JP2012193067A - Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same - Google Patents

Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2012193067A
JP2012193067A JP2011057789A JP2011057789A JP2012193067A JP 2012193067 A JP2012193067 A JP 2012193067A JP 2011057789 A JP2011057789 A JP 2011057789A JP 2011057789 A JP2011057789 A JP 2011057789A JP 2012193067 A JP2012193067 A JP 2012193067A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
glass
oxide
borosilicate glass
phase separation
porous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2011057789A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
健二 ▲高▼嶋
Kenji Takashima
Soi Cho
祖依 張
Yoshinori Kotani
佳範 小谷
Susumu Sugiyama
享 杉山
Naoyuki Koketsu
直行 纐纈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2011057789A priority Critical patent/JP2012193067A/en
Publication of JP2012193067A publication Critical patent/JP2012193067A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide borosilicate glass causing phase separation even though the containing ratio of silicon oxide is high and capable of producing porous glass with high strength; and to provide a method for producing the porous glass using the same.SOLUTION: The borosilicate glass contains 60 wt.% or more and 72 wt.% or less of silicon oxide, 18 wt.% or more and 30 wt.% or less of boron oxide, 9.5 wt.% or more and 15 wt.% or less of sodium oxide, and 0.1 wt.% or more and 5.0 wt.% or less of cerium oxide. The method for producing the porous glass includes: a step for separating phases into a silica-rich phase and a non-silica rich phase by carrying out phase separating processing by heating the borosilicate glass; and a step for dissolving out the silica-rich phase by etching with solution.

Description

本発明はホウケイ酸塩ガラス、前記ホウケイ酸塩ガラスを用いて多孔質ガラスの製造方法および多孔質ガラスに関する。   The present invention relates to borosilicate glass, a method for producing porous glass using the borosilicate glass, and porous glass.

多孔質ガラスの比較的に容易な製造法として相分離現象を利用する方法がある。相分離現象を利用する多孔質ガラスの母材ガラスとしては、酸化ケイ素(シリカ)、酸化ホウ素、アルカリ金属酸化物を構成要素としたホウケイ酸塩ガラスが一般的である。溶融法等で製造されたホウケイ酸塩ガラスを一定温度で保持する熱処理により相分離を起こさせ(以下、分相処理と言う)、酸溶液による選択エッチングで非シリカリッチ相を溶出させて多孔質ガラスを製造する。   There is a method using a phase separation phenomenon as a relatively easy manufacturing method of porous glass. As a base glass of a porous glass utilizing a phase separation phenomenon, borosilicate glass containing silicon oxide (silica), boron oxide, and alkali metal oxide as a constituent element is generally used. The borosilicate glass produced by the melting method, etc. is caused to undergo phase separation by heat treatment that is maintained at a constant temperature (hereinafter referred to as phase separation treatment), and the non-silica rich phase is eluted by selective etching with an acid solution to be porous. Manufacture glass.

多孔質ガラスの骨格を構成するのは主に酸化ケイ素である。骨格径や細孔径、空孔率が同程度の場合、骨格を構成する酸化ケイ素の割合が多いほど強度が上がる。骨格を構成する酸化ケイ素の割合は、母材のホウケイ酸塩ガラスの酸化ケイ素成分が多いと大きくなる。このため、多孔質ガラスの強度を上げるには酸化ケイ素成分が多いホウケイ酸塩ガラスが望ましい。   It is mainly silicon oxide that constitutes the skeleton of the porous glass. When the skeleton diameter, the pore diameter, and the porosity are similar, the strength increases as the proportion of silicon oxide constituting the skeleton increases. The ratio of silicon oxide constituting the skeleton increases as the silicon oxide component of the base material borosilicate glass increases. For this reason, borosilicate glass with many silicon oxide components is desirable for increasing the strength of the porous glass.

また多孔質ガラスの骨格径や細孔径、空孔率等の構造は諸特性へ影響を及ぼすため、広範囲にわたる構造の形成制御が必要である。多様なサイズの多孔質構造を有する多孔質ガラスを得るためには、ホウケイ酸塩ガラスの広い組成領域で相分離を起こさせることが望まれる。以上のことから酸化ケイ素が多いホウケイ酸塩ガラスで相分離を誘起させることが必要である。   In addition, since the structure of the porous glass, such as the skeleton diameter, pore diameter, and porosity, affects various properties, it is necessary to control the formation of the structure over a wide range. In order to obtain porous glass having porous structures of various sizes, it is desired to cause phase separation in a wide composition region of borosilicate glass. From the above, it is necessary to induce phase separation with a borosilicate glass rich in silicon oxide.

しかしながら、構成要素が酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化ナトリウムのみのホウケイ酸塩ガラスは特定組成範囲でしか相分離が起こらない。そこで他成分を添加することによって酸化ケイ素が多い組成領域にあるホウケイ酸塩ガラスで相分離の発現を制御することが必要である。   However, phase separation occurs only in a specific composition range in a borosilicate glass containing only silicon oxide, boron oxide and sodium oxide. Therefore, it is necessary to control the appearance of phase separation in the borosilicate glass in the composition region with a lot of silicon oxide by adding other components.

例えば、非特許文献1では、ホウケイ酸塩ガラスに酸化アルミを構成要素として添加しているが、これは相分離を抑制する作用をしている。   For example, in Non-Patent Document 1, aluminum oxide is added to borosilicate glass as a constituent element, which acts to suppress phase separation.

特許文献1には、重金属または希土類元素を含んでいる多孔質ガラスが開示されているが、酸化ケイ素成分が60重量%以下のホウケイ酸塩ガラスである。また、重金属や希土類元素を添加物として含んだホウケイ酸塩ガラスであるが、添加物が相分離を促進させる効果を及ぼしていない。   Patent Document 1 discloses a porous glass containing a heavy metal or a rare earth element, but is a borosilicate glass having a silicon oxide component of 60% by weight or less. Moreover, although it is a borosilicate glass containing a heavy metal or a rare earth element as an additive, the additive does not exert an effect of promoting phase separation.

