werden. Hierbei kann die Größe des Bauelements höchstens so gewählt werden, dass dieser Fehler maximal 20 %, vorzugsweise maximal 10 % beträgt.According to a preferred embodiment, the size of the individual elements may be based on the overall target geometry, which may be indicated by the approximate error given by the device at least. This applies, for example, to embodiments with round or oval sections of the insert, wherein the components do not have to have these round or oval shapes correspondingly so that circular cutouts with annular gaps, joints or the like are obtained. In this case, the size of the component can be selected at most so that this error is at most 20%, preferably at most 10%.
Die Form der einzelnen Siliziumdioxid-Elemente zur Herstellung des Einsatzes kann identisch oder verschieden sein, wobei jedoch ein geschlossenes Gefäß erhalten werden muss. Fugen können hierbei durch eine Fugenmasse, beispielsweise einen Keramikkleber geschlossen werden. Beispielsweise können die Siliziumdioxid-Elemente jede beliebige Form eines Vielecks aufweisen, wobei das Vieleck zumindest drei Ecken, bevorzugt zumindest vier Ecken aufweisen soll. Die Ecken können hierbei spitz sein oder abgerundet, wobei eine spitze Form bevorzugt ist, falls zur Herstellung des Gefäßes Siliziumdioxid-Elemente mit einer identischen Form eingesetzt werden. The shape of the individual silicon dioxide elements for the preparation of the insert may be identical or different, but a closed vessel must be obtained. Joints can be closed by a grout, such as a ceramic adhesive. For example, the silicon dioxide elements may have any shape of a polygon, the polygon should have at least three corners, preferably at least four corners. The corners may be pointed or rounded here, with a pointed shape being preferred if silicon dioxide elements having an identical shape are used to produce the vessel.
Ferner können die einzelnen Siliziumdioxid-Elemente eine Form aufweisen, die sowohl Ecken als auch runde Formelemente aufweist, bevorzugt zumindest zwei Ecken und zumindest ein rundes Formelement, besonders bevorzugt zumindest drei Ecken und zumindest zwei runde Formelemente. Furthermore, the individual silicon dioxide elements may have a shape which has both corners and round shaped elements, preferably at least two corners and at least one round shaped element, more preferably at least three corners and at least two round shaped elements.
Zur Bildung eines großflächigen Einsatzes für einen Schmelztiegel der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, eine Vielzahl erfindungsgemäßer Siliziumdioxid-Elemente zu einem Siliziumdioxid-Gefäß zusammen zu fügen. Dies kann beispielsweise über einen stumpfen oder schrägen Stoß erfolgen. Weiterhin können die Siliziumdioxid-Elemente vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass die Siliziumdioxid-Elemente besonders einfach und sicher zusammengefügt werden können, wobei die Art der Fügung an sich unkritisch ist. So können die Siliziumdioxid-Elemente mit einem Verbindungssystem versehen sein. In order to form a large-scale use for a crucible of the present invention, it is necessary to add a plurality of silica elements of the present invention to a silica vessel. This can be done for example via a blunt or oblique shock. Furthermore, the silicon dioxide elements may preferably be designed so that the silicon dioxide elements can be assembled in a particularly simple and secure manner, the nature of the joining per se being uncritical. Thus, the silicon dioxide elements may be provided with a connection system.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Einsatzes für einen Schmelztiegel kann es vorgesehen sein, dass die Siliziumdioxid-Elemente über ein Nut-Feder-System ineinander gefügt sind.In a preferred embodiment of the insert for a crucible, it may be provided that the silicon dioxide elements are joined together via a tongue and groove system.
Weiterhin können die Siliziumdioxid-Elemente an den Kanten eine Form aufweisen, die eine überlappende Verbindung oder eine Spundung ermöglichen. Ferner können Noppen und Aussparungen gebildet werden, die eine Klemmverbindung ermöglichen. Zur Steigerung der Verbindungsqualität können die Siliziumdioxid-Elemente durch Kleben miteinander verbunden werden. Furthermore, the silicon dioxide elements may have a shape at the edges which allow for an overlapping connection or bung. Furthermore, nubs and recesses can be formed, which allow a clamping connection. To increase the quality of the connection, the silicon dioxide elements can be bonded together by gluing.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Siliziumdioxid-Elemente eine Reinheit von bevorzugt mindestens 90% aufweisen, wobei die Siliziumdioxid-Elemente besonders bevorzugt aus einem hochreinen Material hergestellt sind.Furthermore, it can be provided that the silicon dioxide elements have a purity of preferably at least 90%, wherein the silicon dioxide elements are particularly preferably made of a high-purity material.
Als hochreines Material wird ein Material angesehen, dessen metallische Gesamtverunreinigungen unter 10.000 ppm, bevorzugt unter 1000 ppm liegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betragen die Verunreinigungen mit Aluminium und Bor weniger als 20 ppm, mit Kalzium weniger gleich 5 ppm, mit Eisen weniger gleich 150 ppm, mit Magnesium, Mangan, Chrom und Nickel weniger gleich 25 ppm, mit Phosphor weniger gleich 10 ppm, mit Titan weniger gleich 5 ppm, mit Zink weniger gleich 3 ppm und die Summe von Verunreinigungen mit Natriumsilikat weniger gleich 5 ppm.As a high-purity material is considered a material whose total metallic impurities are below 10,000 ppm, preferably below 1000 ppm. In a particularly preferred embodiment, the aluminum and boron contaminants are less than 20 ppm, less than or equal to 5 ppm calcium, less than or equal to 150 ppm iron, less than or equal to 25 ppm magnesium, manganese, and less chromium and less than 10 ppm phosphorus , with titanium less than 5 ppm, with zinc less than or equal to 3 ppm and the sum of impurities with sodium silicate less than 5 ppm.
Bevorzugt können die einzelnen Siliziumdioxid-Elemente aus jedem hochreinen Siliciumdioxid erhalten werden, wobei diese durch Gießen erhalten werden können.Preferably, the individual silicon dioxide elements can be obtained from any high purity silica, which can be obtained by casting.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es weiterhin vorgesehen sein, die einzelnen Siliziumdioxid-Elemente, die zusammengefügt das Siliziumdioxid-Gefäß des Einsatzes des Schmelztiegels bilden, aus einer wasserhaltigen SiO2-Masse bereitzustellen. In a preferred embodiment of the invention, it may further be provided form the individual silicon elements that together the silica vessel of the use of the crucible to provide 2 mass of a water-containing SiO.
Das hierfür notwendige Verfahren zur Herstellung von SiO2-Elementen umfasst Herstellen einer wasserhaltigen SiO2-Masse, Verfestigen der wasserhaltigen SiO2-Masse und Trocknen der verfestigten SiO2-Masse, wobei die wasserhaltige SiO2-Masse selbstorganisierend ist.The process necessary for the production of SiO 2 elements comprises preparing a water-containing SiO 2 mass, solidifying the water-containing SiO 2 mass and drying the solidified SiO 2 mass, the water-containing SiO 2 mass being self-organizing.
Der Begriff „SiO2-Masse“ bezeichnet eine Zusammensetzung, die SiO2 mit unterschiedlichen Anteilen an freiem und/oder gebundenem Wasser umfasst, wobei der Kondensationsgrad des Siliziumdioxids für diese Zusammensetzung nicht per se Wesentlich ist. Demgemäß umfasst der Begriff „SiO2-Masse“ auch Verbindungen mit SiOH-Gruppen, die üblich auch als Polykieselsäuren bezeichnet werden können. The term "SiO 2 mass" refers to a composition comprising SiO 2 with different proportions of free and / or bound water, wherein the degree of condensation of the silica for this composition is not intrinsically essential. Accordingly, the term "SiO 2 mass" also includes compounds having SiOH groups, which may also be commonly referred to as polysilicic acids.
Der Begriff „selbstorganisierend“ zeigt an, dass eine für das vorliegende Siliziumdioxid-Gefäß geeignete wasserhaltige SiO2-Masse von einem verfestigten in einen fließfähigen Zustand reversibel überführt werden kann. Hierbei findet vorzugsweise keine bleibende Phasenseparation in größerem Umfang statt, so dass das Wasser bei einer makroskopischen Betrachtung im Wesentlichen gleichmäßig in der SiO2-Phase verteilt ist. Allerdings sei in diesem Zusammenhang festgehalten, dass bei einer mikroskopischen Ansicht selbstverständlich zwei Phasen vorliegen. Ein fließfähiger Zustand bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die wasserhaltige SiO2-Masse eine Viskosität von vorzugsweise höchstens 30 Pas, bevorzugt höchstens 20 Pas und besonders bevorzugt höchstens 7 Pas aufweist, gemessen unmittelbar nach Massenerzeugung (ca. 2 Minuten nach Probenahme), mit einem Rotationsrheometer bei ca. 23°C, das mit einer Scherrate zwischen 1 und 200 [1/s] betrieben wird. Bei einer Scherrate von 10 [1/s] erfolgt der Eintrag über einen Zeitraum von ca. 3 Minuten. Die Viskosität beträgt dann rund 5 Pas, bestimmt mit einen Viskositätsmeßgerät Rheostress der Firma Thermo Haake unter Verwendung des Flügeldrehkörpers 22 (Durchmesser 22 mm, 5 Flügel) mit einem Messbereich von 1 bis 2,2 106 Pas. Bei einer Scherrate von 1 [1/s] und ansonsten gleichen Einstellung wird eine Viskosität von 25 Pas gemessen. The term "self-organizing" indicates that a water-containing SiO 2 composition suitable for the present silicon dioxide vessel can be reversibly converted from a solidified to a flowable state. In this case, no permanent phase separation preferably takes place to a greater extent, so that the water is distributed substantially uniformly in the SiO 2 phase on a macroscopic examination. However, it should be noted in this context that in a microscopic view, of course, there are two phases. A flowable state in the context of the present invention means that the water-containing SiO 2 mass has a viscosity of preferably at most 30 Pas, preferably at most 20 Pas and particularly preferably at most 7 Pas, measured immediately after mass production (about 2 minutes after sampling), with a rotation rheometer at about 23 ° C, which is operated at a shear rate between 1 and 200 [1 / s]. At a shear rate of 10 [1 / s], the entry is made over a period of approx. 3 minutes. The viscosity is then about 5 Pas, determined with a Rheostress viscometer from Thermo Haake using the vane rotor 22 (diameter 22 mm, 5 blades) with a measuring range of 1 to 2.2 10 6 Pas. At a shear rate of 1 [1 / s] and otherwise the same setting, a viscosity of 25 Pas is measured.
Einen verfestigten Zustand weist die wasserhaltige SiO2-Masse bei einer Anlaufviskosität von vorzugsweise mindestens 30 Pas, besonders bevorzugt mindestens 100 Pas auf. Dieser Wert wird bestimmt, indem der Viskositätswert des Rheometers 1 Sekunde nach Anlaufen des Flügeldrehkörpers des Rotationsrheometers bei ca. 23°C und einer Scherrate von 10 [1/s] verwendet wird. A solidified state, the water-containing SiO 2 composition at a starting viscosity of preferably at least 30 Pas, more preferably at least 100 Pas. This value is determined by using the viscosity value of the
Vorzugsweise kann eine verfestigte, wasserhaltige SiO2-Masse zur Formgebung durch Einwirkung von Scherkräften wieder verflüssigt werden. Hierzu können übliche, dem Fachmann geläufige Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Mischer, Rührorgane oder Mühlen mit geeigneter Werkzeug-Geometrie zum Eintrag von Scherkräften. Zu den bevorzugten Vorrichtungen zählen unter anderem Intensivmischer (Eirich), kontinuierliche Mischer oder Ringschichtmischer, bspw. von der Firma Lödige; Rührbehälter mit Mischorganen, die vorzugsweise ein Schrägblatt oder eine Zahnscheibe aufweisen; aber auch Mühlen, insbesondere Kolloidmühlen oder andere Rotor-Stator-Systeme, die Ringspalte unterschiedlicher Weite und unterschiedlicher Drehzahl nutzen. Ferner sind ultraschallbasierte Apparate und Werkzeuge, insbesondere Sonotroden und bevorzugt Ultraschallquellen geeignet, die über einen gewölbten Erreger verfügen, wodurch besonders einfach und definiert Scherkräfte in die SiO2-Wasser-Masse eingebracht werden können, was zu deren Verflüssigung führt. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass hier kein besonderer Abrieb von einem Werkzeug erfolgt. Diese Ultraschallanordnung wird bevorzugt im nichtlinearen Bereich betrieben. Die zur Verflüssigung der wasserhaltigen SiO2-Masse eingesetzte Apparatur ist im Allgemeinen von der zur Verflüssigung erforderlichen Scherkraft abhängig. Vorteile können unter anderem durch einen Apparat erzielt werden, dessen Schergeschwindigkeit (angegeben als Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeugs) im Bereich von 0,01 bis 50 m/s, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 20 m/s und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 m/s liegt. Diese können im Fall der Ultraschallverflüssigung durchaus Bereiche der Schallgeschwindigkeit erreichen. Die Zeit über die geschert wird, abhängig von der Schergeschwindigkeit in einem kontinuierlichen Prozess, kann vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 90 min, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 30 min liegen. Preferably, a solidified, water-containing SiO 2 composition for shaping by the action of shear forces can be re-liquefied. For this purpose, customary, familiar to those skilled methods and devices can be used, such as mixers, stirrers or mills with suitable tool geometry for the entry of shear forces. Among the preferred devices include intensive mixer (Eirich), continuous mixers or ring layer mixers, for example. From the company Lödige; Stirring container with mixing elements, which preferably have a sloping blade or a toothed disc; but also mills, in particular colloid mills or other rotor-stator systems that use annular gaps of different widths and different speeds. Furthermore, ultrasound-based apparatuses and tools, in particular sonotrodes and preferably ultrasound sources are suitable, which have a curved pathogen, whereby shear forces can be introduced into the SiO 2 water mass in a particularly simple and defined way, which leads to their liquefaction. It is particularly advantageous that no particular abrasion of a tool takes place here. This ultrasonic arrangement is preferably operated in the non-linear range. The apparatus used for liquefying the water-containing SiO 2 mass is generally dependent on the shearing force required for liquefaction. Advantages can be achieved inter alia by an apparatus whose shear rate (indicated as the peripheral speed of the tool) in the range of 0.01 to 50 m / s, in particular in the range of 0.1 to 20 m / s and particularly preferably in the range of 1 to 10 m / s. In the case of ultrasonic liquefaction, these can certainly reach ranges of the speed of sound. The time that is sheared, depending on the shear rate in a continuous process, may preferably be in the range of 0.01 to 90 minutes, more preferably in the range of 0.1 to 30 minutes.
