EP2598449A1 - Quarzglaskörper sowie verfahren und gelkörper zur herstellung eines quarzglaskörpers - Google Patents

Quarzglaskörper sowie verfahren und gelkörper zur herstellung eines quarzglaskörpers

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EP2598449A1
EP2598449A1 EP11723354.4A EP11723354A EP2598449A1 EP 2598449 A1 EP2598449 A1 EP 2598449A1 EP 11723354 A EP11723354 A EP 11723354A EP 2598449 A1 EP2598449 A1 EP 2598449A1
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EP
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quartz glass
gel
cavities
sol
displacement
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11723354.4A
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Thomas Kreuzberger
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QSIL GmbH Quarzschmelze Ilmenau
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QSIL GmbH Quarzschmelze Ilmenau
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Publication date
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Application filed by QSIL GmbH Quarzschmelze Ilmenau filed Critical QSIL GmbH Quarzschmelze Ilmenau
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    • C03C2204/04—Opaque glass, glaze or enamel
    • C03C2204/06—Opaque glass, glaze or enamel opacified by gas

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a quartz glass body from a gel body, wherein the gel body produced from a sol is at least shaped and compacted into the quartz glass body.
  • the invention further relates to a gel body for the preparation of a
  • Quartz glass body and a quartz glass body are quartz glass bodies and quartz glass bodies.
  • Translucent and opaque quartz glasses are known from the prior art which, in contrast to clear and transparent quartz glasses, have microscopically small gas inclusions in high concentrations. These gas pockets cause light scattering and thus give the glasses a white appearance.
  • Translucency is understood to mean the partial translucency of a body, the quartz glasses, also called silica glasses, being referred to as translucent if light striking the glass is little absorbed despite scattering in the material.
  • Opacity is understood as a reciprocal property of translucency. That is, if a substance has a high translucency, it has a low opacity and vice versa.
  • the opacity is a measure of the
  • the material properties of opaque or translucent quartz glass vary within wide limits, since they are determined both by the particular base glass and by the gas inclusions finely distributed therein. In this case, properties such as spectral absorption, viscosity and chemical purity of the quartz glass are determined by a selection of the base glass.
  • the gas inclusions determine material properties such as density, light scattering, ie the so-called scattering index matrix, and the thermal insulation effect.
  • the behavior of the material during thermal shaping and welding with clear quartz glass is also influenced.
  • the gas inclusions in the material are characterized by parameters, the parameters being a size distribution, a number of gas inclusions per
  • Volume element a typical shape, such as round bubbles or tubes, and a spatial distribution, that is, a homogeneity include. Further parameters are an orientation or isotropy, a gas composition, a gas pressure as well as a relationship between an open and a closed porosity.
  • the base glass is made of silicon dioxide.
  • sources of the silica quartz crystal granules of natural or synthetic origin, quartz glass granules of natural or synthetic raw materials, flocks of quartz glass granules and nanoscale silica, such as fumed silica, and combinations of these silicon dioxide sources are used.
  • the sources of gases for the gas inclusions are the gas inclusions in the silica grains themselves, gases of the melting atmosphere and / or special additives to the melt, which produce the gas during a reflow process of the silicon dioxide, such additive being silicon nitride or silicon carbide powder.
  • the gas sources themselves and / or inter-granular spaces of the melting granules act. Furthermore, it is known that for the production of opaque quartz glasses of coarse Siliziumdioxid- grains with about 100 ⁇ high temperatures are required to at least the so-called Softening Point or
  • Such glasses have densities in the range of 1.9 to 2.1 g / cm 3 and contain relatively large bubbles of about 20 ⁇ to 200 ⁇ at concentrations of about 0.3 million bubbles per cm 3 to 1 million bubbles per cm 3 .
  • Opaque quartz glasses with significantly smaller bubbles are produced by the use of fine silica grits. Fine silicon dioxide grains require much lower densification temperatures when processed.
  • a molded body made of quartz glass with at least one surface area made of transparent quartz glass is produced by the slip casting method, wherein quartz glass of a purity of at least 99.9% is comminuted to a powder having a particle size below 70 ⁇ .
  • a slip is produced and stabilized by continuous running for a period of 1 hour to 240 hours, the stabilized slurry being filled in a porous mold corresponding to the base body and left therein for a predetermined time.
  • the obtained base body blank is dried and then sintered in an oven. During a period of at least 40 minutes, the base body blank is exposed to a temperature of over 1300 ° C and the sintered body is cooled. Subsequently, a
  • DE 102 43 953 A1 discloses a method for producing a component made of opaque quartz glass. In the process, a first
  • Quartz glass component is sintered.
  • at least part of the granulation is as a porous granule particles consisting of agglomerates of nanoscale, amorphous, synthetically generated silica primary particles with a middle
  • Primary particles large of less than 100 nm are formed, wherein the particle size of the granulation is less than 1 mm.
  • sol-gel method for producing simpler and clearer, d. H. transparent optical lenses known.
  • the sol-gel method is essentially characterized in that in a first process step for producing a quartz glass body or
  • Kieselglas stresses the so-called sol prepared and then filled in a second process step in a casting in a corresponding mold and gelled there. Subsequently, a stabilization of the gel body takes place in a third process step, before further demolding, then drying, purification of the gel body by means of oxidizing gases and sintering and compression to a clear silica glass body are carried out in further process steps.
  • the sol is preferably poured into a mold before gelling, so that a so-called wet gel body is formed.
  • Drying method becomes an open pore from this wet gel body
  • Dry gel body produced the subsequent heating to temperatures of up to 1500 ° C due to the collapse of the pores leads to the compaction of the body.
  • the result of the heating is a clear quartz glass body, which has predetermined dimensions. The specification of the dimension is based on the
  • Casting mold taking into account the shrinkage of the wet gel body.
  • JP 5070175 A discloses a method for producing porous glasses from a gel body formed from a sol.
  • the gel body is formed into the porous glass and compacted, and displacers present in the gel body are burned so that they are in positions at the
  • Displacement body in the glass cavities form.
  • JP 1079028 A describes a process for the production of glass, wherein material for the production of the glass is burned within pores of a porous starting material.
  • the invention is based on the object, an improved over the prior art method for producing a quartz glass body, a
  • the object is achieved by the features specified in claim 1, in terms of the gel body by the features specified in claim 7 and in terms of the quartz glass body by the features specified in claim 10.
  • the gel body generated from a sol is at least molded and compacted into the quartz glass body.
  • the sol prior to gelling, the sol is added to the gel body displacement bodies, which are completely removed from the gel body after gelling, wherein at the positions of the removed displacement body voids are generated.
  • a translucent or opaque quartz glass body is produced, wherein after the removal of the displacement body, the gel body is compressed such that pores collapse within the gel body and forms a dense and clear glass between the cavities.
  • the cavities of the desired opaque quartz glass are already produced in the silicon dioxide framework in the process stage of gelation, wherein the displacement body temporary substitutes for the Represent cavities.
  • the displacement body behave inert in the sol-gel process and are removed in further steps after solidification of the silica backbone.
  • formation of the cavities is advantageously decoupled from the formation of the quartz glass, resulting in the possibility of producing a variety of quartz glasses with different geometries. From the homogeneous Compaction of the gel body after its gelation further results in the risk of the occurrence of so-called voids, ie of
  • the method it is possible in a particularly advantageous manner to produce cavities in a size of 0.5 ⁇ to 30 ⁇ .
  • the size of the cavities is very precisely predetermined, since the shrinkage of the gel body is known until the production of the quartz glass body.
  • the size of the introduced displacement body is selected.
  • the displacement body are homogeneously distributed within the sol, so that a homogeneous distribution of the cavities in
  • a shape of the cavities is given by a shape of the displacers.
  • the displacement body and consequent cavities may have any shape, such as a spherical shape, a cylindrical shape, a conical shape, a polygonal shape or a mixture of these. This results in a further simplification of the specification of optical properties of the quartz glass body.
  • the displacement body after the gel of the sol to the gel body and before the compression of the same to quartz glass are removed therefrom, wherein the removal takes place in particular by chemical reactions in which the Displacer be converted into gases.
  • the displacers are completely burned, so that residues which impair the desired optical properties are effectively avoided.
