DE60222715T2

DE60222715T2 - Herstellung von Quarzkörpern mit dem Sol-Gel-Verfahren

Info

Publication number: DE60222715T2
Application number: DE60222715T
Authority: DE
Inventors: Suhas Glen Gardner Bhandarkar; Yoram Oley De Hazan; John Burnette Lebanon Macchesney; Thomas Edward Millburn Stockert
Original assignee: Fitel USA Corp
Current assignee: Furukawa Electric North America Inc
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: KR100871995B1; JP2003002666A; DE60222715D1; EP1251106B1; US6571582B2; JP4215997B2; EP1251106A2; EP1251106A3; US20020152771A1; KR20020081669A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung großer Sol-Gel-Körper. Insbesondere ist sie auf Techniken zur Herstellung von Vorformen einer optischen Faser vor einem Faserziehen anwendbar.
Hintergrund der Erfindung
Eine Vielzahl von Verfahren wurde für die Herstellung von Glasartikeln mit hohem Siliziumdioxidgehalt vorgeschlagen, wie z. B. der Einzel- und der Doppeldispersionsvorgang, beschrieben durch D. W. Johnson u. a. in Fabrication Of Sintered High-Silica Glasses, US-Patent Nr. 4,419,115 , und das Verfahren, das durch D. W. Johnson u. a. in Sintered High-Silica Glass And Articles Comprising Same, US-Patent Nr. 4,605,428 beschrieben ist. Verwendungen eines hohen Siliziumdioxidgehalts umfassen die Herstellung von Glasstäben zur Verwendung als Vorformen bei der Herstellung optischer Fasern, wie durch F. Kirkbir u. a., US-Patent Nr. 5,254,508 für Sol-gel Process For Forming A Germania-doped Silica Glass Rod vorgeschlagen wird, und die Herstellung von Sekundärumhüllungsrohren zur Verwendung während der Herstellung einer optischen Faser durch ein Sol-Gel-Verfahren. Obwohl Sol-Gel-Verfahren eine Herstellung von Glasobjekten mit niedrigeren Kosten als andere Verfahren ermöglichen, haben N. Matsuo u. a. in dem US-Patent Nr. 4,680,046 für Method Of Preparing Preforms For Optical Fibers u. a. bemerkt, dass es schwierig ist, einen Glasartikel bereitzustellen, der ausreichend groß ist, um als eine Vorform für optische Fasern verwendet zu werden.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Funktionsteil einer optischen Faser (der Kern und die innere Umhüllung tragen mehr als 99% der optischen Energie) üblicherweise nur 5% der Masse darstellt, hat ein wesentlicher Teil dieser Bemühung Strukturen betroffen, die für eine Außenumhüllung eines derartigen inneren Abschnitts sorgen. Eine gegenwärtige Herstellung nutzt oft einen inneren Abschnitt, der einen Kern und eine innere Umhüllungsregion bildet, wie er durch eine modifizierte chemische Aufdampfung oder alternativ durch Rußaufbringung bei einer Außenaufdampfung oder Axialaufdampfung hergestellt wird. Dieser Kernstab könnte durch ein Material mit weniger fordernden Eigenschaften außenumhüllt sein und könnte folglich durch eine weniger kostspielige Verarbeitung erzeugt werden. Eine Außenumhüllung könnte eine direkte Aufbringung auf den Kernstab beinhalten oder könnte aus einem Zusammenfallen eines umgebenden Rohrs resultieren. Derartige „Außenumhüllungs"-Rohre wurden bisher aus Ruß oder geschmolzenem Quarz hergestellt. Eine Herstellung sehr großer Rußkörper erfordert eine extensive Verarbeitung und große Körper aus geschmolzenem Quarz sind teuer.
Es wurde erkannt, dass wesentliche Einsparungen durch ein Herstellen von Außenumhüllungsrohren durch Sol-Gel-Techniken realisiert werden könnten. Dieses bekannte Verfahren ist z. B. in J. Zarzycki „The Gel-Glass Process", S. 203–31 in Glass: Current Issues, A. F. Wright und J. Dupois, Hrsg., Martinus Nijoff, Boston, Mass. (1985) beschrieben. Sol-Gel-Techniken werden als potentiell weniger kostspielig als andere bekannte Vorformherstellungsprozeduren betrachtet. Während eine Sol-Gel-Herstellung von Außenumhüllungsrohren und anderen optischen Glaskomponenten beträchtlichen Erfolg erzielt hat, werden andauernd Verbesserungen angestrebt.
Ein bestehendes Problem bei der Herstellung sehr großer Sol-Gel-Körper, z. B. mehr als 5 kg, für das Ziehen einer optischen Faser im Stand der Technik ist eine Rissbildung des gelierten Körpers. Eine Rissbildung kann während eines Trocknens oder Handhabens des gelierten Körpers vor einer Verfestigung auftreten. Siehe z. B. T. Mori u. a. „Silica Glass Tubes By New Sol-Gel Method", J. Non-Crystalline Solids, 100, S. 523–525 (1988), die das Rissbildungsproblem beschreiben und eine Modifizierung der Anfangsmischung und des Gel-Bildungsverfahrens empfehlen, was beides kompliziert und teuer ist. Das Rissbildungsproblem ist in einer Schrift von Katagiri und Maekawa, J. Non-Crystalline Solids, 134, S. 183–90 (1991), erklärt, die schreibt: „One of the most important problems in the sol-gel preparation method for monolithic gels is avoidance of crack formation which occurs during drying" (Eines der wichtigsten Probleme in dem Sol-Gel-Herstellungsverfahren für monolithische Gele ist das Vermeiden einer Rissbildung, was während des Trocknens auftritt). Eine Schrift von 1992, veröffentlicht in dem Journal of Material Science, Band 27, S. 520–526 (1992), ist noch deutlicher: „Although the sol-gel method is very attractive, many problems still exist, as pointed out in Zarzycki. Of these problems, the most serious one is thought to be the occurrence of cracks during drying of monolithic gel" (Obwohl das Sol-Gel-Verfahren sehr attraktiv ist, gibt es noch viele Probleme, wie bei Zarzycki dargestellt ist. Von diesen Problemen ist vermutlich das schwerwiegendste das Auftreten von Rissen während eines Trocknens des monolithischen Gels). Die Bezugnahme betrachtet dann Abhilfen, z. B. hyperkritische Trocknungsprozeduren und Verwendung chemischer Zusatzstoffe, wie z. B. N,N-Dimethylformamid, die kollektiv als Drying Control Chemical Additives (chemische Trocknungskontrollzusatzstoffe) bezeichnet werden. Beide Verfahren werden als teuer und deshalb unerwünscht bei einer routinemäßigen Glasherstellung angesehen. Eine extensive Beschreibung eines geeigneten Sol-Gel-Verfahrens und von Zusatzstoffen, die nützlich für eine Verbesserung der Festigkeit von Sol-Gel-Körpern sind, ist in dem US-Patent Nr. 5,240,488 enthalten.