Zur Verfestigung der wasserhaltigen SiO2-Masse kann dieselbe vorzugsweise mindestens 0,1 Minuten, bevorzugt mindestens 2 Minuten, insbesondere 20 Minuten und besonders bevorzugt mindestens 1 Stunde stehen gelassen werden. Der Begriff „stehenlassen“ bedeutet in diesem Zusammenhang vorzugsweise, dass die Masse bzw. die Zusammensetzung keinen Scherkräften ausgesetzt wird. Weiterhin kann eine Verfestigung bspw. durch Energieeintrag, vorzugsweise Erwärmung oder Additivzugabe erfolgen oder beschleunigt werden. Additive können hierbei alle dem Fachmann geläufige Vernetzer sein, wie zum Beispiel Silane, insbesondere funktionelle Silane und hier ohne die Erfindung einzuschränken beispielsweise TEOS (Si(OC2H5)4; Tetraethoxysilan), das vorteilhaft in höchster Reinheit preiswert verfügbar ist. Additive können ferne Stoffe sein, die eine Steigerung des pH-Wertes bewirken, beispielsweise auf Werte, die bevorzugt im Bereich von 2,5 bis 6,5 besonders bevorzug von 2,5 bis 4 liegen, wie bspw. alkalische Verbindungen wobei bevorzugt Ammoniakwasser eingesetzt werden kann, das vorzugsweise nach dem Formgießen zugesetzt wird.For solidification of the water-containing SiO 2 material, the same may preferably be allowed to stand for at least 0.1 minutes, preferably at least 2 minutes, in particular 20 minutes and more preferably at least 1 hour. The term "let stand" in this context preferably means that the mass or the composition is not subjected to shear forces. Furthermore, solidification can be carried out or accelerated, for example, by introduction of energy, preferably heating or additive addition. Additives may in this case be all crosslinkers known to the person skilled in the art, for example silanes, in particular functional silanes and here without limiting the invention, for example TEOS (Si (OC 2 H 5 ) 4 ; tetraethoxysilane), which is advantageously available inexpensively in the highest purity. Additives can be far-reaching substances which bring about an increase in the pH, for example to values which are preferably in the range from 2.5 to 6.5, particularly preferably from 2.5 to 4, for example alkaline compounds, ammonia water being used with preference may be added, which is preferably added after molding.
Eine bevorzugte verfestigte, wasserhaltige SiO2-Masse kann einen Wassergehalt im Bereich von 2 bis 98 Gew.-%, insbesondere 20 bis 85 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 75 Gew.-% und besonders bevorzugt 40 bis 65 Gew.-% aufweisen. Der Wassergehalt einer fließfähigen SiO2-Masse kann in den gleichen Bereichen liegen. A preferred solidified, water-containing SiO 2 material may have a water content in the range of 2 to 98% by weight, in particular 20 to 85% by weight, preferably 30 to 75% by weight and particularly preferably 40 to 65% by weight. exhibit. The water content of a flowable SiO 2 mass can be in the same ranges.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann eine SiO2-Masse mit einem geringeren Wassergehalt mit einer SiO2-Masse gemischt werden, die einen höheren Wassergehalt aufweist, um den zuvor dargelegten Wassergehalt zu erzielen. Die hierzu eingesetzten SiO2-Massen müssen nicht zwingend selbstorganisierend sein, können diese Eigenschaft einzeln jedoch aufweisen. According to a particular embodiment, a SiO 2 composition having a lower water content can be mixed with an SiO 2 composition which has a higher water content in order to achieve the previously stated water content. The SiO 2 compositions used for this purpose do not necessarily have to be self-organizing, but may have this property individually.
Weiterhin zeichnet sich eine verfestigte, wasserhaltige SiO2-Masse vorzugsweise durch einen ein pH-Wert von kleiner 5,0, bevorzugt kleiner 4,0, insbesondere kleiner 3,5, vorzugsweise kleiner 3,0, besonders bevorzugt kleiner 2,5 aus.Furthermore, a solidified, water-containing SiO 2 mass is preferably characterized by a pH of less than 5.0, preferably less than 4.0, in particular less than 3.5, preferably less than 3.0, particularly preferably less than 2.5.
Vorteile lassen sich insbesondere durch eine verfestigte, wasserhaltige SiO2-Masse mit einem pH-Wert von größer 0, vorzugsweise größer 0,5 und besonders bevorzugt größer 1,0 erzielen. Der pH-Wert der verfestigten, wasserhaltigen SiO2-Masse kann durch Verflüssigen derselben anhand der so erhaltenen fließfähigen SiO2-Masse bestimmt werden. Hierbei können übliche Messverfahren eingesetzt werden, wie zum Beispiel jene die zur Bestimmung der H+-Ionenkonzentration geeignet sind.Advantages can be achieved in particular by a solidified, water-containing SiO 2 composition having a pH of greater than 0, preferably greater than 0.5 and particularly preferably greater than 1.0. The pH of the solidified, water-containing SiO 2 mass can be determined by liquefying it on the basis of the flowable SiO 2 mass obtained in this way. In this case, customary measuring methods can be used, such as those which are suitable for determining the H + ion concentration.
Die SiO2-Massen können bspw. in Form gegossen werden, indem Formen mit einer beliebig geeignete Geometrie in einer Variante bevorzugt bestehend aus textilähnlichen Geweben oder Netzen, die aus hochtemperaturfesten, reinen Kunststoffen (Silikon, PTFE, POM, PEEK), Keramik (SiC, Si3N4), Kohlenstofffasern, Graphit in all seinen Darstellungsformen, Metallfaseren mit geeigneter hochreiner Beschichtung und/oder Quarzglas und/oder im Verbund mit Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern bestehen und/oder hergestellt werden. Die Formen sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform segmentiert, was eine besonders einfache Entformung erlaubt.The SiO 2 masses can, for example, be cast in the form of molds with any suitable geometry in a variant preferably consisting of textile-like fabrics or nets consisting of high-temperature resistant, pure plastics (silicone, PTFE, POM, PEEK), ceramic (SiC , Si 3 N 4 ), carbon fibers, graphite in all its forms of representation, metal fibers with suitable high-purity coating and / or quartz glass and / or in combination with glass fibers and / or carbon fibers exist and / or produced. The molds are segmented in a particularly preferred embodiment, which allows a particularly simple demoulding.
Die hohe Permeabilität von Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser durch das Gewebe verbessert das Trockungsverhalten des Fromkörpers erheblich. Das textile Verhalten der Form hat ferner überraschend die Eigenschaften, dass ein spannungsfreies Schrumpfen des gegossenen Formkörpers während des Trocknungsprozesses möglich wird, was eine besonders einfache Entformung ohne Bruch erlaubt.The high permeability of water vapor and / or liquid water through the fabric significantly improves the drying behavior of the Fromkörpers. The textile behavior of the mold has, surprisingly, the properties that a tension-free shrinkage of the molded body is possible during the drying process, which allows a particularly simple demolding without breakage.
Die selbstorganisierenden SiO2-Massen, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet sind, können gemäß einem bevorzugten Aspekt eine sehr hohe Reinheit aufweisen. Ein bevorzugtes reines Siliziumdioxid, kennzeichnet sich dadurch, dass es einen Gehalt, gemessen mittels ICP-MS und dem Fachmann bekannter Probenaufbereitung an:
- a. Aluminium kleiner gleich 100 ppm oder bevorzugt zwischen 10 ppm und 0,0001 ppm;
- b. Bor kleiner 10 ppm bis 0,0001 ppm;
- c.
Calcium kleiner 6 ppm, bevorzugt zwischen 2 ppm und 0,0001 ppm; - d. Eisen kleiner gleich 50 ppm, bevorzugt zwischen 10 ppm und 0,0001 ppm;
- e. Nickel kleiner gleich 10 ppm, bevorzugt zwischen 5 ppm und 0,0001 ppm;
- f.
Phosphor kleiner 10 ppm bis 0,0001 ppm; - g. Titan kleiner gleich 10 ppm, bevorzugt kleiner gleich 1 ppm bis 0,0001 ppm;
- h.
Zink kleiner gleich 6 ppm, bevorzugt kleiner gleich 1 ppm bis 0,0001 ppm; - i. Zinn kleiner gleich 20 ppm, bevorzugt kleiner gleich 3 ppm bis 0,0001 ppm
- a. Aluminum less than or equal to 100 ppm, or preferably between 10 ppm and 0.0001 ppm;
- b. Boron less than 10 ppm to 0.0001 ppm;
- c. Calcium less than 6 ppm, preferably between 2 ppm and 0.0001 ppm;
- d. Iron less than or equal to 50 ppm, preferably between 10 ppm and 0.0001 ppm;
- e. Nickel less than or equal to 10 ppm, preferably between 5 ppm and 0.0001 ppm;
- f. Phosphorus less than 10 ppm to 0.0001 ppm;
- G. Titanium less than or equal to 10 ppm, preferably less than or equal to 1 ppm to 0.0001 ppm;
- H. Zinc less than or equal to 6 ppm, preferably less than or equal to 1 ppm to 0.0001 ppm;
- i. Tin less than or equal to 20 ppm, preferably less than or equal to 3 ppm to 0.0001 ppm
Ein bevorzugtes hochreines Siliziumdioxid, kennzeichnet sich dadurch, dass die Summe der o. g. Verunreinigungen (a–i) kleiner 1000 ppm, bevorzugt kleiner 100 ppm, besonders bevorzugt kleiner 10 ppm, ganz besonders bevorzugt kleiner 5 ppm, speziell bevorzugt zwischen 0,5 bis 4,9 ppm und ganz speziell bevorzugt zwischen 0,9 bis 3,9 ppm, beträgt, wobei für jedes Element, insbesondere die Metallelemente eine Reinheit im Bereich der Nachweisgrenze angestrebt werden kann. Die Angaben in ppm, beziehen sich auf das Gewicht.A preferred high-purity silicon dioxide is characterized in that the sum of the o. G. Impurities (a-i) less than 1000 ppm, preferably less than 100 ppm, more preferably less than 10 ppm, very preferably less than 5 ppm, especially preferably between 0.5 and 4.9 ppm and very particularly preferably between 0.9 and 3, 9 ppm, wherein for each element, in particular the metal elements, a purity in the range of the detection limit can be sought. The data in ppm, refer to the weight.
Die Bestimmung von Verunreinigungen wird mittels ICP-MS/OES (Induktionskopplungsspektrometrie – Massenspektrometrie/optische Elektronenspektrometrie) sowie AAS (Atomabsorptionsspektroskopie) durchgeführt.The determination of impurities is carried out by ICP-MS / OES (Induction Coupling Spectrometry - Mass Spectrometry / Optical Electron Spectrometry) and AAS (Atomic Absorption Spectroscopy).
Eine erfindungsgemäß einsetzbare wasserhaltige SiO2-Masse kann beispielsweise aus einer silikathaltigen Lösung, beispielsweise einem Wasserglas durch eine Fällungsreaktion erhalten werden.A water-containing SiO 2 composition which can be used according to the invention can be obtained, for example, from a solution containing silicate, for example a water glass, by a precipitation reaction.
Eine bevorzugte Fällung eines in wässriger Phase gelösten Siliziumoxids, insbesondere vollständig gelöstem Siliziumoxids, wird vorzugsweise mit einem Säuerungsmittel durchgeführt. Nach Reaktion des in wässriger Phase gelösten Siliziumoxids mit dem Säuerungsmittel, wobei das in wässriger Phase gelöste Siliziumoxid vorzugsweise in das Säuerungsmittel zugegeben wird, wird eine Fällsuspension erhalten. A preferred precipitation of a silicon oxide dissolved in the aqueous phase, in particular completely dissolved silicon oxide, is preferably carried out with an acidulant. Upon reaction of the silica dissolved in the aqueous phase with the acidulant, wherein the silica dissolved in the aqueous phase is preferably added to the acidulant, a precipitation suspension is obtained.
Ein wichtiges Verfahrensmerkmal ist dabei die Kontrolle des pH-Werts des Siliziumdioxids sowie der Reaktionsmedien in denen sich das Siliziumdioxid während der verschiedenen Verfahrensschritte der Siliziumdioxidherstellung befindet.An important feature of the process is the control of the pH of the silica and of the reaction media in which the silicon dioxide is present during the various process steps of the silica production.
Gemäß diesem bevorzugten Aspekt muss die Vorlage und die Fällsuspension in die das in wässriger Phase gelöste Siliziumoxid, insbesondere das Wasserglas, zugegeben, bevorzugt zugetropft wird, immer sauer reagieren. Als sauer wird ein pH-Wert unterhalb 6,5, insbesondere unter 5,0, bevorzugt unter 3,5, besonders bevorzugt unter 2,5, und erfindungsgemäß unter 2,0 bis unter 0,5 verstanden. Eine Kontrolle des pH-Werts in der Hinsicht, dass der pH-Wert nicht zu sehr schwankt, um reproduzierbare Fällsuspensionen zu erhalten, kann angestrebt werden. Wird ein konstanter bzw. weitgehend konstanter pH-Wert angestrebt, so sollte der pH-Wert nur eine Schwankungsbreite von plus/minus 1,0 insbesondere von plus/minus 0,5, bevorzugt von plus/minus 0,2 zeigen.According to this preferred aspect, the initial charge and the precipitation suspension in which the silicon oxide dissolved in the aqueous phase, in particular the water glass, is added, preferably added dropwise, must always react more acidically. Acid is understood as meaning a pH below 6.5, in particular below 5.0, preferably below 3.5, more preferably below 2.5, and according to the invention below 2.0 to below 0.5. A pH control in the sense that the pH does not vary too much to obtain reproducible precipitate suspensions may be sought. If a constant or largely constant pH value is desired, the pH value should only show a fluctuation range of plus / minus 1.0, in particular of plus / minus 0.5, preferably of plus / minus 0.2.