特開2005−060679号公報JP-A-2005-060679

John Wiley&Sons,“Introduction to Ceramics”,second edition,Chapter 8,1960.John Wiley & Sons, “Introduction to Ceramics”, second edition, Chapter 8, 1960.

しかしながら、従来の技術では、構成要素が酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化ナトリウムから成り、かつ酸化ケイ素を60重量%以上含むホウケイ酸塩ガラスにおいて、添加物を加えることにより相分離を促進させ、多孔質ガラスを得る報告例はない。   However, in the conventional technology, in a borosilicate glass whose components are composed of silicon oxide, boron oxide, sodium oxide and containing 60% by weight or more of silicon oxide, the phase separation is promoted by adding an additive, and the porous material is porous. There are no reports of obtaining glass.

このように、強度が高く、多様な多孔質構造を有する多孔質ガラスを得るために、酸化ケイ素の含有割合が多く、相分離を起こし、そして分相処理後のエッチングにも耐えるホウケイ酸塩ガラスが必要とされていた。   Thus, in order to obtain a porous glass having high strength and various porous structures, a borosilicate glass having a high content of silicon oxide, causing phase separation, and resisting etching after phase separation treatment. Was needed.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、酸化ケイ素の含有量が多くても相分離を起し、強度が高い多孔質ガラスを製造することができるホウケイ酸塩ガラスを提供するものである。   The present invention has been made in view of such a problem, and provides a borosilicate glass capable of producing a porous glass having high strength, causing phase separation even when the content of silicon oxide is large. To do.

また、本発明は、酸化ケイ素の含有割合が多くても相分離を起すホウケイ酸塩ガラスを用いて、強度が高い多孔質ガラスの製造方法を提供するものである。   In addition, the present invention provides a method for producing porous glass having high strength using borosilicate glass that causes phase separation even when the content ratio of silicon oxide is large.

また、本発明は、上記の多孔質ガラスの製造方法により得られた多孔質ガラスを提供するものである。   Moreover, this invention provides the porous glass obtained by the manufacturing method of said porous glass.

本発明に係るホウケイ酸塩ガラスは、酸化ケイ素60重量%以上72重量%以下、酸化ホウ素18重量%以上30重量%以下、酸化ナトリウム9.5重量%以上15重量%以下、酸化セリウム0.1重量%以上5.0重量%以下を含有することを特徴とする。   The borosilicate glass according to the present invention is composed of silicon oxide 60 wt% or more and 72 wt% or less, boron oxide 18 wt% or more and 30 wt% or less, sodium oxide 9.5 wt% or more and 15 wt% or less, cerium oxide 0.1 It is characterized by containing from 5% by weight to 5.0% by weight.

本発明に係る多孔質ガラスの製造方法は、上記のホウケイ酸塩ガラスを加熱による分相処理をしてシリカリッチ相と非シリカリッチ相に相分離させる工程、前記非シリカリッチ相を溶液によるエッチングにより溶出させる工程を有することを特徴とする。   The method for producing a porous glass according to the present invention includes a step of subjecting the borosilicate glass to a phase separation treatment by heating to phase-separate it into a silica-rich phase and a non-silica-rich phase, and etching the non-silica-rich phase with a solution. And a step of elution.

本発明に係る多孔質ガラスは、上記の多孔質ガラスの製造方法により得られた、酸化ケイ素を主成分とする骨格を有する多孔質ガラスである。   The porous glass according to the present invention is a porous glass having a skeleton containing silicon oxide as a main component, obtained by the method for producing a porous glass.

本発明によれば、酸化ケイ素の含有割合が多くても相分離を起し、強度が高い多孔質ガラスを製造することができるホウケイ酸塩ガラスを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if there is much content rate of a silicon oxide, phase separation will be caused and the borosilicate glass which can manufacture the porous glass with high intensity | strength can be provided.

また、本発明によれば、酸化ケイ素の含有割合が多くても相分離を起すホウケイ酸塩ガラスを用いて、強度が高い多孔質ガラスの製造方法を提供することができる。   Moreover, according to this invention, the manufacturing method of porous glass with high intensity | strength can be provided using the borosilicate glass which raise | generates a phase separation even if there are many content rates of a silicon oxide.

また、本発明によれば、上記の多孔質ガラスの製造方法により得られた多孔質ガラスを提供することができる。   Moreover, according to this invention, the porous glass obtained by the manufacturing method of said porous glass can be provided.

実施例1で作成した多孔質ガラス表面の走査電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of the surface of a porous glass prepared in Example 1. FIG. 比較例1で作製した多孔質ガラス表面の走査電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of the surface of a porous glass produced in Comparative Example 1.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明に係るホウケイ酸塩ガラスは、酸化ケイ素(SiO)60重量%以上72重量%以下、酸化ホウ素(B)18重量%以上30重量%以下、酸化ナトリウム(NaO)9.5重量%以上15重量%以下、酸化セリウム(CeO)0.1重量%以上5.0重量%以下を含有することを特徴とする。 The borosilicate glass according to the present invention comprises silicon oxide (SiO 2 ) 60 wt% or more and 72 wt% or less, boron oxide (B 2 O 3 ) 18 wt% or more and 30 wt% or less, sodium oxide (Na 2 O) 9 0.5 wt% or more and 15 wt% or less, and cerium oxide (CeO 2 ) 0.1 wt% or more and 5.0 wt% or less.

以下にホウケイ酸塩ガラスについて説明をする。特に、本発明に係るホウケイ酸塩ガラスに酸化セリウム(CeO)を含有することを特徴とする。 The borosilicate glass will be described below. In particular, the borosilicate glass according to the present invention is characterized by containing cerium oxide (CeO 2 ).

