DE942945C - Optical glass and process for its manufacture - Google Patents

Optical glass and process for its manufacture

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DE942945C
DE942945C DEL6257A DEL0006257A DE942945C DE 942945 C DE942945 C DE 942945C DE L6257 A DEL6257 A DE L6257A DE L0006257 A DEL0006257 A DE L0006257A DE 942945 C DE942945 C DE 942945C
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glass
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teo
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Norbert Meinert
Gustav Weissenberg
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Ernst Leitz Wetzlar GmbH
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Ernst Leitz Wetzlar GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/12—Silica-free oxide glass compositions
    • C03C3/122—Silica-free oxide glass compositions containing oxides of As, Sb, Bi, Mo, W, V, Te as glass formers

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  • Glass Compositions (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zumThe invention relates to a method for

Herstellen von Glas, dessen einzelne Substanzen bisher nicht zu den Glasbildnern gerechnet werden, und auf nach diesem Verfahren gewonnene Gläser, insbesondere optische Gläser.Manufacture of glass, the individual substances of which have not yet been counted among the glass formers, and on glasses obtained by this process, in particular optical glasses.

Es ist bekannt, als Basis für die beispielsweise in der Optik üblichen Gläser glasbildende Substanzen zu verwenden, denen zur Erlangung gewünschter optischer, chemischer oder physikalischer Eigenschaften nochIt is known to use glass-forming substances as a basis for the glasses customary in optics, for example, those to achieve the desired optical, chemical or physical properties

ίο glasbildende oder nicht glasbildende Substanzen zugesetzt werden können. Unter glasbildenden Substanzen sollen dabei solche verstanden werden, die für sich allein beim Erstarren aus dem Schmelzfluß Gläser bilden, wie z. B. Kieselsäure (SiO2), Borsäure (B2O3) und andere. Diese sind im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Ionenradien, Kationenradius Rlc zu Anionenradius Ra bei 0,2 bis 0,4 liegt (vgl. V. M. Goldschmidt, »Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente«, Bd. VIII, Skrifter Utgitt av Det Norske Videnskaps-Akademi i Oslo, I. Matern. Naturvid. Klasse, 1925, Nr. 8).ίο glass-forming or non-glass-forming substances can be added. Under glass-forming substances are to be understood as those that form glasses on their own when solidifying from the melt flow, such as. B. silica (SiO 2 ), boric acid (B 2 O 3 ) and others. These are essentially characterized in that the ratio of the ionic radii, the cation radius R lc to the anion radius R a is 0.2 to 0.4 (cf. VM Goldschmidt, "Geochemical Distribution Laws of the Elements", Vol. VIII, Skrifter Utgitt av Det Norske Videnskaps-Akademi i Oslo, I. Matern. Naturvid. Class, 1925, No. 8).

Aus der Literatur sind ferner Glaszusammensetzungen bekannt, die aus fünf und mehr Oxyden bestehen, die als nicht glasbildend anzusprechen sind. Aus diesen bekannten Ansätzen ist aber nicht zu erkennen, wie man zu verfahren hat, um aus anderen Stoffen, die ebenfalls nicht glasbildend sind, zu Gläsern zu kommen.Glass compositions are also known from the literature which consist of five or more oxides exist that are not to be addressed as glass-forming. From these known approaches, however, is not to recognize how to proceed in order to obtain from other substances that are also not glass-forming Glasses to come.

Mit den bekanntgewordenen Glaszusammensetzungen werden jedoch noch nicht alle die optischen Werte erreicht, die dem Optiker wünschenswert erscheinen. With the known glass compositions, however, not all of the optical Reached values that appear desirable to the optician.