  • the cavities are filled with a gas before the gel body is compacted. This filling takes place in particular by means of permeation of the gas through the
  • the gas may be any gas which remains stable in the manufacture of the quartz glass body.
  • the gas is, for example, helium, argon, xenon, water, hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide.
  • the material properties of the quartz glass body can be specified. Also, a behavior of the material in a thermal shaping and welding with other materials, in particular when welding with clear quartz glass, and mechanical properties of the quartz glass body, such as its viscosity, can be specified.
  • the gel body After filling the cavities with the gas, the gel body is compacted by increasing the temperature to such an extent that the pores within the pores
  • Quartz glass body arises. Each gas inclusion is in the opaque
  • Quartz glass body traceable to an impression of the corresponding displacement body The structure of the gas inclusions is clearly determined by the structure of the displacers in the wet gel.
  • the cavities are not filled with gas prior to compaction. After the removal, especially the burning of the
  • the sol is particularly preferably formed from a finely dispersed silicic acid, water and tetraethyl orthosilicate. Furthermore, by the formation of the sol from these components a simple assurance of the material properties, such. As the spectral transmittance, the spectral light scattering, inclusions or bubbles, the surface quality, such. B. the micro-roughness and the light scattering and the geometric tolerances of the produced quartz glass body possible.
  • a gel body for producing a quartz glass body is characterized in that in the gel body displacement bodies are introduced, which are so completely removed from the gel body that arise at the positions of the displacement body cavities.
  • the gel body has pores which collapse at a defined compression in such a way that a dense and clear glass forms between the cavities.
  • the displacers are made of plastic, the plastic being polyethylene, polystyrene and / or polymethyl methacrylate. These plastics are on the one hand designed such that a shrinkage of the displacement body is avoided during aging and drying of the gel. On the other hand, they are characterized
  • Plastics characterized in that they are completely combustible in oxygen.
  • the gel body preferably has a porous structure which is designed in such a way that, when the displacement body is burned within the gel body, gas exchange takes place with an environment.
  • the porous structure also contributes to the complete combustion of the displacement body, since an unhindered gas exchange with the environment can take place.
  • a quartz glass body produced in a process according to the invention has vacuoles or cavities filled with a gas.
  • the cavities have a defined size, are arranged in a defined structure, and a dense and clear glass is formed between the cavities.
  • this quartz glass body is also particularly suitable for use as an optical element, for example as a diffuser in UV light applications for the defined scattering of UV light. Since quartz glass, in contrast to conventional glasses and plastic glasses, is resistant to UV light, in addition to the reliable scattering of the UV light, a reduction of maintenance costs for the devices is achieved, in which the quartz glass body is integrated as an optical element.
  • a method for producing a quartz glass body from a gel body and
  • Figure 2 schematically a sectional view of a detail
  • FIG. 1 shows a flowchart of a method according to the invention
  • this hollow space H shown in more detail in FIG. 2 has H, which are filled with a gas.
  • the sol S for producing the quartz glass body Q is produced according to the methods and compositions specified in EP 0 131 057 A1 or DE 33 90 375 C2.
  • Other formulations which contain only colloidal silicic acid as the silica source can produce gels of high silica concentration and relatively low shrinkage. Due to the gelling genetics, rapid processing of the sol is required.
  • Liquid content especially fine-grained silicon dioxide framework and high internal surface.
  • the sol S is finely disperse in a first method step VS1
  • Displacer V added and mixed with this. The mixing takes place in such a way that a homogeneous distribution of
  • the displacement bodies V are introduced into the sol S as liquid droplets or as solid particles. To generate the liquid droplets as
  • Displacer V in the sol S a liquid is added to the sol S, which is not miscible with Sol S.
  • this fluid is an oil.
  • An emulsion is then formed from the sol S and the liquid so that the liquid droplets are distributed in the sol S.
  • preferred use finds solid particles because of their higher stability. A density difference between the particle and the sol S must be made so small that it comes in a further processing of the mixture of the sol S and the displacement bodies V no segregation.
  • the composition of the sols S is chosen such that short
  • Sol S has a molar input water to TEOS to silica ratio of "10 to 1 to 0" to "25 to 1 to 6". For the hydrolyzed and titrated sol S arise at these ratios
  • Density values between 0.97 g / cm 3 and 1.25 g / cm 3 . In order to avoid segregation of the displacement body V and the sol S, particles are selected whose material densities are in this range.
  • Displacement body V from the sol S after its gelation that is, from the resulting gel body, are completely removed.
  • the displacement bodies V are made of high-purity plastics which are completely combustible in oxygen.
  • the plastics used are polyethylene, polystyrene or
  • a selection of the displacement body V according to size and size distribution is performed depending on the demands made on the opaque product. If a very fine structure of the gas inclusions to be generated in the quartz glass body Q is to be produced, displacement bodies V with a small volume will be produced Size selected. For coarser structures, larger displacement bodies V are used.
  • the Sol S with a volume of 1 liter and a silicon dioxide content of 275 g / liter about 1.25 10 10 particles as displacement body V
  • the particles used are microbeads or powders.
  • a powder polydisperse acrylic powder is used in one embodiment of the method.
  • microbeads allows a simple calculation of the quantity to achieve the desired one compared to the use of powder
  • Cavities H feasible. In order to narrow a desired particle size range, classification methods are used. As microbeads monodisperse PMMA spheres are used in one embodiment of the method.
  • sol S with a particularly high chemical purity is used.
  • displacers V are cleaned prior to addition to sol S.
  • the displacement body V are then admixed to the sol S in a defined amount and defined sizes distribution immediately before a casting process and homogeneously distributed in this. This admixing takes place after the pH of the sols S has been adjusted to values between 4 and 5. By adjusting the pH to these values, the gelation process is initiated.
  • the displacement bodies V are introduced into the sol S in such a way that no inadmissibly high shear forces occur during the homogenization. Thus, a change in the size distribution of the displacement body is avoided.
  • Displacement body V to Sol S in the form of a particle dispersion, so that a drying process of the displacement body V can be omitted after the cleaning.
  • the pH adjustment of the sols S to initiate gel formation by means of the addition of the particle dispersion.
  • the particle dispersion is mixed with ammonia solution and in the same molar amount with acetic acid.
  • the particle dispersion is admixed with the untitrated Sol S so that it has a pH of about 5.
  • the quantities for the ammonia solution and acetic acids determine the gelation times and are determined experimentally. As a guideline, at a temperature of 20 ° C and a desired gelling time of 30 minutes approximately 5 times the molar amount of the acid contained in the Sol S must be added.
  • the mixture is poured in a second process step VS2 in a mold, not shown.
  • the casting mold is designed so that its inner contour corresponds to a contour of the quartz glass body Q to be produced in an enlarged scale.
  • the scale is selected such that, despite a shrinkage of the sol S or of the gel body formed, a quartz glass body Q with the desired dimensions is produced.
  • the wet gel body is removed in a fourth method step VS4 from the mold and dried in a fifth method step VS5 in air to form a so-called xerogel.
  • the volume of the displacement body V and its size remain constant in this compression phase of the silica skeleton, that is, from the addition to the sol S until reaching the dry gel state.
  • the displacement bodies V are removed from the xerogel in a sixth method step VS6.
  • Plastic formed displacement body V takes place in an oven below
  • Holes H in the xerogel body whose size and shape corresponds to the size and shape of the respectively displaceable displacement body V, thus arise at the positions of the displacement bodies V.
  • the displacer V After removing the displacer V from the xerogel body, it is cleaned by means of chlorine-containing gases.
  • the temperature is chosen such that the open pores of the xerogel body do not collapse. In an alternative embodiment, no purification of the xerogel body takes place.
  • the cavities H are filled within the xerogel body in a seventh method step VS7 with a gas by the furnace chamber is first evacuated and then filled with the desired gas.
  • a gas by the furnace chamber is first evacuated and then filled with the desired gas.
  • opaque quartz glass body which are characterized by a high viscosity and thermally stable cavities H, also called bubbles, and thus by a special high-temperature stability, is particularly suitable as a gas nitrogen.
