DE10342828A1 - Hochreines, pyrogen hergestelltes Siliciumdioxid - Google Patents

Hochreines, pyrogen hergestelltes Siliciumdioxid Download PDF

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Abstract

Hochreines, pyrogen hergestelltes Siliciumdioxid mit Metallgehalten von kleiner 0,2 mug/g wird hergestellt, indem man ein Siliciumtetrachlorid mit Metallgehalten kleiner 30 ppb mittels Flammenhydrolyse umsetzt. DOLLAR A Das Siliziumdioxid kann zur Herstellung von hochreinen Gläsern mittels des Sol-Gel-Verfahrens eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein hochreines, pyrogen hergestelltes Siliciumdioxid, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.
  • Kieselglas kann vorteilhaft für viele Einsatzzwecke, wie Crucibles, Boards und Quarzröhren zur Herstellung von Halbleitern eingesetzt werden, seitdem es möglich ist, dieses Kieselglas in hoher Reinheit herzustellen.
  • Weiterhin wird das Siliciumdioxidglas für die Glasgeräte in der Chemie oder für die Photozelle verwendet. Es kann zur Herstellung von Lichtleitfasern verwendet werden.
  • Es ist bekannt Siliciumdioxidglas zum Beispiel in Form eines Monolithen herzustellen, indem man Siliciumalkoxid hydrolysiert, pyrogene Kieselsäure zu der hydrolysierten Lösung hinzugibt, die Mischung zu einem Gel gellieren läßt, das Gel trocknet und das erhaltene trockne Gel sintert ( US 4,681,615 , US 4,801,318 ).
  • Bei dem bekannten Verfahren können bekannte pyrogen hergestellte Siliciumdioxide eingesetzt werden.
  • Die bekannten pyrogenen Kieselsäuren weisen den Nachteil auf, daß sie für die besonders hohen Ansprüche an die Reinheit des Glases noch zu viele Fremdelemente enthalten.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein hochreines, pyrogen hergestelltes Siliciumdioxid, welches gekennzeichnet ist durch einen Gehalt an Metallen von kleiner 9 ppm.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das hochreine pyrogen hergestellte Siliciumdioxid gekennzeichnet sein durch den folgenden Gehalt an Metallen:
    Figure 00020001
  • Der Gesamtmetallgehalt kann dann 3252 ppb (~ 3,2 ppm) oder kleiner betragen.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das hochreine pyrogen hergestellte Siliciumdioxid gekennzeichnet sein durch den folgenden Gehalt an Metallen:
    Figure 00030001
  • Der Gesamtmetallgehalt kann dann 1033 ppb (~ 1,03 ppm) oder kleiner betragen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des hochreinen, pyrogen hergestellten Siliciumdioxides, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man Siliciumtetrachlorid auf bekannte Weise mittels Hochtemperaturhydrolyse zu Siliciumdioxid in der Flamme umsetzt und dabei ein Siliciumtetrachlorid verwendet, welches einen Metallgehalt von kleiner 30 ppb aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann man ein Siliciumtetrachlorid verwenden, welches neben Siliciumtetrachlorid den folgenden Gehalt an Metallen aufweist:
    Figure 00040001
  • Siliciumtetrachlorid mit diesem niedrigen Metallgehalt kann gemäß DE 100 30 251 oder gemäß DE 100 30 252 hergestellt werden.
  • Das prinzipielle Verfahren zur Herstellung von pyrogenem Siliciumdioxid, ausgehend von Siliciumtetrachlorid, das im Gemisch mit Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt wird, ist bekannt aus Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 21, Seite 464 ff. (1982).
  • Metallgehalt des erfindungsgemäßen Siliciumdioxides liegt im ppm-Bereich und darunter (ppb-Bereich).
  • Das erfindungsgemäße pyrogen hergestellte Siliciumdioxid kann bei den verschiedensten Glasherstellungsmethoden, wie zum Beispiel dem Sol-Gel-Verfahren eingesetzt werden. Derartige Sol-Gel-Verfahren sind bekannt aus US 4,681,615 oder US 4,801,318 .
  • Das erfindungsgemäße pyrogen hergestellte Siliciumdioxid eignet sich vorteilhaft zur Herstellung von Spezialgläsern mit hervorragenden optischen Eigenschaften.
  • Die mittels dem erfindungsgemäßen Siliciumdioxid hergestellten Gläser weisen eine besonders geringe Adsorption im tiefen UV-Bereich auf.
  • Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
  • 500 kg/h SiCl4 einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 werden bei ca. 90 °C verdampft und in das Zentralrohr eines Brenners bekannter Bauart überführt. In dieses Rohr werden zusätzlich 190 Nm3/h Wasserstoff sowie 326 Nm3/h Luft mit einem Sauerstoffanteil von 35 Vol% gegeben. Dieses Gasgemisch wird entzündet und brennt im Flammrohr des wassergekühlten Brenners. In eine die Zentraldüse umgebende Manteldüse werden zur Vermeidung von Anbackungen zusätzlich 15 Nm3/h Wasserstoff gegeben. In das Flammrohr wird außerdem zusätzlich 250 Nm3/h Luft normaler Zusammensetzung gegeben. Nach der Abkühlung der Reaktionsgase wird das pyrogene Siliciumdioxidpulver von den salzsäurehaltigen Gasen mittels eines Filters und/oder eines Zyklons abgetrennt. In einer Entsäuerungseinheit wird das pyrogene Siliciumdioxidpulver mit Wasserdampf und Luft behandelt, um es von anhaftender Salzsäure zu befreien. Die Metallgehalte sind in der Tabelle 3 wiedergegeben.
  • Beispiel 2 (Ausführungsbeispiel)
  • 500 kg/h SiCl4 einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 werden bei ca. 90 °C verdampft und in das Zentralrohr eines Brenners bekannter Bauart überführt. In dieses Rohr werden zusätzlich 190 Nm3/h Wasserstoff sowie 326 Nm3/h Luft mit einem Sauerstoffanteil von 35 Vol% gegeben. Dieses Gasgemisch wird entzündet und brennt im Flammrohr des wassergekühlten Brenners. In eine die Zentraldüse umgebende Manteldüse werden zur Vermeidung von Anbackungen zusätzlich 15 Nm3/h Wasserstoff gegeben. In das Flammrohr wird außerdem zusätzlich 250 Nm3/h Luft normaler Zusammensetzung gegeben. Nach der Abkühlung der Reaktionsgase wird das pyrogene Siliciumdioxidpulver von den salzsäurehaltigen Gasen mittels eines Filters und/oder eines Zyklons abgetrennt. In einer Entsäuerungseinheit wird das pyrogene Siliciumdioxidpulver mit Wasserdampf und Luft behandelt, um es von anhaftender Salzsäure zu befreien.
  • Die Metallgehalte sind in der Tabelle 3 wiedergegeben.
  • Tabelle 1: Zusammensetzung SiCl4, Beispiel 1
    Figure 00070001
  • Tabelle 2: Zusammensetzung SiCl4, Beispiel 2
    Figure 00070002
  • Figure 00080001
  • Meßmethode
  • Die erhaltenen pyrogen hergestellten Siliciumdioxide werden in Bezug auf ihren Metallgehalt analysiert. Die Proben werden in einer Säurelösung, die hauptsächlich aus HF besteht, gelöst.
  • Das SiO2 reagiert mit dem HF und bildet SiF4 + H2O. Das SiF4 verdampft und läßt die zu bestimmenden Metalle vollständig in der Säure zurück. Die einzelnen Proben werden mit destilliertem Wasser verdünnt und mittels der Perkin Elmer Optima 3000 DV Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES) gegen einen internen Standard analysiert. Die Ungenauigkeit der Werte rührt von Proben-Affekten, Spektral Interferencen und der Begrenztheit der Meßmethode her. Größere Elemente haben eine relative Ungenauigkeit von ± 5 %, während die kleineren Elemente eine relative Ungenauigkeit von ± 15 % aufweisen.

