DE3227785A1

DE3227785A1 - Verfahren zur herstellung eines stab- oder rohrfoermigen quarzglaskoerpers

Info

Publication number: DE3227785A1
Application number: DE19823227785
Authority: DE
Inventors: Karlheinz 6450 Hanau Rau
Original assignee: Heraeus Quarzschmelze GmbH; Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 1982-07-24
Filing date: 1982-07-24
Publication date: 1984-01-26
Also published as: DE3227785C2

Description

"Verfahren zur Herstellung eines stab-
oder rohrförmigen uarzglaskörpers" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines stab- oder rohrförmigen Quarzglaskörpers, bei dem ein mit Quarzkörnung gefülltes, an einem Ende abgeschlossenes Quarzglashüllrohr, dessen anderes Ende an eine Pumpe angeschlossen ist, mit dem abgeschlossenen Ende in einen Ofen eingeführt, in diesem eine Schmelze hergestellt wird, die als Stab oder Rohr abgezogen wird, wobei- innerhalb des Quarzglashüllrohres ein niedrigerer Druck als außerhalb des Hüllrohres aufrechterhalten wird.
Ein Verfahren der vorstehend charakterisierten Art ist aus der US-PS 3 261 676 bekannt. Dabei wird die Quarzkörnung in einer ersten Heizzone unter ständigem Aufrechterhalten eines Vakuums entgast, ehe sie in einer zuleiten Heizzone geschmolzen wird.
Aus der DE-PS 322 956 ist die Herstellung von Quarzglas bekannt, wobei die Quarzkörnung in einer luft- und gasleer gemachten Hülle aus Quarzglas zusammengeschmolzen wird.
Dabei wird vor dem Schmelzen zur Beseitigung von Verunreinigungen die Quarzkörnung in der Hülle in Luft, Sauerstoff oder Chlorwasserstoff stark erhitzt. Durch das Schmelzen unter Vakuum soll der Einschluß von Luftblasen vermieden werden.
Die DE-PS 854 073 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von blasenfreiem Quarzglas. In dem elektrisch beheizten Ofen, in den Quarzkörnung eingefüllt ist, wird bis zum Erreichen der Schmelztemperatur und auch noch während des mindestens 10 Minuten dauernden Schmelzvorganges eine Wasserstoffatmosphäre mit einem Druck von 10 bis 150 Torr aufrechterhalten. Der Druck der Wasserstoffatmosphäre wird nach Beendigung des Schmelzvorganges auf 1 bis 2 Atmosphären erhöht. Durch den Druck des schon beim Hochheizen des Ofens vorhandenen Wasserstoffes wird die Kieselsäureverdampfung stark unterdrückt, so daß keine Verdampfungsblasen entstehen.
Bei dem in der DE-OS 1 927 851 beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Quarzglaskörpern aus Quarzkörnung geht es um den Ersatz des bisher verwendeten Formiergases (80 ol. Stickstoff, 20 Vol.°Ó Wasserstoff) durch ein Inertgas, das bis zu 50 Vol.°Ó Helium enthält, um die Zerstörung von Wolfram- oder Molybdänteilen zu verhindern.
Gleichzeitig sollte damit das Problem des b-ei Verwendung von Formiergas unbeabsichtigt in das Quarzglas eingeführten Wasserstoffs vermieden werden.
Schließlich offenbart noch die DE-PS 22 17 725 die kontinuierliche Herstellung von länglichen Quarzglas teilen durch Schmelzen von Siliziumdioxidteilchen in einem Schmelztiegel unter einer Schutzgasatmosphäre, die in Volumenverhältnissen aus 40 bis 65 % Wasserstoff und 60 bis 35 % Helium besteht. Gegenüber bekannten Atmosphären aus 80 °ó Helium und 20 X Wasserstoff soll das Verfahren bläschenfreieres Quarzglas liefern. Das geschmolzene Material wird von der unteren Zone des Schmelztiegels kontinuierlich durch Formgebungseinrichtungen abgezogen in Anwesenheit einer Atmosphäre, die Wasserstoff in níchtoxidierende. Trägergas enthält. Durch ergänzende Wärmebehandlung des gewonnenen Quarzglases werden eingefangene Gase freigesetzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst blasen freien und defektstellenfreien stab-oder rohrförmigen Quarzglaskörper mit minimalem OH-Gehalt herzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe für das eingangs charakterisierte Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die OH-Ionen aufweisende Quarzkörnung im Quarzglashüllrohr in einem Ofen bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 12000C während einer Dauer von 0,5 bis 10 kr unter Durchströmung eines Spülgases aus trocknem Wasserstoff oder einem trocknen Helium-asserstoff-Gemisch vorbehandelt, während des Schmelzens dieser Quarzkörnung eine Atmosphäre aus trocknem Wasserstoff oder einem trocknen Helium-Wasserstoff-Gemisch bei einem Druck von mindestens 2,6 ' 104 Pa aufrechterhalten und der abgekühlte Quarzglaskörper wieder auf eine Temperatur im Bereich von 400 bis 1200 C in einer wasserstoff-freien Atmosphäre erhitzt und auf dieser Temperatur während einer Dauer im Bereich von mindestens 2000 bis 200 Minuten gehalten und danach auf Zimmertemperatur abgekühlt wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Vorbehandlung der erhitzten Quarzkörnung unter Durchströmen von trocknem Wasserstoff oder trocknem Wasserstoff-Helium-Gemisch wird eine ausreichende Beladung der Quarzkörnung mit Wasserstoff sichergestellt, die auch beim Schmelzen nicht verloren geht, weil das Schmelzen ebenfalls unter trocknem Wasserstoff oder Wasserstoff-Helium-Gemisch erfolgt. Hierdurch wird die Voraussetzung geschaffen, daß durch die thermische Nachbehandlung OH-Ionen leicht entfernt werden unter gleichzeitiger Beibehaltung der Vorteile bekannter Schmelzverfahren, daß die hergestellten Quarzglaskörper