相分離を起こし、多孔質ガラスが得られるガラスとして、ホウケイ酸塩ガラスがある。ホウケイ酸塩ガラスは酸化ケイ素、酸化ホウ素、アルカリ金属酸化物とくに酸化ナトリウムを構成要素とするアモルファスが一般的である。このホウケイ酸塩ガラスの組成は酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化ナトリウムに換算した重量比で表現される。   Borosilicate glass is a glass that undergoes phase separation to obtain porous glass. Borosilicate glass is generally amorphous with silicon oxide, boron oxide, alkali metal oxide, especially sodium oxide as a constituent element. The composition of this borosilicate glass is expressed by a weight ratio in terms of silicon oxide, boron oxide, and sodium oxide.

まず、ガラス原料を混合溶融してガラス体を得る。所望の組成となるように原料を調製し、調製した原料を加熱溶融し、必要に応じて所望の形態に成形することによりガラス体を製造する。加熱溶融する場合の加熱温度は、原料組成等により適宜設定すれば良いが、通常は1300から1500℃、特に1350から1450℃の範囲とすることが好ましい。   First, glass materials are mixed and melted to obtain a glass body. A glass body is manufactured by preparing a raw material so that it may become a desired composition, heat-melting the prepared raw material, and shape | molding in a desired form as needed. The heating temperature in the case of heating and melting may be appropriately set depending on the raw material composition or the like, but it is usually preferably in the range of 1300 to 1500 ° C, particularly 1350 to 1450 ° C.

例えば、原料として炭酸ナトリウム、ホウ酸及び酸化ケイ素を均一に混合し、1350から1450℃に加熱溶融すれば良い。この場合、原料は、所望組成のホウケイ酸塩ガラスが得られれば、どのような原料を用いても良い。   For example, sodium carbonate, boric acid and silicon oxide may be mixed uniformly as raw materials and heated and melted at 1350 to 1450 ° C. In this case, any raw material may be used as long as a borosilicate glass having a desired composition is obtained.

また、多孔質ガラスの形状は、管状、板状、球状、膜状等、どのような形状であってもよいので、それに相応してガラス体の形状も管状、板状、球状、膜状等、どのような形状でもよい。ガラス体を管状、板状、球状、膜状等の形状にする場合は、ガラス原料を混合溶融した後、概ね700から1000℃で、各種の形状に成形すれば良い。例えば、上記原料を溶融した後、溶融温度から温度を降下させて700から1000℃に維持した状態で成形する方法を好適に採用することができる。   In addition, the shape of the porous glass may be any shape such as tubular, plate-like, spherical, and film-like, and accordingly the shape of the glass body is also tubular, plate-like, spherical, membrane-like, etc. Any shape is acceptable. When the glass body has a tubular shape, a plate shape, a spherical shape, a film shape, or the like, the glass raw material is mixed and melted and then molded into various shapes at approximately 700 to 1000 ° C. For example, after melting the raw material, it is possible to suitably employ a method of molding in a state where the temperature is lowered from the melting temperature and maintained at 700 to 1000 ° C.

特定の組成にあるホウケイ酸塩ガラスは分相処理により酸化ケイ素を主成分とするシリカリッチ相と、酸化ホウ素とアルカリ金属酸化物を主成分とする非シリカリッチ相に相分離する。通常は500から700℃の範囲で相分離が発現する。多孔質ガラスを得るためには、相分離がスピノーダル型に起こることが望ましく、このように相分離するホウケイ酸塩ガラスの組成は主要三成分が特定の割合範囲内にある。特に酸化ケイ素の含有成分が多いホウケイ酸塩ガラスは所望の相分離を起こしにくい。   A borosilicate glass having a specific composition is phase-separated into a silica-rich phase mainly composed of silicon oxide and a non-silica-rich phase mainly composed of boron oxide and an alkali metal oxide by phase separation treatment. Usually, phase separation occurs in the range of 500 to 700 ° C. In order to obtain a porous glass, it is desirable that the phase separation occurs in a spinodal type, and the composition of the borosilicate glass that is phase-separated in this way has the main three components within a specific ratio range. In particular, borosilicate glass having a large content of silicon oxide hardly causes desired phase separation.

続いて、相分離したホウケイ酸塩ガラスについて非シリカリッチ相を溶液で溶出させるエッチング処理を行うことで、シリカリッチ相が骨格として残り多孔質ガラスが得られる。   Subsequently, by performing an etching process for eluting the non-silica rich phase with the solution from the phase-separated borosilicate glass, the porous glass is obtained with the silica rich phase remaining as a skeleton.

多孔質ガラスを構成する骨格は主に酸化ケイ素である。骨格径や細孔径、空孔率が同程度の場合、骨格を構成する酸化ケイ素の割合が多いほど強度が上がる。また骨格を構成する酸化ケイ素成分が少ない場合、エッチング処理時に割れが発生する可能性がある。骨格を構成する酸化ケイ素の割合は、母材のホウケイ酸塩ガラスの酸化ケイ素成分が多いと大きくなる。このため、多孔質ガラスの強度を上げるには母材ガラスが酸化ケイ素成分の多いホウケイ酸塩ガラスであることが望ましい。   The skeleton constituting the porous glass is mainly silicon oxide. When the skeleton diameter, the pore diameter, and the porosity are similar, the strength increases as the proportion of silicon oxide constituting the skeleton increases. Moreover, when there are few silicon oxide components which comprise frame | skeleton, a crack may generate | occur | produce at the time of an etching process. The ratio of silicon oxide constituting the skeleton increases as the silicon oxide component of the base material borosilicate glass increases. For this reason, in order to raise the intensity | strength of porous glass, it is desirable that base material glass is borosilicate glass with many silicon oxide components.

