DE102015102858A1

DE102015102858A1 - Light-absorbing quartz glass and process for its production

Info

Publication number: DE102015102858A1
Application number: DE102015102858.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Bär; Rene Ellrich
Original assignee: Iqs GmbH
Current assignee: Iqs GmbH
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2035-02-28
Also published as: DE102015102858B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Licht absorbierenden, insbesondere schwarzen oder grauen Quarzglases. Das Verfahren umfasst das Herstellen eines Sols; das Gelieren des Sols zu einem Gelteil; das Trocknen und Aushärten des Gelteils zu einem Xerogel; das Bereinigen des Xerogels durch eine erste Temperaturbehandlung; und das Verdichten des bereinigten Xerogels zu einem Glaskörper durch eine zweite Temperaturbehandlung, wobei die Temperatur der zweiten Temperaturbehandlung höher ist, als die der ersten Temperaturbehandlung. Erfindungsgemäß werden dem Sol vor dem Gelieren Kohlenstoffpartikel zugesetzt und im Sol dispergiert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Quarzglas, in welchem eine Vielzahl einzelner Kohlenstoffpartikel eingebracht ist, wobei die Kohlenstoffpartikel in einem Größenbereich von 1 nm bis 2000 nm liegen sowie im Gefüge des Quarzglases verteilt und jeweils eingeschlossen sind.The invention relates to a method for producing a light-absorbing, in particular black or gray quartz glass. The method comprises preparing a sol; gelling the sol to a gel portion; drying and curing the gel part to a xerogel; purifying the xerogel by a first temperature treatment; and compacting the purified xerogel into a glass body by a second temperature treatment, wherein the temperature of the second temperature treatment is higher than that of the first temperature treatment. According to the invention, carbon particles are added to the sol before gelling and dispersed in the sol. The invention also relates to a quartz glass, in which a plurality of individual carbon particles is introduced, wherein the carbon particles are in a size range of 1 nm to 2000 nm and distributed in the structure of the quartz glass and each included.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung eines Licht absorbierenden, insbesondere schwarzen oder grauen Quarzglases. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein schwarzes oder graues synthetisches Quarzglas, welches aus einem Sol hergestellt wird und beispielsweise der Absorption von Lichtstrahlen aus bestimmten Richtungen dient. The present invention initially relates to a process for producing a light-absorbing, in particular black or gray quartz glass. Furthermore, the invention relates to a black or gray synthetic quartz glass, which is made of a sol and for example serves to absorb light rays from certain directions.

Unter schwarzem Quarzglas wird ein Quarzglas verstanden, welches das Licht zumindest im sichtbaren Spektralbereich praktisch vollständig absorbiert und darüber hinaus die für Quarzglas typischen Eigenschaften, wie geringe thermische Ausdehnung, hohe Temperaturbelastbarkeit und hohe Reinheit besitzt. Unter einem grauen Quarzglas wird ein Quarzglas verstanden, welches einen Lichtstrahl zumindest im sichtbaren Spektralbereich unabhängig von seiner Wellenlänge gleichmäßig abschwächt, wobei die Abschwächung auf Absorption beruht. Im Folgenden umfasst der Begriff des schwarzen Quarzglases auch graue Quarzgläser, deren Licht absorbierende Wirkungen also relevant geringer als beim schwarzen Glas sind. Allgemein kann somit auch von Licht absorbierenden Quarzgläsern gesprochen werden. Black quartz glass is understood to mean a quartz glass which absorbs the light virtually completely, at least in the visible spectral range, and moreover has the properties typical of quartz glass, such as low thermal expansion, high temperature resistance and high purity. A gray quartz glass is understood to mean a quartz glass which uniformly attenuates a light beam, at least in the visible spectral range, irrespective of its wavelength, the attenuation being based on absorption. In the following, the term of the black quartz glass also includes gray quartz glasses whose light-absorbing effects are thus significantly lower than in the case of black glass. In general, it is therefore also possible to speak of light-absorbing quartz glass.

Im schwarzen Quarzglas wird die Lichtabsorption durch submikroskopische Partikel bewirkt. Diese schwärzenden Substanzen werden üblicherweise durch Übergangsmetalle oder deren Kombinationen gebildet. Die Nutzung solcher Übergangsmetalle ist allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass diese in Quarzglasausrüstungen der Halbleiterindustrie oft nicht geduldet werden. Außerdem sind für die geforderte Absorption im infraroten Spektralbereich relativ hohe Konzentrationen dieser Elemente notwendig, wodurch andere Eigenschaften des Quarzglases nachteilig verändert werden. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung schwarzer Quarzgläser bekannt, bei welchen Kohlenstoff als schwärzende Substanz genutzt wird. Bei diesen Verfahren entsteht der Kohlenstoff über chemische Reaktionen während des Herstellungsprozesses. Eine definierte Einstellung der Größe und der Verteilung der Kohlenstoffpartikel im Quarzglas lässt sich damit nicht oder nur mit ungenügender Genauigkeit erreichen. Das ist mit dem Nachteil behaftet, dass Eigenschaften wie der Absorptionsgrad nicht gleichmäßig über das Volumen des Quarzglases eingestellt werden können. In black quartz glass, light absorption is effected by submicroscopic particles. These blackening substances are usually formed by transition metals or combinations thereof. The use of such transition metals, however, has the disadvantage that they are often not tolerated in quartz glass equipment of the semiconductor industry. In addition, relatively high concentrations of these elements are necessary for the required absorption in the infrared spectral range, whereby other properties of the quartz glass are adversely affected. The prior art discloses processes for producing black quartz glasses in which carbon is used as the blackening substance. In these processes, the carbon is produced by chemical reactions during the manufacturing process. A defined adjustment of the size and the distribution of the carbon particles in the quartz glass can not be achieved or only with insufficient accuracy. This has the disadvantage that properties such as the degree of absorption can not be adjusted uniformly over the volume of the quartz glass.

Die DE 33 90 375 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumdioxidglas nach der Sol-Gel-Technik unter Verwendung eines Siliciumalkoxids als Rohmaterial. Ziel ist es, ein billiges, in guten Ausbeuten ablaufendes Verfahren zur Herstellung von hochwertigem Siliciumdioxidglas in großen Abmessungen bereitzustellen. Dazu wird eine Sollösung aus einem Siliciumalkoxid durch Hydrolyse hergestellt und mit kolloidalem Siliciumdioxid vermischt. Diese Lösung geliert und wird dann zu einem trockenen Gel getrocknet. Durch die Sinterung des trockenen Gels durch eine Temperaturerhöhung soll Siliciumdioxidglas entstehen. The DE 33 90 375 C2 describes a method for producing silica glass by the sol-gel technique using a silicon alkoxide as a raw material. The aim is to provide a cheap, running in good yields process for the production of high-quality silica glass in large dimensions. For this purpose, a sol solution of a silicon alkoxide is prepared by hydrolysis and mixed with colloidal silica. This solution gels and is then dried to a dry gel. By sintering the dry gel by increasing the temperature, silicon dioxide glass is to be formed.

