DE19541133A1 - Phosphatglasschmelzverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmelzverfahren zur Herstellung von Phosphatgläsern.

Die Phosphatgläser [J. Wasylak, E. Czerwosz, R. Diduszko: Untersuchungen der Struktur und der physikochemischen Eigenschaften von Phosphatgläsern. Sprechsaal 120 (1987) 739-743] stellen eine Gruppe anorganischer Materialien dar, die eine zunehmend wichtigere Rolle spielen. Das ist auf eine Reihe von Eigenschaften zurückzuführen, durch die sich diese Gläser auszeichnen. Man ist in der Lage, bedeutende Mengen an netzwerkwandelnden Ionen [H. Rawson: Inorganic Glass-Forming Systems. Chapter 9: Phosphorous Pentoxide and Phosphate Glasses. Academic Press, London/New York 1967] und an Zwischenoxiden [W.Vogel: Struktur und Kristallisation der Gläser. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1965] in solche Gläser einzuführen, wodurch dann dieses breite Spektrum zur Variation der Glaseigenschaften möglich wird. Hingewiesen sei auf die so erzielbaren optischen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften sowie auf die Herstellbarkeit von bioabsorbierbaren Glasfasern [S.T. Lin, S.L. Krebs, S. Kadiyala, K.W. Leong, W.C. La Course, B. Kumar: Development of bioabsorbable glass fibres. Biomaterials 15 (1994) 1057-1061 bzw. US Patent 4,604,097 (1986)] und von bioaktiven kieselsäurefreien Phosphatglaskeramiken [W.Vogel, W. Höland: Zur Entwicklung von Bioglaskeramiken für die Medizin. Angewandte Chemie 99 (1987) 541-558; W. Vogel.: Glaschemie. Springer-Verlag, Berlin 1992]. Zudem bieten Phosphatgläser die Möglichkeit, um Zehnerpotenzen mehr Wasser einzubauen, als es bei Silicat- und Boratgläsern vorgenommen werden kann [R. Greiner: Untersuchungen über Glasbildung und Glaseigenschaften wasser- und fluorwasserstoffhaltiger Systeme. Dissertation. Friedrich-Schiller-Universität, Jena 1972].

Über die Mikrowellen-induzierte Herstellung von Gläsern ist von B. Vaidhyanathan, M. Ganguli und K.J. Rao [A novel method of preparation of inorganic glasses by microwave irradiation. Journal of Solid State Chemistry 113 (1994) 448-450] mit den Vorzügen einer hohen Aufheizgeschwindigkeit, den selektiven Energieübergang vom Mikrowellenfeld zur Glasschmelze in Gegenwart von NH₃ unter definierten atmosphärischen Bedingungen berichtet worden. Dabei handelt es sich jedoch in keinem Fall um die Berücksichtigung von Phosphatgläsern.

Die Möglichkeit der Behandlung von Wasser enthaltenden silicatischen Verbindungen, deren Oberfläche durch Adsorption organischer Verbindungen modifiziert ist, im hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld, wurde in der DE 43 27 678 A1 sowie in der Veröffentlichung K. Forkel, R. Kokoschko, F.G. Wihsmann: Das große "Cracken". Untersuchungen über die Anwendung von hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldern (Mikrowellen) zur Durchführung von Stoffwandlungsprozessen mit Kieselgur-Schlamm. Getränkeindustrie 49 (1995) 474-479, erörtert.

Die Mikrowellenanwendung bei der Erwärmung und Umwandlung von gesundheitsgefährdenden Faserstoffen wie Asbest bei gleichzeitiger Herstellung von wieder verwertbaren Baustoffen wird als ein wirtschaftliches Aufbereitungsverfahren angesehen (vgl. deutsche Gebrauchsmusteranmeldung G 94 15 103.2 U1).

Über die Durchführung von Sinterungsreaktionen mit Proben aus Si₃N₄, SiC, BN, ZrO₂ usw. mit einem Partikeldurchmesser im pm-Bereich, die in Hybrid-Mikrowellengeräten unter Verwendung von hochreinen und mikrowellendurchlässigen Al₂O₃-Tiegeln erhitzt wurden, hat W.H. Sutton: Microwave processing of ceramics - an overview. Materials Research Society Symposium Proceedings 269 (1992) 3-20, berichtet. Ein derartiges Hybrid-Aggregat ist für Temperaturen bis 2350°C ausgelegt und ermöglicht maximale Erhitzungsgeschwindigkeiten (750°C/min). Daraus wird die Schlußfolgerung gezogen, daß es in den nächsten 5 bis 10 Jahren unter anderem darum gehen wird, die Vorteile der dielektrischen Erwärmung durch Mikrowellenanwendung, die aus einer schnellen Prozeßführung, Kosten- und Energieeinsparung und verbesserte Produktqualität resultieren, im industriellen Maßstab durchzusetzen.

