DE3741393A1

DE3741393A1 - Verfahren zum herstellen von aus hochreinem sio(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) bestehenden formkoerpern

Info

Publication number: DE3741393A1
Application number: DE19873741393
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr Rer Nat Urbach; Karl-Heinz Eisenrith
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-12-07
Filing date: 1987-12-07
Publication date: 1989-06-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von aus SiO₂ bestehenden hochreinen Formkörpern, wie sie insbesondere als Rohre, Tiegel oder Platten für Labor- und Fertigungsanlagen ver wendet werden.

Für die konventionelle Herstellung von Apparaten und Formkörpern aus Quarzglas und Quarzgut (SiO₂) kommen als Ausgangsmaterialien aufbereitete natürliche Rohstoffe, wie kristalliner Quarz oder Quarzitsand zum Einsatz. Steigende Forderungen nach höheren Rein heiten lassen die Kosten rasch steigen, da der Aufwand zur Auf bereitung zunimmt und/oder die Materialverfügbarkeit abnimmt.

Über die Gasphase (Flammen-Hydrolyse von destillierbaren Sili ziumverbindungen) oder nach dem Sol/Gel-Verfahren hergestelltes SiO₂ weist eine je nach Reinigungsaufwand höhere Reinheit auf; die hohen Kosten lassen den Einsatz derartiger Materialien aber nur für Spezialanwendungen in Frage kommen.

Die konventionelle Herstellung von Quarzglas bzw. Quarzgut er folgt über einen Hochtemperaturprozeß (Temperaturen größer 1700°C), bei dem unter anderem die Verdampfung hoher Material verluste (bis zu 50%) auftreten können. Die Entsorgung der bei Hochtemperaturprozessen auftretenden Schadstoffe, sowie der Ab fälle aus dem Prozeß ist ein nicht zu vernachlässigender Kosten faktor, der mit strenger werdenden Umweltauflagen immer mehr an Bedeutung gewinnen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von SiO₂-Formkörpern anzugeben, welches nicht nur kostengünstig und umweltfreundlich ist, sondern auch Formlinge aus einem Material liefert, welches sich durch hohe Reinheit und dem herkömmlichen Quarzglas vergleichbaren chemischen und mechanischen Werten, wie thermischer Ausdehnungskoeffizient und Temperaturwechselbe ständigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Ablauf der folgen den Verfahrensschritte gelöst:

a) zunächst wird das aus SiO₂ bestehende Grundmaterial durch Schmelzen von technischem SiO₂ oder SiO₂-haltigen minerali schen Materialien mit Zuschlägen in einen Glaskörper, Her stellen von Fasern aus diesem Glaskörper und Auslaugen der Glasfasern mit Mineralsäure gewonnen;
b) die ausgelaugten Glasfasern werden bei Temperaturen größer 1000°C thermisch behandelt und dann zermahlen;
c) das Mahlgut wird mit einem Dispersionsmittel, gegebenenfalls unter Zusatz von Hilfsstoffen, zu einem Schlicker verrührt;
d) der Schlicker wird in entsprechende Formen gegossen und daraus durch teilweisen Entzug des Dispersionsmittels in der Form der Scherben gebildet, und
e) der aus der Gießform entnommene Scherben wird einem Sinte rungsprozeß unterworfen.

Die in a) beschriebenen Verfahrensschritte werden für einen an deren Verwendungszweck ausführlicher in dem europäischen Patent 0 029 157 beschrieben. Bei diesem als Faserauslaugverfahren be zeichneten Reinigungsprozeß wird aus billigem Quarzsand und Zu schlägen ein Glaskörper mit hoher Oberfläche, wie sie bei Glas fasern vorliegen, hergestellt. Durch Behandeln der Glasfasern mit Mineralsäuren werden die Verunreinigungen und die Glaszu schläge aus dem SiO₂-Netzwerk herausgelöst, wodurch ein hoch reines und amorphes SiO₂ erhalten wird. Der Glasfaserdurchmes ser legt in erster Näherung die Kornverteilung des Faseraus laug-SiO₂ fest. Ein derartiges Material wird bei beispielsweise 1100°C thermisch behandelt, um in gewünschtem Umfang die Poro sität abzubauen. Dadurch wird die Schrumpfung des herzustellen den Scherbens bei dem Sintervorgang erheblich herabgesetzt. Vor der Scherbenherstellung kann die Teilchengröße und deren Vertei lung noch durch Mahlen und Sichten optimiert werden. Für das an schließende Schlickergießverfahren sollte der Hauptteil der SiO₂-Partikel einen Durchmesser von kleiner 10 µm aufweisen.

Der Schlicker wird gemäß der Lehre der Erfindung hergestellt, indem das hochreine SiO₂-Pulver mit geeigneter Kornverteilung in einer reinen, flüssigen Phase suspendiert wird. Der Fest stoffgehalt der Suspension hängt dabei von der Partikelgröße und deren Verteilung ab. Durch den Einsatz von beispielsweise Vibration (zum Beispiel Ultraschall, Vibrationsmischer), läßt sich der Feststoffgehalt bis auf 80 Gewichtsprozent erhöhen. Durch Zugabe von Säuren, Basen, Pufferlösungen läßt sich der pH-Wert des Schlickers, der für die Scherbenbildungsrate be deutsam ist, einstellen.