Die DE 10 201 022 534 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers aus einem Gelkörper, wobei der aus einem Sol erzeugte Gelkörper zumindest geformt und zu dem Quarzglaskörper verdichtet wird. Dazu werden dem Sol vor dem Gelieren zum Gelkörper Verdrängungskörper hinzugefügt, welche nach dem Gelieren vollständig aus dem Gelkörper entfernt werden, wobei an den Positionen der entfernten Verdrängungskörper Hohlräume erzeugt werden, sodass ein transluzenter oder opaker Quarzglaskörper erzeugt wird. The DE 10 201 022 534 A1 relates to a method for producing a quartz glass body from a gel body, wherein the gel body generated from a sol is at least formed and compacted into the quartz glass body. To this end, prior to gelation, the sol is added to the gel body which is completely removed from the gel body after gelling, with cavities being created at the positions of the removed displacer so as to produce a translucent or opaque quartz glass body.

Die JP 2000 281430 A zeigt schwarzes Siliciumdioxidglas und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei wird feines Siliciumdioxid-Granulat zusammen mit einem Bindemittel zu einem Körper geformt. Der Körper wird thermisch behandelt, wobei in den Kornzwischenräumen des Granulates infolge der Pyrolyse des Bindemittels Kohlenstoff entsteht und der Körper schwarz wird. Das hier entstehende Siliciumdioxidglas hat den Nachteil, dass es bei mikroskopischer Betrachtung zu grob strukturiert ist und beim Verschweißen mit normalem Quarzglas oder bei ähnlicher thermischer Beanspruchung aufschäumt und damit für die gewünschten optischen Anwendungen unbrauchbar wird. The JP 2000 281430 A shows black silica glass and a process for its production. In this case, fine silica granules are formed together with a binder into a body. The body is thermally treated, whereby carbon is formed in the grain interstices of the granules as a result of the pyrolysis of the binder and the body turns black. The resulting silica glass has the disadvantage that it is too coarse structured on microscopic observation and foams when welded to normal quartz glass or similar thermal stress and thus unusable for the desired optical applications.

Die US 2009/0098370 A1 beschreibt ein schwarzes Quarzglas, für dessen Erzeugung ein poröser Siliciumdioxidkörper genutzt wird, welcher mit einem siliciumorganischen Gas gefüllt wird. Die Gasphasenreaktion mit den Hydroxylgruppen der inneren Oberfläche soll zur Bildung von Kohlenstoff und gasförmigen Reaktionsprodukten führen, die den porösen Siliciumdioxidkörper teilweise noch vor der Verdichtung zum kompakten schwarzen Quarzglas verlassen. The US 2009/0098370 A1 describes a black quartz glass, for the production of which a porous silica body is used, which is filled with an organosilicon gas. The gas phase reaction with the hydroxyl groups of the inner surface is said to result in the formation of carbon and gaseous reaction products which partially leave the porous silica body prior to densification into the compact black silica glass.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Licht absorbierendes, insbesondere schwarzes Quarzglas und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, in welchem Kohlenstoffpartikel homogen verteilt eingebracht sind, sodass das Absorptionsvermögen im Material homogen ist. Das materialspezifische Absorptionsvermögen soll durch die Menge an eingelagerten Kohlenstoffpartikeln in weiten Grenzen definiert werden können, ohne dass die Homogenität des Absorptionsvermögens darunter leidet. Das schwarze Quarzglas soll außerdem ohne Aufschäumen mit anderem Quarzglas verbunden werden können und seine Herstellung soll kostengünstig sein. Insbesondere soll die direkte Erzeugung maßgenauer Körper aus schwarzem Quarzglas mit endfertigen strukturierten Oberflächen ermöglicht werden. It is an object of the present invention, starting from the prior art, to provide a light-absorbing, in particular black quartz glass and a process for its production, in which carbon particles are homogeneously distributed, so that the absorption capacity in the material is homogeneous. The material-specific absorbency should be defined by the amount of embedded carbon particles within wide limits, without the homogeneity of the absorption capacity suffers. The black quartz glass should also be able to be connected without foaming with other quartz glass and its production should be cost-effective. In particular, the direct production of dimensionally accurate body of black quartz glass with finished structured surfaces is to be made possible.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines schwarzen oder grauen Quarzglases gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Quarzglas gemäß den beigefügten nebengeordneten Ansprüchen 6, 9 und 10. The object is achieved by a method for producing a black or gray quartz glass according to the appended claim 1. The object is further achieved by a quartz glass according to the attached independent claims 6, 9 and 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung von Licht absorbierendem, insbesondere schwarzem/grauem Quarzglas mittels eines Sol-Gel-Prozesses, in welchem Kohlenstoffpartikel dem Sol zugesetzt werden, die das Licht absorbieren. Der Sol-Gel-Prozess ist als solches bekannt und beinhaltet die Umwandlung eines Sols in Quarzglas. Für die Einzelheiten des Sol-Gel-Prozesses wird insbesondere auf die DE 33 90 375 C2 und die DE 10 201 022 534 A1 verwiesen. The process according to the invention serves to produce light-absorbing, in particular black / gray quartz glass by means of a sol-gel process in which carbon particles are added to the sol which absorb the light. The sol-gel process is known as such and involves the conversion of a sol into fused silica. For the details of the sol-gel process is in particular the DE 33 90 375 C2 and the DE 10 201 022 534 A1 directed.

Das Sol wird aus hydrolisiertem Siliciumalkoxid und kolloidalem Siliciumdioxid hergestellt. Dafür wird Siliciumalkoxid verwendet und unter Bildung einer Sollösung hydrolysiert. Dieser Sollösung wird unter Rühren kolloidales Siliciumdioxid zugesetzt, so dass das Sol entsteht. The sol is prepared from hydrolyzed silicon alkoxide and colloidal silica. For this, silicon alkoxide is used and hydrolyzed to form a sol solution. Colloidal silica is added to this sol solution with stirring to form the sol.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden dem Sol nun Kohlenstoffpartikel zugesetzt. Diese Kohlenstoffpartikel werden entweder in Form von trockenem Pulver oder innerhalb einer Dispersion dem Sol beigefügt und dispergiert, bis sie homogen verteilt im Sol vorliegen. In a further process step, carbon particles are now added to the sol. These carbon particles are added to the sol either in the form of dry powder or within a dispersion and dispersed until they are homogeneously distributed in the sol.

Die bevorzugt verwendete Dispersion ist wässrig und beinhaltet Netz- und Dispergiermittel und Kohlenstoffpartikel, so dass diese Dispersion auch als kolloidale Kohlenstoffdispersion bezeichnet werden kann. Die Dispersion ist im Weiteren wasserlöslich und funktioniert auf Basis einer elektrostatischen, sterischen oder elektrosterischen Stabilisierungsart. The preferred dispersion used is aqueous and includes wetting and dispersing agents and carbon particles, so that this dispersion can also be referred to as a colloidal carbon dispersion. The dispersion is further water-soluble and works on the basis of an electrostatic, steric or electrosteric stabilization.