また多孔質ガラスの骨格径や細孔径、空孔率等の構造は諸特性へ影響を及ぼすため、これらの広範囲にわたる制御が必要である。多孔質構造を変化させるためには、母材となるホウケイ酸塩ガラスの組成を変えること、分相処理の温度や時間等のプロファイルを変えることが挙げられる。多孔質サイズを多様に変え、構造形成の自由度を高めるためには、ホウケイ酸塩ガラスの組成を変えることが望ましく、加えてホウケイ酸塩ガラスの広い組成領域で分相処理が行えることが望まれる。   In addition, the structure of the porous glass, such as the skeleton diameter, the pore diameter, and the porosity, affects various properties, and thus needs to be controlled over a wide range. In order to change the porous structure, it is possible to change the composition of the borosilicate glass serving as the base material, and to change the profile such as the temperature and time of the phase separation treatment. It is desirable to change the composition of borosilicate glass in order to change the porous size in various ways and increase the degree of freedom of structure formation. In addition, it is desirable that phase separation treatment can be performed in a wide composition range of borosilicate glass. It is.

以上のことから、本発明のホウケイ酸塩ガラスは、比較的酸化ケイ素が多い組成領域でありながら、相分離を起こすホウケイ酸塩ガラスである。   From the above, the borosilicate glass of the present invention is a borosilicate glass that causes phase separation while being a composition region having a relatively large amount of silicon oxide.

[ホウケイ酸塩ガラスの組成の実施態様(1)]
本発明のホウケイ酸塩ガラスの組成の好ましい実施態様(1)は、下記の組成である。
本発明のホウケイ酸塩ガラスは、酸化ケイ素(SiO)60重量%以上72重量%以下、酸化ホウ素(B)18重量%以上30重量%以下、酸化ナトリウム(NaO)9.5重量%以上15重量%以下、酸化セリウム(CeO)0.1重量%以上5.0重量%以下を含有することを特徴とする。
[Embodiment of composition of borosilicate glass (1)]
A preferred embodiment (1) of the composition of the borosilicate glass of the present invention is the following composition.
The borosilicate glass of the present invention comprises silicon oxide (SiO 2 ) 60 wt% or more and 72 wt% or less, boron oxide (B 2 O 3 ) 18 wt% or more and 30 wt% or less, sodium oxide (Na 2 O) 9. 5 to 15% by weight and cerium oxide (CeO 2 ) 0.1 to 5.0% by weight are contained.

[ホウケイ酸塩ガラスの組成の実施態様(2)]
本発明のホウケイ酸塩ガラスの組成の好ましい実施態様(2)は、下記の組成である。
[Embodiment (2) of composition of borosilicate glass]
A preferred embodiment (2) of the composition of the borosilicate glass of the present invention is the following composition.

本発明のホウケイ酸塩ガラスは、酸化ケイ素63重量%以上68重量%以下、酸化ホウ素18重量%以上21重量%以下、酸化ナトリウム9.5重量%以上11重量%以下、酸化セリウム0.1重量%以上5.0重量%以下を含有する組成からなることが望ましい。   The borosilicate glass of the present invention is composed of silicon oxide 63 wt% to 68 wt%, boron oxide 18 wt% to 21 wt%, sodium oxide 9.5 wt% to 11 wt%, cerium oxide 0.1 wt%. It is desirable that it comprises a composition containing from 0.5% to 5.0% by weight.

[ホウケイ酸塩ガラスの組成の実施態様(3)]
本発明のホウケイ酸塩ガラスの組成のさらに好ましい実施態様(3)は、下記の組成である。
[Embodiment of composition of borosilicate glass (3)]
A more preferred embodiment (3) of the composition of the borosilicate glass of the present invention is the following composition.

本発明のホウケイ酸塩ガラスは、酸化ケイ素68重量%以上72重量%以下、酸化ホウ素18重量%以上19重量%以下、酸化ナトリウム9.5重量%以上10重量%以下、酸化セリウム0.1重量%以上3.0重量%以下を含有する組成からなることが望ましい。   The borosilicate glass of the present invention comprises silicon oxide 68 wt% or more and 72 wt% or less, boron oxide 18 wt% or more and 19 wt% or less, sodium oxide 9.5 wt% or more and 10 wt% or less, cerium oxide 0.1 wt%. It is desirable to consist of a composition containing no less than 3.0% and no more than 3.0% by weight.

本発明において、酸化ケイ素(SiO)と酸化セリウム(CeO)におけるシリコン原子に対するセリウム原子の原子比(Ce/Si)が0.01≦Ce/Si≦0.13、好ましくは0.02≦Ce/Si≦0.13であることが望ましい。 In the present invention, the atomic ratio of cerium atoms to silicon atoms (Ce / Si) in silicon oxide (SiO 2 ) and cerium oxide (CeO 2 ) is 0.01 ≦ Ce / Si ≦ 0.13, preferably 0.02 ≦ It is desirable that Ce / Si ≦ 0.13.

本発明の相分離母体ガラスは、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化ナトリウム、酸化セリウム以外のその他の成分を含有していてもよい。例えば、原料に含まれる不純物成分や製造工程で含有される不純物成分が挙げられる。その他の成分としては、カルシウム、マグネシウム、バリウム、亜鉛の酸化物等が挙げられる。その他の成分の含有量は、SiO NaO、CeOの各成分の全体に対して、2重量%以下、特に1重量%以下が好ましい。 The phase-separated base glass of the present invention may contain other components other than silicon oxide, boron oxide, sodium oxide, and cerium oxide. For example, the impurity component contained in a raw material and the impurity component contained in a manufacturing process are mentioned. Examples of other components include calcium, magnesium, barium, and zinc oxides. The content of other components is preferably 2% by weight or less, particularly preferably 1% by weight or less, based on the total of each component of SiO 2 B 2 O 3 Na 2 O and CeO 2