Die Erfindung soll nun den Bereich der erreichbaren optischen Werte erweitern durch Verwenden von j eweils zwei nach bisheriger Erkenntnis zur Glasbildung nicht benutzbaren Substanzen. Die Erfindung besteht darin, daß zwei Komponenten A und B, die für sich allein nicht glasbildend sind und die weder eine Verbindung des Typs A^. B„ noch Mischkristalle bilden, in einem solchen Mengenverhältnis niedergeschmolzen werden, daß die statistische Verteilung der einzelnen Komponenten in der Schmelze, gegeben durch dieThe invention is now intended to expand the range of achievable optical values by using in each case two substances which, according to current knowledge, cannot be used for glass formation. The invention exists in that two components A and B, which are not glass-forming on their own and which are neither a compound of type A ^. B "still form mixed crystals, in such a quantitative proportion that the statistical distribution of the individual Components in the melt given by the

Konfiguration der Moleküle der einzelnen Komponenten, der Kräfteverhältnisse und naturgemäß der Konzentration, so gewählt wird, daß beim Erstarren eine Kristallisation verhindert wird. Die Erklärung dafür scheint die zu sein, daß beispielsweise bei einem binären Gemisch, also einer Substanz A und einer Substanz B, so viel von B in A in der Schmelze gelöst werden muß, daß eine solche Konfiguration in der Schmelze entsteht, daß bei vorgegebenen zwischenmolekularen Kräften (gegeben beispielsweise durch die Kernladungszahl bzw. Valenzelektronen und den mittleren statistischen Abstand bzw. durch die van der Waalschen Kräfte) beim Abkühlprozeß ein AuskristaUisieren der A- bzw. B-Komponente verhindert wird. Thermodynamisch bedeutet diese Aussage nichts anderes, als daß die mengenmäßige Zusammensetzung von zwei Stoffen, die die obigen Forderungen erfüllen, so gewählt werden muß, daß die Mischungsentropie des Systems im Bereich eines Maximums. hegen muß. Wo der Bereich der maximalen Mischungsentropie liegt, läßt sich im allgemeinen leicht durch beispielsweise zwei Messungen der Schmelzentropie nahe ioo°/0 A bzw. ioo°/0 B und Vergleich mit der Schmelzentropie von A und B bestimmen.The configuration of the molecules of the individual components, the balance of forces and, of course, the concentration is chosen so that crystallization is prevented on solidification. The explanation for this seems to be that, for example, in the case of a binary mixture, i.e. a substance A and a substance B, so much of B has to be dissolved in A in the melt that such a configuration arises in the melt that given a given intermolecular Forces (given for example by the atomic number or valence electrons and the mean statistical distance or by the van der Waals forces) during the cooling process, the A or B component is prevented from crystallizing out. Thermodynamically, this statement means nothing else than that the quantitative composition of two substances that meet the above requirements must be chosen so that the entropy of mixing of the system is in the range of a maximum. must cherish. The area of the maximum entropy of mixing can generally easily be determined by, for example, two measurements of the entropy of fusion close to 100 ° / 0 A or 100 ° / 0 B and a comparison with the melt entropy of A and B.

An einem Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren gezeigt werden. Ein Tellur-(4)-Oxyd (TeO2) besitzt ein Verhältnis der Ionenradien Rh zu Ra = 0,67 (nach den V. M. Goldschmidtschen Berechnungen, nach Pauling ist es etwas weniger, 0,61); es gehört daher nicht zu den Glasbildnern, und man kann zeigen, daß es auch nicht gelingt, diese Substanz, selbst wenn man sie schnell abschreckt, in ein Glas überzuführen. Das gleiche gilt für Aluminiumoxyd (Al2O3). Werden aber etwa 10Molprozent Aluminiumoxyd (Al2O8) in 90 Molprozent Tellur-(4)-Oxyd (TeO2) gelöst und dieses Gemisch zum Erstarren gebracht, so entsteht unter allen Umständen, wenn man nicht mit einem Telluroxydkristall die Schmelze impft, ein 4.0 stabiles Glas, das man, wenn notwendig, bei mehreren ioo°C wochenlang tempern kann, ohne daß eine Entglasung eintritt.The method according to the invention is to be shown using an example. A tellurium (4) oxide (TeO 2 ) has a ratio of ionic radii R h to R a = 0.67 (according to VM Goldschmidt's calculations, according to Pauling it is slightly less, 0.61); therefore it does not belong to the group of glass formers, and it can be shown that it is not possible to transfer this substance into a glass, even if it is quickly deterred. The same applies to aluminum oxide (Al 2 O 3 ). If, however, about 10 mol percent aluminum oxide (Al 2 O 8 ) is dissolved in 90 mol percent tellurium (4) oxide (TeO 2 ) and this mixture is solidified, the result is under all circumstances if the melt is not inoculated with a tellurium oxide crystal 4.0 stable glass which, if necessary, can be tempered at several 100 ° C for weeks without devitrification occurring.