In einer speziell bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der pH-Wert der Vorlage und der Fällsuspension immer kleiner 2, bevorzugt kleiner 1, besonders bevorzugt kleiner 0,5 gehalten. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Säure immer im deutlichen Überschuss zur Alkalisilikatlösung vorhanden ist, um einen pH Wert kleiner 2 der Fällsuspension jederzeit zu ermöglichen.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the pH of the original and the precipitation suspension is always kept smaller than 2, preferably smaller than 1, particularly preferably smaller than 0.5. Furthermore, it is preferred if the acid is always present in significant excess to the alkali metal silicate solution to allow a pH less than 2 of the precipitation suspension at any time.
Besonders bevorzugt ist ein Fällungsverfahren zur Herstellung von gereinigtem Siliziumoxid, insbesondere hochreinem Siliziumdioxid, umfassend die nachfolgenden Schritte
- a. Herstellen einer Vorlage aus einem Säuerungsmittel mit einem pH-
Wert von kleiner 2, 1,5, besonders bevorzugt kleiner 1, ganz besonders bevorzugt kleiner 0,5;bevorzugt kleiner - b. Bereitstellen einer Silikatlösung, wobei insbesondere die Viskosität zur Herstellung des durch Fällung gereinigten Siliziumoxids vorteilhaft in bestimmten Viskositätsbereichen eingestellt werden kann, bevorzugt ist insbesondere eine Viskosität von 0,001 bis 1000 Pas, wobei je nach Verfahrensführung sich dieser Viskositätsbereich – wie nachstehend dargelegt – bedingt durch weitere Verfahrensparameter weiter auffächern kann;
- c. Zugabe der Silikatlösung aus Schritt b. in die Vorlage aus Schritt a. derart, dass der pH-Wert der erhaltenen Fällsuspension jederzeit auf einem Wert kleiner 2,
1,5, besonders bevorzugt kleiner 1 und ganz besonders bevorzugt kleiner 0,5 bleibt; undbevorzugt kleiner - d. Abtrennen und Waschen des erhaltenen Siliziumdioxids, wobei das Waschmedium einen pH-
Wert kleiner 2, 1,5, besonders bevorzugt kleiner 1 und ganz besonders bevorzugt kleiner 0,5 aufweist.bevorzugt kleiner
- a. Producing a template from an acidifier having a pH of less than 2, preferably less than 1.5, more preferably less than 1, most preferably less than 0.5;
- b. Providing a silicate solution, wherein in particular the viscosity for producing the precipitated silica can be advantageously adjusted in certain viscosity ranges, preferably a viscosity of 0.001 to 1000 Pas is preferred, depending on the process, this viscosity range - as set out below - due to further process parameters can fan out further;
- c. Add the silicate solution from step b. into the template from step a. such that the pH of the precipitation suspension obtained at any time to a value less than 2, preferably less than 1.5, more preferably less than 1 and most preferably less than 0.5; and
- d. Separating and washing the resulting silicon dioxide, wherein the washing medium has a pH of less than 2, preferably less than 1.5, more preferably less than 1 and most preferably less than 0.5.
Je nach pH-Wert des eingesetzten Waschmediums kann die SiO2-Masse mit Wasser auf einen höheren pH-Wert gewaschen werden. Hierbei kann die SiO2-Masse auch auf pH-Werte oberhalb der zuvor dargelegten Werte gewaschen und anschließend durch Zugabe von Säure erniedrigt werden. Vorzugsweise kann demgemäß das erhaltene Siliziumdioxid mit Wasser gewaschen werden, wobei der pH-Wert der erhaltenen SiO2-Masse vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 0 bis 7,5 und/oder die Leitfähigkeit der Waschsuspension auf einen Wert kleiner gleich 100 µS/cm, vorzugsweise kleiner gleich 10 µS/cm und bevorzugt kleiner gleich 5 µS/cm verringert wird.Depending on the pH of the washing medium used, the SiO 2 mass can be washed with water to a higher pH. In this case, the SiO 2 mass can also be washed to pH values above the values set out above and then lowered by the addition of acid. Preferably, therefore, the resulting silica can be washed with water, wherein the pH of the SiO 2 mass obtained preferably to a value in the range of 0 to 7.5 and / or the conductivity of the washing suspension to a value equal to or less than 100 μS / cm , preferably less than or equal to 10 μS / cm, and preferably less than or equal to 5 μS / cm is reduced.
Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Variante dieses Verfahrens ist ein Fällungsverfahren zur Herstellung von gereinigtem Siliziumoxid, insbesondere hochreinem Siliziumdioxid bevorzugt, welches mit Silikatlösungen niedriger bis mittlerer Viskosität durchgeführt wird, so dass Schritt b. wie folgt abgeändert werden kann:
- b. Bereitstellen einer Silikatlösung mit einer Viskosität von 0,001
bis 0,2 Pas
- b. Providing a silicate solution with a viscosity of 0.001 to 0.2 Pas
Gemäß einer zweiten besonders bevorzugten Variante dieses Verfahrens kann ein Fällungsverfahren zur Herstellung von gereinigtem Siliziumoxid, insbesondere hochreinem Siliziumdioxid bevorzugt sein, welches mit Silikatlösungen hoher bzw. sehr hoher Viskosität durchgeführt wird, so dass Schritt b. wie folgt abgeändert werden kann:
- b. Bereitstellen einer Silikatlösung mit einer
Viskosität von 0,2 bis 10000 Pas
- b. Providing a silicate solution with a viscosity of 0.2 to 10,000 Pas
In den verschiedenen Varianten des zuvor dargelegten Verfahrens wird in Schritt a. im Fällbehälter eine Vorlage aus einem Säuerungsmittel oder einem Säuerungsmittel und Wasser hergestellt. Bei dem Wasser handelt es sich vorzugsweise um destilliertes oder VE-Wasser (Vollentsalztes Wasser). In the various variants of the method set out above, in step a. in the precipitation container a template made of an acidifier or an acidifier and water. The water is preferably distilled or demineralised water (demineralized water).
In allen Varianten des vorliegenden Verfahrens, nicht nur in den oben im Detail beschriebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen, können als Säuerungsmittel organische oder anorganische Säuren, bevorzugt Mineralsäuren, besonders bevorzugt Salzsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Chlorsulfonsäure, Sulfurylchlorid, Perchlorsäure, Ameisensäure und/oder Essigsäure in konzentrierter oder verdünnter Form oder Gemische der vorgenannten Säuren verwendet werden. Besonders bevorzugt sind die zuvor genannten anorganischen Säuren. Ganz besonders bevorzugt werden Salzsäure, bevorzugt 2 bis 14 N, besonders bevorzugt 2 bis 12 N, ganz besonders bevorzugt 2 bis 10 N, speziell bevorzugt 2 bis 7 N und ganz speziell bevorzugt 3 bis 6 N, Phosphorsäure, bevorzugt 2 bis 59 N, besonders bevorzugt 2 bis 50 N, ganz besonders bevorzugt 3 bis 40 N, speziell bevorzugt 3 bis 30 N und ganz speziell bevorzugt 4 bis 20 N, Salpetersäure, bevorzugt 1 bis 24 N, besonders bevorzugt 1 bis 20 N, ganz besonders bevorzugt 1 bis 15 N, speziell bevorzugt 2 bis 10 N, Schwefelsäure, bevorzugt 1 bis 37 N, besonders bevorzugt 1 bis 30 N, ganz besonders bevorzugt 2 bis 20 N, speziell bevorzugt 2 bis 10 N, verwendet. Ganz besonders bevorzugt wird konzentrierte Schwefelsäure verwendet. In all variants of the present process, not only in the particularly preferred embodiments described above in detail, as acidulants organic or inorganic acids, preferably mineral acids, more preferably hydrochloric acid, phosphoric acid, nitric acid, sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuryl chloride, perchloric acid, formic acid and / or Acetic acid can be used in concentrated or diluted form or mixtures of the aforementioned acids. Particularly preferred are the aforementioned inorganic acids. Very particular preference is given to hydrochloric acid, preferably 2 to 14 N, more preferably 2 to 12 N, very particularly preferably 2 to 10 N, especially preferably 2 to 7 N and very particularly preferably 3 to 6 N, phosphoric acid, preferably 2 to 59 N, particularly preferably from 2 to 50 N, very particularly preferably from 3 to 40 N, especially preferably from 3 to 30 N and very particularly preferably from 4 to 20 N, nitric acid, preferably from 1 to 24 N, particularly preferably from 1 to 20 N, very particularly preferably from 1 to 15 N, more preferably 2 to 10 N, sulfuric acid, preferably 1 to 37 N, more preferably 1 to 30 N, most preferably 2 to 20 N, especially preferably 2 to 10 N used. Most preferably, concentrated sulfuric acid is used.
Die Säuerungsmittel können in einer Reinheit, welche üblicherweise als „technischer Grad“ bezeichnet wird, verwendet werden. Dem Fachmann ist klar, dass durch die verwendeten verdünnten oder unverdünnten Säuerungsmittel oder Gemische an Säuerungsmitteln möglichst keine Verunreinigungen in das Verfahren eingeschleppt werden sollten, die nicht in der wässrigen Phase der Fällsuspension gelöst bleiben. In jedem Fall sollten die Säuerungsmittel keine Verunreinigungen aufweisen, die mit dem Siliziumoxid bei der sauren Fällung ausfallen würden, es sei denn, sie könnten mittels zugesetzter Komplexbildner oder durch pH-Kontrolle in der Fällsuspension gehalten oder mit den späteren Waschmedien herausgewaschen werden. The acidulants may be used in a purity commonly referred to as a "technical grade". It is clear to the person skilled in the art that as a result of the dilute or undiluted acidulants or mixtures of acidulants used, as far as possible, no impurities should be introduced into the process which do not remain dissolved in the aqueous phase of the precipitation suspension. In any case, the acidulants should not contain impurities which would precipitate with the silica in the acid precipitation, unless they could be held in the precipitation suspension by means of added chelating agents or by pH control or washed out with the subsequent wash media.
Das Säuerungsmittel, welches zur Fällung benutzt wurde, kann das Gleiche sein, welches, z. B. auch in Schritt d. zum Waschen des Filterkuchens verwendet wird.The acidulant used for precipitation may be the same which, e.g. B. also in step d. is used for washing the filter cake.
In einer bevorzugten Variante dieses Verfahrens, wird in Schritt a. in die Vorlage neben dem Säuerungsmittel ein Peroxid gegeben, welches mit Titan(IV)-Ionen unter sauren Bedingungen eine gelb/orange Färbung hervorruft. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um Wasserstoffperoxid oder Kaliumperoxodisulfat. Durch die gelb/orange Färbung der Reaktionslösung kann der Grad der Aufreinigung während des Waschschrittes d. sehr gut nachvollzogen werden. In a preferred variant of this method, in step a. in the template next to the acidifying agent added a peroxide, which causes a yellow / orange coloration with titanium (IV) ions under acidic conditions. This is particularly preferably hydrogen peroxide or potassium peroxodisulfate. Due to the yellow / orange color of the reaction solution, the degree of purification during the washing step d. be understood very well.
Bevorzugt sind insbesondere die Varianten bei denen das Peroxid in Schritt a. oder b. zugegeben wird, da es in diesem Fall neben der Indikatorfunktion eine weitere Funktion ausüben kann. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, kann angenommen werden, dass einige – insbesondere kohlenstoffhaltige – Verunreinigungen durch Reaktion mit dem Peroxid oxidiert und aus der Reaktionslösung entfernt werden. Andere Verunreinigungen werden durch Oxidation in eine besser lösliche und somit auswaschbare Form gebracht. Das erfindungsgemäße Fällungsverfahren hat somit den Vorteil, dass kein Kalzinierungsschritt durchgeführt werden muss, obwohl dies optional natürlich möglich ist.Particularly preferred are the variants in which the peroxide in step a. or b. is added, since it can perform in this case, in addition to the indicator function another function. Without being bound by any particular theory, it may be believed that some, especially carbonaceous, impurities are oxidized by reaction with the peroxide and removed from the reaction solution. Other impurities are converted by oxidation into a more soluble and thus washable form. The precipitation method according to the invention thus has the advantage that no Calcination step must be performed, although this is optional of course possible.
In allen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als in wässriger Phase gelöstes Siliziumoxid vorzugsweise eine wässrige Silikatlösung, besonders bevorzugt eine Alkali- und/oder Erdalkalisilikatlösung, ganz besonders bevorzugt ein Wasserglas verwendet werden. Solche Lösungen können kommerziell erworben, durch Verflüssigung fester Silikate hergestellt, aus Siliziumdioxid und Natriumcarbonat hergestellt oder beispielsweise über das Hydrothermalverfahren direkt aus Siliziumdioxid und Natriumhydroxid und Wasser bei erhöhter Temperatur hergestellt werden. Das Hydrothermalverfahren kann gegenüber dem Sodaverfahren bevorzugt sein, weil es zu saubereren gefällten Siliziumdioxiden führen kann. Ein Nachteil des Hydrothermalverfahrens ist die begrenzte Bandbreite an erhältlichen Modulen, beispielsweise beträgt das Modul von SiO2 zu Na2O bis zu 2, wobei bevorzugte Module bei 3 bis 4 liegen, zudem müssen die Wassergläser nach dem Hydrothermalvefahren in der Regel vor einer Fällung aufkonzentriert werden. Generell ist dem Fachmann die Herstellung von Wasserglas als solches bekannt. In all variants of the process according to the invention can be used as the aqueous phase dissolved in silica preferably an aqueous silicate solution, more preferably an alkali and / or alkaline earth silicate solution, most preferably a water glass. Such solutions may be commercially obtained, made by liquefaction of solid silicates, prepared from silica and sodium carbonate, or prepared directly from silica and sodium hydroxide and water at elevated temperature, for example, via the hydrothermal process. The hydrothermal process may be preferred over the soda process because it can lead to cleaner precipitated silica. A disadvantage of the hydrothermal process is the limited range of available modules, for example, the modulus of SiO 2 to Na 2 O is up to 2, with preferred modules are 3 to 4, also the water glasses must be concentrated after the hydrothermal process usually before precipitation become. In general, the skilled person is aware of the production of water glass as such.