bläschenfrei sind. Während der Vorbehandlung erfolgt eine gewisse Sättigung der Quarzkörnung mit Wasserstoff, der sich physikalisch gelöst in den Zwischenräumen des Quarzgitters einbaut. Beim Schmelzen der vorbehandelten Quarzkörnung steht der Wasserstoff zur Reaktion mit dem Quarzgitter bereit und bildet wahrscheinlich in gewissem Umfang Si-H-Bindungen aus, wobei dies noch durch den Wasserstoff der Schmelz-Atmosphäre unterstützt wird. Während der thermischen Nachbehandlung der Quarzglaskörper in wasserstoff-freier Atmosphäre reagieren wahrscheinlich die Si-H-Bindungen mit in der Nachbarschaft befindlichen OH-Ionen unter Bildung von molekularem Wasserstoff zu Si-O-Si-Bindungen. Der gebildete molekulare Wasserstoff diffundiert dann in der wasserstoff-freien Atmosphäre aus dem Quarzglaskörper. Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelang es, den in einer Quarzkörnung vorhandenen Gehalt an OH-Ionen um 50°Ó zu vermindern, ohne daß ein bläschenhaltiges Endprodukt entsteht.
Anhand der schematischen Darstellungen in den Figuren 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben.
Es zeigen Figur 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung der Vorbehandlung, Figur 2 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des Schmelzprozesses.
In Figur 1 ist die Bezugsziffer 1 der Quarzkörnung zugeordnet, die in ein Quarzglashüllrohr 2 eingefüllt ist.
Am einen Ende des Hüllrohres 2 ist ein Röhrchen 3 angeschmolzen, am anderen Ende eine Quarzglashaltepfeife 4.
Die Haltepfeife 4 ist mit dem Stopfen 5 verschlossen, durch den ein Zufuhrrohr 6 hindurchführt. Mit der Bezugsziffer 7 ist ein elektrisch beheizbarer Ofen bezeichnet, in dem das mit Körnung 1 gefüllte Hüllrohr 2 angeordnet wird. Durch das Zufuhrrohr 6 wird das Spülgas, bestehend aus trocknem Wasserstoff oder trocknem Helium-Wasserstoff-Gemisch, zugeführt, das über das Röhrchen 3 wieder abgeführt wird. Während des Durchströmens des Spülgases durch die Quarzkörnung 1 wird der Ofen 7 und damit die Quarzkörnung auf 1000 0C hochgeheizt und während einer Dauer von 4 h auf dieser Temperatur gehalten. Das Spülgas wird in einer Menge von 10 Nl/h zugeführt, so daß sich im Hüllrohr 2 eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 200 cm/h einstellt.
Es hat sich bewährt, während dieser Vorbehandlung das Hüllrohr 2 in Richtung des Pfeils 8 zu drehen um sicherzustellen, daß das Spülgas die gesamte Quarzkörnung 1 durchströmt und sich keine bevorzugten Spülgasströmungspfade ausbilden.
Nach Beendigung der Vorbehandlung wird das Hüllrohr 2 dem Ofen 7 entnommen und das Röhrchen 3 abgeschmolzen und damit das zugehörige-Ende des Hüllrohres zugeschmolzen.
Das Schmelzen der Quarzkörnung erfolgt dann mittels einer Vorrichtung, wie sie schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Vor dem Einbringen des Hüllrohres 2 mit angesetzter Haltepfeife 4 in die gasdicht verschließbare Kammer 9, die mit Zufuhrstutzein 10 und Abfuhrstutzen 11 versehen ist und sich durch den elektrisch beheizbaren Ofen 7'erstreckt, wird an das verschlossene Ende des Hüllrohres ein Quarzglashaltestab 12 angeschmolzen. Die Haltepfeife 4 ist mit einem Stopfen 5' verschlossen, durch den ein Zufuhrrohr 6' hindurch bis nahe zum Schmelzort 13 in die Quarzkörnung 1 ragt und ein Absaugrohr 14, das mit einer Pumpe 15 verbunden ist. Die Haltepfeife 4 und der Quarzhaltestab 12 sind in Backen 20 der Ständer 16 einer Drehbank gehaltert.
Die Ständer 16 können in Pfeilrichtung 17 verschoben werden.
Die Haltepfeife 4 und der Haltestab 12 sind über die Dichtungen 18 durch die Stirnflächen 19 der Kammer 9 hindurchgeführt. Vor Aufheizen der Quarzkörnung 1 auf Schmelztemperatur wird über das Zufuhrrohr 6' die Zufuhr eines Helium-Wasserstoff-Gemisches gestartet, das mittels der Pumpe 15 abgepumpt wird; ebenfalls wird die Kammer 9 mittels eines Helium-Wasserstoff-Gemisches über den Zufuhrstutzen 10 gespeist, das über den Abfuhrstutzen 11 wieder abströmt.
Mittels des Ofens 7' wird nun die Quarzkörnung 1 auf eine Temperatur von ca. 24000C aufgeheizt, wobei Haltepfeife 4 und der Haltestab 12 synchron, wie durch Pfeile 21 angedeutet, gedreht werden. Sobald die Quarzkörnung die vorgenannte Temperatur erreicht hat, also ausreichend viskos ist, wird unter Aufrechterhaltung der Drehung (Pfeile 21) mit dem Abzug des Quarzylasstabes vom Hüllrohrende (Schmelzort 13) begonnen, wobei gleichzeitig ein langsames Vorschieben des Hüllrohres 2 in den Ofen 7' erfolgt. Während des Schmelzvorganges wird in der Kammer ein Druck von 2 ' 105 Pa aufrechterhalten, innerhalb des Hüllrohres ein solcher von 0,5 ' 10 Pa, so daß der Druck in der Kammer stets höher ist als innerhalb des Hüllrohres.
Der so gewonnene Quarzglasstab wird nach seiner Abkühlung, wie in Anspruch 1 angegeben, in wasserstoff-freier Atmosphäre thermisch nachbehandelt.
Zur Herstellung eines Quarzglasrohres kann man sich einer Vorrichtung bedienen, wie sie in der US-PS 3 261 676 be- -schrieben ist, wobei allerdings zu beachten ist, daß innerhalb des Quarzglashüllrohres eine Atmosphäre aus trocknem Wasserstoff oder trocknem Helium-Wasserstoff-Gemisch aufrechterhalten wird, ebenfalls in der direkten Umgebung des Quarzglashüllrohres, die sich an seine Außenoberfläche anschließt.