  • the production of the quartz glass body Q is not limited to those shown
  • the sol S can be generated by any desired method. Also, the amounts added to the Sol S are on
  • the sol S according to the in the
  • the washed PMMA microspheres are stirred with diameters of about 10 ⁇ in an amount of 1 g by means of a whisk. Subsequently, the mixture is placed in a cylindrical vessel of 30 mm
  • the wet gel fraction produced is removed and dried in air at constant room temperature and elevated air humidity within a week to a Xerogelstab with a diameter of 20 mm.
  • the Xerogel rod is exposed to purify a hydrogen chloride atmosphere while increasing the temperature to 800 ° C for several hours. After completion of the cleaning process will be multiple
  • Quartz glass rod with a diameter of 15 mm is present.
  • the quartz glass rod is characterized by a homogeneous bubble image, d. H. a homogeneous distribution of the cavities H, with uniform bubbles large, d. H. Size of the cavities H, from about 6 ⁇ . Also, the material of the quartz glass rod is characterized by a homogeneous bubble image, d. H. a homogeneous distribution of the cavities H, with uniform bubbles large, d. H. Size of the cavities H, from about 6 ⁇ . Also, the material of the
  • Quarzglasstabes a high purity with a very low concentration of foreign substances on.
  • concentrations of selected elements are given in Table 1 in ppb, with the density of the material being 2.18 g / cm 3 .
  • Directed direct transmission of a 1 mm thick and mechanically polished sample in the spectral range from 200 nm to 3200 nm is between 0.2 and 0.4%.
  • the compaction of the xerogel is carried out deviating from the embodiment 1 at the same temperature, but under a nitrogen atmosphere.
  • the resulting opaque quartz glass rod has a density of 2.18 g / cm 3 .
  • Heating the quartz glass rod to temperatures that are customary for welding quartz parts does not lead to dissolution of the microbubbles.
  • the material remains almost unchanged opaque. Responsible for this is the filling of the cavities H with nitrogen, which can not escape from the cavities H and prevents collapse of the bubbles as a result of adjusting gas pressure.
  • the sol S gels within half an hour to a disc-shaped gel body with a diameter of 18 cm. After drying the gel body, its diameter is 12 cm.
  • the xerogel disk is heated in a quartz glass-lined oven within 8 hours to a temperature of 1350 ° C. In the temperature range of 200 to 500 ° C is provided for a sufficient change of air in the furnace chamber. After 10 minutes of heating at 1350 ° C, the disc is slowly cooled to room temperature.
  • the resulting opaque quartz glass disc has a diameter of 9 cm and appears completely homogeneous when viewed under an intense light sources.
  • the material of the quartz glass disc is characterized by a high purity, with no metal exceeds a concentration of 1 ppm.
  • the production of the quartz glass body Q according to the third embodiment is characterized by a particularly low production cost and consequently very low production costs.
  • Example titrated Sol S prepared in an amount of 600 g. 200 g of this sols S 6.2 g PMMA balls are added with diameters of about 6 ⁇ and stirred.
  • a density of the produced quartz glass body Q can be specified very accurately.
  • the remaining mixture is diluted with titrated Sol S to give a quantity of 200 g. Of this, a portion of 100 g is added to another vessel and forms a sample 2.
  • the quartz glasses formed from the samples have cavities H with them
  • Embodiment shows Figure 2 in a sectional view.
  • Quartz glass body Q has a plurality of cavities H whose diameter

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers (Q) aus einem Gelkörper, wobei der aus einem Sol (S) erzeugte Gelkörper zumindest geformt und zu dem Quarzglaskörper (Q) verdichtet wird. Erfindungsgemäß werden dem Sol (S) vor dem Gelieren zum Gelkörper Verdrängungskörper (V) hinzugefügt, welche nach dem Gelieren vollständig aus dem Gelkörper entfernt werden, wobei an den Positionen der entfernten Verdrängungskörper (V) Hohlräume (H) erzeugt werden, so dass ein transluzenter oder opaker Quarzglaskörper (Q) erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Gelkörper zur Herstellung eines Quarzglaskörpers (Q), wobei in den Gelkörper Verdrängungskörper (V) eingebracht sind, welche derart vollständig aus dem Gelkörper entfernbar sind, dass an den Positionen der Verdrängungskörper (V) Hohlräume (H) entstehen. Ferner betrifft die Erfindung einen Quarzglaskörper, der Vakuolen oder mit Gas gefüllte Hohlräume (H) aufweist.

Description

Quarz glaskörper sowie Verfahren und Gelkörper zur Herstellung eines
Quarz glaskörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers aus einem Gelkörper, wobei der aus einem Sol erzeugte Gelkörper zumindest geformt und zu dem Quarzglaskörper verdichtet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gelkörper zur Herstellung eines
Quarzglaskörpers und einen Quarzglaskörper.
Aus dem Stand der Technik sind transluzente und opake Quarzgläser bekannt, welche im Gegensatz zu klaren und transparenten Quarzgläsern mikroskopisch kleine Gaseinschlüsse in hohen Konzentrationen aufweisen. Diese Gaseinschlüsse bewirken Lichtstreuungen und verleihen somit den Gläsern ein weißes Aussehen.
Unter Transluzenz wird die partielle Lichtdurchlässigkeit eines Körpers verstanden, wobei die Quarzgläser, auch Kieselgläser genannt, dann als transluzent bezeichnet werden, wenn auf das Glas treffendes Licht trotz Streuung im Material wenig absorbiert wird.
Die Opazität wird als reziproke Eigenschaft der Transluzenz verstanden. Das heißt, besitzt ein Stoff eine hohe Transluzenz, so weist er eine geringe Opazität auf und umgekehrt. Dabei stellt die Opazität ein Maß für die
Lichtundurchlässigkeit eines Körpers dar.
Die Materialeigenschaften opaker bzw. transluzenter Quarzgläser variieren je nach Herstellungsverfahren in weiten Grenzen, da sie sowohl durch das jeweilige Grundglas, als auch durch die darin fein verteilten Gaseinschlüsse bestimmt werden. Hierbei werden durch eine Auswahl des Grundglases Eigenschaften wie spektrale Absorption, Viskosität und chemische Reinheit des Quarzglases bestimmt.
Durch die Gaseinschlüsse werden Materialeigenschaften wie die Dichte, die Lichtstreuung, das heißt die so genannte Streuindikatrix, und die thermische Isolationswirkung bestimmt. Auch wird das Verhalten des Materials bei der thermischen Formgebung und dem Verschweißen mit klaren Quarzgläsern beeinflusst.
Die Gaseinschlüsse im Material werden mit Parametern charakterisiert, wobei die Parameter eine Größenverteilung, eine Anzahl der Gaseinschlüsse pro
Volumenelement, eine typische Form, wie runde Blasen oder Röhren, und eine räumliche Verteilung, das heißt eine Homogenität, umfassen. Weitere Parameter sind eine Orientierung bzw. Isotropie, eine Gaszusammensetzung, ein Gasdruck sowie ein Verhältnis zwischen einer offenen und geschlossenen Porosität.
Zur Herstellung von opaken Quarzgläsern sind zahlreiche Verfahren bekannt, wobei das Grundglas aus Siliziumdioxid hergestellt wird. Als Quellen für das Siliziumdioxid werden Quarzkristallgranulate natürlichen oder künstlichen Ursprungs, Quarzglasgranulate aus natürlichen oder synthetischen Rohstoffen, Schlicker aus Quarzglasgranulaten und nanoskalige Kieselsäure, wie pyrogene Kieselsäure, sowie Kombinationen dieser Siliziumdioxid-Quellen verwendet.
Als Quellen der Gase für die Gaseinschlüsse wirken die Gaseinschlüsse in den Siliziumdioxid- Körnungen selbst, Gase der Schmelzatmosphäre und/oder spezielle Zusätze zum Schmelzgut, welche während eines Aufschmelzprozesses des Siliziumdioxides das Gas erzeugen, wobei ein solcher Zusatz Siliziumnitridoder Siliziumkarbidpulver ist.