Das Rissbildungsproblem wird mit ansteigender Größe von Vorformen bei der kommerziellen Faserherstellung noch schwerwiegender. Die Herstellung einer optischen Faser im Stand der Technik beinhaltet typischerweise ein Ziehen von hunderten von Kilometern einer Faser aus einer einzelnen Vorform. Diese Vorformen überschreiten üblicherweise eine Größe von 5 kg. Obwohl Verbesserungen an Techniken zur Herstellung großer Sol-Gel-Körper gemacht wurden, ist die Festigkeit immer noch ein Problem und eine mögliche Verfahrensmodifizierung, die zu einer Verbesserung in der Festigkeit von Zwischenprodukten während des Sol-Gel-Verfahrens führt, bildet einen wertvollen Beitrag zu der Technologie.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obige Verbesserung bei der Festigkeit von Zwischenprodukten wird durch die Verfahren der Ansprüche 1, 4 und 5 erzielt.
So haben wir ein modifiziertes Kolloid-Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung großer Sol-Gel-Körper aus Siliziumdioxid- und siliziumdioxidhaltigen Glasen entwickelt. Die Modifizierung nutzt eine überraschende Entdeckung, dass das Ausgangsmaterial in dem Sol-Gel-Verfahren, Siliziumdioxid-Partikel, viel größer sein könnte als man bisher dachte. Wir haben Sol-Gel-Körper unter Verwendung von Kolloidsuspensionen von Siliziumdioxidteilchen in dem Größenbereich, der durch 5–25 m² pro Gramm definiert ist, formuliert. Diese Teilchen sind wesentlich größer als diejenigen, die üblicherweise empfohlen werden, d. h. 50 m² pro Gramm. Entgegen der Erwartung haben Kolloide, die mit diesen großen Teilen gebildet werden, zu keinem vorzeitigen Absetzen geführt, wie zu erwarten wäre.
Ebenso entgegen der Erwartung könnten Nass-Sol-Körper mit einer sehr hohen Feststoffbeladung, d. h. 65–78%, unter Verwendung von Großpartikelausgangsmaterialien und einer geeigneten Verarbeitung erhalten werden. Es hat sich gezeigt, dass diese großen Beladungsmengen eine Nassfestigkeit verbessern, ohne die Sol-Stabilität und Rheologie zu beeinträchtigen. Auf Grund der großen Beladung passen ge staltete Sol-Körper in dem „Grün"-Zustand viel enger mit den Abmessungen der letztendlichen erwünschten Form zusammen und erlauben so komplexere Gestalten und eine größere Abmessungssteuerung.
Es hat sich ebenso gezeigt, dass die Teilchenmorphologie wesentlich zu den verbesserten Ergebnissen beiträgt. Teilchen mit im Wesentlichen sphärischen Gestalten sind für die erzielten Ergebnisse nötig. Herkömmliche Siliziumdioxidteilchenmischungen beinhalten sowohl sphärische als auch nicht sphärische Teilchen, letztere in Mengen von 30% oder mehr. Wir haben die hier berichteten verbesserten Ergebnisse unter Verwendung von Teilchenmischungen mit weniger als 15% und vorzugsweise weniger als 10% nicht sphärisch erzielt.
Sol-Gel-Körper, die unter Verwendung dieser Ausgangskolloide formuliert werden, führen zu Festigkeitsverbesserungen von 100% und in manchen Fällen 300%. Die verbesserte Festigkeit sowie eine höhere Beladung erlauben ein schnelleres Trocknen des Sols, wobei so die Gesamtverarbeitungszeit reduziert wird. Die reduzierte Oberflächenfläche pro Gramm erlaubt außerdem, dass Zusatzstoffe in kleineren Mengen enthalten sein können. Dies senkt die Kosten von Materialien und vermindert außerdem die Prozesszeit, die zum Ausbrennen der Zusatzstoffe erforderlich ist. Diese Verarbeitungseffizienzen übertragen sich in geringere Herstellungskosten, insbesondere für sehr große Körper.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Verteilungsdiagramm, das die Teilchengrößen für zwei geeignete Siliziumdioxidpulverzusammensetzungen gemäß der Erfindung zeigt;
2 ist eine schematische Darstellung eines Formungsschritts, der verwendet wird, um einen Sol-Gel-Körper gemäß der Erfindung herzustellen;
3 ist eine Ansicht des geformten Sol-Körpers nach dem Trocknen;
4 und 5 sind schematische Ansichten des Stab-In-Rohr-Verfahrens, das die Umhüllungsrohrherstellungstechnik der Erfindung nutzt; und
6 ist eine schematische Darstellung einer Faserziehvorrichtung, die nützlich zum Ziehen von Vorformen, die durch die Erfindung hergestellt werden, in durchgehende Längen einer optischen Faser ist.
Detaillierte Beschreibung
Eine Vielzahl von Herstellungstechniken einer optischen Faser wurden vorgeschlagen. Das bekannte „Stab-In-Rohr"-Verfahren wird kommerziell weit verbreitet eingesetzt. Es beinhaltet ein Einführen eines Kernstabs in ein Außenumhüllungsrohr, das üblicherweise durch ein Rußverfahren hergestellt wird, um eine Vorform zu erzeugen. Die Vorform wird durch bekannte Faserziehtechniken in eine Faser gezogen. Als eine Alternative wird gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zumindest ein Abschnitt der Vorform durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Das Sol-Gel-Verfahren könnte verwendet werden, um entweder das Außenumhüllungsrohr oder den Kernstab (oder beides) zu bilden. Am üblichsten werden die vollen Vorteile des Sol-Gel-Ansatzes beim Bilden großer Körper aus Siliziumdioxid- oder siliziumdioxidhaltigem Glas, das für ein Außenumhüllungsmaterial eingesetzt wird, realisiert. Die durch die Technik der Erfindung hergestellten Siliziumdioxid-Körper könnten dotiert oder undotiert sein. Wenn das Siliziumdioxid für Kernstäbe verwendet wird, könnte es rein sein oder mit Germania oder einem gleichwertigen Dotiermittel auf-dotiert werden. Das Umhüllungsmaterial könnte undotiert sein oder könnte Abschnitte aufweisen, die mit Fluor ab-dotiert sind.