Die dem Sol beigefügten Kohlenstoffpartikel haben eine monomodale Größenverteilung und werden mit einer definierten nanoskaligen Größe in das Sol eingebracht. The carbon particles attached to the sol have a monomodal size distribution and are introduced into the sol with a defined nanoscale size.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird das kohlenstoffhaltige Sol zu einem Gelteil geliert. Dazu wird dem Sol in einem ersten Schritt eine Base zugefügt, so dass der pH-Wert steigt. Dann wird das Sol in einen Behälter mit einer vorbestimmten Größe und einem vorbestimmten Material gefüllt. Dieser Behälter wird sodann geschlossen und einige Zeit stehen gelassen. Dabei geliert das Sol zu einem Gelteil, wobei sich ein Siliciumnetzwerk ausbildet. Die vorher in dem Sol homogen verteilten und frei beweglichen Kohlenstoffpartikel werden durch die Bildung des Siliciumnetzwerkes bei der Gelierung immobilisiert und vom Siliciumnetzwerk umschlossen. In a next process step, the carbonaceous sol is gelled to a gel part. For this purpose, a base is added to the sol in a first step, so that the pH increases. Then, the sol is filled in a container having a predetermined size and a predetermined material. This container is then closed and left for a while. The sol gels into a gel part, forming a silicon network. The previously homogeneously distributed and freely mobile carbon particles in the sol are immobilized by the formation of the silicon network during gelation and enclosed by the silicon network.

Auf das Gelieren des kohlenstoffhaltigen Sols folgt das Trocknen und Aushärten des Gelteils zu einem Xerogel. Dafür wird der Deckel des Behälters, in welchem sich das Gelteil befindet, durch einen Deckel ersetzt, der nicht vollständig verschlossen ist. Der Behälter wird erhitzt und mehrere Tage bei derselben Temperatur belassen. Dabei wird der wässrige Teil des Gelteils abgedampft und das Gelteil schrumpft. Das daraus entstehende Xerogel ist ein harter, trockener und poröser Feststoff, welcher vorzugsweise keine Rissbildung zeigt. Gelling of the carbonaceous sol is followed by drying and curing of the gel portion to a xerogel. For this, the lid of the container, in which the gel part is located, replaced by a lid that is not completely closed. The container is heated and left at the same temperature for several days. In this case, the aqueous part of the gel part is evaporated and the gel part shrinks. The resulting xerogel is a hard, dry and porous solid which preferably does not crack.

In einem darauf folgenden Verfahrensschritt wird das Xerogel durch eine erste Temperaturbehandlung, welche im Wechsel von Vakuum und Inertgas stattfindet, bereinigt. Dabei wird das Xerogel in mehreren Schritten mit jeweils vorbestimmten Heizraten auf vorbestimmte Temperaturniveaus erwärmt und eine vorbestimmte Zeit stehen gelassen. Um Wasser und gasförmigen Sauerstoff zu entfernen, wird unter Inertgasatmosphäre gearbeitet. Dadurch wird ein Sauerstoffdefizit erzeugt, womit die Bildung von freiem Sauerstoff verhindert und eine Oxidierung der Kohlenstoffpartikel im Xerogel unterbunden wird. Durch eine weitere Temperaturerhöhung werden flüchtige Verunreinigungen, wie beispielsweise Salze entfernt. In a subsequent process step, the xerogel is purified by a first temperature treatment, which takes place in alternation of vacuum and inert gas. In this case, the xerogel is heated in several steps, each with predetermined heating rates to predetermined temperature levels and allowed to stand for a predetermined time. In order to remove water and gaseous oxygen, working under an inert gas atmosphere. As a result, an oxygen deficit is generated, which prevents the formation of free oxygen and prevents oxidation of the carbon particles in the xerogel. By further increasing the temperature, volatile impurities such as salts are removed.

In einem letzten Schritt des Verfahrens wird das bereinigte Xerogel durch eine an die erste Temperaturbehandlung direkt anschließende weitere Temperaturbehandlung verdichtet. Dafür wird die Temperatur mit einer vorbestimmten Heizrate ein weiteres Mal erhöht, wobei das bereinigte Xerogel unter Inertgasatmosphäre zu einem dichten, porenfreien Siliciumdioxidkörper gesintert wird, welcher das Quarzglas darstellt. Dieses Quarzglas ist durch die im Gefüge des Quarzglases eingeschlossenen Kohlenstoffpartikel grau getönt oder schwarz. Das Absorptionsvermögen ist durch die vorzugsweise homogene Verteilung der Kohlenstoffpartikel homogen und isotrop. In a final step of the process, the purified xerogel is compacted by a further temperature treatment directly following the first temperature treatment. For this, the temperature is raised a further time at a predetermined heating rate, whereby the purified xerogel is sintered under inert gas atmosphere to a dense, non-porous silica body, which is the quartz glass. This quartz glass is tinted gray or black by the carbon particles trapped in the structure of the quartz glass. The absorption capacity is homogeneous and isotropic due to the preferably homogeneous distribution of the carbon particles.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass definierte Formen von Kohlenstoffpartikeln verwendet werden können, welche sich im Herstellungsprozess nicht mehr ändern. Somit kann die Schwärzung und damit der Absorptionswert des Quarzglases einfach durch die Anzahl, Größe und Form der Kohlenstoffpartikel im Gefüge des Quarzglases eingestellt werden. Dadurch können neben schwarzen Quarzgläsern auch Quarzgläser mit unterschiedlichen Grautönen hergestellt werden. A particular advantage of the method according to the invention is that defined forms of carbon particles can be used which no longer change in the production process. Thus, the density and thus the absorption value of the quartz glass can be easily adjusted by the number, size and shape of the carbon particles in the structure of the quartz glass. As a result, quartz glasses with different shades of gray can be produced in addition to black quartz glasses.

Des Weiteren können durch das erfindungsgemäße Verfahren endformfertige oder endformnahe geometrische Quarzgläser gefertigt werden, was eine Aufwandsreduzierung für mechanische Nachbearbeitungen zur Folge hat. Auch die Oberflächenstrukturen des erfindungsgemäßen Quarzglases kommen den finalen Strukturen nahe. Somit ist das Verfahren kostengünstiger als vergleichbare Verfahren zur Herstellung von schwarzem Quarzglas, da die Kosten weiterer mechanischer Formgebungsprozesse gering gehalten werden. Furthermore, by the method according to the invention, final or near-net shape geometric quartz glasses can be produced, which results in a reduction in expenditure for mechanical reworking. The surface structures of the quartz glass according to the invention are also close to the final structures. Thus, the method is less expensive than comparable methods for producing black quartz glass, since the costs of further mechanical shaping processes are kept low.