Gemäß einer Alternative wird ein Alkaliwasserglas, insbesondere Natriumwasserglas oder Kaliumwasserglas, gegebenenfalls filtriert und im Anschluss, sofern notwendig, aufkonzentriert. Die Filtration des Wasserglases bzw. der wässrigen Lösung gelöster Silikate, zur Abtrennung fester, ungelöster Bestandteile kann nach dem Fachmann an sich bekannten Verfahren und mit dem Fachmann bekannten Vorrichtungen erfolgen. According to an alternative, an alkali water glass, in particular sodium water glass or potassium water glass, optionally filtered and subsequently, if necessary, concentrated. The filtration of the waterglass or of the aqueous solution of dissolved silicates, for the separation of solid, undissolved constituents, can be carried out by processes known to the person skilled in the art and known to those skilled in the art.
Die verwendete Silikatlösung weist bevorzugt ein Modul, d.h. Gewichtsverhältnis von Metalloxid zu Siliziumdioxid, von 1,5 bis 4,5, bevorzugt 1,7 bis 4,2, besonders bevorzugt von 2 bis 4,0 auf.The silicate solution used preferably has a modulus, i. Weight ratio of metal oxide to silicon dioxide, from 1.5 to 4.5, preferably 1.7 to 4.2, more preferably from 2 to 4.0.
Die Verwendung von Ionenaustauschern zur Aufreinigung der Silikatlösungen und/oder Säuerungsmitteln vor der Fällung ist nicht notwendig, kann sich je nach Qualität der wässrigen Silikatlösungen aber als zweckmäßig erweisen. Daher kann eine alkalische Silikatlösung auch entsprechend der
In einer speziellen Ausführungsform kann eine Silikatlösung gemäß den Verfahren der
Die Silikatlösung weist vorzugsweise vor der sauren Fällung einen Siliziumdioxidgehalt von etwa mindestens 10 Gew.-% oder höher auf.The silicate solution preferably has a silica content of about at least 10% by weight or higher prior to acid precipitation.
Vorzugsweise kann eine Silikatlösung, insbesondere ein Natriumwasserglas, zur sauren Fällung eingesetzt werden, deren Viskosität von 0,001 bis 1000 Pas, bevorzugt 0,002 bis 500 Pas, besonders 0,01 bis 300 Pas, speziell bevorzugt 0,04 bis 100 Pas liegt (bei Raumtemperatur, 20 °C). Die Viskosität der Silikatlösung kann vorzugsweise bei einer Scherrate von 10 1/s gemessen werden, wobei die Temperatur bevorzugt 20°C beträgt.A silicate solution, in particular a sodium water glass, can preferably be used for acid precipitation whose viscosity is from 0.001 to 1000 Pas, preferably 0.002 to 500 Pas, especially 0.01 to 300 Pas, especially preferably 0.04 to 100 Pas (at room temperature, 20 ° C). The viscosity of the silicate solution can preferably be measured at a shear rate of 10 1 / s, wherein the temperature is preferably 20 ° C.
In Schritt b. und/oder c. der ersten bevorzugten Variante des Fällungsverfahrens wird eine Silikatlösung mit einer Viskosität von 0,001 bis 0,2 Pas, bevorzugt 0,002 bis 0,19 Pas, besonders 0,01 bis 0,18 Pas und speziell bevorzugt 0,04 bis 0,16 Pas und ganz speziell bevorzugt 0,05 bis 0,15 Pas bereitgestellt. Die Viskosität der Silikatlösung kann vorzugsweise bei einer Scherrate von 10 1/s gemessen werden, wobei die Temperatur bevorzugt 20°C beträgt. Auch Mischungen mehrerer Silikatlösungen können verwendet werden. In step b. and / or c. The first preferred variant of the precipitation process is a silicate solution having a viscosity of 0.001 to 0.2 Pas, preferably 0.002 to 0.19 Pas, especially 0.01 to 0.18 Pas and especially preferably 0.04 to 0.16 Pas and all especially preferably 0.05 to 0.15 Pas provided. The viscosity of the silicate solution can preferably be measured at a shear rate of 10 1 / s, wherein the temperature is preferably 20 ° C. Mixtures of several silicate solutions can also be used.
In Schritt b und/oder c der zweiten bevorzugten Variante des Fällungsverfahrens wird eine Silikatlösung mit einer Viskosität von 0,2 bis 1000 Pas, bevorzugt 0,3 bis 700 Pas, besonders 0,4 bis 600 Pas, speziell bevorzugt 0,4 bis 100 Pas, ganz speziell bevorzugt 0,4 bis 10 Pas und insbesondere bevorzugt 0,5 bis 5 Pas bereitgestellt. Die Viskosität der Silikatlösung kann vorzugsweise bei einer Scherrate von 10 1/s gemessen werden, wobei die Temperatur bevorzugt 20°C beträgt.In step b and / or c of the second preferred variant of the precipitation process is a silicate solution having a viscosity of 0.2 to 1000 Pas, preferably 0.3 to 700 Pas, especially 0.4 to 600 Pas, more preferably 0.4 to 100 Pas, very particularly preferably 0.4 to 10 Pas and particularly preferably 0.5 to 5 Pas provided. The viscosity of the silicate solution can preferably be measured at a shear rate of 10 1 / s, wherein the temperature is preferably 20 ° C.
In Schritt c. des Hauptaspekts und der zwei bevorzugten Varianten des Fällungsverfahrens wird die Silikatlösung aus Schritt b. in die Vorlage gegeben und somit das Siliziumdioxid ausgefällt. Dabei ist darauf zu achten, dass das Säuerungsmittel immer im Überschuss vorliegt. Die Zugabe der Silikatlösung erfolgt daher derart, dass der pH-Wert der Reaktionslösung – immer kleiner 2, bevorzugt kleiner 1,5, besonders bevorzugt kleiner 1, ganz besonders bevorzugt kleiner 0,5 und speziell bevorzugt 0,01 bis 0,5 beträgt. Falls notwendig kann weiteres Säuerungsmittel zugegeben werden. Die Temperatur der Reaktionslösung wird während der Zugabe der Silikatlösung durch Heizen oder Kühlen des Fällbehälters auf 20 bis 95 °C, bevorzugt 30 bis 90°C, besonders bevorzugt 40 bis 80 °C gehalten.In step c. the main aspect and the two preferred variants of the precipitation process, the silicate solution from step b. placed in the template and thus precipitated the silica. It is Make sure that the acidifier is always in excess. The addition of the silicate solution therefore takes place in such a way that the pH of the reaction solution is always less than 2, preferably less than 1.5, particularly preferably less than 1, very particularly preferably less than 0.5 and especially preferably from 0.01 to 0.5. If necessary, further acidulant may be added. The temperature of the reaction solution is maintained at 20 to 95 ° C, preferably 30 to 90 ° C, particularly preferably 40 to 80 ° C during the addition of the silicate solution by heating or cooling the precipitation vessel.
Besonders gut filtrierbare Niederschläge werden erhalten, wenn die Silikatlösung in Tropfenform in die Vorlage und/oder Fällsuspension eintritt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird daher dafür Sorge getragen, dass die Silikatlösung in Tropfenform in die Vorlage und/oder Fällsuspension eintritt. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Silikatlösung durch Tropfen in die Vorlage eingebracht wird. Dabei kann es sich um außerhalb der Vorlage/Fällsuspension angebrachte und/oder um in der Vorlage/Fällsuspension eintauchende Dosieraggregate handeln.Particularly well filterable precipitates are obtained when the silicate solution enters the template and / or precipitation suspension in drop form. In a preferred embodiment, care is therefore taken to ensure that the silicate solution enters the original and / or precipitation suspension in droplet form. This can be achieved, for example, by introducing the silicate solution into the original by means of drops. This may be dispensing units mounted outside of the original / precipitation suspension and / or dipping in the original / precipitation suspension.
In der ersten besonders bevorzugten Variante, d.h. dem Verfahren mit niedrigviskosem Wasserglas, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorlage/Fällsuspension derart in Bewegung versetzt wird, z. B. durch rühren oder umpumpen, dass die Strömungsgeschwindigkeit gemessen in einem Bereich der durch den halben Radius des Fällbehälters ±5 cm sowie Oberfläche der Reaktionslösung bis 10 cm unter der Reaktionsoberfläche begrenzt wird von 0,001 bis 10 m/s, bevorzugt 0,005 bis 8 m/s, besonders bevorzugt 0,01 bis 5 m/s, ganz besonders 0,01 bis 4 m/s, speziell bevorzugt 0,01 bis 2 m/s und ganz speziell bevorzugt 0,01 bis 1 m/s beträgt. In the first particularly preferred variant, i. the method with low-viscosity water glass, it has proved to be particularly advantageous if the template / precipitation suspension is set in motion, z. B. by stirring or pumping around, that the flow velocity measured in a range which is limited by half the radius of the precipitation container ± 5 cm and surface of the reaction solution to 10 cm below the reaction surface from 0.001 to 10 m / s, preferably 0.005 to 8 m / s, particularly preferably 0.01 to 5 m / s, very particularly 0.01 to 4 m / s, especially preferably 0.01 to 2 m / s and very particularly preferably 0.01 to 1 m / s.
Durch Kombination einer optimierten Strömungsgeschwindigkeit mit einem möglichst tropfenförmigen Eintrag der Silikatlösung kann dieser Effekt nochmals gesteigert werden, so dass eine Ausführungsform des Fällungsverfahrens, in der die Silikatlösung in Tropfenform in eine Vorlage / Fällsuspension mit einer Strömungsgeschwindigkeit, gemessen in einem Bereich d der durch den halben Radius des Fällbehälters ±5 cm sowie Oberfläche der Reaktionslösung bis 10 cm unter der Reaktionsoberfläche begrenzt wird, von 0,001 bis 10 m/s, bevorzugt 0,005 bis 8 m/s, besonders bevorzugt 0,01 bis 5 m/s, ganz besonders 0,01 bis 4 m/s, speziell bevorzugt 0,01 bis 2 m/s und ganz speziell bevorzugt 0,01 bis 1 m/s eingebracht wird. Auf diese Weise ist es ferner möglich Siliziumdioxidpartikel zu erzeugen welche sich sehr gut filtrieren lassen. Im Gegensatz dazu werden in Verfahren in denen eine hohe Strömungsgeschwindigkeit in der Vorlage/Fällsuspension vorliegt sehr feine Partikel gebildet, diese Partikel lassen sich sehr schlecht filtrieren. By combining an optimized flow rate with a possibly drop-shaped entry of the silicate solution, this effect can be further increased, so that an embodiment of the precipitation process in which the silicate solution in droplet form in a template / precipitation suspension with a flow velocity measured in a range d of half by Radius of the precipitation vessel ± 5 cm and the surface of the reaction solution is limited to 10 cm below the reaction surface, from 0.001 to 10 m / s, preferably 0.005 to 8 m / s, more preferably 0.01 to 5 m / s, especially 0, 01 to 4 m / s, more preferably 0.01 to 2 m / s and very particularly preferably 0.01 to 1 m / s is introduced. In this way it is also possible to produce silica particles which can be filtered very well. In contrast, very fine particles are formed in processes in which there is a high flow velocity in the receiver / precipitation suspension, and these particles are very difficult to filter.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform des Fällungsverfahrens, d. h. bei Verwendung von hochviskosem Wasserglas, entstehen ebenfalls durch tropfenförmige Zugabe der Silikatlösung besonders reine und gut filtrierbare Niederschläge. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, kann angenommen werden, dass die hohe Viskosität der Silikatlösung zusammen mit dem pH-Wert bedingt, dass nach Schritt c. ein gut filtrierbarer Niederschlag entsteht sowie dass keine oder nur sehr geringe Verunreinigungen in inneren Hohlräumen der Siliziumdioxidpartikel eingelagert werden, da durch die hohe Viskosität die Tropfenform der eintropfenden Silikatlösung weitgehend erhalten bleibt und der Tropfen nicht fein verteilt wird, bevor die Gelierung/Auskristallisation an der Oberfläche des Tropfens beginnt. Als Silikatlösung können bevorzugt die oben näher definierten Alkali- und/oder Erdalkalisilikatlösungen verwendet werden, vorzugsweise wird eine Alkalisilikatlösung, besonders bevorzugt Natriumsilikat (Wasserglas) und/oder Kaliumsilikatlösung verwendet. Auch Mischungen mehrerer Silikatlösungen können verwendet werden. Alkalisilikatlösungen weisen den Vorteil auf, dass die Alkaliionen leicht durch Auswaschen abgetrennt werden können. Die Viskosität kann z. B. durch Einengen von handelsüblichen Silikatlösungen oder durch Auflösen der Silikate in Wasser eingestellt werden.In the second preferred embodiment of the precipitation method, i. H. When using highly viscous waterglass, dropwise addition of the silicate solution also produces particularly clean and readily filterable precipitates. Without being bound by any particular theory, it can be assumed that the high viscosity of the silicate solution together with the pH conditionally necessitates that after step c. a readily filterable precipitate is formed and that no or only very small impurities are stored in internal cavities of the silica particles, since the drop shape of the dripping silicate solution is largely retained by the high viscosity and the droplets are not finely dispersed before the gelation / crystallization on the surface of the drop begins. The silicate solution used may preferably be the above-defined alkali metal and / or alkaline earth metal silicate solutions, preferably an alkali metal silicate solution, more preferably sodium silicate (water glass) and / or potassium silicate solution is used. Mixtures of several silicate solutions can also be used. Alkali silicate solutions have the advantage that the alkali metal ions can be easily separated by washing. The viscosity can, for. B. by concentration of commercially available silicate solutions or by dissolving the silicates in water.