本発明において、酸化セリウムを構成要素に加えることによって酸化ケイ素の割合が多いホウケイ酸塩ガラスでの相分離を促進させる。このメカニズムは明らかになっていないが、以下のような仮説が考えられる。構成要素に別化合物が加わることで自由エネルギーが変化し、分相処理時のように温度を上げた際の安定状態も変化する。主要三成分(酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化ナトリウム)で十分な相分離、特にスピノーダル相分離を起こさない組成比であるホウケイ酸塩ガラスへ、酸化セリウムを加える。これにより、ホウケイ酸塩ガラスの自由エネルギーが変化し、分相処理の温度印加時にスピノーダル相分離を起した状態が最安定なるため、スピノーダル型の相分離が発現する。   In the present invention, cerium oxide is added to the component to facilitate phase separation in borosilicate glass with a high proportion of silicon oxide. Although this mechanism is not clear, the following hypothesis can be considered. The addition of another compound to the component changes the free energy, and the stable state when the temperature is raised as in the phase separation process. Cerium oxide is added to a borosilicate glass having a composition ratio that does not cause sufficient phase separation, particularly spinodal phase separation, with the main three components (silicon oxide, boron oxide, sodium oxide). As a result, the free energy of the borosilicate glass changes and the state where spinodal phase separation is caused when the temperature of the phase separation treatment is applied becomes the most stable, so that spinodal type phase separation is manifested.

一方、酸化セリウムの割合が多くなり過ぎると、自由エネルギーの変化が大きくなる。よって、分相処理の温度印加時の最安定状態も変化し、スピノーダル型の相分離が発現しなくなる。また、スピノーダル型の相分離を起こしたとしても、骨格内への酸化セリウムの含有割合が多くなり、多孔質の強度が下がる。よってエッチング時に割れを起こすなどが発生し多孔質ガラスが得られない。   On the other hand, if the proportion of cerium oxide increases too much, the change in free energy increases. Therefore, the most stable state at the time of temperature application in the phase separation process also changes, and spinodal type phase separation does not occur. Even if spinodal type phase separation occurs, the content ratio of cerium oxide in the skeleton increases, and the strength of the porous body decreases. Therefore, cracks occur during etching, and porous glass cannot be obtained.

本発明のホウケイ酸塩ガラスにおいて、酸化セリウムの含有量が、0.1重量%以上5.0重量%以下であり、好ましくは2.0重量%以上5.0重量%以下である。   In the borosilicate glass of the present invention, the content of cerium oxide is 0.1 wt% or more and 5.0 wt% or less, preferably 2.0 wt% or more and 5.0 wt% or less.

次に、本発明の多孔質ガラスの製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the porous glass of this invention is demonstrated.

本発明に係る多孔質ガラスの製造方法は、上記のホウケイ酸塩ガラスを加熱による分相処理をしてシリカリッチ相と非シリカリッチ相に相分離させる工程、前記非シリカリッチ相を溶液によるエッチングにより溶出させる工程を有することを特徴とする。   The method for producing a porous glass according to the present invention includes a step of subjecting the borosilicate glass to a phase separation treatment by heating to phase-separate it into a silica-rich phase and a non-silica-rich phase, and etching the non-silica-rich phase with a solution. And a step of elution.

ガラス相分離現象は、ホウケイ酸塩ガラスを一般的に500から700℃付近で数時間から数十時間保持する分相処理により、スピノーダル構造またはバイノーダル構造を形成することで発現する。多孔質化にはスピノーダル構造が望ましい。分相処理における工程は、一定温度で保持しても良く、もしくは一定の昇温レートまたは降温レートを保った熱印加処理をしても良い。分相工程の時間は1分以上であり、より好ましくは5分以上である。相分離の発現の様子は走査型電気顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手法で確認できる。   The glass phase separation phenomenon is manifested by forming a spinodal structure or a binodal structure by a phase separation treatment in which a borosilicate glass is generally held at around 500 to 700 ° C. for several hours to several tens of hours. A spinodal structure is desirable for the porous structure. The step in the phase separation process may be held at a constant temperature, or may be a heat application process that maintains a constant temperature increase rate or temperature decrease rate. The time of the phase separation process is 1 minute or more, more preferably 5 minutes or more. The appearance of phase separation can be confirmed by an observation method such as a scanning electric microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).

分相処理はその分相温度領域内で温度が高いほど、また保持時間が長いほど、多孔質の骨格径や細孔径が大きくなり、同時に空孔率も増大する傾向がある。この現象についてメカニズムは明確になっていないが、以下のような仮説が考えられる。ある温度における相分離の平衡状態に達するまでには、数百時間ほどの時間がかかる。数時間から数十時間の分相処理の時間領域では時間が長いほど、相分離の平衡状態に近づき、より相分離が顕著になる、すなわち骨格径や細孔径が大きくなると考えられる。また温度が上がることで反応速度が増す効果が現れ、温度が高いほど同じ処理時間で、相分離の平衡状態に近づくことにより、相分離の様子が顕著になる、すなわち骨格径や細孔径が大きくなる。加えて、温度が上がることで、相分離の平衡状態における互いの相の組成は近づく。非シリカリッチ相への酸化ケイ素の含有量が多くなるため、酸エッチングにより除去される部分も比較的多くなり、空孔率が大きくなると考えられる。   In the phase separation treatment, the higher the temperature in the phase separation temperature region and the longer the holding time, the larger the porous skeleton diameter and pore diameter, and at the same time, the porosity tends to increase. Although the mechanism of this phenomenon is not clear, the following hypothesis can be considered. It takes several hundred hours to reach the equilibrium state of phase separation at a certain temperature. It is considered that the longer the time is in the time domain of the phase separation treatment from several hours to several tens of hours, the closer to the equilibrium state of phase separation and the more remarkable phase separation, that is, the larger the skeleton diameter and pore diameter. In addition, the effect of increasing the reaction rate appears as the temperature rises, and the higher the temperature, the more the state of phase separation becomes prominent by approaching the equilibrium state of phase separation in the same treatment time, that is, the skeleton diameter and pore diameter become larger. Become. In addition, as the temperature increases, the composition of the phases in the equilibrium state of phase separation approaches. Since the content of silicon oxide in the non-silica rich phase is increased, the portion removed by acid etching is also relatively increased, and the porosity is considered to be increased.