Durch die bevorzugte Verwendung nanoskaliger Kohlenstoffpartikel wird eine vergleichsweise hohe Aufschäumtemperatur des Quarzglases erreicht, wodurch die thermische Bearbeitung des erfindungsgemäßen Quarzglases ermöglicht wird, ohne dass es zum Aufschäumen des Materials kommt. Des Weiteren ermöglichen derartig kleine Kohlenstoffpartikel eine sehr homogene Partikelverteilung in der Sollösung ohne nennenswerte Absinkerscheinungen oder Sedimentation der Kohlenstoffpartikel. Durch diese homogene Verteilung wird eine Agglomeration der Kohlenstoffpartikel vermieden. Dadurch zeigt das erzeugte Quarzglas eine homogene und isotrope Absorption. By the preferred use of nanoscale carbon particles, a comparatively high foaming temperature of the quartz glass is achieved, as a result of which the thermal processing of the quartz glass according to the invention is made possible without foaming of the material taking place. Furthermore, such small carbon particles allow a very homogeneous particle distribution in the sol solution without significant subsidence phenomena or sedimentation of the carbon particles. This homogeneous distribution avoids agglomeration of the carbon particles. As a result, the quartz glass produced shows a homogeneous and isotropic absorption.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Herstellung schwarzen Quarzglases durch dieses Verfahren, welches auf einem Sol-Gel-Prozess aufbaut, kostengünstiger ist, als bisher bekannte Verfahren. Ein weiterer Vorteil des im Verfahren angewandten Sol-Gel-Prozesses ist, dass schwarze Quarzgläser mit größeren Volumina hergestellt werden können. Die durch dieses Verfahren hergestellten Quarzgläser haben des Weiteren den Vorteil, dass sie einen deutlich höheren Absorptionsgrad aufweisen, als vergleichbare schwarze Quarzgläser aus dem Stand der Technik. Another advantage of the method according to the invention is that the production of black quartz glass by this method, which is based on a sol-gel process, is more cost-effective than previously known methods. Another advantage of the sol-gel process used in the process is that larger-volume black quartz glasses can be made. The quartz glasses produced by this method also have the advantage that they have a significantly higher degree of absorption than comparable black quartz glasses from the prior art.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Siliciumalkoxid Ethylsilicat oder Methylsilicat eingesetzt, welche durch heftiges Rühren mit Salzsäure vermischt und dann hydrolysiert werden. Durch Hinzufügen von kolloidalem Siliciumdioxid unter Rühren wird das Sol gewonnen. In preferred embodiments of the process according to the invention, the silicon alkoxide used is ethyl silicate or methyl silicate, which are mixed with hydrochloric acid by vigorous stirring and then hydrolyzed. By adding colloidal silica with stirring, the sol is recovered.

Die für die gleichmäßige Schwärzung und damit für den gleichmäßigen Absorptionsgrad über das gesamte Volumen des herzustellenden Quarzglases geforderte homogene Verteilung der Kohlenstoffpartikel erfordert den Einsatz von Kohlenstoffpartikeln in einem möglichst kleinen Größenbereich. Bevorzugt werden Kohlenstoffpartikel in einem Größenbereich von 1 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt in einem Größenbereich von 1 nm bis 100 nm in das Sol eingebracht. Bevorzugt ist die Größenverteilung der Kohlenstoffpartikel monomodal. Bevorzugt ist weiterhin eine Größenverteilung, die durch eine unsymmetrische Größendichteverteilungskurve gekennzeichnet ist, bei der die Flanke im Bereich der großen Partikel deutlich steiler als die der kleinen ist. Eine vereinfachte Dispergierbarkeit der Kohlenstoffpartikel in dem Sol erfolgt, wenn die Kohlenstoffpartikel innerhalb einer wässrigen Dispersion, welche mit Netz- und Dispergierhilfsmittel versetzt und wasserlöslich ist, dem Sol zugesetzt werden. Der Gehalt des Netz- und Dispergierhilfsmittels liegt bevorzugt bei kleiner gleich 1 Masseprozent. Dadurch wird die spätere Reinheit des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten schwarzen Quarzglases nur untergeordnet beeinflusst, so dass sich die physikalischen Eigenschaften des erzeugten Quarzglases nicht oder kaum ändern. The homogeneous distribution of the carbon particles required for the uniform blackening and thus for the uniform degree of absorption over the entire volume of the quartz glass to be produced requires the use of carbon particles in as small a size range as possible. Carbon particles in a size range from 1 nm to 500 nm, more preferably in a size range from 1 nm to 100 nm, are preferably introduced into the sol. The size distribution of the carbon particles is preferably monomodal. Preference is also given to a size distribution which is characterized by an asymmetrical size distribution curve in which the flank in the region of the large particles is significantly steeper than that of the small one. A simplified dispersibility of the carbon particles in the sol takes place when the carbon particles are added to the sol within an aqueous dispersion which is mixed with wetting and dispersing aid and is water-soluble. The content of the wetting and dispersing aid is preferably less than or equal to 1% by mass. As a result, the subsequent purity of the black quartz glass produced by the method according to the invention is only influenced in a subordinate manner, with the result that the physical properties of the quartz glass produced do not change or hardly change.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der Behälter, in welchen das Sol zum Gelieren gegossen wird, aus Polystyrol, Polypropylen oder Glas und seine Form ist bevorzugt so gestaltet, dass das Gelteil dem späteren Produkt zumindest bezüglich des Maßstabes weitgehend entspricht. Der Behälter wird bevorzugt auf Zimmertemperatur erwärmt und über mehrere Stunden stehengelassen. In preferred embodiments of the method according to the invention, the container in which the sol is poured for gelling, consists of polystyrene, polypropylene or glass and its shape is preferably designed so that the gel part largely corresponds to the later product, at least in terms of scale. The container is preferably heated to room temperature and allowed to stand for several hours.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Behälter mit dem Gelteil, welches zu einem Xerogel getrocknet und ausgehärtet wird, bevorzugt auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 50°C bis 90°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur von 60°C mit einer konstanten Heizrate erwärmt. In particularly preferred embodiments of the method according to the invention, the container with the gel part, which is dried to a xerogel and cured, preferably to a temperature in a temperature range of 50 ° C to 90 ° C, particularly preferably to a temperature of 60 ° C with a heated constant heating rate.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Xerogel zum Bereinigen des Gelteils in mehreren Schritten bevorzugt auf Temperaturen innerhalb eines Temperaturbereichs von 100°C bis 1000°C, besonders bevorzugt eines Temperaturbereichs von 150°C bis 800°C erwärmt. In preferred embodiments of the method according to the invention, the xerogel is heated to purify the gel part in several steps preferably to temperatures within a temperature range of 100 ° C to 1000 ° C, more preferably a temperature range of 150 ° C to 800 ° C.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das bereinigte Xerogel zum Verdichten zum Quarzglas bevorzugt auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1500°C mit einer konstanten Heizrate erwärmt, wobei die Obergrenze der Temperatur durch die einsetzende Verformung bestimmt wird. In particularly preferred embodiments of the method according to the invention, the purified xerogel for compacting to quartz glass is preferably heated to a temperature in a temperature range from 800 ° C to 1500 ° C at a constant heating rate, the upper limit of the temperature being determined by the onset of deformation.

Das erfindungsgemäße Quarzglas dient der Absorption von Strahlen im Spektralbereich von Infrarot bis Ultraviolett. Es kann überall dort eingesetzt werden, wo Lichtstrahlen aus bestimmten Richtungen unerwünscht sind und beseitigt werden sollen. Typische Anwendungsbeispiele sind Quarzglasküvetten für Fluoreszenzuntersuchungen, Laserstrahlfallen und Blendschutzvorrichtungen. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Quarzglas zur Blockierung von Wärmestrahlung verwendet werden, wenn das schwarze Quarzglas auch im infraroten Spektralbereich ein hohes Absorptionsvermögen aufweist. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Einsatz schwarzen Quarzglases als Messfleck für pyrometrische Messungen der Temperatur innerhalb von Quarzglasreaktoren. The quartz glass according to the invention serves to absorb rays in the spectral range from infrared to ultraviolet. It can be used anywhere where light rays from certain directions are undesirable and should be eliminated. Typical application examples are quartz glass cuvettes for fluorescence investigations, laser beam traps and antiglare devices. Furthermore For example, the quartz glass according to the invention can be used for blocking heat radiation if the black quartz glass also has a high absorption capacity in the infrared spectral range. Another field of application is the use of black quartz glass as a measuring spot for pyrometric measurements of the temperature within quartz glass reactors.