Als Keime für eine Bildung der Gaseinschlüsse wirken die Gasquellen selbst und/oder Kornzwischenräume des schmelzenden Granulates. Weiterhin ist bekannt, dass für die Herstellung von opaken Quarzgläsern aus groben Siliziumdioxid- Körnungen mit ungefähr 100 μιη hohe Temperaturen erforderlich sind, um mindestens den so genannten Softening Point oder
Erweichungspunkt des Siliziumdioxids zu erreichen. Solche Gläser besitzen Dichten im Bereich von 1,9 bis 2,1 g/cm3 und enthalten relativ große Blasen von ca. 20 μιη bis 200 μιη bei Konzentrationen von ca. 0,3 Mio. Blasen pro cm3 bis 1 Mio. Blasen pro cm3.
Opake Quarzgläser mit deutlich kleineren Blasen werden durch den Einsatz feiner Siliziumdioxid- Körnungen hergestellt. Feine Siliziumdioxid-Körnungen benötigen bei ihrer Verarbeitung wesentlich niedrigere Verdichtungstemperaturen.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Schlickerverfahren zur Herstellung von Quarzgläsern bekannt.
Ein derartiges Verfahren beschreibt die DE 44 40 104 AI. Bei diesem Verfahren wird ein Formkörper aus Quarzglas mit mindestens einem Oberflächenbereich aus transparentem Quarzglas hergestellt. Dabei wird ein Grundkörper nach dem Schlickergussverfahren hergestellt, wobei Quarzglas einer Reinheit von mindestens 99,9 % zu einem Pulver mit einer Teilchengröße unter 70 μιη zerkleinert wird. Aus dem Pulver wird ein Schlicker erzeugt und während einer Zeitdauer von 1 Stunde bis 240 Stunden durch fortwährendes Inbewegunghalten stabilisiert, wobei der stabilisierte Schlicker in eine poröse, dem Grundkörper entsprechende Form eingefüllt und darin eine vorbestimmte Zeit belassen wird. Nach Entfernen der Form wird der erhaltene Grundkörperrohling getrocknet und danach in einem Ofen gesintert. Während einer Zeitdauer von mindestens 40 min wird der Grundkörperrohling einer Temperatur von über 1300°C ausgesetzt und der gesinterte Grundkörper wird abgekühlt. Anschließend wird ein
Oberflächenbereich des den Grundkörper bildenden opaken, porösen,
gasundurchlässigen Grundmaterials solange lokal zur Umwandlung des porösen, opaken Grundmaterials in transparentes Quarzglas erhitzt, bis die Dicke des transparenten Oberflächenbereichs mindestens 0,5 mm beträgt und seine direkte spektrale Transmission bei einer Schichtdicke von 1 mm im Wellenlängenbereich von λ = 600 nm λ = 650 nm einen Wert von mindestens 60 % besitzt. Weiterhin wird ein Formkörper aus Quarzglas beschrieben.
Ferner offenbart die DE 102 43 953 AI ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus opakem Quarzglas. Bei dem Verfahren wird zunächst eine
Suspension aus Siliziumdioxid- Körnung und einer Flüssigkeit bereitgestellt. Anschließend wird eine erzeugte Suspension homogenisiert und in eine Form gegossen. Weiterhin wird die Suspension unter Bildung eines porösen
Grünkörpers getrocknet, wobei der Grünkörper anschließend zu dem
Quarzglasbauteil gesintert wird. Dabei liegt mindestens ein Teil der Körnung als poröse Granulatteilchen, die aus Agglomeraten nanoskaliger, amorpher, synthetisch erzeugter Siliziumdioxid-Primärteilchen mit einer mittleren
Primärteilchen große von weniger als 100 nm gebildet sind, vor, wobei die Teilchengröße der Körnung weniger als 1 mm beträgt.
Auch ist aus dem Stand der Technik die so genannte Sol-Gel-Methode zur Herstellung einfacher und klarer, d. h. transparenter optischer Linsen bekannt. Die Sol-Gel-Methode ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Prozessschritt zur Herstellung eines Quarzglaskörpers bzw.
Kieselglaskörpers das so genannte Sol hergestellt und anschließend in einem zweiten Prozessschritt in einem Gießvorgang in eine entsprechende Form gefüllt und dort geliert wird. Darauf folgend findet in einem dritten Prozessschritt eine Stabilisierung des Gelkörpers statt, bevor in weiteren Prozessschritten zunächst eine Entformung, anschließend eine Trocknung, eine Reinigung des Gelkörpers mittels oxidierender Gase sowie ein Sintern und Verdichten zu einem klaren Kieselglaskörper erfolgen.
Bei der Anwendung der Sol-Gel-Methode wird eine siliziumorganische
Flüssigkeit oder eine Siliziumdioxiddispersion oder Kombinationen dieser zu einem offenporigen Gel geliert, dessen Gerüststruktur aus Siliziumdioxid besteht. Das Sol wird vorzugsweise vor dem Gelieren in eine Form gegossen, so dass ein so genannter Nassgelkörper entsteht. Mittels einer geeigneten
Trocknungsmethode wird aus diesem Nassgelkörper ein offenporiger
Trockengelkörper erzeugt, dessen nachfolgende Erhitzung auf Temperaturen von bis zu 1500°C infolge des Kollabierens der Poren zur Verdichtung des Körpers führt. Ergebnis der Erhitzung ist ein klarer Quarzglaskörper, welcher vorgegebene Abmessungen aufweist. Die Vorgabe der Abmessung erfolgt anhand der
Gießform unter Berücksichtigung der Schrumpfung des Nassgelkörpers.
Die JP 5070175 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von porösen Gläsern aus einem Gelkörper, welcher aus einem Sol gebildet ist. Der Gelkörper wird zu dem porösen Glas geformt und verdichtet und in dem Gelkörper vorhandene Verdrängungskörper werden verbrannt, so dass sich an Positionen der
Verdrängungskörper in dem Glas Hohlräume ausbilden.
Die JP 1079028 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Glas, wobei zur Herstellung des Glases innerhalb von Poren eines porösen Ausgangsmaterial befindliche Material verbrannt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, einen
verbesserten Gelkörper zur Herstellung eines Quarzglaskörpers und einen verbesserten Quarzglaskörper anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich des Gelkörpers durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Quarzglaskörpers durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. In einem Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers aus einem Gelkörper wird der aus einem Sol erzeugte Gelkörper zumindest geformt und zu dem Quarzglaskörper verdichtet.
Dabei werden dem Sol vor dem Gelieren zum Gelkörper Verdrängungskörper hinzugefügt, welche nach dem Gelieren vollständig aus dem Gelkörper entfernt werden, wobei an den Positionen der entfernten Verdrängungskörper Hohlräume erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird ein transluzenter oder opaker Quarzglaskörper erzeugt, wobei nach der Entfernung der Verdrängungskörper der Gelkörper derart verdichtet wird, dass Poren innerhalb des Gelkörpers kollabieren und sich ein dichtes und klares Glas zwischen den Hohlräumen bildet.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung des opak bzw. transluzent ausgebildeten Quarzglaskörpers, welche auf der so genannten Sol-Gel-Methode basiert, werden bereits in der Prozessstufe der Gelierung die Hohlräume des gewünschten opaken Quarzglases im Siliziumdioxid-Gerüst erzeugt, wobei die Verdrängungskörper zeitweilige Platzhalter für die Hohlräume darstellen. Die Verdrängungskörper verhalten sich im Sol-Gel-Prozess inert und werden nach der Verfestigung des Siliziumdioxid-Gerüstes in weiteren Schritten entfernt.
Somit ist es möglich, reine und opake Quarzglaskörper mit einer definierter Geometrie und einer definierten Struktur der Hohlräume herzustellen. Aufgrund der Verwendung von Verdrängungskörpern zur Erzeugung der Hohlräume ist eine Menge und Verteilung der entstehenden Hohlräume vorgebbar, woraus der Vorteil resultiert, dass die Materialeigenschaften des Quarz glaskörpers, insbesondere dessen Streueigenschaften, sehr genau vorgegeben werden können.
Auch ist in vorteilhafter Weise eine Bildung der Hohlräume von der Bildung des Quarzglases entkoppelt, woraus die Möglichkeit der Herstellung vielfältiger Quarzgläser mit verschiedensten Geometrien resultiert. Aus der homogenen Verdichtung des Gelkörpers nach dessen Gelierung resultiert des Weiteren, dass die Gefahr des Auftretens von so genannten Lunkern, das heißt von
unerwünschten Hohlräumen innerhalb des Quarzglaskörpers, vermieden wird.