Bei einer Verwendung als Außenumhüllung besteht ein bekannter Ansatz darin, den Kernstab in ein ungesintertes Umhüllungsrohr einzuführen und das Umhüllungsrohr auf dem Kernstab zu verfestigen. Dieser Ansatz, der in dem US-Patent Nr. 4,775,401 , erteilt am 4. Oktober 1988, beschrieben ist, könnte bevorzugt werden, da er einen separaten Sinterschritt vermeidet, wodurch die Gesamtanzahl erforderlicher Schritte abnimmt. Er erzeugt außerdem eine hervorragende Vorformsymmetrie, wobei so das Risiko einer übermäßigen Polarisationsmodendispersion (PMD) in der fertigen Faser reduziert wird. Eine wichtige Anforderung des Vorform-Außenumhüllungsrohrs ist eine Abmessungsstabilität und Reproduzierbarkeit. Es sollte eine Innenoberfläche aufweisen, die glatt ist und einen einheitlichen Durchmesser aufweist, um so mit den Kern zusammenzupassen. Eine Genauigkeit von sowohl dem inneren als auch dem äußeren Durchmesser ist zum Steuern eines Kern-Zu-Umhüllung-Verhältnis in der gezogenen optischen Faser wünschenswert.
Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung großer Partikel aus Siliziumdioxidpulver als Ausgangs-Siliziumdioxidmaterial zu einem Erzielen dieser und anderer Ziele beiträgt. Die Größe dieser Partikel wird am bequemsten in Bezug auf die Oberflächenfläche des Siliziumdioxidpulvers, d. h. m² pro Gramm, definiert. Der Anfangsschritt bei dem Sol-Gel-Verfahren besteht darin, die Siliziumdioxidteilchen gründlich mit Wasser zu mischen, um eine Fest-Flüssig-Kolloiddispersion zu erzeugen. Der empfohlene Bereich von Siliziumdioxidpulverpartikeln beträgt 5–25 m²/Gramm und vorzugsweise 5 bis weniger als 20 m²/g. Dies ist eine durchschnittliche Teilchengröße. Fachleute werden verstehen, dass typische kommerzielle Siliziumdioxidpulver Teilchen mit einem breiten Bereich von Größen beinhalten. Der her kömmliche Bereich könnte sich von einigen Nanometern bis zu über 100 Nanometer erstrecken. Kommerzielle Pulver sind nach einer Oberflächenfläche pro Gewichtseinheit eingeordnet, üblicherweise m² pro Gramm. Dieses Standardmaß berücksichtigt einen Bereich von Teilchengrößen, eine kleinere Anzahl in Bezug auf m²/Gramm überträgt sich durchschnittlich jedoch direkt in eine größere durchschnittliche Teilchengröße. In Siliziumdioxidpulvern, die bei 5–20 m²/Gramm eingeordnet sind, liegt die Teilchengrößenverteilung allgemein in dem Bereich 0,15 bis 1,0 Mikrometer.
Verteilungsdiagramme für zwei derartige Pulvermischungen sind in 1 gezeigt. Kurve 1 ist für ein experimentelles Siliziumdioxidpulver und ist als ein Beispiel einer Mischung mit einer geeigneten Teilchengröße und -verteilung enthalten. Kurve 2 zeigt Größe- und Verteilungsdaten für ein Siliziumdioxidpulverprodukt, das SE-1 bezeichnet wird und bei Tokuyama Corp. erhältlich ist. Die Morphologie der Teilchen in diesen Mischungen verglichen mit herkömmlichen Siliziumdioxidpulvern wird durch eine Prüfung von Elektronenmikrographen definiert, die nachfolgend vorgelegt werden.
Das gerade beschriebene Siliziumdioxidpulver wird in Wasser dispergiert, um das Kolloid-Sol zu bilden. Ein Kolloid, wie es in der Kolloid-Chemie bekannt ist, ist eine Dispersion von Partikeln, die einer Lösung gleicht, jedoch zwei unterschiedliche Phasen beibehält, in diesem Fall flüssig und fest. Die festen Teilchen bleiben durch Oberflächenkräfte auf den Teilchen in der Flüssigkeit suspendiert. Klassische Definitionen der Kolloidteilchengröße variieren. Die Fähigkeit eines kleinen Teilchens, in einer Flüssigkeit suspendiert zu bleiben, hängt von vielen Faktoren ab, hauptsächlich der Natur des Dispersanden, insbesondere der Masse und der Natur des Dispersanten, insbesondere der Viskosität. Die einfachste Weise einer Vorgabe von Sol-Systemen, die nützlich für die Erfindung sind, sind diejenigen, in denen die Partikel für eine Periode, die ausreichend ist, um ei nen Gel-Körper zu bilden, suspendiert bleiben. Teilchen in Pulvern, die durch 5–18 m²/Gramm gekennzeichnet sind, sind relativ groß und es wäre zu erwarten, dass dieselben sich relativ schnell in Wasser absetzen. Wir haben jedoch unerwarteterweise festgestellt, dass das Absetzen relativ großer Siliziumdioxidteilchen im Wasser durch das Vorliegen kleinerer Partikel, die in einer stabilen Suspension vorliegen, gehindert wird. Dies legt nahe, dass es wünschenswert ist, in dem Pulver über eine Verteilung von Teilchengrößen zu verfügen. Die Verteilung könnte sehr groß sein, eine minimale Verteilung von zumindest 20 Mikrometern von dem kleinsten zu dem größten Teilchen jedoch sollte eine ausreichend stabile Kolloidmatrix liefern, um ein gehindertes Absetzen der größeren Teilchen bereitzustellen.
Beim Bilden der Wasser/Siliziumdioxidpulver-Suspension ist ein gründliches Mischen erforderlich. Typischerweise wird ein standardmäßiger Hoch-Scher-Mixer verwendet und die Viskosität und Zeit eines Mischens sind wichtig bei einem Erzielen einer vollständigen Homogenisierung. (Für Details siehe US-Patentanmeldung Seriennummer 09/365,191, eingereicht am 2. August 1999, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.) Es ist festzustellen, dass die Verwendung größerer Siliziumdioxidteilchen gemäß der Erfindung wesentlich eine Dispersion verbessert und eine Mischzeit reduziert.
Die Menge der Siliziumdioxidteilchen nach Gewicht in dem Verfahren der Erfindung beträgt zwischen 65 und 78 Gewichtsprozent. Dies ist eine ausnehmend hohe Beladung und führt zu wichtigen Vorteilen, die unten dargelegt sind.