Wie zuvor ausgeführt kann durch geeignete Wahl der Viskosität der Silikatlösung und/oder der Rührgeschwindigkeit die Filtrierbarkeit der Partikel verbessert werden, da Partikel mit einer speziellen Form erhalten werden. Bevorzugt sind daher gereinigte Siliziumoxidpartikel, insbesondere Siliziumdioxidpartikel welche vorzugsweise einen äußeren Durchmesser von 0,1 bis 10 mm, besonders bevorzugt 0,3 bis 9 mm und ganz besonders bevorzugt 2 bis 8 mm aufweisen. In einer ersten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen diese Siliziumdioxidpartikel eine Ringform auf, d. h. weisen in der Mitte ein „Loch“ auf und sind somit in ihrer Form mit einem Miniatur Torus, hierin auch „Donut“ genannt, vergleichbar. Die ringförmigen Partikel können eine weitgehend runde, aber auch eine eher ovale Form annehmen. As stated previously, by suitably selecting the viscosity of the silicate solution and / or the stirring speed, the filterability of the particles can be improved since particles having a specific shape are obtained. Preference is therefore given to purified silicon oxide particles, in particular silicon dioxide particles, which preferably have an outer diameter of 0.1 to 10 mm, particularly preferably 0.3 to 9 mm and very particularly preferably 2 to 8 mm. In a first specific embodiment of the present invention, these silica particles have a ring shape, i. H. have a "hole" in the middle and are therefore comparable in shape to a miniature torus, also called "donut". The annular particles can assume a largely round, but also a more oval shape.
In einer zweiten speziellen Ausführungsform des vorliegenden Fällungsverfahrens weisen diese Siliziumdioxidpartikel eine Form auf, die mit einem „Pilzkopf“ oder einer „Qualle“ vergleichbar ist. D. h. anstelle des Lochs der zuvor beschriebenen „Donut“-förmigen Partikel befindet sich in der Mitte der ringförmigen Grundstruktur eine nach einer Seite gewölbte, vorzugsweise dünne, d. h. dünner als der ringförmige Teil, Schicht aus Siliziumdioxid, welche die innere Öffnung des „Rings“ überspannt. Würde man diese Partikel mit der gewölbten Seite nach unten auf den Boden stellen und von oben senkrecht darauf schauen, so entsprächen die Partikel einer Schale mit gewölbtem Boden, eher massivem, d. h. dicken oberen Rand und im Bereich der Wölbung etwas dünnerem Boden. In a second specific embodiment of the present precipitation process, these silica particles have a shape comparable to a "mushroom head" or a "jellyfish". Ie. instead of the hole of the above-described "donut" -shaped particles, in the center of the annular basic structure is a vaulted, preferably thinner, ie thinner than the annular, part of the annular base structure, layer of silicon dioxide spanning the inner opening of the "ring". Would you do this Place particles with the curved side down on the ground and look vertically from above, so the particles correspond to a bowl with a curved bottom, rather solid, ie thick upper edge and in the region of the curvature slightly thinner ground.
Das nach der Fällung erhaltene Siliziumdioxid wird in von den restlichen Bestandteilen der Fällsuspension abgetrennt. Dies kann je nach Filtrierbarkeit des Niederschlags durch herkömmliche, dem Fachmann bekannte Filtrationstechniken, z. B. Filterpressen oder Drehfilter, erfolgen. Bei schwer filtrierbaren Niederschlägen kann die Abtrennung auch mittels Zentrifugation und/oder durch Abdekantieren der flüssigen Bestandteile der Fällsuspension erfolgen.The silica obtained after the precipitation is separated from the remaining constituents of the precipitation suspension. This can, depending on the filterability of the precipitate by conventional, known in the art filtration techniques, for. As filter presses or rotary filter, done. In the case of precipitates which are difficult to filter, the separation can also be effected by centrifugation and / or by decantation of the liquid constituents of the precipitation suspension.
Nach der Abtrennung vom Überstand wird der Niederschlag gewaschen, wobei durch ein geeignetes Waschmedium sicherzustellen ist, dass der pH-Wert des Waschmediums während der Wäsche und damit auch der des gereinigten Siliziumoxids, insbesondere des Siliziumdioxids, kleiner 2, bevorzugt kleiner 1,5, besonders bevorzugt kleiner 1, ganz besonders bevorzugt 0,5 und speziell bevorzugt 0,01 bis 0,5 beträgt. After separation from the supernatant, the precipitate is washed, it being ensured by means of a suitable washing medium that the pH of the washing medium during the wash and thus also that of the purified silicon oxide, in particular of the silicon dioxide, is less than 2, preferably less than 1.5 preferably less than 1, very particularly preferably 0.5 and especially preferably 0.01 to 0.5.
Als Waschmedium können bevorzugt wässrige Lösungen organischer und/oder anorganischer wasserlöslicher Säuren, wie z.B. der zuvor genannten Säuren oder Fumarsäure, Oxalsäure, Ameisensäure, Essigsäure oder andere dem Fachmann bekannte organische Säuren sein, die selbst nicht zur Verunreinigung des gereinigten Siliziumoxids beitragen, wenn sie nicht vollständig mit hochreinem Wasser entfernt werden können. Generell sind daher alle organischen, wasserlöslichen Säuren, insbesondere bestehend aus den Elementen C, H und O, sowohl aus Säuerungsmittel als auch als im Waschmedium bevorzugt, weil sie selbst nicht zu einer Verunreinigung des nachfolgenden Reduktionsschrittes beitragen. Bevorzugt wird das in Schritt a. und c. verwendete Säuerungsmittel oder Gemische davon in verdünnter oder unverdünnter Form verwendet.The washing medium used may preferably be aqueous solutions of organic and / or inorganic water-soluble acids, e.g. of the aforementioned acids or fumaric acid, oxalic acid, formic acid, acetic acid or other organic acids known to those skilled in the art, which themselves do not contribute to the contamination of the purified silica unless they can be removed completely with ultrapure water. In general, therefore, all organic, water-soluble acids, in particular consisting of the elements C, H and O, both from acidulants and as preferred in the washing medium, because they themselves do not contribute to contamination of the subsequent reduction step. Preferably, in step a. and c. used acidulants or mixtures thereof used in diluted or undiluted form.
Das Waschmedium kann bei Bedarf auch ein Gemisch aus Wasser und organischen Lösemitteln umfassen. Zweckmäßige Lösemittel sind hochreine Alkohole, wie Methanol oder Ethanol. Eine mögliche Veresterung stört die nachfolgende Reduktion zu Silizium nicht.If desired, the washing medium may also comprise a mixture of water and organic solvents. Suitable solvents are high-purity alcohols, such as methanol or ethanol. A possible esterification does not disturb the subsequent reduction to silicon.
Bevorzugt enthält die wässrige Phase keine organischen Lösemittel, wie Alkohole, und/oder keine organischen, polymeren Stoffe.The aqueous phase preferably contains no organic solvents, such as alcohols, and / or no organic, polymeric substances.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es üblicher Weise nicht notwendig der Fällsuspension oder während der Aufreinigung Chelatisierungsmittel zuzugeben. Dennoch umfasst die vorliegende Erfindung auch Verfahren, in denen zur Stabilisierung von säurelöslichen Metall-Komplexen der Fällsuspension oder auch einem Waschmedium ein Metallkomplexbildner, wie EDTA zugegeben wird. In the process according to the invention, it is usually not necessary to add chelating agent to the precipitation suspension or during the purification. Nevertheless, the present invention also encompasses processes in which a metal complexing agent, such as EDTA, is added to stabilize acid-soluble metal complexes of the precipitation suspension or else to a washing medium.
Auch ein Peroxid zur farblichen Markierung, als "Indikator" von unerwünschten Metallverunreinigungen, kann zugesetzt werden. Beispielsweise kann Hydroperoxid der Fällsuspension oder dem Waschmedium zugesetzt werden, um vorhandene Titan-Verunreinigungen farblich kenntlich zu machen. Die Markierung ist generell auch mit anderen organischen Komplexbildnern möglich, die ihrerseits im nachfolgenden Reduktionsprozess nicht störend wirken. Dies sind generell alle auf dem Elementen C, H und O basierenden Komplexbildner, das Element N kann zweckmäßig auch im Komplexbildner zugegen sein. Beispielsweise zur Bildung von Siliziumnitrid, das im späteren Prozess vorteilhaft wieder zerfällt. Also a peroxide for color marking, as an "indicator" of unwanted metal impurities, can be added. For example, hydroperoxide can be added to the precipitation suspension or the washing medium in order to color-identify existing titanium impurities. The labeling is generally possible with other organic complexing agents, which in turn do not interfere in the subsequent reduction process. These are generally all complexing agents based on elements C, H and O; element N may also be useful in the complexing agent. For example, for the formation of silicon nitride, which advantageously decomposes again in the later process.
Das Waschen wird so lange fortgeführt, bis das Siliziumdioxid die gewünschte Reinheit aufweist. Dies kann z. B. daran erkannt werden, dass die Waschsuspension ein Peroxid enthält und visuell keine Gelbfärbung mehr zeigt.The washing is continued until the silica has the desired purity. This can be z. B. be recognized that the wash suspension contains a peroxide and visually shows no more yellowing.
Weitere Hinweise zur Fällung und Waschung von SiO2 werden in der Druckschrift
Das derart gewaschene und gereinigte Siliziumdioxid wird bevorzugt mit destilliertem Wasser oder VE-Wasser weiter gewaschen, bis der pH-Wert des erhaltenen Siliziumdioxids in einem Bereich von 0 bis 7,5 und/oder die Leitfähigkeit der Waschsuspension kleiner gleich 100 µS/cm, vorzugsweise kleiner gleich 10 µS/cm und bevorzugt kleiner gleich 5 µS/cm liegt. Besonders bevorzugt kann der pH-Wert hierbei im Bereich von 0 bis 4,0, vorzugsweise 0,2 bis 3,5, insbesondere 0,5 bis 3,0 und besonders bevorzugt 1,0 bis 2,5 liegen. Hierbei kann auch ein Waschmedium mit einer organischen Säure eingesetzt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass etwaig an dem Siliziumdioxid anhaftende, störende Säurereste hinreichend entfernt werden. The thus washed and purified silica is preferably further washed with distilled water or demineralized water until the pH of the resulting silica in a range of 0 to 7.5 and / or the conductivity of the washing suspension is less than or equal to 100 μS / cm, preferably less than or equal to 10 μS / cm and preferably less than or equal to 5 μS / cm. In this case, the pH can particularly preferably be in the range from 0 to 4.0, preferably 0.2 to 3.5, in particular 0.5 to 3.0 and particularly preferably 1.0 to 2.5. In this case, a washing medium with an organic acid can be used. This can ensure that any interfering acid residues adhering to the silicon dioxide are adequately removed.
Das Abtrennen kann mit üblichen, dem Fachmann hinlänglich bekannten Maßnahmen, wie Filtrieren, Dekantieren, Zentrifugieren und/oder Sedimentation erfolgen, mit der Maßgabe, dass durch diese Maßnahmen sich der Verunreinigungsgrad des sauer gefällten, gereinigten Siliziumoxids nicht wieder verschlechtert.The separation can be carried out with customary measures known to the person skilled in the art, such as filtering, decanting, centrifuging and / or sedimentation, with the proviso that the impurity level of the acidified, purified silicon oxide does not deteriorate again as a result of these measures.
Bei schwer filtrierbaren Niederschlägen kann es vorteilhaft sein die Waschung durch Anströmen des Niederschlags in einem engmaschigen Siebkorb mit dem Waschmedium von unten durchzuführen. In difficult to filter precipitates, it may be advantageous to carry out the washing by flowing the precipitate in a close-meshed screen basket with the washing medium from below.
Das so erhaltene gereinigte Siliziumdioxid, insbesondere hochreine Siliziumdioxid kann getrocknet und weiterverarbeitet werden, um die selbstorganisierende SiO2-Masse auf die nachfolgend dargelegten, bevorzugten Anteile an Wasser einzustellen. Die Trocknung kann mittels aller dem Fachmann bekannten Verfahren und Vorrichtungen, z. B. Bandtrockner, Hordentrockner, Trommeltrockner etc. erfolgen.The purified silicon dioxide obtained in this way, in particular high-purity silicon dioxide, can be dried and further processed in order to adjust the self-assembling SiO 2 mass to the preferred proportions of water set out below. The drying can be carried out by means of all methods and devices known to the person skilled in the art, e.g. B. belt dryer, tray dryer, drum dryer, etc. take place.
Überraschend gelingt es, durch das erfindungsgemäße Verfahren in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise ein SiO2-Element in beliebiger Gestalt zu erhalten. Hierzu kann eine fließfähige wasserhaltige SiO2-Masse in eine Form gegossen werden. Surprisingly, it is possible by the inventive method in a particularly simple and economical manner to obtain a SiO 2 element in any shape. For this purpose, a flowable water-containing SiO 2 mass can be poured into a mold.
Dabei kann die fließfähige wasserhaltige SiO2-Masse in einer beliebigen Weise in eine Form mit den gewünschten Dimensionen eingetragen und verteilt werden. Beispielsweise kann das Eintragen von Hand oder maschinell über Zuteilorgane erfolgen. Die befüllte Form kann einer Vibration ausgesetzt werden, um eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der wasserhaltigen SiO2-Masse in der Form zu erzielen. In this case, the flowable water-containing SiO 2 material can be introduced and distributed in any desired manner into a mold having the desired dimensions. For example, the entry can be done by hand or by machine via Zuteilorgane. The filled mold can be subjected to vibration in order to achieve a rapid and uniform distribution of the water-containing SiO 2 material in the mold.
Die zur Herstellung der Elemente einzusetzenden Gießformen unterliegen keinen besonderen Anforderungen, wobei jedoch durch deren Einsatz keine Verunreinigungen in das SiO2-Element gelangen sollten. Beispielsweise können geeignete Gießformen aus hochtemperaturfesten, reinen Kunststoffen (Silikon, PTFE, POM, PEEK), Keramik (SiC, Si3N4), Graphit in all seinen Darstellungsformen, Metall mit geeigneter hochreiner Beschichtung und/oder Quarzglas hergestellt werden. Die Formen sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform segmentiert, was eine besonders einfache Entformung erlaubt.The casting molds to be used for the production of the elements are not subject to any special requirements, but their use should not result in impurities entering the SiO 2 element. For example, suitable molds of high temperature resistant, pure plastics (silicone, PTFE, POM, PEEK), ceramic (SiC, Si 3 N 4 ), graphite in all its forms of representation, metal can be produced with a suitable high-purity coating and / or quartz glass. The molds are segmented in a particularly preferred embodiment, which allows a particularly simple demoulding.