Claims (6)

  1. Hochreines, pyrogen hergestelltes Siliciumdioxid, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Metallen von kleiner 9 ppm.
  2. Hochreines, pyrogen hergestelltes Siliciumdioxid gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch den folgenden Gehalt der Metalle:
    Figure 00100001
  3. Verfahren zur Herstellung des hochreinen, pyrogen hergestellten Siliciumdioxides gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Siliciumtetrachlorid auf bekannte Weise mittels Hochtemperaturhydrolyse zu Siliciumdioxid in der Flamme umsetzt und dabei ein Siliciumtetrachlorid verwendet, welches einen Metallgehalt von kleiner 30 ppb aufweist.
  4. Verfahren zur Herstellung des hochreinen, pyrogen hergestellten Siliciumdioxides gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Siliciumtetrachlorid auf bekannter Waise mittels Hochtemperaturhydrolyse zu Siliciumdioxid in der Flamme umsetzt und dabei ein Siliciumtetrachlorid verwendet, welches neben Siliciumtetrachlorid den folgenden Gehalt an Metallen aufweist:
    Figure 00110001
  5. Verwendung des hochreinen, pyrogen hergestellten Siliciumdioxides gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von Gläsern.
  6. Verwendung des hochreinen, pyrogen hergestellten Siliciumdioxides gemäß Anspruch 5 zur Herstellung von Gläsern mittels dem Sol-Gel-Verfahren.
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