Nach einem gründlichen Mischen der Siliziumdioxidteilchen in Wasser wird der pH-Wert der Mischung unter Verwendung einer wasserlöslichen Base auf einen pH-Pegel in dem Bereich 10–13, üblicherweise etwa 12, eingestellt. Bei dem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung wird der pH-Wert der Mischung unter Verwendung von Tetramethylammonium-Hyd roxid (TMAH) eingestellt. Andere wasserlösliche Basen, wie z. B. Tetraethylammonium-Hydroxid, könnten ebenso verwendet werden. Auf Grund der relativ großen Teilchen und der geringeren Oberflächenfläche der Teilchen in Suspension wird eine unerwartet kleine Basenmenge benötigt, um die pH-Einstellung zu bewirken. Es ist festzustellen, dass weniger als 2 Gewichtsprozent TMAH ausreichend sind. Die 2 Gewichtsprozent sind ein Prozentsatz basierend auf dem Trockengewicht des Siliziumdioxids. In einigen Fällen ist 1,5% oder sogar 1% lösliche Base ausreichend. Das Sol wird dann üblicherweise mehrere Stunden lang gealtert.
Zusatzstoffe, wie z. B. Weichmacher und/oder Bindemittel, können zu dem stabilisierten Sol zugegeben werden, um eine Vielzahl erwünschter Charakteristika zu verleihen. Üblicherweise sind dies organische Materialien, die später in dem Vorgang ausgebrannt werden, d. h. Wärmebehandlung kurz vor der Verfestigung. Eine breite Vielzahl von Zusatzstoffen wurde vorgeschlagen. Viele derselben sind in dem US-Patent Nr. 5,240,488 , auf das oben verwiesen wurde, erläutert. Unter diesen Zusatzstoffen enthalten sind Polyamine, mehrwertige Alkohole und Glyzerin. Diese Zusatzstoffe unterstützen die Herstellung des Sols/Gels, sind jedoch häufig in dem letztendlichen Siliziumdioxidprodukt unerwünscht. Dies ist insbesondere bei Vorformen einer optischen Faser der Fall. Folglich ist es erforderlich, den organischen Zusatzstoff auszubrennen, während der Körper porös ist, vor einer Verfestigung. Diese Zusatzstoffe vermitteln üblicherweise ihre Funktionalität in dem Gelierungsteil des Verfahrens, was eine Verbesserung durch ein Beschichten der Oberfläche der Siliziumdioxidteilchen schafft. Die erforderliche Menge des Zusatzstoffs ist deshalb auf die Oberflächenfläche der Siliziumdioxidteilchen bezogen. Wie in dem oben erwähnten Patent angezeigt ist, ist die empfohlene Menge des Zusatzstoffs diejenige, die ausreichend ist, um zumindest eine einmolekulare Schicht (monomolekulare Schicht) auf einem wesentlichen Abschnitt der Oberflächenfläche der Teilchen bereitzustellen. Empiri sche Daten zeigen, dass eine vollständige Beschichtung jedes Teilchens nicht nötig oder sogar erwünscht ist. Deshalb ist die übliche optimale Menge in dem Bereich von 5–50% der Gesamtteilchenfläche. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen, dass ein Befolgen dieser Vorgabe in den Zusammenhang der vorliegenden Erfindung zu einer geringeren erforderlichen Menge an Zusatzstoff führt. Die Reduzierung des Zusatzstoffs ist in etwa gleich dem reduzierten Oberflächenflächenverhältnis. Das typische Siliziumdioxidpulver, das in Sol-Gel-Verfahren des Stands der Technik verwendet wird, weist eine empfohlene Oberflächenfläche von 50 m²/Gramm oder mehr auf. Die Siliziumdioxidteilchengröße gemäß dieser Erfindung ist in dem Bereich 5–18 m²/Gramm. Unter Verwendung der Flächenverhältnisse beträgt die erforderliche Menge Zusatzstoff bei dem Verfahren der Erfindung 10–36% von derjenigen, die in dem Verfahren des Stands der Technik verwendet wird. Die Reduzierung des verwendeten Zusatzstoffs führt offensichtlich zu einer Kosteneinsparung. Es ist jedoch noch wichtiger, dass weniger organischer Zusatzstoff später in dem Verfahren aus dem gelierten Körper entfernt werden muss. Ein Reduzieren von Brennzeit und/oder Severity um 3 bis 10 Mal, wie aus einem Verwenden von nur 10–36% der empfohlenen Menge des Zusatzstoffs resultieren würde, führt zu wichtigen Verfahrensvorteilen.
Das oben hergestellte Sol-Gel gelierte durch ein Absenken des pH-Werts über mehrere Minuten. Bei dem bevorzugten Verfahren wird dies durch ein Zugeben von 0,5–2%, üblicherweise 1% des Methyl-Formiats (MF) erzielt. Andere wässrige Ester oder esterbildende Substanzen könnten ebenso verwendet werden. Das pH-Ziel beträgt etwa 9. Nach einem Zugeben des Geliermittels und bevor im Wesentlichen ein Gelieren auftritt, wird das Sol in die erwünschte Größe und Gestalt gegossen. Ein wichtiger Vorteil des Sol-Gel-Verfahrens besteht darin, dass es verwendet werden kann, um gestaltete Glaskörper durch ein einfaches Formen des Gels zu bilden. Da das Gel zu Beginn in einem flüssigen Zustand ist, könnte dasselbe in eine Form der erwünschten Gestalt gegossen und vor Ort geliert werden.
2 zeigt eine Form, die für ein Bilden eines zylindrisch gestalteten Glaskörpers angepasst ist. Es wird darauf verwiesen, dass die Abmessungen in der Zeichnung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und bestimmte Merkmale unter Umständen zur Klarheit übertrieben sind.
Das Ziel des Verfahrens, das beschrieben wird, besteht darin, eine relativ dickwandige Rohrstruktur zu erzeugen, die als ein Außenumhüllungsrohr für die Vorform einer optischen Faser geeignet ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist lediglich beispielhaft für eine große Vielzahl von Größen und Gestalten gegeben, in denen Siliziumdioxidkörper gemäß den Lehren der Erfindung hergestellt werden können.
