JP3672592B2 - 合成石英ガラス部材の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は合成石英ガラス部材の製造方法、特には合成石英ガラス部材の粘度を下げる要因である水酸基および塩素の含有量を減少させた高粘度の合成石英ガラス部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
合成石英ガラスの製造としては、
１）四塩化けい素などのけい素化合物を酸水素火炎中で火炎加水分解させて得たシリカ微粒子を担体上に堆積させ、これを直接溶融させて石英ガラスとする直接法による方法（特公平 3-31010号公報参照）、
２）このけい素化合物をメチルトリメトキシシランなどのエステルシランとして多孔質ガラス母材を作り、これを溶融して石英ガラスとするスート法による方法（特公平 4-20853号公報参照）、
３）高周波プラズマ炎中でけい素化合物、酸素および塩化水素の混合ガスを反応させて二酸化けい素を生成させ、これを担体上に堆積させるプラズマ法による方法（特公昭63-38343号公報参照）、
４）アルコキシシランを酸またはアンモニア触媒の存在下に加水分解して得たシリカを焼結して石英ガラスとする、いわゆるゾル−ゲル法と称されている方法、などが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この１）の直接法で得られる石英ガラスは、水酸基含有量が 200〜1,000ppmで塩素含有量が〜150ppmであるために、高温粘性が低いという問題点があり、この２）のスート法により得られる石英ガラスは水酸基含有量が〜300ppmで塩素含有量が〜100ppmであり、塩素脱水しても塩素が含有するために高温粘性が高くならないという問題点がある。
また、この３）のプラズマ法により得られる石英ガラスには水酸基含有量はフリーになるけれども塩素含有量が〜1,000ppmと高くなるし、生産コストが高く、量産も難しいという不利があり、この４）のゾル−ゲル法により得られる石英ガラスには塩素含有量はフリーになるけれども水酸基含有量が〜100ppmとなり、アンモニア触媒を用いれば水酸基含有量もフリーとなるので高温粘性品を得ることができるけれども、これは製造工程が長いためにコスト高となり、酸触媒を用いる場合には水酸基が残留し、酸として塩酸を用いる場合には塩素も残存するために高温粘性の製品は得られないという欠点がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような不利、欠点、問題点を解決した合成石英ガラス部材の製造方法に関するものであり、これはシラン化合物から合成された合成石英ガラスを粉砕し、不活性ガス雰囲気下に 1,500〜 1,900℃で加熱溶融することを特徴とするものである。
【０００５】
すなわち、本発明者らは水酸基含有量および塩素含有量を減少させた高粘性の合成石英ガラス部材を製造する方法を開発すべく種々検討した結果、上記した公知の方法で製造された合成石英ガラス部材は水酸基および塩素の両方、またはこのいずれか一方を可成り高い含有量で含有しているが、この合成石英ガラスを 150μｍ以下に粉砕し精製してから、これを不活性ガス雰囲気下に 1,500〜 1,900℃で加熱溶融すると、この水酸基含有量を 50ppm以下、塩素含有量を 10ppm以下に減少させることができるし、その熱特性としての歪み点を 1,090℃以上、徐冷点を 1,190℃以上とすることができることを見出し、したがってこれによれば高粘性の合成石英ガラスを容易に得ることができることを確認して本発明を完成させた。
以下にこれをさらに詳述する。
【０００６】
【作用】
本発明による合成石英ガラスの製造法は従来公知の方法で製造された水酸基含有量および／または塩素含有量の多い合成石英ガラス部材を、粉砕したのち不活性ガス雰囲気下に高温で溶融して、水酸基、塩素の含有量を低下させて高粘性の合成石英ガラス部材とするものである。
したがって、本発明で原料となる合成石英ガラスは従来公知の方法、例えば直接法、スート法、プラズマ法、ゾル−ゲル法で製造されたものとされるが、これらの方法で製造された合成石英ガラスの水酸基含有量、塩素含有量は出発原料の種類によってそれぞれ下記のようなものとなる。
【０００７】
すなわち、１）直接法により得られる合成石英ガラスは