相分離したホウケイ酸塩ガラスにおいて非シリカリッチ相は酸、アルカリ、水などの溶液に対して可溶である。よって溶液を接触させる処理により可溶相が溶出し、主に酸化ケイ素より形成される相のみが骨格として残り、多孔質が形成される。溶液をガラスに接触させる手段としては、溶液中にガラスを浸漬させる手段が一般的であるが、ガラスに溶液をかけるなど、ガラスと溶液が接触する手段であれば何ら限定されない。溶液としては、酸溶液、アルカリ溶液、水など、可溶相を溶出可能な既存の如何なる溶液を使用することも可能である。また、用途に応じてこれらの溶液に接触させる工程を複数種類選択してもよい。   In the phase separated borosilicate glass, the non-silica rich phase is soluble in solutions such as acids, alkalis and water. Accordingly, the soluble phase is eluted by the treatment with the solution, and only the phase mainly formed from silicon oxide remains as a skeleton, and a porous structure is formed. The means for bringing the solution into contact with the glass is generally a means for immersing the glass in the solution. However, the means is not limited as long as it is a means for bringing the solution into contact with the glass, such as placing the solution on the glass. As the solution, any existing solution capable of eluting a soluble phase, such as an acid solution, an alkaline solution, or water, can be used. Moreover, you may select multiple types of processes made to contact these solutions according to a use.

一般的な相分離を起こしたガラスのエッチングでは、非可溶相部分への負荷の小さいことと、選択エッチングの度合いの観点から酸処理が好適に用いられる。酸を含む溶液と接触させることによって、酸可溶成分である非シリカリッチ相が溶出除去される一方で、非可溶相であるシリカリッチ相の侵食は比較的小さく、高い選択エッチング性を達成可能である。   In general etching of glass that has undergone phase separation, acid treatment is preferably used from the viewpoint of a small load on the insoluble phase and the degree of selective etching. By contacting with a solution containing an acid, the non-silica rich phase, which is an acid-soluble component, is eluted and removed, while the erosion of the silica-rich phase, which is an insoluble phase, is relatively small, achieving high selective etching properties. Is possible.

酸を含む水溶液としては、例えば塩酸、硫酸、燐酸、硝酸等の無機酸等を好ましく用いることができる。酸を含む溶液は通常は水を溶媒とした水溶液の形態で好適に使用することができる。酸を含む溶液の濃度は、通常は0.1mol/Lから2.0mol/L(0.1から2規定)の範囲内で適宜設定すれば良い。   As the aqueous solution containing an acid, for example, inorganic acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid and nitric acid can be preferably used. The solution containing an acid can be suitably used in the form of an aqueous solution usually using water as a solvent. What is necessary is just to set the density | concentration of the solution containing an acid suitably in the range of 0.1 mol / L to 2.0 mol / L (0.1 to 2 normal) normally.

この工程では、その水溶液の温度を室温から100℃の範囲とし、処理時間は1から100時間程度とすれば良い。   In this step, the temperature of the aqueous solution may be in the range of room temperature to 100 ° C., and the treatment time may be about 1 to 100 hours.

ガラス組成によって、分相処理後のガラス表面にエッチングを阻害するシリカリッチ層が数百ナノメートル程度発生する場合がある。この表面シリカリッチ層を研磨やアルカリ処理などで除去することもできる。   Depending on the glass composition, a silica-rich layer that inhibits etching may occur on the glass surface after the phase separation treatment on the order of several hundred nanometers. This surface silica-rich layer can also be removed by polishing or alkali treatment.

エッチング時にガラス組成によっては骨格部にゲル状シリカが堆積する場合がある。必要であれば、酸性度、アルカリ性度が異なる酸溶液、アルカリ溶液を用い、多段階でエッチングする方法を用いることができる。エッチング温度として、室温から95℃でエッチングを行うこともできる。また必要であれば、エッチング処理中に超音波を印加して行うこともできる。   Depending on the glass composition, gel silica may be deposited on the skeleton during etching. If necessary, a method of etching in multiple stages using acid solutions or alkali solutions having different acidity and alkalinity can be used. Etching can also be performed at room temperature to 95 ° C. as an etching temperature. If necessary, ultrasonic waves can be applied during the etching process.

溶液による浸漬処理の後、多孔質ガラス中に付着した溶液や溶出せずに残った可溶層を除去する目的で、水によるリンスを行うのが一般的である。   After the immersion treatment with a solution, rinsing with water is generally performed for the purpose of removing the solution adhering in the porous glass and the soluble layer remaining without elution.

エッチングが完了して得られたガラスの多孔質構造の様子は、走査型電気顕微鏡(SEM)などの観察手法で確認できる。   The state of the porous structure of the glass obtained after the etching is completed can be confirmed by an observation method such as a scanning electric microscope (SEM).

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

本発明の実施例、比較例のために母材ガラスを作成した。原料化合物としては、酸化ケイ素粉末(SiO)、酸化ホウ素(B)、炭酸ナトリウム(NaCO)であり、加えて酸化セリウム(CeO)を用いた。実施例、比較例で用いたホウケイ酸塩ガラスの含有組成は、各金属元素の酸化物、すなわち酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化ナトリウム、酸化セリウムにおける重量%で換算して表1に示した。 Base glass was prepared for Examples and Comparative Examples of the present invention. As raw material compounds, silicon oxide powder (SiO 2 ), boron oxide (B 2 O 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), and cerium oxide (CeO 2 ) were used. The content composition of the borosilicate glass used in Examples and Comparative Examples is shown in Table 1 in terms of weight percent in each metal element oxide, that is, silicon oxide, boron oxide, sodium oxide, and cerium oxide.