Zusätzlich entfallen in besonders vorteilhafter Weise mechanische
Nachbearbeitungsverfahren am erzeugten Quarzglaskörper oder sind zumindest reduziert, woraus eine Vereinfachung der Herstellung des Quarzglaskörpers und daraus folgend eine Verringerung der Herstellungskosten resultieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, Hohlräume in einer Größe von 0,5 μιη bis 30 μιη zu erzeugen. Die Größe der Hohlräume ist dabei sehr genau vorgebbar, da die Schrumpfung des Gelkörpers bis zur Erzeugung des Quarzglaskörpers bekannt ist. In Abhängigkeit der gewünschten Größe der Hohlräume im Quarzglaskörper und der bekannten Schrumpfung der Hohlräume wird die Größe der eingebrachten Verdrängungskörper gewählt.
Besonders bevorzugt werden die Verdrängungskörper innerhalb des Sols homogen verteilt, so dass eine homogene Verteilung der Hohlräume im
Quarzglaskörper und somit eine gleichmäßige Streuung erreicht wird.
Ferner wird eine Form der Hohlräume durch eine Form der Verdrängungskörper vorgegeben. Die Verdrängungskörper und daraus folgend die Hohlräume können dabei jede mögliche Form, wie beispielsweise eine Kugelform, eine zylindrische Form, eine Kegelform, eine vieleckige Form oder eine Mischung dieser, aufweisen. Daraus folgt eine weitere Vereinfachung der Vorgabe optischer Eigenschaften des Quarzglaskörpers.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die Verdrängungskörper nach der Gelierung des Sols zu dem Gelkörper und vor der Verdichtung desselben zu Quarzglas aus diesem entfernt, wobei die Entfernung insbesondere durch chemische Reaktionen erfolgt, in welchen die Verdrängungskörper in Gase umgewandelt werden. Besonders bevorzugt werden die Verdrängungskörper nach dem Gelieren des Sols zu dem Gelkörper innerhalb des Gelkörpers vollständig verbrannt, so dass Rückstände, die die gewünschten optischen Eigenschaften beeinträchtigen, wirkungsvoll vermieden werden.
Weiterhin werden in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Hohlräume vor der Verdichtung des Gelkörpers mit einem Gas gefüllt. Diese Befüllung erfolgt insbesondere mittels Permeation des Gases durch die
offenporige Siliziumdioxid-Struktur. Bei dem Gas kann es sich um jedes Gas handeln, welches bei der Herstellung des Quarzglaskörpers stabil bleibt. Das Gas ist beispielsweise Helium, Argon, Xenon, Wasser, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Anhand des verwendeten Gases sind die Materialeigenschaften des Quarzglaskörpers vorgebbar. Auch sind ein Verhalten des Materials bei einer thermischen Formgebung sowie einem Verschweißen mit anderen Materialien, insbesondere bei einem Verschweißen mit klaren Quarzgläsern, und mechanische Eigenschaften des Quarz glaskörpers, wie zum Beispiel dessen Viskosität, vorgebbar.
Nach der Befüllung der Hohlräume mit dem Gas wird der Gelkörper verdichtet, indem die Temperatur soweit erhöht wird, dass die Poren innerhalb des
Gelkörpers kollabieren, so dass sich dichtes, klares Glas zwischen den
Hohlräumen bildet und dazu führt, dass aus dem Gelkörper ein opaker
Quarzglaskörper entsteht. Dabei ist jeder Gaseinschluss im opaken
Quarzglaskörper auf eine Abformung des entsprechenden Verdrängungskörpers zurückführbar. Somit ist die Struktur der Gaseinschlüsse eindeutig durch die Struktur der Verdrängungskörper im Nassgel bestimmt.
In einer besonders vorteilhaften alternativen Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Hohlräume vor der Verdichtung nicht mit Gas befüllt. Nach der Entfernung, insbesondere der Verbrennung der
Verdrängungskörper wird die Verdichtung der offenporigen Siliziumdioxid- Struktur des Gelkörpers im Vakuum durchgeführt, so dass an den Positionen der Hohlräume Vakuolen entstehen. Für die Herstellung des opaken Kieselglases ist bei dieser Ausführung des Verfahrens in vorteilhafter Weise kein Gas
erforderlich, um einen Gegendruck in den Blasen zu erzeugen. Dieser Vorteil resultiert daraus, dass die Verdichtung des Trockengels beim Sol-Gel- Verfahren bei geringen Temperaturen erfolgen kann. Bei diesen Temperaturen kommt es zur Kollabierung von Mesoporen, welche einen Durchmesser von 2 nm bis 50 nm aufweisen, jedoch nicht zu einer Kollabierung oder zumindest zu einer extrem langsamen Kollabierung der wesentlich größeren Hohlräume mit Durchmessern von mehreren μιη.
Um eine einfache Erzeugung und Verarbeitung des Sols und des daraus gebildeten Gels und somit eine kostengünstige Herstellung des Quarzglaskörpers zu ermöglichen, wird das Sol besonders bevorzugt aus einer fein-dispersen Kieselsäure, Wasser und Tetraethylorthosilikat gebildet. Weiterhin ist durch die Bildung des Sols aus diesen Bestandteilen eine einfache Sicherstellung der Materialeigenschaften, wie z. B. der spektralen Lichtdurchlässigkeit, der spektralen Lichtstreuung, Einschlüsse oder Blasen, der Oberflächenqualität, wie z. B. der Mikrorauigkeit und der Lichtstreuung und der geometrischen Toleranzen des erzeugten Quarzglaskörpers möglich.
Zusammenfassend ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausgestaltungen möglich, einen Quarzglaskörper mit vorgegebener Geometrie, vorgegebener Konzentration, Größe und Verteilung der Vakuolen oder der Hohlräume sowie vorgegebener Gaszusammensetzung innerhalb der Hohlräume herzustellen.
Ein Gelkörper zur Herstellung eines Quarzglaskörpers zeichnet sich dadurch aus, dass in den Gelkörper Verdrängungskörper eingebracht sind, welche derart vollständig aus dem Gelkörper entfernbar sind, dass an den Positionen der Verdrängungskörper Hohlräume entstehen. Erfindungsgemäß weist der Gelkörper Poren auf, welche bei einer definierten Verdichtung derart kollabieren, dass sich ein dichtes und klares Glas zwischen den Hohlräumen bildet.
Dabei sind die Verdrängungskörper in einer Ausgestaltung der Erfindung aus Kunststoff gebildet, wobei der Kunststoff Polyethylen, Polystyrol und/oder Polymethylmethacrylat ist. Diese Kunststoffe sind zum einen derart ausgebildet, dass eine Schrumpfung der Verdrängungskörper während einer Alterung und Trocknung des Gels vermieden wird. Zum anderen zeichnen sich diese
Kunststoffe dadurch aus, dass diese in Sauerstoff vollständig verbrennbar sind.
Ferner weist der Gelkörper vorzugsweise eine poröse Struktur auf, welche derart ausgebildet ist, dass bei einer Verbrennung der Verdrängungskörper innerhalb des Gelkörpers ein Gasaustausch mit einer Umgebung erfolgt. Auch die poröse Struktur trägt zur vollständigen Verbrennung der Verdrängungskörper bei, da ein ungehinderter Gasaustausch mit der Umgebung stattfinden kann.
Ein Quarzglaskörper, hergestellt in einem erfindungsgemäßen Verfahren, weist Vakuolen oder mit einem Gas gefüllte Hohlräume auf. Die Hohlräume weisen eine definierte Größe auf, sind in einer definierten Struktur angeordnet und zwischen den Hohlräumen ist ein dichtes und klares Glas ausgebildet.