Von Telluroxyd können unter Glasbildung auch Zusätze von Glasbildnern aufgenommen werden, wie Berylliumfluorid (BeF2), Kieselsäure (SiO2), Borsäure (B2O3), Germaniumoxyd (GeO2), arseniger Säure (As2O3), Antimonoxyd (Sb2O3) u. dgl., nicht aber die glasbildenden Phosphate. Die Färbung der Telluroxyde kann stark vermindert werden, wenn man von Tellur-(6)-Oxyd (TeO3) oder einem Gemisch von TeUur-(4)-Oxyd (TeO2) und Tellur-(6)-Oxyd (TeO3) ausgeht und/oder Zusätze von Tellur-(4)-Oxyd (TeO2) mit anorganischen Peroxyden, wie Lithiumperoxyd (Li2O2), Natriumperoxyd (Na2O2) und Bariumperoxyd (BaO2) usw., in hinreichender Menge der Schmelze zusetzt. Sowohl bei TeO3 als auch bei den anorganischen Peroxyden wird bei hoher Temperatur Sauerstoff freigesetzt so daß eine Reduktion des TeO2 zu Tellur oder anderen Oxydationsstufen als TeO2 verhindert wird.Additions of glass formers can also be absorbed by tellurium oxide with glass formation, such as beryllium fluoride (BeF 2 ), silica (SiO 2 ), boric acid (B 2 O 3 ), germanium oxide (GeO 2 ), arsenic acid (As 2 O 3 ), antimony oxide ( Sb 2 O 3 ) and the like, but not the glass-forming phosphates. The color of the tellurium oxides can be greatly reduced if one of tellurium (6) oxide (TeO 3 ) or a mixture of TeUur (4) oxide (TeO 2 ) and tellurium (6) oxide (TeO 3 ) starts out and / or additions of tellurium (4) oxide (TeO 2 ) with inorganic peroxides, such as lithium peroxide (Li 2 O 2 ), sodium peroxide (Na 2 O 2 ) and barium peroxide (BaO 2 ), etc., in sufficient quantities Melt clogs. Both with TeO 3 and with the inorganic peroxides, oxygen is released at high temperature so that a reduction of TeO 2 to tellurium or other oxidation stages than TeO 2 is prevented.

Die Schmelztemperatur dieser Gläser liegt zwischen 750 und 9000 C. Man kann durch Zusatz von Kryolith oder ähnlichem erreichen, daß die Schmelze sehr dünnflüssig wird. Um zu eindeutigen Schmelzen zu gelangen, empfiehlt es sich, im Goldtiegel zu schmelzen, der praktisch nicht angegriffen wird. Wünscht man aber einen gewissen Aluminiumoxydgehalt der Schmelze, so kann man in Sinterkorundtiegeln schmelzen, doch ist der Gehalt von Al2O3 dann von der Schmelzdauer und der Temperatur abhängig. Weniger angegriffen werden Tiegel aus Quarz.The melting temperature of these glasses is between 750 and 900 ° C. By adding cryolite or the like, the melt becomes very thin. In order to achieve clear melting, it is advisable to melt in the gold crucible, which is practically not attacked. But if you want a certain aluminum oxide content in the melt, you can melt in sintered corundum crucibles, but the content of Al 2 O 3 then depends on the melting time and the temperature. Crucibles made of quartz are less susceptible to attack.