原料の金属化合物を混合した粉末を白金るつぼの中に入れ、1500℃、24時間溶融してガラスを得た。その後、ガラスを1300℃に下げてから、グラファイトの型に流し込んだ。空気中で20分間冷却してホウケイ酸塩ガラスを得た。得られたホウケイ酸塩ガラスのブロックを40mm×30mm×1mmとなるように切断加工し、鏡面まで両面研磨を行った。   The powder mixed with the raw metal compound was placed in a platinum crucible and melted at 1500 ° C. for 24 hours to obtain glass. Thereafter, the glass was lowered to 1300 ° C. and then poured into a graphite mold. Borosilicate glass was obtained by cooling in air for 20 minutes. The obtained block of borosilicate glass was cut so as to be 40 mm × 30 mm × 1 mm, and double-side polishing was performed to a mirror surface.

(実施例1から3)
表1に記載した各母材ガラスから15mm×15mm×1mmを切り出し、600℃、50時間の分相処理を行った。
(Examples 1 to 3)
15 mm × 15 mm × 1 mm was cut out from each base glass described in Table 1, and subjected to phase separation treatment at 600 ° C. for 50 hours.

分相後のガラスサンプルを酸溶液によりエッチングを行った。酸溶液には1mol/Lの硝酸50gを用いた。ポリプロピレン製の容器に硝酸を入れ、予めオーブンで80℃にした。その中へガラスを白金ワイヤーで溶液内中心部に来るように吊るして入れた。ポリプロピレン容器に蓋をし、80℃に保ったまま、24時間放置した。硝酸による処理が終わったガラスを80℃の水に入れてリンス処理を行った。   The glass sample after phase separation was etched with an acid solution. As the acid solution, 50 g of 1 mol / L nitric acid was used. Nitric acid was placed in a polypropylene container and preheated to 80 ° C. in an oven. The glass was hung with a platinum wire so as to come to the center in the solution. The polypropylene container was covered and allowed to stand for 24 hours while being kept at 80 ° C. The glass after the treatment with nitric acid was placed in water at 80 ° C. and rinsed.

走査電子顕微鏡(SEM)による観察により、多孔質ガラスとなっていることを確認した。いずれの多孔質ガラスもスピノーダル構造が見られた。実施例1で得られた多孔質ガラスの走査電子顕微鏡(SEM)像を図1に示す。   By observation with a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed to be a porous glass. All of the porous glasses had a spinodal structure. A scanning electron microscope (SEM) image of the porous glass obtained in Example 1 is shown in FIG.

得られた多孔質ガラスを蛍光エックス線分析(XRF)で組成分析すると、いずれも酸化物換算で酸化ケイ素が90重量%以上であり、酸化ケイ素の含有が確認された。   Composition analysis of the obtained porous glass by fluorescent X-ray analysis (XRF) showed that silicon oxide was 90% by weight or more in terms of oxide, and the silicon oxide content was confirmed.

(比較例1)
実施例1で使用した組成を元に、酸化セリウムを用いず、他の三成分の比は表1に記載した組成のサンプルを用いた。15mm×15mm×1mmを切り出し、600℃、50時間の分相処理を行った。
(Comparative Example 1)
Based on the composition used in Example 1, cerium oxide was not used, and samples having the compositions described in Table 1 were used for the ratio of the other three components. 15 mm × 15 mm × 1 mm was cut out and subjected to phase separation treatment at 600 ° C. for 50 hours.

分相処理後のガラスサンプルをSEM観察したところ、スピノーダル構造にはなっていなかった。   When the glass sample after the phase separation treatment was observed by SEM, it was not in a spinodal structure.

ガラスサンプルを実施例1と同様に酸溶液によりエッチングを行ったところ割れが生じ、多孔質ガラスは得られなかった。エッチング後のガラスのSEM像を図2に示す。   When the glass sample was etched with an acid solution in the same manner as in Example 1, cracks occurred and porous glass was not obtained. The SEM image of the glass after etching is shown in FIG.

(比較例2)
表1に記載した組成サンプルを15mm×15mm×1mmを切り出し、600℃、50時間の分相処理を行った。
(Comparative Example 2)
15 mm × 15 mm × 1 mm of the composition sample described in Table 1 was cut out and subjected to phase separation treatment at 600 ° C. for 50 hours.

分相処理後のガラスサンプルをSEM観察したところのスピノーダル構造が見られた。   A spinodal structure was observed when the glass sample after the phase separation treatment was observed with an SEM.

ガラスサンプルを実施例1と同様に酸溶液によりエッチングを行ったところ割れが生じ、多孔質ガラスは得られなかった。   When the glass sample was etched with an acid solution in the same manner as in Example 1, cracks occurred and porous glass was not obtained.

Figure 2012193067
Figure 2012193067

(注1)シリコン原子に対するセリウム原子の(Ce/Si)原子比は、仕込みの時点の酸化ケイ素(SiO)、酸化セリウム(CeO)から、シリコン原子、セリウム原子のモル量を計算し、Ce/Si原子比を算出した。
(注2)スピノーダル化
○は分相後のSEM観察でスピノーダルが確認されたサンプルを示す。
×は分相後のSEM観察でスピノーダルが確認されなかったサンプルを示す。
(注3)酸処理耐性
○は酸溶液によるエッチングで多孔質化したサンプルを示す。
×は酸溶液によるエッチングで割れなど破壊が発生したサンプルを示す。
(Note 1) The (Ce / Si) atomic ratio of cerium atoms to silicon atoms is calculated by calculating the molar amount of silicon atoms and cerium atoms from silicon oxide (SiO 2 ) and cerium oxide (CeO 2 ) at the time of preparation. The Ce / Si atomic ratio was calculated.
(Note 2) Spinodalization (circle) shows the sample by which spinodal was confirmed by SEM observation after phase separation.
X indicates a sample in which spinodal was not confirmed by SEM observation after phase separation.
(Note 3) Acid treatment resistance ○ indicates a sample made porous by etching with an acid solution.
X indicates a sample in which breakage such as cracking occurred by etching with an acid solution.