Claims

"Verfahren zur Herstellung eines stab-oder rohrförmigen Quarzglaskörpers" Patentansprüche 1,-. Verfahren zur Herstellung eines stab- oder rohrförmigen Quarzglaskörpers, bei dem ein mit Quarzkörnunggefülltes, an einem Ende abgeschlossenes Quarzglashöllrohr, dessen anderes Ende an eine Pumpe angeschlossen ist, mit dem abgeschlossenen Ende in einen Ofen eingeführt, in diesem eine Schmelze hergestellt wird, die als Stab oder Rohr abgezogen wird, wobei innerhalb des Quarzglashüllrohres ein niedrigerer Druck als außerhalb des Hüllrohres aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die OH-Ionen aufweisende Quarzkörnung im Quarzglashüllrohr in einem Ofen bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 12000C während einer Dauer von 0,5 bis 10 h unter Durchströmung eines Spülgases aus trocknem Wasserstoff oder einem trocknen Helium-Wasserstoff-Gemisch vorbehandelt, während des Schmelzens dieser Quarzkörnung eine Atmosphäre aus trocknem Wasserstoff oder einem trocknen Helium-Wasserstoff-Gemisch bei einem Druck von mindestens 2,6 104 Pa aufrechterhalten und der abgekühlte Quarzglaskörper wieder auf eine Temperatur im Bereich von 400 bis 12000C in einer wasserstoff-freien Atmosphäre erhitzt und auf dieser Temperatur während einer Dauer im Bereich von mindestens 2000 bis 200 Minuten gehalten und danach auf Zimmertemperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,005 bis 0,5 l/min 2 cm2 0,005 bis 0,5 durchgeführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbehandlung und während des Schmelzens ein Heium-Wasserstoff-Gemisch in der Zusammensetzung von 0 bis 80 wO Helium und 20 bis 100 °é Wasserstoff verwendet wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schmelzens der Quarzkörnung der innerhalb eines Schmelzofens befindliche Teil des Quarzglashüllrohres außen mit trocknem Wasserstoff oder einem trocknen Helium-Wasserstoff-Gemisch bespült wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Innenraum des Quarzglashüllrohres und Außenraum ein Druckunterschied von mindestens 1,3 104 Pa aufrechterhalten wird.