Das erfindungsgemäße Quarzglas zeichnet sich dadurch aus, dass im Gefüge des Quarzglases nanoskalige Kohlenstoffpartikel homogen verteilt und jeweils eingeschlossen sind. Je nach Anzahl und Größe der eingebrachten Kohlenstoffpartikel im Gefüge des Quarzglases ist das Quarzglas grau oder schwarz gefärbt. The quartz glass according to the invention is characterized in that nano-scale carbon particles are homogeneously distributed in the structure of the quartz glass and enclosed in each case. Depending on the number and size of the introduced carbon particles in the structure of the quartz glass, the quartz glass is colored gray or black.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglases ist dadurch charakterisiert, dass es bei einer Schichtdicke von 0,5 mm und einem Kohlenstoffgehalt von 1000 ppm/Gewicht eine Transmission im Bereich von 190 nm bis 3200 nm kleiner 0,25 % aufweist und dennoch die für Quarzglas typischen Eigenschaften wie geringe thermische Ausdehnung, hohe Temperaturbelastbarkeit und hohe Reinheit besitzt. Das erfindungsgemäße Quarzglas ist zudem insbesondere frei von Einschlüssen und Blasen. A particularly preferred embodiment of the quartz glass according to the invention is characterized in that it has a transmission in the range of 190 nm to 3200 nm less than 0.25% with a layer thickness of 0.5 mm and a carbon content of 1000 ppm / weight and yet that for quartz glass has typical properties such as low thermal expansion, high temperature resistance and high purity. The quartz glass according to the invention is also in particular free of inclusions and bubbles.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Quarzglases ist, dass es bei einer Materialstärke von 0,5 mm bereits einen sehr hohen Absorptionsgrad von größer 99,75 % über einen Wellenlängenbereich von 190 nm bis 3200 nm hat. Weiterhin besitzt das Quarzglas bevorzugt eine hohe Aufschäumtemperatur, welche sich aus der homogenen Verteilung der nanoskaligen Kohlenstoffpartikel ergibt und eine thermische Bearbeitung ohne Aufschäumen ermöglicht. Solche thermischen Bearbeitungsschritte können beispielsweise Umsenken oder Verschweißen sein. An advantage of the quartz glass according to the invention is that, with a material thickness of 0.5 mm, it already has a very high absorptivity of greater than 99.75% over a wavelength range of 190 nm to 3200 nm. Furthermore, the quartz glass preferably has a high foaming temperature, which results from the homogeneous distribution of the nanoscale carbon particles and allows thermal processing without foaming. Such thermal processing steps can be, for example, countersinking or welding.

Die im Quarzglas enthaltenen Kohlenstoffpartikel haben bevorzugt eine Größe in einem Bereich von 1 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 nm bis 100 nm. The carbon particles contained in the quartz glass preferably have a size in a range of 1 nm to 500 nm, more preferably in a range of 1 nm to 100 nm.

Weiterhin sind die im Quarzglas enthaltenen Kohlenstoffpartikel bevorzugt homogen verteilt, womit das Quarzglas ein homogenes und isotropes Absorptionsvermögen hat. Furthermore, the carbon particles contained in the quartz glass are preferably distributed homogeneously, with which the quartz glass has a homogeneous and isotropic absorption capacity.

Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Quarzglas, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Another object of the invention is a quartz glass, which can be produced by the method according to the invention.

Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Quarzglas, welches die zuvor beschriebenen gegenständlichen Eigenschaften besitzt und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Another object of the invention is a quartz glass, which has the above-described objective properties and can be produced by the method according to the invention.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Further advantages, details and developments of the invention will become apparent from the following description of several embodiments.

Ausführungsbeispiel 1: Embodiment 1

292 ml 0,01 Mol/Liter Salzsäure werden unter heftigem Rühren zu 208 g (1 Mol) handelsüblichem Ethylsilicat gegeben. Das Ethylsilicat wird dabei hydrolysiert. 89 g (1,5 Mol) kolloidales Siliciumdioxid (Oberfläche 50 m²/g) werden unter ebenfalls heftigem Rühren zu der Lösung zugegeben. Weiterhin werden 448 mg Kohlenstoffpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 25 nm der Lösung zugegeben. Anschließend wird eine Ultraschallbehandlung der Lösung durchgeführt. Durch Zugabe von 0,1 Mol/Liter Ammoniaklösung wird der pH-Wert der Lösung auf 4,5 eingestellt. Das so hergestellte Sol wird mit einer Dicke von 3 cm in einen geeigneten Behälter (z.B. aus Polystyrol, Polypropylen oder Borosilikatglas) mit einer Breite von 13 cm, einer Länge von 13 cm und einer Höhe von 5 cm gegossen. Danach wird der Behälter mit einem geeigneten Deckel verschlossen. Der mit Sol gefüllte Behälter wird bei 20°C stehengelassen. Das darin enthaltene Sol geliert innerhalb von 30 Minuten. Sodann wird das Gelteil über mehrere Stunden stehengelassen. 292 ml of 0.01 mol / liter of hydrochloric acid are added with vigorous stirring to 208 g (1 mol) of commercially available ethyl silicate. The ethyl silicate is hydrolyzed. 89 g (1.5 mol) of colloidal silica (surface area 50 m ² / g) are added to the solution while stirring vigorously. Furthermore, 448 mg of carbon powder with an average particle size of 25 nm are added to the solution. Subsequently, an ultrasonic treatment of the solution is carried out. By adding 0.1 mol / liter of ammonia solution, the pH of the solution is adjusted to 4.5. The sol thus prepared is poured at a thickness of 3 cm into a suitable container (for example made of polystyrene, polypropylene or borosilicate glass) with a width of 13 cm, a length of 13 cm and a height of 5 cm. Thereafter, the container is closed with a suitable lid. The container filled with sol is allowed to stand at 20 ° C. The sol contained within it gels within 30 minutes. Then the gel part is allowed to stand for several hours.

Anschließend wird die Abdeckung des Behälters durch eine Abdeckung mit einem Öffnungsanteil von 0,8 % ersetzt und das Gelteil wird mit einer Heizrate von 3°C/h von 20°C auf 60°C erwärmt. Das Gel wird 7 Tage bei 60°C unter Bildung eines harten, trockenen Xerogels der Abmessungen 8,5cm × 8,5cm × 2cm getrocknet. Subsequently, the cover of the container is replaced by a cover with an opening ratio of 0.8% and the gel part is heated at a heating rate of 3 ° C / h from 20 ° C to 60 ° C. The gel is dried for 7 days at 60 ° C to form a hard, dry xerogel of dimensions 8.5cm x 8.5cm x 2cm.

Bei einem praktischen Versuch wurde das auf die vorstehende Weise hergestellte Sol in 20 gleichartige Behälter gegossen und unter den gleichen Bedingungen getrocknet. Bei keinem der 20 Gele trat Rissbildung auf, was einer Ausbeute von 100 % entspricht. In a practical experiment, the sol prepared in the above manner was poured into 20 similar containers and dried under the same conditions. None of the 20 gels cracked, which corresponds to a yield of 100%.