Dieser Quarzglaskörper eignet sich aufgrund seiner Materialeigenschaften und seiner optischen Eigenschaften insbesondere auch zu einer Verwendung als optisches Element, beispielsweise als Streuscheibe in UV-Licht- Anwendungen zur definierten Streuung des UV-Lichts. Da Quarzglas im Gegensatz zu herkömmlichen Gläsern und Kunststoffgläsern resistent gegen UV-Licht ist, wird neben der sicheren Streuung des UV-Lichts weiterhin eine Verminderung eines Wartungsaufwandes für die Vorrichtungen erzielt, in welche der Quarzglaskörper als optisches Element integriert ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von
Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Figur 1 schematisch einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines Quarzglaskörpers aus einem Gelkörper, und
Figur 2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts
Quarzglaskörpers .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt einen Ablaufplan eines erfindungs gemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines opaken bzw. transluzenten Quarzglaskörpers Q, wobei das Verfahren auf einer Sol-Gel-Methode zur Herstellung von Quarzglas basiert. Zur Erzeugung der opaken bzw. transluzenten Eigenschaften des Quarzglaskörpers Q weist dieser in Figur 2 näher dargestellte Hohlräume H auf, welche mit einem Gas gefüllt sind.
Zur Herstellung des Quarzglaskörpers Q eignen sich alle Sol-Gel- Verfahren, mittels welchen reine und klare, d. h. transparente Quarzgläser herstellbar sind. Bei Wahl der Rezeptur des Sol S sind somit neben der Sicherstellung der
Materialeigenschaften, wie z. B. der spektralen Lichtdurchlässigkeit, der spektralen Lichtstreuung, Einschlüsse oder Blasen, der Oberflächenqualität, wie z. B. der Mikrorauigkeit und der Lichtstreuung und der geometrischen Toleranzen des zu erzeugenden Quarz glaskörpers Q auch Forderungen aus den Prozessen zur Umwandlung eines Gelkörpers in den Quarzglaskörper Q und wirtschaftliche Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Ein geeignetes Verfahren wird in der EP 0 131 057 AI oder der DE 33 90 375 C2 beschrieben, bei welchem das Sol S aus Wasser, Tetraethylorthosilikat - im Folgenden auch als TEOS bezeichnet - und kolloidaler Kieselsäure hergestellt wird. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von sehr reinem Quarzglas mit einer hohen Oberflächengüte und geringem Herstellungsaufwand.
Insbesondere wird das Sol S zur Herstellung des Quarzglaskörpers Q nach den in der EP 0 131 057 AI oder der DE 33 90 375 C2 angegebenen Methoden und Zusammensetzungen hergestellt. Mit anderen Formulierungen, welche als Siliziumdioxid- Quelle nur kolloidale Kieselsäure enthalten, können Gele hoher Siliziumdioxid- Konzentration und relativ geringer Schrumpfung erzeugt werden. Dabei ist aufgrund der Geliergenetik eine schnelle Verarbeitung des Sols erforderlich. Andere Rezepte, die als Siliziumdioxid-Quelle ausschließlich Alkoxysilane, wie z. B. TEOS, enthalten, führen zu Nassgelen mit hohem
Flüssigkeitsanteil, besonders feinporigem Siliziumdioxid-Gerüst und hoher innerer Oberfläche.
Zur Erzeugung der Transluzenz oder Opazität des Quarzglaskörpers Q werden dem Sol S in einem ersten Verfahrens schritt VS1 fein-disperse
Verdrängungskörper V hinzugefügt und mit diesem vermischt. Die Vermischung erfolgt dabei in der Art, dass eine homogene Verteilung der
Verdrängungskörper V in dem Sol S erfolgt.
Die Verdrängungskörper V werden als flüssige Tröpfchen oder als feste Partikel in das Sol S eingebracht. Zur Erzeugung der flüssigen Tröpfchen als
Verdrängungskörper V in dem Sol S wird dem Sol S eine Flüssigkeit hinzugefügt, welche nicht mit Sol S mischbar ist. Bei dieser Flüssigkeit handelt es sich beispielsweise um ein Öl. Aus dem Sol S und der Flüssigkeit wird anschließend eine Emulsion gebildet, so dass die flüssigen Tröpfchen in dem Sol S verteilt werden. Bevorzugte Verwendung finden jedoch feste Partikel aufgrund ihrer höheren Stabilität. Eine Dichtedifferenz zwischen dem Partikel und dem Sol S muss derart gering ausgebildet sein, dass es bei einer weiteren Verarbeitung des Gemisches aus dem Sol S und den Verdrängungskörpern V zu keiner Entmischung kommt. Auch wird die Zusammensetzung des Sols S derart gewählt, dass kurze
Gelierzeiten erzielt werden. Somit wird ebenfalls eine Entmischung vermieden.
Das Sol S weist ein Verhältnis der molaren Eingangsmengen von Wasser zu TEOS zu Siliziumdioxid im Bereich von " 10 zu 1 zu 0" bis "25 zu 1 zu 6" auf. Für das hydrolysierte und titrierte Sol S ergeben sich bei diesen Verhältnissen
Dichtewerte zwischen 0,97 g/cm3 und 1,25 g/cm3. Um die Entmischung der Verdrängungskörper V und des Sols S zu vermeiden, werden Partikel ausgewählt, deren Materialdichten in diesem Bereich liegen.
Um einen hochwertigen Quarzglaskörper Q mit definierten Materialeigenschaften und optischen Eigenschaften zu erzeugen, ist es erforderlich, dass die
Verdrängungskörper V aus dem Sol S nach dessen Gelierung, dass heißt aus dem entstehenden Gelkörper, vollständig entfernt werden.
Da eine Entfernung der Verdrängungskörper V im Stadium des Trockengels kostengünstiger als die Entfernung im Stadium des Nassgels ist, werden die Verdrängungskörper V im Stadium des Trockengels verbrannt. Um eine vollständige Verbrennung zu ermöglichen, sind die Verdrängungskörper V aus hochreinen Kunststoffen gebildet, welche in Sauerstoff vollständig verbrennbar sind. Die verwendeten Kunststoffe sind Polyethylen, Polystyrol oder
Polymethylmethacrylat - im Folgenden auch als PMMA bezeichnet - mit Dichten von ca. 0,9 g/cm3, ca. 1,1 g/cm3 bzw. ca. 1,2 g/cm3.
Eine Auswahl der Verdrängungskörper V nach Größe und Größenverteilung wird in Abhängigkeit der gestellten Anforderungen an das opake Produkt durchgeführt. Soll eine sehr feine Struktur der in dem Quarzglaskörper Q zu erzeugenden Gaseinschlüsse erzeugt werden, werden Verdrängungskörper V mit einer geringen Größe gewählt. Bei gröberen Strukturen werden größere Verdrängungskörper V verwendet.
Um beispielsweise ein Quarzglas mit 10 Hohlräumen H pro cm3 zu erzeugen, werden dem Sol S mit einem Volumen von 1 Liter und einem Siliziumdioxid- Gehalt von 275 g/Liter ca. 1,25 1010 Partikel als Verdrängungskörper V
hinzugefügt, welche bei einer Größe von 10 μιη eine Gesamtmasse von ca. 12,5 g haben.
Als Partikel werden Mikroperlen oder Pulver verwendet. Als Pulver wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens polydisperses Acrylpulver verwendet.
Die Verwendung von Mikroperlen ermöglicht gegenüber der Verwendung von Pulver eine einfache Mengenberechnung zur Erzielung der gewünschten
Eigenschaften des opaken Quarzglaskörpers Q. Auch ist mittels der Mikroperlen in besonders einfacher Weise die gewünschte Größe der zu erzeugenden
Hohlräume H realisierbar. Um hierbei einen gewünschten Partikelgrößenbereich einzuengen, werden Klassierungsverfahren angewendet. Als Mikroperlen werden in einer Ausgestaltung des Verfahrens monodisperse PMMA-Kugeln verwendet.
Um die gewünschten Materialeigenschaften und optischen Eigenschaften des Quarzglaskörpers Q möglichst genau zu erreichen, wird ein Sol S mit einer besonders hohen chemischen Reinheit verwendet. Um diese hohe chemische Reinheit des Sols S sicherzustellen, werden Verdrängungskörper V vor dem Hinzufügen zu dem Sol S gereinigt.
Die Verdrängungskörper V werden anschließend dem Sol S in definierter Menge und definierter Größen Verteilung unmittelbar vor einem Gießprozess zugemischt und homogen in diesem verteilt. Diese Zumischung erfolgt, nachdem der pH-Wert des Sols S auf Werte zwischen 4 und 5 eingestellt wurde. Durch Einstellung des pH-Wertes auf diese Werte wird der Gelbildungsprozess eingeleitet. Dabei werden die Verdrängungskörper V derart in das Sol S eingebracht, dass keine unzulässig hohen Scherkräfte während der Homogenisierung auftreten. Somit wird eine Änderung der Größenverteilung der Verdrängungskörper vermieden.