本発明のホウケイ酸塩ガラスは、酸化ケイ素の含有割合が多くても相分離が起こるため、強度が高く、多様な多孔質構造を有する多孔質ガラス等に幅広く応用が可能である。   Since the borosilicate glass of the present invention causes phase separation even when the content ratio of silicon oxide is large, the borosilicate glass has high strength and can be widely applied to porous glass having various porous structures.

Claims (5)

酸化ケイ素60重量%以上72重量%以下、酸化ホウ素18重量%以上30重量%以下、酸化ナトリウム9.5重量%以上15重量%以下、酸化セリウム0.1重量%以上5.0重量%以下を含有することを特徴とするホウケイ酸塩ガラス。   60% to 72% by weight of silicon oxide, 18% to 30% by weight of boron oxide, 9.5% to 15% by weight of sodium oxide, 0.1% to 5.0% by weight of cerium oxide Borosilicate glass characterized by containing. 前記酸化セリウムの含有量が、2.0重量%以上5.0重量%以下であることを特徴とする請求項1記載のホウケイ酸塩ガラス。   The borosilicate glass according to claim 1, wherein the content of the cerium oxide is 2.0 wt% or more and 5.0 wt% or less. 前記酸化ケイ素と酸化セリウムにおけるシリコン原子に対するセリウム原子の原子比(Ce/Si)が0.01≦Ce/Si≦0.13であることを特徴とする請求項1または2に記載のホウケイ酸塩ガラス。   The borosilicate according to claim 1 or 2, wherein an atomic ratio (Ce / Si) of cerium atoms to silicon atoms in the silicon oxide and cerium oxide is 0.01≤Ce / Si≤0.13. Glass. 請求項1乃至3のいずれかに記載のホウケイ酸塩ガラスを加熱による分相処理をしてシリカリッチ相と非シリカリッチ相に相分離させる工程、前記非シリカリッチ相を溶液によるエッチングにより溶出させる工程を有することを特徴とする多孔質ガラスの製造方法。   A step of subjecting the borosilicate glass according to any one of claims 1 to 3 to phase separation by heating to phase-separate into a silica-rich phase and a non-silica-rich phase, and eluting the non-silica-rich phase by etching with a solution. The manufacturing method of the porous glass characterized by having a process. 請求項4に記載の多孔質ガラスの製造方法により得られた、酸化ケイ素を主成分とする骨格を有する多孔質ガラス。   A porous glass having a skeleton composed mainly of silicon oxide, obtained by the method for producing a porous glass according to claim 4.
JP2011057789A 2011-03-16 2011-03-16 Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same Withdrawn JP2012193067A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011057789A JP2012193067A (en) 2011-03-16 2011-03-16 Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011057789A JP2012193067A (en) 2011-03-16 2011-03-16 Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012193067A true JP2012193067A (en) 2012-10-11

Family

ID=47085354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011057789A Withdrawn JP2012193067A (en) 2011-03-16 2011-03-16 Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012193067A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018052079A (en) * 2016-09-30 2018-04-05 株式会社環境レジリエンス Individual authentication medium, creation method thereof and authentication system using the same
US10077208B2 (en) 2014-03-13 2018-09-18 Corning Incorporated Glass article and method for forming the same
CN114650973A (en) * 2019-11-11 2022-06-21 日本电气硝子株式会社 Method for producing porous glass material

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10077208B2 (en) 2014-03-13 2018-09-18 Corning Incorporated Glass article and method for forming the same
US10710927B2 (en) 2014-03-13 2020-07-14 Corning Incorporated Glass article and method for forming the same
JP2018052079A (en) * 2016-09-30 2018-04-05 株式会社環境レジリエンス Individual authentication medium, creation method thereof and authentication system using the same
JP7048064B2 (en) 2016-09-30 2022-04-05 株式会社環境レジリエンス Individual authentication system using individual authentication medium
CN114650973A (en) * 2019-11-11 2022-06-21 日本电气硝子株式会社 Method for producing porous glass material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5796936B2 (en) Method for producing porous glass
JP5721348B2 (en) Glass manufacturing method
US4665039A (en) Porous glass, process for its production and glass material used for the production
JP2012131695A (en) Method of manufacturing porous glass and method of manufacturing imaging apparatus
JP5950587B2 (en) Method for producing porous glass and method for producing optical member
JP2011241130A (en) Phase-separated glass and porous glass
TW200821275A (en) Component of quartz glass for use in semiconductor manufacture and method for producing the same
JPWO2015111524A1 (en) Tempered glass composition, tempered glass article and method for producing the same
JP2012193067A (en) Borosilicate glass, porous glass, and method for producing the same
CN101328014B (en) Manufacturing method of doping quartz glass fibre
JP2012091996A (en) Method for producing porous glass
JP7280547B2 (en) Method for manufacturing porous glass member
WO2021095544A1 (en) Porous glass member production method
US9278882B2 (en) Method of producing glass
CN110937805B (en) Photoetching lithium-aluminum-silicon glass material and preparation method and application thereof
JP7168901B2 (en) Method for manufacturing porous glass member
JP7303480B2 (en) porous glass member
WO2021095545A1 (en) Method for producing porous glass member
JP7425400B2 (en) Method for manufacturing porous glass member
JPS638052B2 (en)
JP2024060430A (en) Method for producing porous glass material and porous glass material
JP2023004533A (en) Method for manufacturing porous glass member
JP2023026324A (en) Porous glass particle and method for producing the same
JPS61183139A (en) Production of porous glass

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20140603