Auf vorgenannte Weise wurden weitere 20 Xerogele hergestellt. Diese wurden in einem nächsten Schritt mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 60°C/h auf 150°C erwärmt und 3 Stunden bei 150°C belassen. Die Proben wurden sodann unter Inertgasatmosphäre mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 60°C/h auf 300°C erwärmt und 5 Stunden bei 300°C belassen, um das adsorbierte Wasser und gasförmigen Sauerstoff zu entfernen. Diese Xerogele wurden sodann mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 100°C/h auf 800°C erwärmt und 18 Stunden bei 800°C belassen, um flüchtige Verunreinigungen wie z.B. Ammoniumchlorid und andere Salze zu entfernen. Nach weiterem Erwärmen auf 1300°C mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 100°C/h und einstündigem Belassen bei 1300°C, wurden die Proben porenfrei verdichtet. Resultat o.g. Prozessablaufs waren synthetische, visuell schwarz erscheinende Siliciumdioxidgläser der Abmessungen 6,5cm × 6,5cm × 1,5cm. Beim Einsatz des vorgenannten Sinterungsverfahrens kam es bei keiner der 20 Proben zu Rissbildung im Glaskörper. Dies enstpricht einer Ausbeute von 100 %. Ferner waren sämtliche so erhaltene Siliciumdioxidgläser frei von Entglasung oder Blasenbildung und erwiesen sich als hochwertig. In the aforementioned manner, another 20 xerogels were produced. These were heated in a next step at a heating rate of 60 ° C / h to 150 ° C and left at 150 ° C for 3 hours. The samples were then heated under inert gas atmosphere at a heating rate of 60 ° C / h to 300 ° C and left for 5 hours at 300 ° C to remove the adsorbed water and gaseous oxygen. These xerogels were then heated to 800 ° C at a heating rate of 100 ° C / hr and kept at 800 ° C for 18 hours to remove volatile impurities such as ammonium chloride and other salts. After further heating to 1300 ° C with a heating rate of 100 ° C / h and left for one hour at 1300 ° C, the Samples are compressed without pores. Result of this process were synthetic, visually black appearing silica glasses of dimensions 6.5cm × 6.5cm × 1.5cm. When using the abovementioned sintering method, none of the 20 samples developed cracking in the vitreous body. This corresponds to a yield of 100%. Further, all the silica glasses thus obtained were free from devitrification or blistering and proved to be high in quality.

Eine chemische Analyse des so hergestellten Siliciumdioxidglases zeigt im Bezug auf den Gehalt anorganischer Fremdelemente vergleichbare Werte zu handelsüblichen transparenten synthetischen Quarzgläsern. A chemical analysis of the silica glass thus prepared shows comparable values to commercially available transparent synthetic quartz glass with respect to the content of inorganic foreign elements.

1 zeigt die aufgenommenen Transmissionsspektren einer gemäß dem vorstehenden Verfahren hergestellten Siliciumdioxidglases (Probe B) im Vergleich mit einem herkömmlichen schwarzen Quarzglas (Probe A). Das erfindungsgemäß hergestellte Glas zeigt außergewöhnliche optische Eigenschaften. Der Absorptionsgrad dieses Glases übertrifft erheblich den Absorptionsgrad des vorbekannten schwarzen Silicium-dioxidglases über den gesamten gemessenen Wellenlängenbereich von 190 nm bis 3.200 nm. Selbst eine weitere Verringerung der Schichtdicke des Messobjektes um den Faktor > 10 zeigt noch immer eine deutlich höhere Absorption des o.g. Wellenlängenspektrums gegenüber vorbekannten Gläsern. 1 Fig. 14 shows the recorded transmission spectra of a silica glass (Sample B) prepared according to the above method in comparison with a conventional black quartz glass (Sample A). The glass produced according to the invention shows exceptional optical properties. The degree of absorption of this glass considerably exceeds the degree of absorption of the previously known black silicon dioxide glass over the entire measured wavelength range from 190 nm to 3,200 nm. Even a further reduction of the thickness of the test object by a factor> 10 still contrasts with a significantly higher absorption of the above-mentioned wavelength spectrum previously known glasses.

Zur Bestimmung des homogenen Absorptionsverhaltens des vorgenannt hergestellten Siliciumdioxidglases, wurde eine Probe gleichmäßiger Dicke an insgesamt 6 voneinander entfernt liegenden Positionen auf ihre Transmissionseigenschaften untersucht. Es zeigten sich keinerlei signifikante Unterschiede bei der Auswertung der unterschiedlichen Spektren. Dies lässt auf eine homogene Verteilung der im Siliciumdioxidglas eingeschlossenen Kohlenstoffpartikel schließen. Das so hergestellte synthetische schwarze Quarzglas ließ sich auch problemlos mit handelsüblichen synthetischen transparenten Quarzgläsern thermisch verbinden (Bonden). In order to determine the homogeneous absorption behavior of the above-prepared silica glass, a sample of uniform thickness at 6 mutually remote positions was examined for its transmission properties. There were no significant differences in the evaluation of the different spectra. This suggests a homogeneous distribution of the carbon particles trapped in the silica glass. The synthetic black quartz glass prepared in this way could also be thermally bonded (bonded) to commercially available synthetic transparent quartz glass without problems.

Ausführungsbeispiel 2: Embodiment 2:

349 ml 0,01 Mol/Liter Salzsäure werden unter heftigem Rühren zu 131 g (0,86 Mol) handelsüblichem Methylsilicat gegeben. Das Methylsilicat wird dabei hydrolysiert. 89 g (1,5 Mol) kolloidales Siliciumdioxid (Oberfläche 50 m²/g) werden unter ebenfalls heftigem Rühren zu der Lösung zugegeben. Weiterhin werden 1111 mg einer 38-prozentigen kolloidalen Kohlenstoffdispersion mit 1 Masseprozent Netz- und Dispergiermittel der Lösung zugegeben. Die mittlere Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel in der Kohlenstoffdispersion beträgt 25 nm. An-schließend wird eine Ultraschallbehandlung der Lösung durchgeführt. Durch Zugabe von 0,1 Mol/Liter Ammoniaklösung wird der pH-Wert der Lösung auf 4,5 eingestellt. Das so hergestellte Sol wird mit einer Dicke von 3 cm in einen geeigneten Behälter (z.B. aus Polystyrol, Polypropylen oder Borosilikatglas) mit einer Breite von 13 cm, einer Länge von 13 cm und einer Höhe von 5 cm gegossen. Danach wird der Behälter mit einem geeigneten Deckel verschlossen. Der mit Sol gefüllte Behälter wird bei 20°C stehengelassen. Das darin enthaltene Sol geliert innerhalb von 30 Minuten. Sodann wird das Gelteil über mehrere Stunden stehengelassen. With vigorous stirring, 349 ml of 0.01 mol / liter of hydrochloric acid are added to 131 g (0.86 mol) of commercially available methyl silicate. The methyl silicate is hydrolyzed. 89 g (1.5 mol) of colloidal silica (surface area 50 m ² / g) are added to the solution while stirring vigorously. Furthermore, 1111 mg of a 38 percent colloidal carbon dispersion with 1 percent by weight wetting and dispersing agent are added to the solution. The mean particle size of the carbon particles in the carbon dispersion is 25 nm. Subsequently, an ultrasonic treatment of the solution is carried out. By adding 0.1 mol / liter of ammonia solution, the pH of the solution is adjusted to 4.5. The sol thus prepared is poured at a thickness of 3 cm into a suitable container (for example made of polystyrene, polypropylene or borosilicate glass) with a width of 13 cm, a length of 13 cm and a height of 5 cm. Thereafter, the container is closed with a suitable lid. The container filled with sol is allowed to stand at 20 ° C. The sol contained within it gels within 30 minutes. Then the gel part is allowed to stand for several hours.