In 2 ist die Form 11 ein zylinderförmiges Gefäß mit einem konzentrischen Mittelrohr 12. Die Form könnte jedes beliebige Material aufweisen, wie z. B. rostfreien Stahl. Nach einem Zugeben des Geliermittels und im Wesentlichen bevor ein Gelieren auftritt, wird das Sol 14 (schattiert gezeigt) in den Raum zwischen den beiden konzentrischen Rohren gegossen. Der Innendurchmesser des äußeren Rohrs legt den ungefähren Außendurchmesser des porösen Umhüllungsrohrs fest und der Außendurchmesser des inneren Stahlstabs oder -rohrs bestimmt den Innendurchmesser des porösen Umhüllungsrohrs. Die letztendlichen Abmessungen des verfestigten Umhüllungsrohrs werden durch das Schrumpfen des Gels auf ein Trocknen hin und ein weiteres Schrumpfen des porösen Umhüllungsrohrs während einer Verfestigung bestimmt. Diese Dimensionsveränderungen sind gut bekannt, gut reproduzierbar und werden beim Entwerfen der Sol-Gel-Form berücksichtigt.
Nachdem das Gel gebildet ist, üblicherweise nach einem 12-24-stündigen Stehen, wird die Form entfernt. Es ist günstig, wenn der Mittelpfosten 12 separat von dem Formzylinder 11 entfernbar ist. Der Zylinder könnte zwei oder mehr Teile aufweisen, um ein Entformen zu ermöglichen. Der „Grün"-Körper wird dann zumindest mehrere Tage lang getrocknet (üblicherweise 72–500 Stunden). Der Trocknungsvorgang sollte die Gestalt des Körpers berücksichtigen und eine physische Verzerrung der Gestalt auf Grund von Schwerkraft, insbesondere in den früheren Stufen eines Trocknens, vermeiden. Eine Rissbildung des Gels ist ein bekanntes Problem. Das Handhaben des Grün-Gel-Körpers und das Trocknen des Gels sollten sorgfältig ausgeführt werden, um eine Rissbildung zu vermeiden.
Die inhärente „Nass"-Festigkeit des Gels ist ein wichtiger Prozessparameter, insbesondere bei der Herstellung von Körpern mit großen und/oder komplexen Gestalten. Es hat sich unerwarteterweise herausgestellt, dass die Nassfestigkeit der Gel-Körper, die mit großen Siliziumdioxidteilchen gemäß einem Merkmal der Erfindung hergestellt werden, verbessert wird und in den meisten Fällen um mehr als 100% verbessert wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung relativ großer Teilchen zu einer reduzierten Neigung der Teilchen, in der Suspension zu agglomerieren, führt. Als eine Folge ist eine wesentlich höhere Beladung, bis zu 78 Gewichtsprozent, möglich. Bei einer herkömmlichen Verarbeitung führen Versuche, das Sol mit derartig viel fester Phase zu beladen, zu einem unkontrollierbaren Anstieg der Viskosität. Größere Teilchen jedoch neigen dazu, sich weniger anzusammeln, und fließen deshalb leichter. Die wichtige Folge derartig hoher Beladungsfaktoren in dem Gel-Körper ist die, dass ein geringeres Volumen eines Dispersanten in dem Trocknungsschritt entfernt werden muss. Ein Reduzieren des Dispersant-Volumens führt zu zwei wichtigen Ergebnissen. Erstens könnte die Zeit, die für den Trocknungsschritt erforderlich ist, üblicherweise die zeitaufwändigste Phase des Verfahrens, dramatisch reduziert werden. Zweitens sind auf Grund der sehr hohen Beladung von Feststoffen in dem Gel die Abmes sungen des Gel-Körpers näher an den Abmessungen des letztendlichen Körpers, d. h. während des Trocknens gibt es weniger Schrumpfen. Dies trägt nicht nur zu einer Dimensionssteuerung bei, d. h. die letztendlichen Durchschnittsabmessungen passen enger mit denjenigen des Gels zusammen, sondern die relativen Abmessungen des Körpers, d. h. diejenigen, die die Gestalt des Körpers bestimmen, werden bewahrt. Dies ist in den 2 und 3 dargestellt, in denen der Innendurchmesser D₁ der Form, um nur eine Abmessung zu nehmen, den Außendurchmesser des Gelkörpers bestimmt. Nach einem Trocknen entspricht der Durchmesser des Siliziumdioxidkörpers 21 in 3 D₂. Das Verhältnis D₂/D₁ ist der Schrumpfungsfaktor. Bei einer Solbeladung von mehr als 65%, verglichen mit 50% bei dem typischen Verfahren des Stands der Technik, ist zu erwarten, dass der Schrumpfungsfaktor um etwa 25% oder mehr reduziert werden kann.
Das getrocknete poröse Umhüllungsrohr wird langsam auf eine Temperatur über 600°C und vorzugsweise etwa 1.100°C erwärmt, um organische Zusatzstoffe auszubrennen und das Material zur weiteren Handhabung zu festigen. Wie oben angezeigt wurde, könnte auf Grund der reduzierten Menge zugegebener Zusatzstoffe der Ausbrennschritt wesentlich verkürzt werden oder die erforderliche Temperatur könnte reduziert werden. An diesem Punkt besitzt das Rohr eine ausreichende Integrität, um gehandhabt zu werden, ist jedoch noch porös. Das Rohr wird dann durch ein Erwärmen des Rohrs auf eine Temperatur in dem Bereich 1.300–1.800°C verfestigt.
Zur Unterscheidung und so zur Definition des morphologischen Unterschieds zwischen den zur Verwendung bei dieser Erfindung empfohlenen Pulvern und denjenigen, die zuvor verwendet und durch Räucherteilchentechniken (Rauch-Siliziumdioxid) hergestellt wurden, haben wir eine Serie von Elektronenmikrographen wie folgt erstellt. Das Rauch-Siliziumdioxid mit einer nominellen Oberflächenfläche von etwa 50 m²/gm von Lieferanten, wie z. B. Degussa Corp., wurde mit Wasser gemischt, um so eine Dispersion mit 2–3 Gewichtspro zent zu bilden. Ein Tropfen dieser Dispersion wurde auf einem mit Kohlenstoff beschichteten Kupfergitter platziert. Nach etwa einer Minute wurde die Flüssigkeit abgestrichen und das Gitter wurde getrocknet und in einem Transmissionselektronenmikroskop platziert. Die Betriebsspannung betrug 200 KV, was einen Vergrößerungsfaktor von etwa 200.000 erlaubte. Mehrere Abschnitte des Gitters, das Gruppen von Teilchen beinhaltete, wurden schnell abgebildet, um so eine mögliche Veränderung durch eine anhaltende Aussetzung gegenüber dem Elektronenstrahl zu vermeiden. Die Mikrographen wurden dann sorgfältig nach Teilchengrößeverteilung und Morphologie (oder Gestalt) analysiert. Die Probengröße beinhaltete zumindest 500 zufällige Teilchen. Wie bekannt ist, war zu sehen, dass die Teilchengrößeverteilung breit war, mit Größen, die von 5 bis 150 nm variierten. Außerdem wurde bestimmt, dass diese Pulver üblicherweise weniger als etwa 70% primärer sphärischer Teilchen beinhalteten. Der Rest waren teilweise gesinterte oder geschmolzene Aggregate, mit einer hantelförmigen oder kettenartigen Morphologie. Dies zeigte sich als ein konsistentes Merkmal mehrerer Pulverserien, die über einen Zeitraum von 10 Jahren hergestellt wurden, und kann so als eine Charakteristik des Rauch-Siliziumdioxidpulvers mit 50 m²/gm betrachtet werden.