In Tabelle 1 werden beispielsweise Schmelzen aus fast reinem Tellur-(4)-Oxyd (TeO2) angeführt. Ein Gehalt von Aluminiumoxyd ist wesentlich. In Tabelle 2 werden beispielsweise Schmelzen mit verschiedenen Fluoriden von Alkali- und Erdalkalimetallen angeführt. In Tabelle 3 sind solche Schmelzen von Oxyden mit Tellur-(4)-Oxyd und in Tabelle 4 eine Schmelze aus einem Gemisch von Tellur-(4)-Oxyd und Tellur-(6)-Oxyd gezeigt.Table 1 lists, for example, melts made from almost pure tellurium (4) oxide (TeO 2 ). An aluminum oxide content is essential. Table 2 lists, for example, melts with various fluorides of alkali and alkaline earth metals. Table 3 shows such melts of oxides with tellurium (4) oxide and Table 4 shows a melt of a mixture of tellurium (4) oxide and tellurium (6) oxide.

TeO2 TeO 2 Gewichtsproze
Al2O3 Weight percentage
Al 2 O 3 TabeUe 1Table 1 Na2O2 Na 2 O 2 nD n D VV Bemerkungcomment Schmelze
45 Nr·melt
45 No. 89,5
93,5
90,0
88,589.5
93.5
90.0
88.5 - 6,7
6,5
6,4
7,o '- 6.7
6.5
6.4
7, o ' nt im Ansatz
SiO2 nt in the beginning
SiO 2 3,8
3,6
1,83.8
3.6
1.8 1,838
1,956
2,036
1,98311,838
1.956
2.036
1.9831 22,7
22,4
l8,2
20,922.7
22.4
l8.2
20.9 Al2O3-Tiegel ~
Al2O3-Tiegel
Pt-Tiegel
Al2O3-TiegelAl 2 O 3 crucibles ~
Al 2 O 3 crucibles
Pt crucible
Al 2 O 3 crucibles E 304 .......
W145/E331 ·
E 309
δ" Ε 393 E 304 .......
W145 / E331
E 309
δ "Ε 393 2,72.7

TabelleTabel

Schmelze
Nr.melt
No.

LiFLiF GeTOchtsprozent im AnsatzReal percent in the approach SrF2 SrF 2 BaF2 BaF 2 SiO2 SiO 2 Al2O3 Al 2 O 3 Na2O2 Na 2 O 2 JJYY TeO2 TeO 2 4,44.4 CaF2 CaF 2 —- < I<I. 6,26.2 —- i,944i, 944 oo,5oo, 5 •—• - —- —- <I<I. 6,66.6 1,61.6 1,8951,895 82,582.5 —- 8,38.3 —- <I<I. 6,16.1 - 1,8- 1.8 1,9851,985 87,087.0 —- 4,34.3 15,215.2 —- <I<I. 6,16.1 - i,5- i, 5 1,8841,884 75,675.6 —- ,—, - 8,38.3 —- <I<I. 6,66.6 1,61.6 1,9041.904 82,582.5 —- —- —.-. 31,831.8 <I<I. 6,56.5 i,5i, 5 1,8331,833 59,559.5 —■- ■ —- —- 26,726.7 <I<I. 6,26.2 1,01.0 1,8331,833 65,865.8 —- —- —- 8,38.3 <I<I. 6,36.3 1,61.6 i,93oi, 93o 83,083.0 —-

E 345 E 345

E 350 E 350

W148/E349.
E 356 W148 / E349.
E 356

E 354 E 354

E 362 E 362

E361 E361

W151/E359.W151 / E359.

21,8
26,6
23,4
23,7
23,4
25,7
23,4
22,421.8
26.6
23.4
23.7
23.4
25.7
23.4
22.4

TabelleTabel

Schmelze Nr.Melt no.