Sollen Gläser hergestellt werden, die Komponenten mit einem hohen Dampfdruck [siehe z. B. E. Heidenreich, R. Ehrt, F.-D. Doenitz, W. Vogel: Der Einfluß von Fluor auf Phasentrennung, Kristallisation und Eigenschaften von Gläsern im MgO-Al₂O₃-SiO₂-System. Silikattechnik 27 (1976) 402-405 bzw. C. Jana, W. Götz: Formation of a new apatitecontaining glass ceramic. Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro 23 (1993) 683-686] enthalten, werden nach dem Stand der Technik oftmals indirekt oder induktiv beheizte Schmelztiegel aus Platin mit einem Schmelzpunkt von 1773,5°C bzw. bei höheren Temperaturen mit Tiegeln aus formstabileren Platinlegierungen [J. Merker, D. Lupton, W. Kock: Properties of platinum alloys for glass processing at high temperatures. Proceedings of "XVII International Congress on Glass." Vol. 7: Supplement. Chinese Ceramic Society, Beÿing 1995, pp. 287-293] eingesetzt. Für das Herstellen von Gläsern mit in der Schmelze leicht verdampfbaren Komponenten hat man hermetisch abgeschlossene Edelmetall-Auslauftiegel entwickelt. Nach H. Remy: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Band 11. Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig KG, Leipzig 1961, dürfen jedoch Phosphate wegen ihrer leichten Reduzierbarkeit durch Flammengase infolge Bildung von elementarem Phosphor, der mit Platin besonders leicht schmelzende Legierungen bildet, nicht im Platintiegel geglüht werden, außer im elektrischen Ofen, d. h. grundsätzlich ist ein Edelmetalltiegel beim Erschmelzen von Phosphatgläsern erbeblich mehr durch Legierungsbildung gefährdet als im Falle des Herstellens von Silicatgläsern. Aber auch bei Anwesenheit von Luftsauerstoff zeigt Platin beispielsweise gegenüber einer NaPO₃-Schmelze keine Korrosionsbeständigkeit und gilt gegenüber H₃PO₄ bei 600°C als unbeständig im Korrosionsverhalten (Angaben nach "Herneus Platin-Korrosionsuhr." W.C. Heraeus GmbH, Geschäftsbereich Metalle, Hanau). Unbeständigkeit des Platins gegenüber Phosphatschmelzen bedeutet jedoch nicht nur einen Edelmetallverlust während des Schmelzprozesses, sondern auch, daß die Schmelze diese Edelmetallmengen aufnimmt. Das in der Schmelze fein verteilte Platin fungiert dann als Keimbildner und hat schließlich die Auslösung von oftmals unerwünschten und nicht kontrollierbaren Kristallisationsvorgängen im Glas zur Folge.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Schmelzverfahren zur Herstellung homogener Phosphatgläser zu entwickeln, das die gezielte Einstellung von atmosphärischen Bedingungen sowie von Drucken ohne die Verwendung von edelmetallhaltigen Schmelzgefäßen erlaubt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Herstellung der Phosphatglasschmelzen erfindungsgemäß in einem nichtmetallischen Schmelzgefäß in einem abgeschlossenen Ofenraum erfolgt, indem Mikrowellen eingestrahlt werden. Dabei erfährt das elektrisch nicht oder nur schwach leitende Material infolge dielektrischer Verluste eine Aufheizung, wobei für die erzeugte Wärmeleistung die Frequenz, die elektrische Feldstärke des Mikrowellenfeldes und der Verlustwert des Gutes, welcher seinerseits frequenz- und temperaturabhängig ist, maßgeblich sind.

Als Tiegelmaterial zur Herstellung der Phosphatgläser kommt erfindungsgemäß glasartiges oder keramisches Material in Betracht. Insbesondere finden Kieselglas, Kieselgut, Sinterkorund und Porzellan Verwendung. Werden Invertgläser, d. h. Gläser mit einer Netzwerkbildnerkonzentration < 50 Mol.-%, also Gläser mit einer basischen chemischen Charakteristik [siehe P. Beyersdorfer: Glashüttenkunde. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1964 bzw. G. Kocsis, I. Szabo: Gesteinsschmelzen aus verschiedenen Rohstoffen. TIZ-Fachberichte 104 (1980) 836-839] bei Schmelztemperaturen zwischen 800 und 1300°C hergestellt, dann ist nach R. Greiner (siehe obige Literaturstelle) zu verzeichnen, daß beim Schmelzen basischer Gläser in unglasierten Porzellantiegeln dennoch nur minimale SiO₂-Mengen aus dem Tiegelmaterial in die Glasschmelze übergehen. Im Gegensatz zur Wirkung des durch die Phosphatglasschmelze aufgelösten Platins ist im Falle von schmelzinduzierten Korrosionserscheinungen bei Verwendung von Porzellantiegeln zu verzeichnen, daß durch den resultierenden komplexeren Aufbau (Vielkomponentensystem) des Glases in der Regel eine Eigenschaftsverbesserung zu verzeichnen ist.

Claims (3)

1. Phosphatglasschmelzverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphatglas aus den Ausgangsstoffen in einem nichtmetallischen Schmelzgefäß in einem abgeschlossenen Ofenraum unter Einstrahlung von Mikrowellen erschmolzen wird.

2. Phosphatglasschmelzverfähren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Tiegelmaterial zur Herstellung der Phosphatgläser glasartiges oder keramisches Material verwendet wird.

3. Phosphatglasschmelzverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als glasartiges oder keramisches Tiegelmaterial solches aus Kieselglas, Kieselgut, Sinterkorund und Porzellan eingesetzt wird.