２）スート法により得られる合成石英ガラスは

３）プラズマ法により得られる合成石英ガラスは

４）ゾル−ゲル法により得られる合成石英ガラスは
テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン
ＯＨ基…〜1,000ppm：アンモニア触媒、 100〜800ppm：酸触媒、Ｃｌ…フリー
となる。
【０００８】
このようにして製作された合成石英ガラスは本発明ではまず粉砕により合成石英ガラス粉とされるのであるが、この粉砕はジョークラッシャー、ディスクミル、ボールミルを用いて行なえばよく、これはついで篩別により粒度を調整するのであるが、これは 150μｍ以下のものとすることがよく、 150μｍ以下のものとすれば後記する熱処理によってＯＨ基含有量、Ｃｌ含有量を減少させることができる。
【０００９】
この粉砕品は粉砕時の汚染を除去するために精製することがよく、この精製は水洗、ＨＦ処理、ＨＣｌ処理、磁力選鉱、浮遊選鉱などで行えばよいが、この精製は汚染度に応じて省いてもよい。
この精製の終了したものはついで不活性ガス雰囲気下で高熱溶融されるが、この不活性ガス雰囲気は例えばＡｒ、Ｎ₂ などの不活性ガス中、あるいは気流中とすればよく、加圧は不純物の昇華を阻害するので好ましいものではない。
【００１０】
また、この高温溶融は 1,500℃未満では石英が溶融しないし、 1,900℃以上とすると石英が昇華して歩留りが悪くなるので、 1,500〜 1,900℃の範囲とすることが必要とされるが、この高温溶融時間は10分〜60分とすればよいが、低温では長く、高温では短くすることが望ましく、これによれば目的とする合成石英ガラス部材は水酸基含有量が 50ppm以下で、塩素含有量が 10ppm以下のものとなるほか、熱特性としての歪み点が 1,090℃以上、徐冷点が 1,190℃以上と天然石英ガラスの酸水素溶融点と同等以上のものとなるので、高粘性をもつものになるという有利性が与えられる。
【００１１】
【実施例】
つぎに本発明の実施例、比較例をあげるが、例中における合成石英ガラス部材の物性値は以下の方法による測定値を示したものである。
（水酸基量の測定）
ＩＲ（赤外線）測定器・ＩＲ−Spectrophotometer TypeＡ−３［日本分光（株）製商品名］を用いて、ＯＨ吸収波長である 2.7μｍのピーク高より概算する。（塩素量の測定）
立教大学原子炉ＩＲＩＧＡ−II型にて中性子を試料に衝突させて核反応を起こさせ、高純度Ｇｅ検出器、マルチチャンネル波高分析器にてγ線を検出してＣｌ含有量を求めた。
【００１２】
（歪み点、徐冷点の測定）
歪み点、徐冷点は、熱特性の代表的なものであり、高温粘性の指標となる物性である。
歪み点は粘度が４×10¹⁴ポイズ（log η＝14.5）のときの温度で示し、徐冷点は粘度が10¹³ポイズ（log η＝13.0）のときの温度を示す。（朝倉書店「ガラスハンドブック」Ｐ 637参照）
狭い温度範囲では、log ηの絶対温度の逆数に対するプロットは直線関係にあるので、 1,100℃、 1,150℃、 1,200℃、 1,250℃、 1,300℃において伸び量△Ｌを測定し（Fiber-elongation法※により）、各ηを求めた。これを縦軸：log η、横軸：絶対温度の逆数の図にプロットし、直線を求めた。
この直線よりlog η＝14.5に相当する温度を歪み点、log η＝13.0に相当する温度を徐冷点として求めた。
※Fiber-elongation法
４×２×40mmの試料に熱を加え、△ｔ＝ 120〜 3,000秒における試料の△Ｌ（cm）を求め、以下の式を用いて粘性を求める。