ZnOZnO In2O3 In 2 O 3 Gewichtsprozent imWeight percent in GeO2 GeO 2 Ansatzapproach —- WO3 WHERE 3 TeO2 TeO 2 . —. - TiO2 TiO 2 —- —- —- 84,584.5 —- —- —- La2O3 I Bi2O3 La 2 O 3 I Bi 2 O 3 •—·• - · —- 74,o74, o 8,38.3 —- —- —- 4,84.8 —- —- 83,083.0 4,34.3 —- —- —- 18,518.5 —- —- 86,486.4 —- 4,34.3 —- —- —- —- —- 86,486.4 —- —- —■- ■ — ■- ■ —- —- —- 86,486.4 —- —- 4,34.3 4,34.3 —■- ■ —■- ■ —·- · 86,286.2 •—■• - ■ —- •—• - 8,38.3 —- 8,28.2 —- 82,782.7 —- —- —- —- —- 18,118.1 —- 83,383.3 —- —- —- —- —- —- —- 72,572.5 —- —- —- —- —- —- 8,28.2 83,383.3 —- —- —- —- —- —- 18,118.1 72,572.5 —- —- —- —- ■—■ - —- —- 83,383.3 —- —- —- —- —- —- 86,486.4 —■- ■ —- —-

Ta2O5 Ta 2 O 5

E325· E 334· E 367. E 389. E 388. E 390.E325 · E 334 · E 367, E 389, E 388, E 390.

E396· E398-E385· E 386.E396 E398-E385 E 386.

E 375· E 376.E 375 · E 376.

E 377-E 391.E 377-E 391.

__

— — 8,2- - 8.2

noch Tabellestill table

Schmelze Nr.Melt no.

Tl2OTl 2 O

Gewichtsprozent im Ansatz SiO, I Al2O3 Weight percent in the batch SiO, I Al 2 O 3

E 325· E 334 E367. E389· E 388.E 325 E 334 E 3 6 7 . E389 · E 3 88.

E 390. E 396-E 398-Ε385· E 386.E 390. E 396-E 398-Ε 3 85 E 3 86.

Ε375-E 376. E 377· E 391.Ε375-E 376. E 377 · E 391.

4,34.3

ι ιι ι

I I II I I

I II I

I I I I I I II I I I I I I

6,0 6,6 6,3 6,9 6,9 6,9 6,9 6,66.0 6.6 6.3 6.9 6.9 6.9 6.9 6.6

6,3 7,o 6,3 7,o 6,3 6,96.3 7, o 6.3 7, o 6.3 6.9

TabelleTabel

3,63.6

1,6
1,61.6
1.6

1,6
i,5
1,6
i,5
1,61.6
i, 5
1.6
i, 5
1.6

i,5
1,6i, 5
1.6

,95 2,008 2,016 1,9996 1,9722 2,0237 1,9873 2,0515 2,0222 2,0391 2,038 2,009 2,007 2,0371, 95 2.008 2.016 1.9996 1.9722 2.0237 1.9873 2.0515 2.0222 2.0391 2.038 2.009 2.007 2.0371

20,5 22,3 20,1 20,6 21,2 i8,9 21,5 21,5 19,520.5 22.3 20.1 20.6 21.2 i8.9 21.5 21.5 19.5

19,4 20,2 20,3 19,119.4 20.2 20.3 19.1

Schmelze Nr.Melt no.