Anschließend wird die Abdeckung des Behälters durch eine Abdeckung mit einem Öffnungsanteil von 0,8 % ersetzt und das Gelteil wird mit einer Heizrate von 3°C/h von 20°C auf 50°C erwärmt. Das Gel wird 7 Tage bei 50°C unter Bildung eines harten, trockenen Xerogels der Abmessungen 8,5cm × 8,5cm × 2cm getrocknet. Subsequently, the cover of the container is replaced by a cover with an opening ratio of 0.8% and the gel part is heated from 20 ° C to 50 ° C at a heating rate of 3 ° C / h. The gel is dried for 7 days at 50 ° C to form a hard, dry xerogel of dimensions 8.5cm x 8.5cm x 2cm.

Auf vorgenannte Weise wurden weitere 20 Xerogele hergestellt. Diese wurden in einem nächsten Schritt mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 60°C/h auf 150°C erwärmt und 3 Stunden bei 150°C belassen. Die Proben wurden sodann unter Inertgasatmosphäre mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 60°C/h auf 300°C erwärmt und 5 Stunden bei 300°C belassen, um das adsorbierte Wasser und gasförmigen Sauerstoff zu entfernen. Diese Xerogele wurden sodann mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 100°C/h auf 800°C erwärmt und 18 Stunden bei 800°C belassen, um flüchtige Verunreinigungen wie z.B. Ammoniumchlorid und andere Salze zu entfernen. Nach weiterem Erwärmen auf 1300°C mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 100°C/h und einstündigem Belassen bei 1300°C, wurden die Proben porenfrei verdichtet. Resultat o.g. Prozessablaufs waren synthetische, visuell schwarz erscheinende Siliciumdioxidgläser der Abmessungen 6,5cm × 6,5cm × 1,5cm. Beim Einsatz des vorgenannten Sinterungsverfahrens kam es bei keiner der 20 Proben zu Rissbildung im Glaskörper. Dies entspricht einer Ausbeute von 100 %. Ferner waren sämtliche so erhaltene Siliciumdioxidgläser frei von Entglasung oder Blasenbildung und erwiesen sich als hochwertig. In the aforementioned manner, another 20 xerogels were produced. These were heated in a next step at a heating rate of 60 ° C / h to 150 ° C and left at 150 ° C for 3 hours. The samples were then heated under inert gas atmosphere at a heating rate of 60 ° C / h to 300 ° C and left for 5 hours at 300 ° C to remove the adsorbed water and gaseous oxygen. These xerogels were then heated to 800 ° C at a heating rate of 100 ° C / hr and left at 800 ° C for 18 hours to remove volatile contaminants such as e.g. To remove ammonium chloride and other salts. After further heating to 1300 ° C with a heating rate of 100 ° C / h and left for one hour at 1300 ° C, the samples were compacted pore-free. Result o.g. Process sequence were synthetic, visually black appearing silica glasses of dimensions 6.5 cm × 6.5 cm × 1.5 cm. When using the abovementioned sintering method, none of the 20 samples developed cracking in the vitreous body. This corresponds to a yield of 100%. Further, all the silica glasses thus obtained were free from devitrification or blistering and proved to be high in quality.

Eine chemische Analyse des so hergestellten Siliciumdioxidglases zeigt im Bezug auf den Gehalt anorganischer Fremdelemente vergleichbare Werte zu handelsüblichen transparenten synthetischen Quarzgläsern. Der gemessene Kohlenstoffgehalt im so hergestellten Siliciumdioxidglas beträgt rd. 3.000 ppm / Gewicht. A chemical analysis of the silica glass thus prepared shows comparable values to commercially available transparent synthetic ones in terms of the content of inorganic foreign elements Quartz glasses. The measured carbon content in the silica glass thus prepared is approx. 3,000 ppm / weight.

Die aufgenommenen Transmissionsspektren des gemäß dem vorstehenden Verfahren hergestellten Siliciumdioxidglases zeigen außergewöhnliche optische Eigenschaften. Der Absorptionsgrad dieses Glases übertrifft erheblich den Absorptionsgrad eines vorbekannten schwarzen Siliciumdioxidglases über den gesamten gemessenen Wellenlängenbereich von 190 nm bis 3.200 nm. Selbst eine weitere Verringerung der Schichtdicke des Messobjektes um den Faktor > 10 zeigt noch immer eine deutlich höhere Absorption des o.g. Wellenlängenspektrums gegenüber vorbekannten Gläsern. The recorded transmission spectra of the silica glass produced according to the above process show extraordinary optical properties. The degree of absorption of this glass considerably exceeds the degree of absorption of a previously known black silica glass over the entire measured wavelength range from 190 nm to 3,200 nm. Even a further reduction of the thickness of the test object by a factor> 10 still shows a significantly higher absorption of the above-mentioned. Wavelength spectrum compared to previously known glasses.

Das vorstehend so hergestellte synthetische schwarze Quarzglas ließ sich problemlos mit handelsüblichen synthetischen transparenten Quarzgläsern thermisch verbinden (Bonden). The synthetic black quartz glass prepared in this way was readily thermally bonded (bonded) to commercially available synthetic transparent quartz glass.

Ausführungsbeispiel 3: Embodiment 3

405 ml 0,01 Mol/Liter Salzsäure werden unter heftigem Rühren zu 208 g (1 Mol) handelsüblichem Ethylsilicat gegeben. Das Ethylsilicat wird dabei hydrolysiert. 124 g (2,1 Mol) kolloidales Siliciumdioxid (Oberfläche 50 m²/g) werden unter ebenfalls heftigem Rühren zu der Lösung zugegeben. Weiterhin werden 552 mg Kohlenstoffpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 25 nm der Lösung zugegeben. Anschließend wird eine Ultraschallbehandlung der Lösung durchgeführt. Durch Zugabe von 0,1 Mol/Liter Ammoniaklösung wird der pH-Wert der Lösung auf 4,5 eingestellt. Das so hergestellte Sol wird in eine speziell geometrisch geformte Gießform aus Polystyrol gegossen, und die Gießform wird verschlossen. Die Gießform hat die geometrische Form eines hohlen, umgedrehten Kegels und ist auf der Innenseite mit definierten Submikrometer-Strukturen ausgestattet. Die Innenoberfläche der Gießform mit den definierten Strukturen bildet die Grenzfläche zwischen Gießform und eingefülltem Sol, so dass diese Strukturen während der Gelierung als Negativ in das Sol geprägt werden. Der mit Sol gefüllte Behälter wird bei 20°C stehengelassen. Das darin enthaltene Sol geliert innerhalb von 30 Minuten. Sodann wird das kegelförmige Gelteil aus der Gießform gelöst und in einen größeren Behälter umgesetzt. Dieser Behälter wird dicht verschlossen und über mehrere Stunden stehengelassen. 405 ml of 0.01 mol / liter of hydrochloric acid are added with vigorous stirring to 208 g (1 mol) of commercially available ethyl silicate. The ethyl silicate is hydrolyzed. 124 g (2.1 mol) of colloidal silica (surface area 50 m ² / g) are added to the solution with vigorous stirring. Furthermore, 552 mg of carbon powder with an average particle size of 25 nm are added to the solution. Subsequently, an ultrasonic treatment of the solution is carried out. By adding 0.1 mol / liter of ammonia solution, the pH of the solution is adjusted to 4.5. The sol thus prepared is poured into a specially shaped polystyrene mold and the mold is sealed. The mold has the geometric shape of a hollow, inverted cone and is equipped on the inside with defined Submikrometer structures. The inner surface of the mold with the defined structures forms the interface between mold and filled sol, so that these structures are imprinted as a negative into the sol during gelation. The container filled with sol is allowed to stand at 20 ° C. The sol contained within it gels within 30 minutes. Then the cone-shaped gel part is released from the mold and converted into a larger container. This container is sealed and allowed to stand for several hours.