Als das SE-1- oder ähnliche Pulver der Tokuyama Corp. analysiert wurden, wie oben beschrieben wurde, war zu sehen, dass diese im Wesentlichen 100% sphärische Teilchen hatten. Dies stand in deutlichem Gegensatz zu der Morphologie der Teilchen mit 50 m²/gm. Die Teilchen variierten größenmäßig von etwa 50 nm bis 1 Mikrometer.
Die folgenden Beispiele der Herstellung der Vorform einer optischen Faser sind zur Darstellung der Erfindung gegeben.
BEISPIEL 1
Ein Sol, das etwa 55 Gewichtsprozent kommerzielle Rauch-Siliziumdioxidteilchen mit einer nominellen spezifischen Oberflächenfläche von 50 m²/gm und einer etwa 30%igen nicht sphärischen Morphologie beinhaltete, wurde unter Verwendung von 1,5 Gewichtsprozent Tetramethylammonium-Hydroxid (TMAH) als Stabilisator hergestellt. Dies wurde mit 1,75 Gewichtsprozent Methyl-Laktat als Geliermittel gemischt. Das Sol wurde in eine etwa 15 cm lange Form mit einem Durchmesser von 1 cm gegossen. Das Gelieren geschah bei Raumtemperatur in etwa 15 Minuten. Das Gel wurde etwa 3–24 Stunden lang gealtert und dann aus der Form extrahiert. Der Nass-Gel-Stab wurde dann einem MOR-3-Punkt-Biegetest unterzogen, festgelegt durch den ASTM-Standard C674–81. Die typische MOR war bei etwa 0,07 MPa zu sehen.
BEISPIEL 2
Ein Sol, das etwa 65 Gewichtsprozent kommerzielle Rauch-Siliziumdioxidteilchen mit einer nominellen spezifischen Oberflächenfläche von etwa 15 m²/gm und einer weniger als 10%igen nicht sphärischen Morphologie beinhaltete, wurde unter Verwendung von 1,5 Gewichtsprozent Tetramethylammonium-Hydroxid (TMAH) als Stabilisator hergestellt. Dies wurde mit 1,75 Gewichtsprozent Methyl-Laktat als Geliermittel gemischt. Das Sol wurde in eine etwa 15 cm lange Form mit einem Durchmesser von 1 cm gegossen. Das resultierende zylindrische Gel wurde etwa 3–24 Stunden lang gealtert und dann aus der Form extrahiert. Der Nass-Gel-Stab wurde dann einem MOR-3-Punkt-Biegetest, wie oben beschrieben, unterzogen. Die typische MOR war bei etwa 0,15 MPa zu sehen. Ferner hat sich gezeigt, dass die maximale Nassfestigkeit der Gele, die aus großen Teilchen hergestellt wurden, nach nur wenigen Stunden Altern erreicht ist. Im Vergleich dazu erfordern Gele, die aus Teilchen mit 50 m²/gm hergestellt werden, 12–24 Stunden, um eine maximale Nassfestigkeit zu erreichen. Da ein Verstärken in diesem Fall mit einer wesentlichen Synerese einhergeht, die ein Entformen unter stützt, können Alterungszeiten von Gels, die aus großen Teilchen hergestellt werden, um etwa 10–20 Stunden reduziert werden.
BEISPIEL 3
Ein Sol, das etwa 75 Gewichtsprozent kommerzielle Rauch-Siliziumdioxidteilchen mit einer nominellen spezifischen Oberflächenfläche von etwa 15 m²/gm und einer weniger als 10%igen Morphologie beinhaltete, wurde unter Verwendung von 1,0 Gewichtsprozent Tetramethylammonium-Hydroxid (TMAH) als Stabilisator hergestellt. Dies wurde mit 1,2 Gewichtsprozent Methyl-Laktat als Geliermittel gemischt. Das Sol wurde in eine etwa 15 cm lange Form mit einem Durchmesser von 1 cm gegossen. Das resultierende zylindrische Gel wurde etwa 3–24 Stunden lang gealtert und dann aus der Form extrahiert. Der Nass-Gel-Stab wurde dann einem MOR-3-Punkt-Biegetest unterzogen, wie oben beschrieben. Die typische MOR war bei etwa 0,2 MPa zu sehen.
BEISPIEL 4
Ein Sol, das etwa 72 Gewichtsprozent kommerzielle Rauch-Siliziumdioxidteilchen mit einer nominellen spezifischen Oberflächenfläche von 15 m²/gm und einer weniger als 10%igen nicht sphärischen Morphologie beinhaltete, wurde unter Verwendung von 1,0 Gewichtsprozent Tetramethylammonium-Hydroxid (TMAH) als Stabilisator hergestellt. Dies wurde mit 1,2 Gewichtsprozent Methyl-Laktat als Geliermittel gemischt. Das Sol wurde in eine etwa 50 cm lange Form mit einem Innendurchmesser von 16 cm gegossen. Ein Dorn, 3 cm Außendurchmesser, wurde zur Definition der Innenbohrung verwendet. Nach einem Altern des Gels für etwa 5 Stunden wurde dasselbe aus der Form extrahiert und in dem Trockner platziert. Zum Trocknen waren die Anfangsbedingungen 75% relative Feuchtigkeit und 21°C; allmählich wurde die Feuchtig keit gesenkt und die Temperatur erhöht, um das Trocknen in etwa 6 Tagen abzuschließen.
BEISPIEL 5
Die Proben, die so, wie in den Beispielen 2 und 3 beschrieben ist, hergestellt wurden, wurden bei 30% relativer Feuchtigkeit und Raumtemperatur etwa einen Tag lang getrocknet. Die getrockneten Stäbe wurden in einem Ofen platziert und erwärmt, um sich der organischen Substanzen zu entledigen. Stickstoff war bis etwa 350°C verbraucht und wurde an diesem Punkt durch Luft ersetzt. Schließlich wurden die getrockneten Gele in 10 Volumenprozent Cl₂ bei 1.000°C gereinigt und gekühlt. Dann wurden diese gesintert, um eine Transparenz bei 1.500°C bei fließendem He in etwa 0,5 Stunden abzuschließen.