In einer bevorzugten Ausführungsform können hierbei die massiven Formen statt dessen aus offenen Werkstoffen wie z.B. textilähnlichen Geweben oder Netzen, die aus hochtemperaturfesten, reinen Kunststoffen (Silikon, PTFE, POM, PEEK), Keramik (SiC, Si3N4), Kohlenstofffasern, Graphit in all seinen Darstellungsformen, Metallfaseren mit geeigneter hochreiner Beschichtung und/oder Quarzglas und/oder im Verbund mit Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern bestehen und/oder hergestellt werden. Die Formen sind in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform segmentiert, was eine besonders einfache Entformung durch auseinanderziehen erlaubt. Elastische temperaturfeste Werkstoffe (bspw. ähnlich zu Nylonstrümpfen) erlauben hier besonders eine kontinuierliche Verfahrensweise.In a preferred embodiment, the solid forms may instead be made of open materials such as textile-like fabrics or nets made of high temperature resistant, pure plastics (silicone, PTFE, POM, PEEK), ceramics (SiC, Si 3 N 4 ), carbon fibers, graphite consist in all its forms of representation, metal fibers with suitable high-purity coating and / or quartz glass and / or in conjunction with glass fibers and / or carbon fibers and / or produced. The molds are segmented in a further particularly preferred embodiment, which allows a particularly simple demolding by pulling apart. Elastic temperature-resistant materials (for example, similar to nylon stockings) allow here in particular a continuous procedure.
Die hohe Permeabilität von Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser durch das Gewebe verbessert das Trockungsverhalten des Fromkörpers erheblich. Das textile Verhalten der Form hat ferner überraschend die Eigenschaften, dass bspw. bei einer röhrenähnlichen Form ein spannungsfreies Schrumpfen des gegossenen Formkörpers während des Trocknungsprozesses möglich wird, was eine besonders einfache Entformung ohne Bruch erlaubt.The high permeability of water vapor and / or liquid water through the fabric significantly improves the drying behavior of the Fromkörpers. The textile behavior of the mold also surprisingly has the properties that, for example, in the case of a tube-like shape, stress-free shrinkage of the cast molded body during the drying process becomes possible, which permits particularly simple demolding without breakage.
Nach der Formgebung wird die verfestigte, wasserhaltige SiO2-Masse mittels eines alkalischen Additivs und/oder durch Trocknung stabilisiert. Hierzu kann die gefüllte Gießform ohne oder nach Additivzugabe in einen Trockner überführt werden der beispielsweise elektrisch, mit Heißluft, Heißdampf, IR-Strahlen, Mikrowellen oder Kombinationen dieser Erwärmungsmethoden beheizt wird. Hierbei können übliche Vorrichtungen, wie zum Beispiel Bandtrockner, Hordentrockner, Trommeltrockner eingesetzt werden, die kontinuierlich oder chargenweise trocknen.After shaping, the solidified, water-containing SiO 2 mass is stabilized by means of an alkaline additive and / or by drying. For this purpose, the filled mold can be transferred without or after addition of additive in a dryer which is heated, for example, electrically, with hot air, superheated steam, IR radiation, microwaves or combinations of these heating methods. In this case, conventional devices, such as belt dryer, tray dryer, drum dryer can be used, which dry continuously or batchwise.
Mit Vorteil können die SiO2-Elemente auf einen Wassergehalt getrocknet werden, der eine zerstörungsfreie Entformung aus den Gießformen ermöglicht. Demgemäß kann die Trocknung in der Gießform bis zu einem Wassergehalt von kleiner als 60 Gew.-%, insbesondere kleiner als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt kleiner als 40 Gew.-% durchgeführt werden. Advantageously, the SiO 2 elements can be dried to a water content that allows non-destructive removal from the molds. Accordingly, the drying in the casting mold can be carried out to a water content of less than 60% by weight, in particular less than 50% by weight and particularly preferably less than 40% by weight.
Eine Trocknung auf einen Wassergehalt, der unterhalb der genannten Werte liegt, kann besonders bevorzugt nach Entformung des SiO2-Elements erfolgen, wobei die zuvor dargelegten Trockner eingesetzt werden können.Drying to a water content which is below the stated values can be carried out particularly preferably after demolding of the SiO 2 element, it being possible to use the dryers set out above.
Überraschende Vorteile zeigen unter anderem SiO2-Elemente, die nach dem Trocknen einen Wassergehalt im Bereich von 0,0001 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 0,0005 bis 50 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 10 Gew.-% und besonders bevorzugt 0,005 bis 5 Gew.-% aufweisen, gemessen mittels der allgemein dem Fachmann bekannten Thermogravimetrie-Methode (IR-Feuchte-Messgerät). Surprising advantages include SiO 2 elements which, after drying, have a water content in the range from 0.0001 to 50% by weight, preferably 0.0005 to 50% by weight, in particular 0.001 to 10% by weight, and especially preferably 0.005 to 5 wt .-%, measured by means of the generally known in the art thermogravimetry method (IR-moisture meter).
Vorzugsweise kann die Trocknung der verfestigten, wasserhaltigen SiO2-Masse bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 350°C, bevorzugt 80 bis 300°C, insbesondere 90 bis 250°C und besonders bevorzugt 100 bis 200°C bei Normalbedingungen (d. h. bei Normaldruck) erfolgen. Preferably, the drying of the solidified, water-containing SiO 2 material at a temperature in the range of 50 ° C to 350 ° C, preferably 80 to 300 ° C, in particular 90 to 250 ° C and particularly preferably 100 to 200 ° C under normal conditions ( ie at atmospheric pressure).
Der Druck, bei dem die Trocknung erfolgt, kann in einem weiten Bereich liegen, so dass die Trocknung bei Unter- oder Überdruck durchgeführt werden kann. Aus wirtschaftlichen Gründen kann eine Trocknung bei Umgebungs- bzw. Normaldruck (950 bis 1050 mbar) bevorzugt sein. The pressure at which the drying takes place can be in a wide range, so that the drying is carried out under reduced or elevated pressure can be. For economic reasons, drying at ambient or atmospheric pressure (950 to 1050 mbar) may be preferred.
Zur Erhöhung der Härte des getrockneten SiO2-Elements kann dasselbe thermisch verdichtet bzw. gesintert werden. Dies kann beispielsweise chargenweise in herkömmlichen Industrieöfen bspw. Schachtöfen oder Mikrowellen-Sinteröfen oder kontinuierlich zum Beispiel in sogenannten Durchstoßöfen oder Schachtöfen ausgeführt werden.To increase the hardness of the dried SiO 2 element, the same can be thermally densified or sintered. This can be carried out batchwise, for example, in conventional industrial furnaces, for example shaft furnaces or microwave sintering furnaces, or continuously, for example in so-called push-through furnaces or shaft furnaces.
Die thermische Verdichtung oder Sinterung kann bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 1700°C, insbesondere 500 bis 1500°C, vorzugsweise 600 bis 1200 °C und besonders bevorzugt 700 bis 1100 °C erfolgen. The thermal densification or sintering can be carried out at a temperature in the range from 400 to 1700 ° C., in particular 500 to 1500 ° C., preferably 600 to 1200 ° C. and particularly preferably 700 to 1100 ° C.
Die Dauer der thermischen Verdichtung oder Sinterung ist von der Temperatur, der gewünschten Dichte und gegebenenfalls der gewünschten Härte des SiO2-Elements abhängig. Vorzugsweise kann die thermische Verdichtung oder Sinterung über eine Dauer von 5 h, bevorzugt 2 h, besonders bevorzugt 1 h durchgeführt werden.The duration of the thermal compaction or sintering depends on the temperature, the desired density and optionally the desired hardness of the SiO 2 element. Preferably, the thermal densification or sintering can be carried out over a period of 5 hours, preferably 2 hours, particularly preferably 1 hour.
Die getrockneten und/oder gesinterten SiO2-Elemente mit den zuvor beschriebenen typischen Abmessungen können beispielsweise eine Druckfestigkeit (angegeben als Bruchkraft) von mindestens 10 N/cm2, bevorzugt von mehr als 20 N/cm2 aufweisen, wobei besonders gesinterte SiO2-Elemente Druckfestigkeitswerte von mindestens 50 oder gar mindestens 150 N/cm2 zeigen können, jeweils gemessen mittels Druckversuchen auf einer Anordnung für Druckfestigkeitsprüfungen.The dried and / or sintered SiO 2 elements with the typical dimensions described above may have, for example, a compressive strength (stated as breaking strength) of at least 10 N / cm 2 , preferably of more than 20 N / cm 2 , with particularly sintered SiO 2 - Elements can show compressive strength values of at least 50 or even at least 150 N / cm 2 , in each case measured by means of compression tests on an arrangement for pressure strength tests.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann das SiO2-Element vorzugsweise eine Dichte von mindestens 0,7 g/cm3, bevorzugt eine Dichte von mindestens 1 g/cm3, besonders bevorzugt mindestens 1,4 g/cm3 aufweisen. Bei einer Hochtemperatursinterung kann sogar eine Dichte von 2,65 (Quarzglasdichte) erreicht werden.According to a particular embodiment, the SiO 2 element may preferably have a density of at least 0.7 g / cm 3 , preferably a density of at least 1 g / cm 3 , particularly preferably at least 1.4 g / cm 3 . In a high-temperature sintering even a density of 2.65 (quartz glass density) can be achieved.
Die Verbindung der SiO2-Elemente zu einem Glasgefäß unterliegt keinen besonderen Begrenzungen, wobei das hierfür eingesetzte Verfahren jedoch zu einem stabilen, bei den zuvor dargelegten Bedingungen haltbaren Glasgefäß führen muss. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Siliziumdioxid-Elemente über einen Keramikkleber miteinander verbunden werden.The connection of the SiO 2 elements to a glass vessel is not subject to any particular limitations, but the process used for this purpose must lead to a stable, stable at the conditions set out above glass vessel. It is preferably provided that the silicon dioxide elements are connected to one another via a ceramic adhesive.
Hierbei kann es bevorzugt sein, dass der Keramikkleber eine Siliziumverbindung umfasst, die zu SiO2 hydrolysiert werden kann. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind konkrete Beispiele für derartige Silizium-Verbindungen SiCl4, HSiCl3, Si(OCH3)4, Si(OOCCH3)4 und Si(OC2H5)4. Die genannten Verbindungen können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden. Zu den bevorzugten Silizium-Verbindungen zählen insbesondere Alkoxysilane, besonders bevorzugt Tetraalkoxysilane, wobei besonders bevorzugt Tetraethoxysilan (TEOS) ist.In this case, it may be preferred that the ceramic adhesive comprises a silicon compound which can be hydrolyzed to SiO 2 . Without loss of generality, concrete examples of such silicon compounds are SiCl 4 , HSiCl 3 , Si (OCH 3 ) 4 , Si (OOCCH 3 ) 4, and Si (OC 2 H 5 ) 4 . The compounds mentioned can be used individually or as a mixture. The preferred silicon compounds include in particular alkoxysilanes, particularly preferably tetraalkoxysilanes, tetraethoxysilane (TEOS) being particularly preferred.
Besonders bevorzugt umfasst der eingesetzte Keramikkleber eine Zusammensetzung umfassend Siliziumdioxid, mindestens einer zu SiO2 hydrolysierbaren Siliziumverbindung, vorzugsweise einem Tetraalkoxysilan, insbesondere TEOS und mindestens einen Aushärt-Katalysator, vorzugsweise H2O2, H2SO4 oder HNO3. Das Siliziumdioxid kann bevorzugt partikelförmig sein, wobei der Durchmesser dieser Partikel bevorzugt im Bereich von 0,001 bis 100 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,005 bis 10 μm und speziell bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 1 μm liegt, gemessen mittels Laserbeugung.The ceramic adhesive used particularly preferably comprises a composition comprising silicon dioxide, at least one silicon compound which is hydrolyzable to SiO 2 , preferably a tetraalkoxysilane, in particular TEOS and at least one curing catalyst, preferably H 2 O 2 , H 2 SO 4 or HNO 3 . The silica may preferably be particulate, wherein the diameter of these particles is preferably in the range of 0.001 to 100 microns, more preferably in the range of 0.005 to 10 microns and more preferably in the range of 0.01 to 1 microns, measured by laser diffraction.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der eingesetzte Keramikkleber Tetraethoxysilan, vorzugsweise TEOS und Siliziumdioxid basierend auf einer selbstorganisierenden wasserhaltigen SiO2-Masse umfassen. In a preferred embodiment, the ceramic adhesive used may comprise tetraethoxysilane, preferably TEOS and silicon dioxide based on a self-organizing, water-containing SiO 2 mass.
Ferner kann es erfindungsgemäß vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Keramikkleber eine Temperaturstabilität größer oder gleich 1000°C, bevorzugt größer oder gleich 1200°C, besonders bevorzugt größer oder gleich 1400°C aufweist.Furthermore, according to the invention, it can preferably be provided that the ceramic adhesive has a temperature stability greater than or equal to 1000 ° C., preferably greater than or equal to 1200 ° C., particularly preferably greater than or equal to 1400 ° C.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Keramikkleber eine Reinheit größer oder gleich 75%, bevorzugt größer oder gleich 90%, besonders bevorzugt größer oder gleich 99,9% aufweist.It may also be provided that the ceramic adhesive has a purity greater than or equal to 75%, preferably greater than or equal to 90%, particularly preferably greater than or equal to 99.9%.
Erfindungsgemäß einsetzbare Keramikkleber, die bevorzugt auf SiO2 basieren, sind kommerziell, beispielsweise bei der Polytec PT GmbH, erhältlich. Ceramic adhesives which can be used according to the invention and which are preferably based on SiO 2 are commercially available, for example from Polytec PT GmbH.