Zur Erhöhung der Dichte von ungebrannten Scherben und gesinter tem Formkörpern können dem Schlicker auch Hilfsmittel wie Gua nidinsilikat, Polyvinylalkohol, Natriumsilikat, Natronlauge, Si lizium-Pulver usw. zugesetzt werden. Derartige Zusätze verän dern die Viskosität des Schlickers, die sich auch über die Tem peratur beeinflussen läßt.

Für die Formgebung wird der Schlicker in eine Flüssigkeit an saugende Form - beispielsweise Formengips - gegossen und je nach gewünschter Scherbeneigenschaft eine bestimmte Zeit stehen gelassen. Überschüssiger Schlicker wird entfernt und der gebil dete Scherben trocknet an Luft an. Danach kann der Scherben dem Formgebungskörper entnommen werden und gegebenenfalls noch me chanisch nachbearbeitet werden. Anschließend wird der Scherben unter eingestellten Bedingungen (Ofenatmosphäre, Aufheizzeit, Haltezeit) zu einem mechanisch stabilen und abriebfesten Form körper bei 1000°C bis 1300°C gesintert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des Flußdiagrammes, wel ches die schematische Darstellung der Herstellung von hochrei nen Formkörpern aus Faserauslaug-SiO₂ nach dem Schlickergieß verfahren enthält und eines Ausführungsbeispiels noch näher er läutert. Das Verfahren soll am Beispiel der Herstellung eines Tiegels beschrieben werden. Zur Eliminierung der Porosität wer den ca. 20 kg des als Ausgangsmaterial zu verwendenden Faseraus laug-SiO₂ bei 1100°C thermisch behandelt. Anschließend wird das geglühte Material in einer Rührwerksmühle bei 400 Umdrehungen pro Minute für 60 Minuten derart vermahlen, daß die Hauptmenge der Partikel einen Durchmesser kleiner 10 µm aufweist. Bei der Naßvermahlung kann der gewünschte SiO₂-Feststoffgehalt des Schlickers von Anfang an eingestellt werden, so daß Mahlen und Schlickerherstellung in einem Arbeitsschritt durchgeführt werden können. Die ca. 33 kg Schlicker mit einem Feststoffanteil von 62 Gewichtsprozent werden in eine bereitstehende Gipsform ge gossen und für 10 bis 15 Minuten stehengelassen. In dieser Zeit bildet sich an der Innenwand der Gipsform ein ca. 1 cm dicker Scherben aus. Nach Entfernen der überschüssigen Suspension, die erneut verwendet werden kann, trocknet der Scherben an Luft und löst sich dabei von der Gipsform ab. Der aus der Gipsform ent nommene Grünscherben wird nun drei Stunden lang bei 1300°C ge sintert. Der ca. 2 kg schwere SiO₂-Tiegel (Höhe = 23 cm, Durch messer = 36 cm) zeichnet sich durch eine Dichte von 1,9 g/cm³ bis 2,0 g/³ aus.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von aus SiO₂ bestehenden hochreinen Formkörpern, wie sie insbesondere als Rohre, Tiegel oder Plat ten für Labor- und Fertigungsanlagen verwendet werden, da durch gekennzeichnet, daß

a) zunächst das aus SiO₂ bestehende Grundmaterial durch Schmel zen von technischem SiO₂ oder SiO₂-haltigen mineralischen Materialien mit Zuschlägen in einen Glaskörper, Herstellen von Fasern aus diesem Glaskörper und Auslaugen der Glasfa sern mit Mineralsäure gewonnen wird,
b) die ausgelaugten Glasfasern bei Temperaturen größer 1000°C thermisch behandelt und dann zermahlen werden,
c) das Mahlgut mit Dispersionsmittel, gegebenenfalls unter Zu satz von Hilfsstoffen zu einem Schlicker verrührt wird,
d) der Schlicker in entsprechende Formen gegossen und daraus durch teilweisen Entzug der Dispersionsmittel in der Form der Scherben gebildet wird, und
e) der aus der Gießform entnommene Scherben einem Sinterprozeß unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Zuschläge nach Verfahrensschritt a) die Oxide von Aluminium, Kalzium, Magnesium und/oder Natrium verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die thermische Behandlung nach Verfahrensschritt c) in einem Bereich zwischen 1000 und 1300°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße der Haupt menge des Mahlgutes nach Verfahrensschritt c) auf einen Durch messer kleiner 10 µm eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffgehalt des Schlickers nach Verfahrensschritt c) auf 60 bis 80 Gewichts prozent eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Herstellung des Schlickers unter Vibrationseinwirkung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines ge wünschten pH-Wertes nach Verfahrensschritt c) dem Schlicker Säuren, Basen oder Pufferlösungen zugesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Dichte als Hilfsstoffe nach Verfahrensschritt c) Guanidinsilikat, Poly vinylalkohol, Natriumsilikat, Natronlauge oder Siliziumpulver zugesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Gießform nach Verfahrens schritt d) eine vorzugsweise aus Gips bestehende Form verwendet wird.

10. Verfahrensschritt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß der Sinterpro zeß nach Verfahrensschritt e) bei 1000 bis 1300°C durchgeführt wird.