Die vorstehenden Beispiele stellen die Herstellung von Umhüllungsrohren einer optischen Faser, die nützlich zur Herstellung einer Stab-In-Rohr-Vorform sind, dar. Der Vorgang ist in den 4 und 5 dargestellt. Wie bereits angezeigt wurde, ist die Zeichnung nicht maßstabsgetreu. Das in den 2 und 3 gezeigte Umhüllungsrohr ist mit einer verkürzten Länge gezeigt. Ein Umhüllungsrohr, das repräsentativer für tatsächlich verwendete Abmessungen ist, ist in 4 bei 21 gezeigt. Ein typisches Länge-Durchmesser-Verhältnis beträgt 10–15. Der Kernstab 22 ist als in das Umhüllungsrohr eingeführt gezeigt. Der Stab und/oder das Rohr könnten an diesem Punkt entweder bereits verfestigt oder noch porös sein. Üblicherweise ist das Umhüllungsrohr porös und ist um den Kernstab herum verfestigt. Es gibt mehrere übliche Optionen für die Zusammensetzung des Kernstabs. Dies könnte reines Siliziumdioxid sein, angepasst, um in ein ab-dotiertes Umhüllungsrohr eingeführt zu werden. Es könnte eine Mittelregion aus reinem Siliziumdioxid mit einer ab-dotierten äußeren Kernregion aufweisen. Es könnte eine auf-dotierte, z. B. Germania-dotierte, Mittelkernregion aufwei sen, die durch eine Region aus reinem Siliziumdioxid umgeben ist. Es könnte eine auf-dotierte Mittelkernregion aufweisen, die durch eine ab-dotierte äußere Kernregion umgeben ist. All diese Optionen sind in der Technik bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Ausführung. Nach einer Anordnung des Stabs 21 und des Rohrs 22 wird die Kombination gesintert, um die letztendliche Vorform 23, die in 5 gezeigt ist, zu erzeugen, wobei der Kern 24 mit Ausnahme eines kleinen Brechungsindexunterschieds nicht von der Umhüllung zu unterscheiden ist.
Typische Abmessungen des Stabs und des Umhüllungsrohrs sind ebenso bekannt. Der Durchmesser eines verfestigten Umhüllungsrohrs für eine standardmäßige Mehrmodenfaser beträgt etwa zweimal den Durchmesser des Kernstabs. In dem Fall einer Vorform für eine Einmodenfaser beträgt der Durchmesser des Stabs etwa 5% des letztendlichen Durchmessers des Umhüllungsrohrs.
Die verfestigte Vorform wird dann zum Ziehen einer optischen Faser in herkömmlicher Weise verwendet. 6 zeigt eine Ziehvorrichtung einer optischen Faser mit einer Vorform 31 und einem Heizer 32, der den Ofen (nicht gezeigt) darstellt, der zum Erweichen der Glasvorform und Einleiten eines Faserziehens verwendet wird. Die gezogene Faser ist bei 33 gezeigt. Die naszierende Faseroberfläche läuft dann durch eine Beschichtungsschale, allgemein bei 34 angezeigt, die eine Kammer 35 aufweist, die ein Beschichtungsvorpolymer 36 beinhaltet. Die flüssigbeschichtete Faser aus der Beschichtungskammer tritt durch eine Form 41 aus. Die Kombination der Form 41 und der Fluiddynamik des Vorpolymers steuert die Beschichtungsdicke. Die vorpolymerbeschichtete Faser 44 wird dann mit UV-Lampen 45 belichtet, um das Vorpolymer auszuhärten und den Beschichtungsvorgang abzuschließen. Andere Aushärtungsbestrahlung könnte, wo geeignet, eingesetzt werden. Die Faser wird dann, wenn die Beschichtung ausgehärtet ist, durch eine Aufwickelspule 47 aufgenommen. Die Aufwickelspule steuert die Ziehgeschwin digkeit der Faser. Ziehgeschwindigkeiten in dem Bereich von üblicherweise 1–20 m/Sek. können verwendet werden. Es ist wichtig, dass die Faser innerhalb der Beschichtungsschale mittig ist, und insbesondere innerhalb der Austrittsform 41, um eine Konzentrizität der Faser und der Beschichtung beizubehalten. Eine kommerzielle Vorrichtung weist üblicherweise Rollen auf, die die Ausrichtung der Faser steuern. Ein hydrodynamischer Druck in der Form selbst unterstützt ein Zentrieren der Faser. Ein Schrittgebermotor, gesteuert durch einen Mikroschrittindexierer (nicht gezeigt), steuert die Aufwickelspule.
Beschichtungsmaterialien für optische Fasern sind üblicherweise Urethane, Acrylate oder Urethan-Acrylate, wobei ein UV-Photoinitiator zugegeben ist. Die Vorrichtung in 6 ist mit einer einzelnen Beschichtungsschale gezeigt, Doppelbeschichtungsvorrichtungen mit Doppelbeschichtungsschalen werden jedoch häufig eingesetzt. In doppelbeschichteten Fasern sind typischerweise Primär- oder Innenbeschichtungsmaterialien weiche Materialien mit geringem Modul wie z. B. Silikon, Heißschmelzwachs oder ein beliebiges einer Anzahl von Polymermaterialien, die einen relativ geringen Modul aufweisen. Die üblichen Materialien für die zweite oder äußere Beschichtung sind Polymere mit hohem Modul, typischerweise Urethane oder Acrylstoffe. In einer kommerziellen Praxis könnten beide Materialien Acrylate mit niedrigem und hohem Modul sein. Die Beschichtungsdicke variiert üblicherweise in ihrem Durchmesser von 150–300 μm, wobei der Standard etwa 240 μm sind.
Das hierin beschriebene Verfahren ist besonders nützlich zur Herstellung großer Sol-Gel-Vorformen einer optischen Faser. Große Sol-Gel-Körper im gegenwärtigen kommerziellen Sprachgebrauch bedeutet Körper mit einem Gewicht von mehr als 6 kg, üblicherweise mit einem Durchmesser von mehr als 50 mm und häufig mehr als 75 mm. Die Erfindung ist ebenso zur Herstellung kleinerer und leichterer Siliziumdioxidkörper angepasst, die sich bisher auf Grund der Gestalt des Körpers als schwierig in der Herstellung erwiesen haben. Es wird intuitiv darauf verwiesen, dass ein länglicher Siliziumdioxidkörper oder ein seltsam gestalteter Siliziumdioxidkörper mit zumindest einer Abmessung von z. B. sechs Zoll, zumindest die gleiche Herausforderung darstellen könnte wie ein Körper mit 6 kg oder sogar 20 kg mit einer kompakten Gestalt.