Ein erfindungsgemäßer Einsatz weist neben den zuvor beschriebenen SiO2-Elementen, die vorzugsweise ein Glasgefäß bilden, mindestens eine Graphit-Elementschicht auf. Diese Schicht ist mit den Siliciumdioxid-Elementen flächig verbunden. Demgemäß stehen die durch die Länge und Breite gegebene Fläche der Siliciumdioxid-Elemente mit mindestens einer Graphit-Elementschicht mittelbar oder unmittelbar in Kontakt. Dies kann mechanisch oder durch eine Verbindungsschicht erfolgen. Der Begriff „Graphit-Elementschicht“ bedeutet, dass der Einsatz mindestens ein schichtförmiges Element aufweist, welches im Wesentlichen aus Graphit gebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Graphit-Elementschicht undurchlässig oder dicht, so dass geringe Mengen an flüssigem Silicium diese Schicht nicht durchdringen können. Schichten mit hoher Dichtigkeit werden nachfolgend auch als Folien bezeichnet, wobei mehrere Folien durch Kleben miteinander verbunden werden können.An insert according to the invention, in addition to the previously described SiO 2 elements, which preferably form a glass vessel, has at least one graphite element layer. This layer is connected to the surface of the silicon dioxide elements. Accordingly, the area of the silicon dioxide elements given by the length and width are in direct or indirect contact with at least one graphite element layer. This can be done mechanically or through a bonding layer. The term "graphite element layer" means that the insert has at least one layer-shaped element which is essentially formed from graphite. According to a preferred embodiment, the graphite element layer is impermeable or dense, so that small amounts of liquid silicon can not penetrate this layer. Layers with high density are also referred to as films below designated, wherein a plurality of films can be joined together by gluing.
Bevorzugte Ausführungsformen der Graphit-Elementschicht sind in der Druckschrift
Graphit kann durch heißisostatisches Pressen als Blockmaterial hergestellt werden und ist spannend bearbeitbar. Es ist als hochreines Material zum Beispiel von der Firma SGL Carbon verfügbar und hat mechanische und chemische Eigenschaften, die zur Lösung der vorliegenden Aufgabe besonders gut geeignet sind, das heißt, eine gute Temperaturstabilität und vor allem keinen schädlichen Einfluss auf die Reinheit des am Ende erzeugten Siliziums.Graphite can be produced by hot isostatic pressing as a block material and is exciting editable. It is available as a high-purity material, for example from SGL Carbon, and has mechanical and chemical properties which are particularly well suited to the present task, that is, a good temperature stability and, above all, no detrimental effect on the final purity silicon.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Graphit-Elementschicht im Sinne der Ansprüche flexibel ist, wenn diese (ausgehend von einer ebenen Form) aufgrund ihrer Flexibilität in gleicher Weise den gekrümmten Verlauf von Wänden annehmen kann, die typischerweise in einem Einsatz für einen Schmelztiegel für Metallschmelzen, insbesondere für Siliziumschmelzen, auftreten. Überraschend überstehen bevorzugte Ausführungsformen für eine Graphit-Elementschicht eine solche Anpassung aufgrund ihrer Flexibilität, ohne dass störende Risse oder Brüche auftreten.It may further be provided that the graphite element layer is flexible within the meaning of the claims if, due to its flexibility, this (starting from a planar shape) can equally assume the curved course of walls typically used in a crucible insert Metal melts, especially for silicon melts occur. Surprisingly, preferred embodiments for a graphite element layer overcome such adaptation due to their flexibility, without disturbing cracks or breaks occurring.
Eine erfindungsgemäß einzusetzende Graphit-Elementschicht kann außerdem in vorteilhafter Weise als selbsttragendes Gewebe, mit anderen Worten als ein Geflecht aus Kohlenstofffasern vorliegen. Die flexible Graphit-Elementschicht kann ferner alternativ aus einer Kombination aus Gewebe und undurchlässiger Schicht bestehen, wodurch sich die Vorzüge einer Folie mit denen eines Gewebes vereinen ließen. Eine Folie ist im Vergleich zu einem Gewebe vorteilhaft gegenüber Sauerstoff, Stickstoff oder flüssigem Silicium dicht. Von einer Folie können sich jedoch im Vergleich zu einem Gewebe nachteilhaft relativ leicht Kohlenstoffschichten ablösen. Eine mittels eines Geflechts aus Kohlenstofffasern verstärkte Graphitfolie weist einerseits die für den Einsatzzweck nötige mechanische Stabilität und andererseits die dann nötige Dichtigkeit auf.In addition, a graphite element layer to be used according to the invention can advantageously be present as a self-supporting fabric, in other words as a braid of carbon fibers. The flexible graphite element layer may also alternatively consist of a combination of fabric and impermeable layer, whereby the merits of a film could be combined with those of a fabric. A film is advantageously dense to oxygen, nitrogen or liquid silicon as compared to a fabric. However, it is relatively easy for a film to peel carbon films relatively easily compared to a web. A reinforced by means of a braid of carbon fibers graphite foil on the one hand has the necessary for the purpose of mechanical stability and on the other hand, then the necessary tightness.
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Graphit-Elementschicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 50 mm, bevorzugt von 0,5 bis 1 mm, besonders bevorzugt ca. 1 mm aufweist.It can also be provided that the graphite element layer has a thickness in the range of 0.1 to 50 mm, preferably from 0.5 to 1 mm, particularly preferably about 1 mm.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der Graphit-Elementschicht kleiner oder gleich 5 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 3 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1,5 mm. In an alternative embodiment of the invention, the thickness of the graphite element layer is less than or equal to 5 mm, preferably less than or equal to 3 mm, particularly preferably less than or equal to 1.5 mm.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Graphit-Elementschicht mindestens eine funktionalisierte Oberfläche aufweist. It can further be provided that the graphite element layer has at least one functionalized surface.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Graphit-Elementschicht einen mehrschichtigen Aufbau aufweist.Furthermore, it can be provided that the graphite element layer has a multilayer structure.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der mehrschichtige Aufbau der Graphit-Elementschicht aus Folienbahnen gebildet, wobei die Folienbahnen einen Winkel zueinander im Bereich von 45 bis 135°, bevorzugt von 60 bis 120°, besonders bevorzugt von 75 bis 105° aufweisen.In a preferred embodiment of the invention, the multilayer structure of the graphite element layer is formed from film webs, wherein the film webs at an angle to each other in the range of 45 to 135 °, preferably from 60 to 120 °, more preferably from 75 to 105 °.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erdfindung kann es sich hierbei um selbsttragende, flexible Folienbahnen einer Graphitelementschicht handeln.In a preferred embodiment of the invention, these may be self-supporting, flexible film webs of a graphite element layer.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht können ferner vorzugsweise eine Rohdichte des Graphites von 0,1 bis 2 g/cm3, bevorzugt von 0,5 bis 1,5 g/cm3, besonders bevorzugt von 0,7 bis 1,3 g/cm3 aufweisen.The film webs of the graphite element layer to be used according to the invention may furthermore preferably have a bulk density of the graphite of from 0.1 to 2 g / cm 3 , preferably from 0.5 to 1.5 g / cm 3 , particularly preferably from 0.7 to 1.3 g / cm 3 .
Ferner kann es erfindungsgemäß vorzugsweise vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht einen Aschewert von 0,15 bis 4 %, bevorzugt von 0,5 bis 1,5 %, besonders bevorzugt von 0,7 bis 1,2 % aufweisen.Furthermore, it can preferably be provided according to the invention that the film webs of the graphite element layer to be used according to the invention have an ash value of 0.15 to 4%, preferably 0.5 to 1.5%, particularly preferably 0.7 to 1.2% ,
Außerdem können die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht vorzugsweise eine Temperaturbeständigkeit von 0 bis 2000°C, bevorzugt von 0 bis 1700°C, besonders bevorzugt von 200 bis 1000°C aufweisen.In addition, the film webs of the graphite element layer to be used according to the invention may preferably have a temperature resistance of from 0 to 2000 ° C., preferably from 0 to 1700 ° C., particularly preferably from 200 to 1000 ° C.
Ferner kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht eine spezifische Wärmekapazität von 0,2 bis 2 kJ/(kg·K), bevorzugt von 0,5 bis 1 kJ/(kg·K), besonders bevorzugt von 0,6 bis 0,8 kJ/(kg·K) aufweisen.Furthermore, it can preferably be provided that the film webs of the graphite element layer to be used according to the invention have a specific heat capacity of 0.2 to 2 kJ / (kg.K), preferably 0.5 to 1 kJ / (kg.K) from 0.6 to 0.8 kJ / (kg · K).
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht können ferner vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten parallel zur Schichtung von 0,2 bis 2·10–6/K, bevorzugt von 0,5 bis 1,5·10–6/K, besonders bevorzugt von 0,8 bis 1,2·10–6/K aufweisen.The film webs of the graphite element layer to be used according to the invention may furthermore preferably have a thermal expansion coefficient parallel to the stratification of 0.2 to 2 × 10 -6 / K, preferably of 0.5 to 1.5 × 10 -6 / K, particularly preferably of 0, 8 to 1.2 · 10 -6 / K have.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten senkrecht zur Schichtung von 10 bis 60·10–6/K, bevorzugt von 20 bis 40·10–6/K, besonders bevorzugt von 25 bis 35·10–6/K aufweisen.Furthermore, it can be provided that the film webs of the graphite element layer to be used according to the invention preferably have a thermal expansion coefficient perpendicular to the layering from 10 to 60 × 10 -6 / K, preferably from 20 to 40 × 10 -6 / K, particularly preferably from 25 to 35 × 10 -6 / K.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht können außerdem vorzugsweise eine Shorehärte von 10 bis 60, bevorzugt von 20 bis 40, besonders bevorzugt von 25 bis 35 aufweisen.In addition, the film webs of the graphite element layer to be used according to the invention may preferably have a Shore hardness of from 10 to 60, preferably from 20 to 40, particularly preferably from 25 to 35.
Zusätzlich können die erfindungsgemäß einzusetzenden Folienbahnen der Graphit-Elementschicht vorzugsweise einen Chloridgehalt von kleiner gleich 30 ppm, bevorzugt von kleiner gleich 10 ppm, besonders bevorzugt von kleiner gleich 7 ppm haben.In addition, the film webs of the graphite element layer to be used according to the invention may preferably have a chloride content of less than or equal to 30 ppm, preferably less than or equal to 10 ppm, particularly preferably less than or equal to 7 ppm.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen den Siliziumdioxid-Elementen und der Graphit-Elementschicht eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Die Haftvermittlerschicht kann beispielsweise aus den zuvor dargelegten Keramikklebern gebildet werden, wobei bevorzugte Keramikkleber eine Zusammensetzung umfassend Siliziumdioxid, mindestens einer zu SiO2 hydrolysierbaren Siliziumverbindung, vorzugsweise einem Tetraalkoxysilan, insbesondere TEOS und mindestens einen Aushärt-Katalysator, vorzugsweise H2O2, H2SO4 oder HNO3 enthalten. Das Siliziumdioxid kann bevorzugt partikelförmig sein, wobei der Durchmesser dieser Partikel bevorzugt im Bereich von 0,001 μm bis 10 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,01 μm bis 0,5 mm liegt, gemessen mittels Laserbeugung.It can also be provided that an adhesion promoter layer is arranged between the silicon dioxide elements and the graphite element layer. The adhesion promoter layer can be formed, for example, from the above-described ceramic adhesives, preferred ceramic adhesives comprising a composition comprising silicon dioxide, at least one SiO 2 hydrolyzable silicon compound, preferably a tetraalkoxysilane, in particular TEOS and at least one curing catalyst, preferably H 2 O 2 , H 2 SO 4 or ENT 3 included. The silicon dioxide may preferably be particulate, the diameter of these particles preferably being in the range from 0.001 μm to 10 mm, particularly preferably in the range from 0.01 μm to 0.5 mm, measured by means of laser diffraction.
Solch eine erfindungsgemäß einzusetzende Haftvermittlerschicht kann eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 4 mm, bevorzugt von 0,1 mm bis 1,5 mm, besonders bevorzugt von 0,5 mm bis 1,2 mm aufweisen.Such an adhesion promoter layer to be used according to the invention may have a thickness in the range from 1 μm to 4 mm, preferably from 0.1 mm to 1.5 mm, particularly preferably from 0.5 mm to 1.2 mm.
Es kann vorgesehen sein, dass die Innenseite des Siliziumdioxid-Gefäßes des Einsatzes für einen Schmelztiegel, der mit den SiO2-haltigen Materialien in Berührung kommt, zumindest bereichsweise mit einem oder mehreren Werkstoffen beschichtet ist.It can be provided that the inside of the silicon dioxide vessel of the insert for a crucible, which comes into contact with the SiO 2 -containing materials, is at least partially coated with one or more materials.
Es kann hierbei ferner vorgesehen sein, dass das Siliziumdioxid-Gefäß auf der Innenseite eine Beschichtung aus Siliziumnitrid (Si3N4) umfasst.It may also be provided that the silicon dioxide vessel on the inside comprises a coating of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
Hierbei kann die Beschichtung aus Siliziumnitrid (Si3N4) eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 5 mm, bevorzugt von 10 μm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 100 bis 500 μm aufweisen.Here, the coating of silicon nitride (Si 3 N 4 ) may have a thickness in the range from 1 μm to 5 mm, preferably from 10 μm to 1 mm, particularly preferably from 100 to 500 μm.
Es kann ferner in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Siliziumdioxid-Gefäß mindestens zwei Schichten von Siliziumdioxid-Elementen umfasst, zwischen denen mindestens eine Graphit-Elementschicht angeordnet ist. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann zwischen der Graphit-Elementschicht und den zwei Siliziumdioxid-Element-Schichten jeweils eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein.It may also be provided in a preferred embodiment that the silicon dioxide vessel comprises at least two layers of silicon dioxide elements, between which at least one graphite element layer is arranged. According to a particular embodiment, an adhesion promoter layer can be arranged in each case between the graphite element layer and the two silicon dioxide element layers.
Ferner ist ein Schmelztiegel umfassend mindestens einen solchen erfindungsgemäß einzusetzenden Einsatz vorgesehen. Hierbei kann der Schmelztiegel so ausgestaltet sein, dass der Einsatz einen integralen Bestandteil bildet.Furthermore, a crucible comprising at least one such insert to be used according to the invention is provided. Here, the crucible can be designed so that the insert forms an integral part.
Es kann hierbei vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Schmelztiegel einen Graphittiegel umfasst, in den der vorliegende Einsatz eingepasst wird.In this case, it can preferably be provided that the crucible comprises a graphite crucible into which the present insert is fitted.