TeOoTeOo

Gewichtsprozent im AnsatzWeight percent in the approach

TeO3 SiO,TeO 3 SiO,

ALO.,ALO.,

E 395·E 395

42,042.0

42,042.0

8,28.2

2,01402.0140

Die in den vorstehenden Beispielen angeführten Zusammensetzungen sollen den Erfindungsgegenstand nicht beschränken. Der wesentliche Erfindungsgedanke wird darin gesehen, daß mehr als 50 Gewichtsprozent Telluroxyde mit zur Glasbildung notwendigen Oxyden der 3. Gruppe des Periodischen Systems, beispielsweise Aluminiumoxyd, gegebenenfalls mit Oxyden und/oder Fluoriden zu Gläsern erschmolzen werden.The compositions listed in the above examples are intended to form the subject matter of the invention not restrict. The essential idea of the invention is seen in the fact that more than 50 percent by weight Tellurium oxides with oxides of the 3rd group of the periodic necessary for glass formation Systems, for example aluminum oxide, optionally melted with oxides and / or fluorides to form glasses will.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: I. Verfahren zum Herstellen von Glas,I. Process for the manufacture of glass, insbesondere optischem Glas, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Komponenten, die keine Mischkristalle bilden und für sich allein nicht glasbildend sind, in einem solchen Mengenverhältnis zusammengeschmolzen werden, daß die Mischungsentropie des Systems im Bereich eines Maximums liegt.in particular optical glass, characterized in that two components that do not have mixed crystals and are not glass-forming on their own, melted together in such a quantitative ratio that the entropy of mixing of the system is in the range of a maximum. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gemäß Anspruch 1 hergestellte Glas als Grundglas Verwendung findet, in dem weitere Komponenten, die selbst oder mit den einzelnen Komponenten des Grundglases nicht glasbildend sind, eingeschmolzen werden.2. The method according to claim 1, characterized in that that the glass produced according to claim 1 is used as a base glass in which other components that do not work by themselves or with the individual components of the base glass are glass-forming, are melted down. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemenge Anteile bis zu Gewichtsprozent glasbildender Substanzen beigemengt werden.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the mixture shares up to Weight percent glass-forming substances are added. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - daß mindestens 50 °/0 des Glasgewichtes aus einem oder mehreren Telluroxyden4. The method according to claim 1 to 3, characterized in - that at least 50 ° / 0 of the glass weight from one or more tellurium oxides erschmolzen werden, die mit geringeren Mengen eines Oxydes vorzugsweise der 3. Gruppe des Periodischen Systems, beispielsweise Aluminiumoxyd (Al2O3), zusammengeschmolzen werden.are melted, which are melted together with smaller amounts of an oxide preferably of the 3rd group of the Periodic Table, for example aluminum oxide (Al 2 O 3 ). 5. Optisches Glas nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemenge oder der Schmelze weitere für sich allein nicht glasbildende Oxyde und/oder Fluoride zugesetzt sind.5. Optical glass according to claim 1 and 2, characterized in that the mixture or further oxides and / or fluorides which are not glass-forming on their own are added to the melt. 6. Optisches Glas nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemenge oder der Schmelze bei Verwendung von Tellur-(4)-Oxyd (TeO2) anorganische Verbindungen, wie z. B. Natriumperoxyd (Na2O2), Bariumperoxyd (BaO2) und ähnliche zugegeben sind, die in der Hitze Sauerstoff abgeben.6. Optical glass according to claim 4 and 5, characterized in that the mixture or the melt when using tellurium (4) oxide (TeO 2 ) inorganic compounds such. B. sodium peroxide (Na 2 O 2 ), barium peroxide (BaO 2 ) and the like are added, which give off oxygen in the heat. 7. Optisches Glas nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als in der Hitze sauerstoffabgebende anorganische Verbindung Tellur-(6)-Oxyd (TeO3) verwendet ist.7. Optical glass according to claim 6, characterized in that tellurium (6) oxide (TeO 3 ) is used as the inorganic compound which releases oxygen in the heat. 8. Optisches Glas · nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als in der Hitze sauerstoff abgebende Substanzen Tellur-(6)-Oxyd (TeO3) und anorganische Peroxyde zugegeben sind.8. Optical glass · according to claims 6 and 7, characterized in that tellurium (6) oxide (TeO 3 ) and inorganic peroxides are added as substances which give off oxygen in the heat. Angezogene Druckschriften:Referred publications: »Glastechnische Berichte«, 22. Jahrgang
Heft 5/6, S. 81 bis 86;»Glass technical reports«, 22nd year
Issue 5/6, pp. 81 to 86; »Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie«, Jahrgang 1929, Bd. 183, S. 275;"Journal for Inorganic and General Chemistry", year 1929, vol. 183, p. 275; USA.-Patentschriften Nr. 2 466 508, 2 466 509;U.S. Patent Nos. 2,466,508, 2,466,509; »Der Glaszustand«, von Gustav Tammann, 1933, S. 16.»The state of the glass«, by Gustav Tammann, 1933, p. 16. © 609502 5.56© 609502 5.56
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