Eine Bezugnahme auf Siliziumdioxidkörper hierin bedeutet, in dem Fall von Vorformen einer optischen Faser, Körper aus hochreinem Siliziumdioxid. Das Siliziumdioxidbasismaterial für Vorformen einer optischen Faser schließt notwendigerweise Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder Eisen, aus. Sie könnten jedoch kleine Mengen von Dotiermitteln, wie z. B. Fluor, zum Modifizieren des Brechungsindex umfassen. Andere Arten von Siliziumdioxidkörpern könnten wesentliche Mengen von Glasbildungsoxiden oder anderen Zusatzstoffen umfassen. Der Ausdruck Siliziumdioxidkörper soll sich auf einen Körper beziehen, in dem der vorherrschende Inhaltsstoff, mehr als 50 Gewichtsprozent, Siliziumdioxid ist.
Die detaillierte Beschreibung abschließend soll angemerkt werden, dass es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich ist, dass viele Variationen und Modifizierungen an dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden könnten, ohne von dem Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren für die Herstellung eines Siliziumdioxid-Glaskörpers, mit folgenden Schritten: (a) Herstellen eines Sols durch Mischen von Siliziumdioxid-Teilchen und Wasser, wobei die Siliziumdioxid-Teilchen eine Oberflächenfläche aufweisen, die durch den Bereich 5–25 m² pro Gramm definiert ist, und zumindest 85% sphärische Teilchen beinhalten, wobei das Gewichtsverhältnis der Siliziumdioxid-Teilchen zu Wasser größer als 65% ist, (b) Zugeben einer wasserlöslichen Base, um den pH-Wert des Sols auf einen Wert in dem Bereich 10–13 einzustellen, (c) Zugeben eines Geliermittels zu dem Sol, (d) Gießen des Sols in eine Form, (e) Gelieren des Sols in der Form, um einen gelierten Körper in der Gestalt der Form zu bilden, (f) Entfernen des gelierten Körpers aus der Form, und (g) Brennen des gelierten Körpers, um den gelierten Körper in einen glasartigen Siliziumdioxid-Körper zu verfestigen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die wasserlösliche Base aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Tetramethylammonium-Hydroxid und Tetraethylammonium-Hydroxid besteht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Sol zumindest einen organischen Zusatzstoff in einer ausreichenden Menge beinhaltet, um monomolekular von 5% bis 50% der gesamten freien Oberfläche der Siliziumdioxid-Teilchen zu bedecken.
Verfahren für die Herstellung von Vorformen einer optischen Faser, mit folgenden Schritten: (a) Herstellen eines porösen Siliziumdioxid-Körpers aus Siliziumdioxid-Teilchen, wobei der poröse Siliziumdioxid-Körper ein Gewicht von mehr als 5 kg aufweist, durch die folgenden Schritte: (i) Herstellen eines Sols durch Mischen von Siliziumdioxid-Teilchen und Wasser, wobei die Siliziumdioxid-Teilchen eine Oberflächenfläche aufweisen, die durch den Bereich 5–25 m² pro Gramm definiert ist, wobei zumindest 85% der Siliziumdioxid-Teilchen sphärisch sind, und wobei das Gewichtsverhältnis der Siliziumdioxid-Teilchen zu Wasser größer als 65% ist, (ii) Zugeben einer wasserlöslichen Base, um den pH-Wert des Sols auf einen Wert in dem Bereich 10–13 einzustellen, (iii) Zugeben eines Geliermittels zu dem Sol, (iv) Gießen des Sols in eine Form, (v) Gelieren des Sols in der Form, um einen gelierten Körper in der Gestalt der Form zu bilden, und (vi) Entfernen des gelierten Körpers aus der Form, (b) Erwärmen des porösen Siliziumdioxid-Körpers auf eine Temperatur von mehr als 1.300°C, um den porösen Siliziumdioxid-Körper in eine Vorform zu verfestigen.
Verfahren für die Herstellung einer optischen Faser, mit folgenden Schritten: (a) Herstellen eines porösen Siliziumdioxid-Körpers aus Siliziumdioxid-Teilchen, wobei der poröse Siliziumdioxid-Körper ein Gewicht von mehr als 5 kg aufweist, durch die folgenden Schritte: (i) Herstellen eines Sols durch Mischen von Siliziumdioxid-Teilchen und Wasser, wobei die Siliziumdioxid-Teilchen eine Oberflächenfläche aufweisen, die durch den Bereich 5–25 m² pro Gramm definiert ist, wobei zumindest 85% der Siliziumdioxid-Teilchen sphärisch sind, und wobei das Gewichtsverhältnis der Siliziumdioxid-Teilchen zu Wasser größer als 65% ist, (ii) Zugeben einer wasserlöslichen Base, um den pH-Wert des Sols auf einen Wert in dem Bereich 10–13 einzustellen, (iii) Zugeben eines Geliermittels zu dem Sol, (iv) Gießen des Sols in eine Form, (v) Gelieren des Sols in der Form, um einen gelierten Körper in der Gestalt der Form zu bilden, und (vi) Entfernen des gelierten Körpers aus der Form, (b) Erwärmen des porösen Siliziumdioxid-Körpers auf eine Temperatur von mehr als 1.300°C, um den porösen Siliziumdioxid-Körper in eine Vorform zu verfestigen, (c) Befestigen der Vorform in einer Faserziehvorrichtung, und (d) Ziehen einer optischen Faser aus der Vorform.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die wasserlösliche Base aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Tetramethylammonium-Hydroxid und Tetraethylammonium-Hydroxid besteht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Sol zumindest einen organischen Zusatzstoff in einer ausreichenden Menge beinhaltet, um monomolekular von 5% bis 50% der gesamten freien Oberfläche der Siliziumdioxid-Teilchen zu bedecken.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner den Schritt eines Zentrifugierens der Siliziumdioxid-Teilchen, um Verunreinigungen zu entfernen, umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das den zusätzlichen Schritt eines Zugebens eines organischen Zusatzstoffs zu dem Sol in einer reduzierten Menge umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, das den Schritt eines Erwärmens des gelierten Körpers auf eine Temperatur und für eine Zeit, die ausreichend sind, um den organischen Zusatzstoff auszubrennen, umfasst, wobei die Temperatur und/oder die Zeit aufgrund der reduzierten vorhandenen Menge an Zusatzstoff reduziert sind.