Zur Verkürzung des Herstellungsprozesses erfolgt die Zugabe der
Verdrängungskörper V zum Sol S in Form einer Partikel-Dispersion, so dass ein Trocknungsprozess der Verdrängungskörper V nach deren Reinigung entfallen kann.
In einer alternativen Ausführung zur Einbringung der Verdrängungskörper V in das Sol S, welches noch einen pH- Wert von ca. 2 aufweist, erfolgt die pH- Wert- Einstellung des Sols S zur Initiierung der Gelbildung mittels der Zugabe der Partikel-Dispersion. Hierzu wird die Partikel-Dispersion mit Ammoniaklösung und in gleicher molarer Menge mit Essigsäure versetzt. Anschließend wird die Partikel-Dispersion dem untitrierten Sol S zugemischt, so dass dieses einen pH- Wert von ungefähr 5 besitzt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Zeit für eine Entmischung im unbewegten Sol S sehr kurz gehalten werden kann. Die Mengen für die Ammoniaklösung und Essigsäuren bestimmen die Gelierzeiten und werden experimentell bestimmt. Als Richtwert gilt, dass bei einer Temperatur von 20°C und einer gewünschten Gelierzeit von 30 Minuten ungefähr die 5-fache mol- Menge der im Sol S enthaltenen Säure zuzugeben ist.
Nach dem Mischen des Sols S und der Verdrängungskörper V wird das Gemisch in einem zweiten Verfahrensschritt VS2 in eine nicht dargestellte Gießform gegossen. Die Gießform ist so gestaltet, dass ihre Innenkontur einer Kontur des zu fertigenden Quarzglaskörpers Q in vergrößertem Maßstab entspricht. Der Maßstab ist derart gewählt, dass trotz einer Schrumpfung des Sols S bzw. des gebildeten Gelkörpers ein Quarzglaskörper Q mit den gewünschten Abmessungen erzeugt wird. Nach einer Gelierung des Sols S im dritten Verfahrensschritt VS3 zu einem Nassgelkörper wird der Nassgelkörper in einem vierten Verfahrens schritt VS4 aus der Gießform entnommen und in einem fünften Verfahrensschritt VS5 an Luft zu einem so genannten Xerogel getrocknet.
Eine bei der Trocknung des Nassgelkörpers auftretende Anfälligkeit für
Rissbildungen im Xerogel, welche aus der Schrumpfung des Nassgelkörpers resultiert, wird durch das Einbringen der Verdrängungskörper V nicht erhöht.
Das Volumen der Verdrängungskörper V und deren Größe bleiben in dieser Verdichtungsphase des Siliziumdioxid-Gerüstes, das heißt von der Zugabe in das Sol S bis zum Erreichen des Trockengelstadiums, konstant.
Nach der Trocknung werden die Verdrängungskörper V in einem sechsten Verfahrens schritt VS6 aus dem Xerogel entfernt. Die Entfernung der aus
Kunststoff gebildeten Verdrängungskörper V erfolgt in einem Ofen unter
Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 300 und 500°C. Der
Gasaustausch im Xerogel erfolgt dabei durch dessen poröse Struktur. Um eine restlose Beseitigung von Verbrennungsprodukte zu erreichen, ist eine
ausreichende Sauerstoffzufuhr aufgrund der Ausbildung des Ofens sichergestellt oder dem Xerogel wird alternativ oder zusätzlich aktiv Sauerstoff zugeführt. Dabei führt eine alternierende Evakuierung und Wiederbefüllung den Ofenraums mit Sauerstoff zu einer besonders effizienten Verbrennung.
An den Positionen der Verdrängungskörper V entstehen somit Hohlräume H im Xerogelkörper, deren Größe und Form der Größe und Form der jeweils entfernten Verdrängungskörper V entspricht.
Nach der Entfernung der Verdrängungskörper V aus dem Xerogelkörper wird dieser mittels chlorhaltiger Gase gereinigt. Dabei wird die Temperatur derart gewählt, dass die offenen Poren des Xerogelkörpers nicht kollabieren. In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt keine Reinigung des Xerogelkörpers. Anschließend werden die Hohlräume H innerhalb der Xerogelkörper in einem siebten Verfahrensschritt VS7 mit einem Gas gefüllt, indem der Ofenraum zunächst evakuiert und dann mit dem gewünschten Gas befüllt wird. Für die Herstellung opaker Quarzglaskörper, welche sich durch eine hohe Viskosität und thermisch stabile Hohlräume H, auch Blasen genannt, und somit durch eine besondere Hochtemperaturstabilität auszeichnen, eignet sich besonders Stickstoff als Gas.
In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt keine Gasbefüllung des
Xerogelkörpers, wobei der nachfolgende Verdichtungsprozess unter Vakuum durchgeführt wird, so dass Vakuolen entstehen.
In einem achten Verfahrensschritt VS8 wird der Xerogelkörper in einem
Sinterprozess derart verdichtet, dass die in dem Xerogelkörper vorhandenen offenen Poren kollabieren. Die Hohlräume H kollabieren hingegen nicht. Die Hohlräume H schrumpfen, behalten jedoch ihre Form bei. Somit entsteht zwischen den einzelnen Hohlräumen H und diese umgebend ein klares und reines Quarzglas, so dass im Ergebnis der transluzente bzw. opake Quarzglaskörper Q mit Gaseinschlüssen, das heißt mit gasgefüllten Hohlräumen H, gebildet wird.
Im Folgenden wird die Herstellung eines Quarzglaskörpers Q anhand
verschiedener ausgewählter Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Herstellung des Quarzglaskörpers Q ist jedoch nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist das Sol S anhand beliebiger Verfahren erzeugbar. Auch sind die dem Sol S zugegebenen Mengen an
Verdrängungskörpern sowie deren Größe und Form in Abhängigkeit der gewünschten Eigenschaften des zu erzeugenden Quarzglaskörpers Q vorgebbar und nicht auf die beschriebenen Größen beschränkt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird das Sol S gemäß des in der
DE 33 90 375 C2 genannten Beispiels unter Verwendung pyrogener Kieselsäure des Typs OX50 (Evonik) hergestellt und anschließend durch Eintropfen von 0,1 Mol/Liter Ammoniaklösung auf einen pH- Wert von 4,9 eingestellt. Die Menge des titrierten Sols S beträgt 200 g. Die Dichte beträgt 1,10 g/cm3.
In das Sol S werden die gewaschenen PMMA-Mikrokugeln mit Durchmessern von ungefähr 10 μιη in einer Menge von 1 g mittels eines Quirls eingerührt. Anschließend wird das Gemisch in ein zylindrisches Gefäß mit 30 mm
Durchmesser gegeben, in welchem es innerhalb einer halben Stunde geliert.
Nach einer Alterungsphase wird das erzeugte Nassgelteil entnommen und an Luft bei konstanter Raumtemperatur und erhöhter Luftfeuchtigkeit innerhalb einer Woche zu einem Xerogelstab mit einem Durchmesser von 20 mm getrocknet.
Die Beseitigung der PMMA-Mikrokugeln aus dem Xerogel erfolgt im
Quarzglasofen unter Sauerstoffatmosphäre bei langsamer Temperaturerhöhung auf 500°C.
Anschließend wird der Xerogelstab zur Reinigung einer Chlorwasserstoff-Atmos- phäre bei gleichzeitiger Erhöhung der Temperatur auf 800°C für mehrere Stunden ausgesetzt. Nach Abschluss des Reinigungsvorganges werden mehrfache
Spülungen mit Sauerstoff durchgeführt.
Die Verdichtung des Xerogels erfolgt schließlich unter einer Helium- Atmosphäre bei 1350°C innerhalb von 10 min, wobei nach der Abkühlung ein opaker
Quarzglasstab mit einem Durchmesser von 15 mm vorliegt.