Anschließend wird die Abdeckung des Behälters durch einen Deckel mit einem Öffnungsanteil von 0,8 % ersetzt und das Gelteil wird mit einer Heizrate von 3°C/h von 20 auf 60°C erwärmt. Das Gelteil wird 7 Tage bei 60°C unter Bildung eines harten trockenen Xerogels getrocknet. Subsequently, the cover of the container is replaced by a lid with an opening ratio of 0.8% and the gel part is heated at a heating rate of 3 ° C / h from 20 to 60 ° C. The gel part is dried for 7 days at 60 ° C to form a hard dry xerogel.

Die auf diese Weise hergestellten 20 trockenen Gele wurden mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 60°C/h auf 150°C erwärmt und 3 Stunden bei 150°C belassen. Die Proben wurden sodann unter Inertgasatmosphäre mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 60°C/h auf 300°C erwärmt und 5 Stunden bei 300°C belassen, um das adsorbierte Wasser und gasförmigen Sauerstoff zu entfernen. Diese Xerogele wurden sodann mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 100°C/h auf 800°C erwärmt und 18 Stunden bei 800°C belassen, um flüchtige Verunreinigungen wie z. B. Ammoniumchlorid und andere Salze zu entfernen. Nach weiterem Erwärmen auf 1300°C mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 100°C/h und einstündigem Belassen bei 1300°C, wurden die Proben porenfrei verdichtet. Resultat o.g. Prozessablaufs waren kegelförmige Formkörper aus synthetischem schwarzem Siliciumdioxidglas, die exakt 50 % Schwindung gegenüber den Gießformabmessungen zeigen. Das vorstehende Sinterungsverfahren rief bei keiner der 20 Proben Rissbildung hervor, was einer Ausbeute von 100 % entspricht. Ferner waren sämtliche erhaltenen kegelförmigen Siliciumdioxid-Formkörper frei von Entglasung oder Blasenbildung und erwiesen sich als hochwertig. The 20 dry gels thus prepared were heated to 150 ° C at a heating rate of 60 ° C / hr and left at 150 ° C for 3 hours. The samples were then heated under inert gas atmosphere at a heating rate of 60 ° C / h to 300 ° C and left for 5 hours at 300 ° C to remove the adsorbed water and gaseous oxygen. These xerogels were then heated to 800 ° C at a heating rate of 100 ° C / hr and left at 800 ° C for 18 hours to remove volatile contaminants such as e.g. As ammonium chloride and other salts to remove. After further heating to 1300 ° C with a heating rate of 100 ° C / h and left for one hour at 1300 ° C, the samples were compacted pore-free. Result o.g. Process flow were conical moldings of synthetic black silica glass, which show exactly 50% shrinkage compared to the mold dimensions. The above sintering process caused cracking in none of the 20 samples, which corresponds to a yield of 100%. Further, all of the obtained conical silica moldings were free from devitrification or bubbling and proved to be high in quality.

Die auf den Formkörpern untersuchten oberflächlichen Mikrostrukturen zeigten sich als Negativabdrücke der in der Gießform befindlichen Mikrostrukturen und wiesen ebenfalls eine homogene geometrische Schwindung gegenüber den Formstrukturen um 50 % auf. The superficial microstructures examined on the moldings were found to be negative impressions of the microstructures in the mold and also showed a homogeneous geometric shrinkage of 50% compared to the mold structures.

In Bezug auf andere physikalische Eigenschaften ist das so hergestellte synthetische schwarze Quarzglas mit handelsüblichen synthetischen transparenten Quarzgläsern vergleichbar: z. B. eine Dichte von 2,2 g/cm³, eine Vickers-Härte von 770 N/mm² und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5,8^–7 × 10 K^–1. With respect to other physical properties, the synthetic black quartz glass thus prepared is comparable to commercially available synthetic transparent quartz glass: e.g. B. a density of 2.2 g / cm ³ , a Vickers hardness of 770 N / mm ² and a thermal expansion coefficient of 5.8 ^-7 × 10 K ^-1 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3390375 C2 [0004, 0010]
DE 10201022534 A1 [0005, 0010]
JP 2000281430 A [0006]
US 2009/0098370 A1 [0007]

Claims

A process for producing a light-absorbing, in particular black or gray quartz glass, comprising the steps of: a) preparing a sol; b) gelling the sol to a gel portion; c) drying and curing the gel part to a xerogel; d) purifying the xerogel by a first temperature treatment; and e) compacting the cleared xerogel into a glass body by a second temperature treatment, wherein the temperature of the second temperature treatment is higher than that of the first temperature treatment; characterized in that carbon particles are added to the sol before gelling and dispersed in the sol.

A method according to claim 1, characterized in that the sol added to the carbon particles in a size range from 1 nm to 2000 nm, preferably from 5 nm to 500 nm, more preferably from 10 nm to 100 nm and preferably have a monomodal size distribution.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the compaction of the xerogel to the glass body takes place under an inert gas atmosphere.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the carbon particles are added to the sol either in the form of dry powder or within an aqueous dispersion.

A method according to claim 4, characterized in that the dispersion is mixed with a wetting and dispersing aid, based on electrostatic, steric or electrosteric stabilization.

Quartz glass in which a plurality of individual carbon particles is introduced, wherein the carbon particles are distributed in the structure of the quartz glass and enclosed in each case, so that the quartz glass has a black or gray color, characterized in that the carbon particles in a size range of 1 nm to 2000 nm lie.

Quartz glass according to claim 6, characterized in that the carbon particles are homogeneously distributed in the structure of the quartz glass.

Quartz glass according to claim 6 or 7, characterized in that the degree of absorption of the quartz glass at a material thickness of 0.5 mm is already greater than 99.75%.

Quartz glass producible by a method according to one of claims 1 to 5.

Quartz glass, in which a plurality of individual carbon particles is introduced, wherein the carbon particles are distributed in the structure of the quartz glass and each included, so that the quartz glass has a black or gray color, produced by a sol-gel process in which carbon particles added to the sol which are in a size range of 1 nm to 2000 nm.