Die Form des Einsatzes oder des Schmelztiegels kann an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden, wobei der Schmelztiegel die Form eines Zylinders oder eines Quaders annehmen kann. The shape of the insert or the crucible can be adapted to different requirements, wherein the crucible can take the form of a cylinder or a cuboid.
Als nicht einschränkend zu verstehendes Beispiel soll in der Folge ein Verfahren zur Herstellung eines solchen erfindungsgemäß einzusetzenden Einsatzes für einen Schmelztiegel umfassend die folgenden Verfahrensschritte dargestellt werden:
- a) Herstellung einzelner Siliziumdioxid-Elemente;
- b) Verwendung der in Schritt a) hergestellten einzelnen Siliziumdioxid-Elemente zur Bereitstellung eines Siliziumdioxid-Gefäßes mittels einer Zusammenfügung dieser einzelnen Siliziumdioxid-Elemente.
- c) Flächige Verbindung dieses Siliziumdioxid-Gefäßes umfassend eine Vielzahl zusammengefügter einzelner Siliziumdioxid-Elemente mit mindestens einer Graphit-Elementschicht.
- a) production of individual silicon dioxide elements;
- b) using the individual silicon dioxide elements produced in step a) to provide a silicon dioxide vessel by means of an assembly of these individual silicon dioxide elements.
- c) surface bonding of said silica vessel comprising a plurality of assembled single silica elements having at least one graphite element layer.
Es kann ferner vorgesehen sein in einem Verfahrensschritt d) auf der Außenseite des Siliziumdioxid-Gefäßes auf die Graphit-Elementschicht eine weitere Schicht von Siliziumdioxid-Elementen aufzutragen.It can also be provided in a method step d) on the outside of the silicon dioxide vessel on the graphite element layer to apply a further layer of silicon dioxide elements.
Das Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes umfassend ein Siliziumdioxid-Gefäß wird unabhängig davon, ob ein Verfahrensschritt d) vorgesehen ist, vorzugsweise durch einen Temperungsschritt abgeschlossen.The process for producing an insert comprising a silicon dioxide vessel is preferably completed by a heat treatment step, regardless of whether a process step d) is provided.
Das in Schritt b) vorgesehene Zusammenfügen der einzelnen Elemente kann unter Verwendung eines Keramikklebstoffs erfolgen. Die Härtung dieses Keramikklebers ist von dessen Zusammensetzung abhängig und allgemein bekannt. Hierbei kann diese Härtung vor oder nach dem flächigen Verbinden des erhaltenen Gefäßes mit einer Graphit-Elementschicht erfolgen. Je nach Ausgestaltung kann ein Sinterschritt erfolgen, um die Festigkeit der Verbindung des Keramikklebstoffs mit den Siliziumdioxid-Elementen und/oder der Graphit-Elementschicht zu erhöhen. Hierzu kann das Glasgefäß mit oder ohne Graphit-Elementschicht auf eine Temperatur im Bereich von 500 bis 1800°C, bevorzugt im Bereich von 1000 bis 1500°C über eine Zeit von mindestens 12 h, bevorzugt mindestens 24 h erhitzt werden.The joining of the individual elements provided in step b) can be carried out using a ceramic adhesive. The curing of this ceramic adhesive depends on its composition and is well known. In this case, this hardening can take place before or after the two-dimensional bonding of the vessel obtained with a graphite element layer. Depending on the configuration, a sintering step may be carried out in order to increase the strength of the connection of the ceramic adhesive with the silicon dioxide elements and / or the graphite element layer. For this purpose, the glass vessel with or without graphite element layer to a temperature in Range of 500 to 1800 ° C, preferably in the range of 1000 to 1500 ° C over a period of at least 12 h, preferably at least 24 h heated.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are explained below by way of example by way of example. Show it:
In diesen Ausführungsformen weisen sowohl die erste als auch die zweite Schicht aus Siliziumdioxid-Elementen
In
In
Eine Überlappung ist in
Ein erfindungsgemäß einzusetzender Einsatz sowie ein Schmelztiegel umfassend einen solchen Einsatz kann vorzugsweise vorgesehen sein für ein Verfahren zur Aufreinigung einer Metallschmelze, insbesondere einer Siliziumschmelze. An insert to be used according to the invention and a crucible comprising such an insert can preferably be provided for a method for the purification of a molten metal, in particular a silicon melt.
Ein solches Reinigungsverfahren kann mit weiteren Prozessen zur Reinigung von Silizium kombiniert werden. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind unter anderem aus der Dissertation
Die weiteren Schritte und Eigenarten von Verfahren zur Herstellung von metallischem Silicium werden unter anderem in
Der erfindungsgemäß einsetzbare Einsatz für einen Schmelztiegel ermöglicht somit eine kostengünstige und konstruktiv einfache Lösung zur Bereitstellung eines spezifischen Einsatzes für einen Schmelztiegel, der insbesondere zur gerichteten Erstarrung von Siliziumschmelzen bei der Erzeugung hochreinen Siliziums geeignet ist.The use according to the invention for a crucible thus enables a cost-effective and structurally simple solution to provide a specific use for a crucible, which is particularly suitable for the directional solidification of silicon melts in the production of high-purity silicon.
Der erfindungsgemäße Einsatz für einen Schmelztiegel, sowie einen Schmelztiegel umfassend mindestens einen solchen Einsatz ist durch die kennzeichnenden Merkmale der beigefügten Ansprüche definiert.The use according to the invention for a crucible, as well as a crucible comprising at least one such insert is defined by the characterizing features of the appended claims.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Siliziumdioxid-Gefäß Silica vessel
- 22
- Einzelne Siliziumdioxid-Elemente Single silicon dioxide elements
- 33
- Einsatz commitment
- 44
- Erste Schicht aus Siliziumdioxid-Elementen First layer of silicon dioxide elements
- 55
- Erste Haftvermittlerschicht First primer layer
- 66
- Graphit-Elementschicht Graphite element layer
- 77
- Zweite Haftvermittlerschicht Second adhesive layer
- 88th
- Zweite Schicht aus Siliziumdioxid-Elementen Second layer of silicon dioxide elements
- 9, 9´, 9´´, 9´´´9, 9', 9'', 9'''
- Erstes Siliziumdioxid-Element First silicon dioxide element
- 10, 10´, 10´´, 10´´´10, 10', 10'', 10'''
- Zweites Siliziumdioxid-Element Second silicon dioxide element
- 1111
- Keramikkleber ceramic adhesive
- 1212
- Federelement spring element
- 1313
- Nutelement groove element
- 1414
- Vorsprung eines ersten Siliziumdioxid-Elementes Projection of a first silicon dioxide element
- 1515
- Aussparung eines zweiten Siliziumdioxid-Elementes Recess of a second silicon dioxide element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2007/106860 [0072, 0072] WO 2007/106860 [0072, 0072]
- EP 0504467 B1 [0073, 0073, 0073, 0073] EP 0504467 B1 [0073, 0073, 0073, 0073]
- WO 2010/037694 [0093, 0168, 0168] WO 2010/037694 [0093, 0168, 0168]
- EP 2009/062387 [0093, 0168] EP 2009/062387 [0093, 0168]
- US 7708827 B2 [0122] US 7708827 B2 [0122]
- DE 3802531 A1 [0167] DE 3802531 A1 [0167]
- DE 3802531 [0167] DE 3802531 [0167]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „Silicon for Solar Cells“ von Anne-Karin Søiland vom Norwegian University of Science and Technology, Oktober 2004 [0167] "Silicon for Solar Cells" by Anne-Karin Søiland of the Norwegian University of Science and Technology, October 2004 [0167]
Claims (15)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201210202589 DE102012202589A1 (en) | 2012-02-21 | 2012-02-21 | Use for a crucible |
TW102104217A TW201343282A (en) | 2012-02-21 | 2013-02-04 | Insert for a melting crucible |
PCT/EP2013/052419 WO2013124162A1 (en) | 2012-02-21 | 2013-02-07 | Insert for a melting crucible and melting crucible comprising such an insert |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201210202589 DE102012202589A1 (en) | 2012-02-21 | 2012-02-21 | Use for a crucible |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102012202589A1 true DE102012202589A1 (en) | 2013-08-22 |
Family
ID=47678829
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201210202589 Withdrawn DE102012202589A1 (en) | 2012-02-21 | 2012-02-21 | Use for a crucible |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102012202589A1 (en) |
TW (1) | TW201343282A (en) |
WO (1) | WO2013124162A1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3802531A1 (en) | 1988-01-28 | 1989-08-17 | Siemens Ag | Process for separating solid particles from silicon melts |
EP0504467B1 (en) | 1990-02-22 | 1997-10-01 | Nissan Chemical Industries Ltd. | Method of preparing high-purity aqueous silica sol |
WO2007106860A2 (en) | 2006-03-15 | 2007-09-20 | Reaction Sciences, Inc. | Method for making silicon for solar cells and other applications |
WO2010037694A2 (en) | 2008-09-30 | 2010-04-08 | Evonik Degussa Gmbh | Production of solar-grade silicon from silicon dioxide |
US7708827B2 (en) | 2002-02-05 | 2010-05-04 | Sgl Carbon Se | Highly pure, replaceable wear insert and process for manufacturing the same |
WO2011035807A1 (en) | 2009-09-24 | 2011-03-31 | Nokia Siemens Networks Oy | Method for dynamically controlling an uplink transmission power of a user equipment |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2804131A1 (en) * | 2000-01-20 | 2001-07-27 | Lorraine Carbone | Crucible holder made by assembling carbonaceous material matching parts designed to overlap and its utilisation in crystal growth operations |
DE102009015236B4 (en) * | 2009-04-01 | 2015-03-05 | H.C. Starck Gmbh | Crucible and its use |
US20110180229A1 (en) * | 2010-01-28 | 2011-07-28 | Memc Singapore Pte. Ltd. (Uen200614794D) | Crucible For Use In A Directional Solidification Furnace |
-
2012
- 2012-02-21 DE DE201210202589 patent/DE102012202589A1/en not_active Withdrawn
-
2013
- 2013-02-04 TW TW102104217A patent/TW201343282A/en unknown
- 2013-02-07 WO PCT/EP2013/052419 patent/WO2013124162A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3802531A1 (en) | 1988-01-28 | 1989-08-17 | Siemens Ag | Process for separating solid particles from silicon melts |
EP0504467B1 (en) | 1990-02-22 | 1997-10-01 | Nissan Chemical Industries Ltd. | Method of preparing high-purity aqueous silica sol |
US7708827B2 (en) | 2002-02-05 | 2010-05-04 | Sgl Carbon Se | Highly pure, replaceable wear insert and process for manufacturing the same |
WO2007106860A2 (en) | 2006-03-15 | 2007-09-20 | Reaction Sciences, Inc. | Method for making silicon for solar cells and other applications |
WO2010037694A2 (en) | 2008-09-30 | 2010-04-08 | Evonik Degussa Gmbh | Production of solar-grade silicon from silicon dioxide |
WO2011035807A1 (en) | 2009-09-24 | 2011-03-31 | Nokia Siemens Networks Oy | Method for dynamically controlling an uplink transmission power of a user equipment |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Silicon for Solar Cells" von Anne-Karin Søiland vom Norwegian University of Science and Technology, Oktober 2004 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2013124162A1 (en) | 2013-08-29 |
TW201343282A (en) | 2013-11-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102012103409B3 (en) | Preparing lithium-aluminum-titanium phosphate compounds useful for preparing solid-state electrolyte for lithium ion batteries, comprises e.g. providing aqueous solutions of lithium, aluminum, and phosphate salts, and forming sol | |
EP0766657B1 (en) | Production of ceramic layers and their use | |
DE2540756A1 (en) | IMPROVED WATERGLASS DIMENSIONS | |
EP2152761B1 (en) | Process for the production of plastics having networks made of nanoparticles | |
EP2336085A3 (en) | Lithium metal phosphates, their production and use as electrode materials | |
KR102070380B1 (en) | Method for producing synthetic hectorite at low temperature and atmospheric pressure | |
EP1074513A2 (en) | Sinter materials and their processes of manufacture and uses, dispersions of silica granules and their uses, as well as uses of silica granules | |
WO2018185251A1 (en) | Method for producing casting molds, cores and basic mold materials regenerated therefrom | |
DE102009038798A1 (en) | A method for producing powder of an alumina precursor and method for producing alumina powder | |
EP2526057A1 (en) | Method for producing phyllosilicate discs having a high aspect ratio | |
WO2012113461A1 (en) | Method for obtaining high-purity silicon | |
WO2015124768A1 (en) | Compounds or molded articles made of inorganic polymers, and production thereof | |
DE10243954B3 (en) | Manufacture of opaque quartz glass composite material, used as starting material of permanent shaping-die manufacture of solar silicon melting, involves forming composite slip by mixing quartz glass granules and homogenous base slip | |
DE102007057812A1 (en) | LED, has light converter comprising light conversion material for receiving output light and producing converted light, and sol gel glass, where light conversion material and filler are embedded in sol-gel glass | |
EP3492437A1 (en) | Composite material comprising at least one first material and particles, whereby the particles have a negative thermal expansion coefficient alpha, and adhesive material comprising the composite material | |
EP0318101A2 (en) | Process for the preparation of titanium dioxide powder | |
DE102012202589A1 (en) | Use for a crucible | |
WO2013124166A1 (en) | Method for the production of high-purity sio2 | |
WO2012113670A1 (en) | Process for producing sio2 mouldings | |
JP2528462B2 (en) | Method for producing sodium hexatitanate fine particle powder | |
DE102011004748A1 (en) | Preparing silicon dioxide molded body useful for preparing high-purity metallic silicon, comprises preparing a flowable aqueous silicon dioxide mass, solidifying aqueous silicon dioxide mass, and drying the solidified silicon dioxide mass | |
DE102012213021A1 (en) | Molded body made of silicon dioxide, comprises at least one channel-shaped region whose surface comprises protrusions and/or recesses which form a helix in the channel-shaped region | |
DE102011006406A1 (en) | Production of silica molding involves solidifying and drying free-flowing aqueous silica composition | |
DE102004021424A1 (en) | Joining or sealing element made of a glass-infiltrated ceramic or metal composite and method for its application | |
JP5397807B2 (en) | Synthetic smectite, method for producing the same, and composite film |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140902 |