Der Quarzglasstab zeichnet sich durch ein homogenes Blasenbild, d. h. eine homogene Verteilung der Hohlräume H, mit einheitlicher Blasen große, d. h. Größe der Hohlräume H, von ca. 6 μιη aus. Auch weist das Material des
Quarzglasstabes eine hohe Reinheit mit einer sehr geringen Konzentration von Fremdstoffen auf. Die Konzentrationen ausgewählter Elemente sind in Tabelle 1 in ppb angegeben, wobei die Dichte des Materials 2,18 g/cm3 beträgt.
Tabelle 1
Die gerichtete direkte Transmission einer 1 mm starken und mechanisch polierten Probe liegt im Spektralbereich von 200 nm bis 3200 nm zwischen 0,2 und 0,4 %.
Das Erhitzen der Probe in der Glasbläserflamme auf Temperaturen, wie sie zum Verschweißen von Quarzglasteilen üblich sind, bewirkt ein Auflösen der
Mikroblasen und führt zu einem klaren Glas.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Verdichtung des Xerogels abweichend vom Ausführungsbeispiel 1 bei gleicher Temperaturführung, jedoch unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Der entstehende opake Quarzglasstab weist eine Dichte von 2,18 g/cm3 auf.
Eine Erhitzung des Quarzglas Stabes auf Temperaturen, wie sie zum Verschweißen von Quarzteilen üblich sind, führt zu keiner Auflösung der Mikroblasen. Das Material bleibt nahezu unverändert opak. Verantwortlich hierfür ist die Füllung der Hohlräume H mit Stickstoff, der aus den Hohlräumen H nicht entweichen kann und infolge des sich einstellenden Gasdruckes das Kollabieren der Blasen verhindert.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird das Sol S aus pyrogener Kieselsäure des Typs HDK D05 (Wacker) und Wasser, welche mittels eines Dispergiergeräts Conti-TDS-2 (Ystral) zu einer 30% Dispersion verarbeitet werden, hergestellt.
Eine Menge von 200 g dieser Dispersion wird mit 0,193 g Salpertersäure in 60 g Wasser und 97,9 g Tetraethylorthosilikat versetzt und durch Rühren zur Hydrolysereaktion gebracht. Die so hergestellte Komponente A wird auf
Raumtemperatur abgekühlt.
Einem Gemisch von 1,8 g PMMA- Kugeln mit Durchmessern von ca. 10 μιη in 0,53 g Wasser werden 0,68g 25 %-ige Ammoniaklösung und 0,6 g 100 %-ige Essigsäure zugegeben. Die so hergestellte Komponente B wird innerhalb von 2 Minuten homogen unter die Komponente A gemischt und anschließend in eine Glaskristallisierschale gefüllt.
In der Glaskristallisierschale geliert das Sol S innerhalb einer halben Stunde zu einem scheibenförmigen Gelkörper mit einem Durchmesser von 18 cm. Nach der Trocknung des Gelkörpers beträgt sein Durchmesser 12 cm.
Anschließend wird die Xerogelscheibe in einem mit Quarzglas ausgekleidetem Ofen innerhalb von 8 Stunden auf eine Temperatur von 1350°C aufgeheizt. Im Temperaturbereich von 200 bis 500°C wird dabei für einen ausreichenden Luftwechsel im Ofenraum gesorgt. Nach 10 Minuten der Erhitzung mit 1350°C wird die Scheibe langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die resultierende opake Quarzglas scheibe hat einen Durchmesser von 9 cm und erscheint bei Betrachtung unter einer intensiven Lichtquellen völlig homogen. Das Material der Quarzglas scheibe zeichnet sich durch eine hohe Reinheit aus, wobei kein Metall eine Konzentration von 1 ppm übersteigt.
Die Herstellung des Quarzglaskörpers Q nach dem dritten Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen besonders geringen Herstellungsaufwand und daraus folgend besonders geringen Herstellungskosten aus.
In einem vierten Ausführungsbeispiel wird ausgehend vom ersten
Ausführungsbeispiel titriertes Sol S in einer Menge von 600 g hergestellt. 200 g dieses Sols S werden 6,2 g PMMA-Kugeln mit Durchmessern von ca. 6 μιη hinzugefügt und verrührt. Mittels des vierten Ausführungsbeispiels wird verdeutlicht, das eine Dichte des herzustellenden Quarzglaskörpers Q sehr genau vorgebbar ist.
Von dem entstandenen Gemisch werden 100 g in ein zylindrisches Gefäß mit 30 mm Inndurchmesser gegeben und bilden eine Probe 1.
Das verbleibende Gemisch wird mit titriertem Sol S verdünnt, so dass eine Menge von 200 g entsteht. Davon wird eine Portion von 100 g in ein weiteres Gefäß gegeben und bildet eine Probe 2.
Der verbleibende Rest wird mit der verbliebenen Menge des titrierten Sols S verdünnt und in zwei weitere Gefäße gefüllt, so dass die Proben 3 und 4 gebildet werden.
Die weiteren Prozesse werden an allen Proben wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben durchgeführt.
Die aus den Proben gebildeten Quarzgläser weisen Hohlräume H mit
Durchmessern im Bereich von 2 μιη bis 3,5 μιη und eine sehr hohe
Blasenkonzentration, d. h. Anzahl der Hohlräume H, auf.
Die gemessenen Dichten der Proben sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Einen Ausschnitt eines Quarzglaskörpers Q gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel zeigt Figur 2 in einer Schnittdarstellung. Der
Quarzglaskörper Q weist mehrere Hohlräume H auf, deren Durchmes
Bereich von 2 μιη bis 3,5 μιη liegen. BEZUGSZEICHENLISTE
H Hohlraum
Q Quarzglaskörper
S Sol
V Verdrängung skörper
VS1 bis VS8 Verf ahrens schritt

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers (Q) aus einem Gelkörper, wobei der aus einem Sol (S) erzeugte Gelkörper zumindest geformt und zu dem Quarzglaskörper (Q) verdichtet wird,
wobei dem Sol (S) vor dem Gelieren zum Gelkörper Verdrängungskörper (V) hinzugefügt werden, welche nach dem Gelieren vollständig aus dem
Gelkörper entfernt werden, wobei an den Positionen der entfernten
Verdrängungskörper (V) Hohlräume (H) erzeugt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass ein transluzenter oder opaker
Quarzglaskörper (Q) erzeugt wird, wobei nach der Entfernung der
Verdrängungskörper (V) der Gelkörper derart verdichtet wird, dass Poren innerhalb des Gelkörpers kollabieren und sich ein dichtes und klares Glas zwischen den Hohlräumen (H) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungskörper (V) innerhalb des Sols (S) homogen verteilt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Form der Hohlräume (H) durch eine Form der Verdrängungskörper (V) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungskörper (V) innerhalb des Gelkörpers vollständig verbrannt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (H) vor der Verdichtung des Gelkörpers mit einem Gas gefüllt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sol (S) aus einer fein-dispersen Kieselsäure, Wasser und Tetraethylorthosilikat gebildet wird.
7. Gelkörper zur Herstellung eines Quarzglaskörpers (Q),
wobei in den Gelkörper Verdrängungskörper (V) eingebracht sind, welche derart vollständig aus dem Gelkörper entfernbar sind, dass an den Positionen der Verdrängungskörper (V) Hohlräume (H) entstehen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gelkörper Poren aufweist, welche bei einer definierten Verdichtung derart kollabieren, dass sich ein dichtes und klares Glas zwischen den Hohlräumen (H) bildet.
8. Gelkörper nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungskörper (V) aus Kunststoff gebildet sind, wobei der Kunststoff Polyethylen, Polystyrol und/oder
Polymethylmethacrylat ist.
9. Gelkörper nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gelkörper eine poröse Struktur aufweist, wobei die Struktur derart ausgebildet ist, dass bei einer Verbrennung der Verdrängungskörper (V) innerhalb des Gelkörpers ein Gasaustausch mit einer Umgebung erfolgt.
10. Quarzglaskörper (Q), hergestellt in einem Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglaskörper (Q) Vakuolen oder mit einem Gas gefüllte Hohlräume (H) aufweist, wobei die Hohlräume (H) eine definierte Größe aufweisen, in einer definierten Struktur angeordnet sind und zwischen den Hohlräumen (H) ein dichtes und klares Glas ausgebildet ist.
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