【００１３】
実施例１
酸素ガス19Nm³/時および水素ガス30Nm³/時で形成された酸水素バーナーの酸水素火炎中に四塩化けい素を 2,000g/時で導入し、その火炎加水分解で発生したシリカ微粒子を回転している耐熱性担体に堆積すると同時に溶融させて、直径 120mmφ、長さ 500mmの合成石英ガラスインゴットを製造した。
【００１４】
ついで、この合成石英ガラスインゴットをジョークラッシャー、ディスクミルを用いて粉砕したところ、このもののＯＨ基含有量、Ｃｌ含有量は後記する表１に示したとおりのものとなったので、篩別して粒度を 150μｍ以下に調整したのち、これを磁力選鉱にかけてから20％ＨＣｌに２時間、10％ＨＦに10分間浸漬して精製してから水洗した。
つぎに、これを酸化雰囲気中で 1,000℃に１時間加熱して有機物を除去したのち、Ａｒガス雰囲気下に 1,800℃まで昇温して溶融させ、30分間保持し、得られた合成石英ガラス部材の物性をしらべたところ、後記する表１に示したとおりの結果が得られた。
【００１５】
実施例２
酸水素火炎バーナーにメチルトリメトキシシラン 2,000g/時と酸素ガス20Nm³/時と水素ガス28Nm³/時を挿入したほかは実施例１と同様に処理して合成石英ガラス部材を作ったところ、石英ガラス粉末のＯＨ基量、Ｃｌ量および合成石英ガラス部材の物性については後記する表１に示したとおりのものとなった。
【００１６】
実施例３
酸水素火炎バーナーにメチルトリメトキシシラン 2,500g/時を酸素ガス11Nm³/時と水素ガス10Nm³/時で形成された酸水素火炎中に導入し、火炎加水分解で生成したシリカ微粒子を、回転している耐熱性担体上に堆積させて直径 250mm、長さ600mm の多孔質ガラス母材を製造したのち、真空溶解炉で真空下 1,600℃で加熱溶融して直径 125mm、長さ 300mmの合成石英ガラスインゴットを製造した。
ついで、実施例１と同様にこの石英ガラスインゴットを粉砕したところ、このもののＯＨ基量、Ｃｌ量は後記する表１に示したとおりのものであったので、篩別して粒度を 150μｍ以下に調整したのち、これを磁力選鉱にかけてから20％ＨＣｌに２時間、10％ＨＦに10分浸漬させ精製したのち水洗した。
つぎに 1,000℃で１時間、酸素雰囲気中にて加熱したのち、Ａｒ雰囲気にて 1,800℃まで昇温して30分間保持し、得られた合成石英ガラス部材についての物性を調べたところ、後記する表１に示したとおりの結果が得られた。
【００１７】
実施例４
酸素ガス２Nm³/時からプラズマ点を形成した中に、四塩化けい素 500g/時を導入して、生成したシリカ微粒子を耐熱性担体に堆積し、溶融して、直径 100mm、長さ 500mmの合成石英ガラスインゴットを製造した。
ついで、実施例１と同様にこの石英ガラスインゴットを粉砕したところ、このもののＯＨ基量、Ｃｌ量は後記する表１に示したとおりのものとなったので、篩別して粒度を 150μｍ以下に調整したのち、これを磁力選鉱にかけてから20％ＨＣｌに２時間、10％ＨＦに10分浸漬させ精製したのち水洗した。
ついで、 1,000℃で１時間、酸素雰囲気中にて加熱したのち、Ａｒ雰囲気にて 1,800℃まで昇温して30分間保持し、得られた合成石英ガラス部材についての物性を調べたところ、後記する表１に示したとおりの結果が得られた。
【００１８】
実施例５
メチルシリケート 700mlと５重量％ＨＣｌ 300mlを反応容器内で撹拌し30分後、さらに５重量％ＨＣｌ 300mlを加え、30℃１時間でゲル化させた。
これを大気中 100℃で24時間乾燥させた後、 1,000℃まで 100℃／時で昇温させて合成石英ガラスを作り、粉砕したところ、このもののＯＨ基量、Ｃｌ量は後記する表１に示したとおりのものとなった。
ついで、この合成石英ガラス280gをさらに真空中（10^-2Torr）で 1,100℃で１時間加熱後、昇温して 1,700℃で１時間溶融し、つぎにこの石英ガラスを粉砕以下実施例１と同様に処理して合成石英ガラス部材を作製したところ、その物性は後記する表１に示したとおりの結果が得られた。
【００１９】
比較例１
実施例１における石英ガラス粉の粒度を 150〜 300μｍのものとしたほかは実施例１と同様に処理して合成石英ガラス部材を作製したところ、その物性については後記する表１に示したとおりの結果が得られた。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば合成石英ガラスに含有されている水酸基、塩素量を低減することができるので、これを天然石英ガラスの酸水素溶融品と同等以上の高温粘性を有する合成石英ガラス部材とすることができるし、これは原料が従来法で得られたもので高純度であるし、これには既存の製造設備が使用することができるので、これを安価に得ることができるという有利性が与えられる。

Claims (3)

1. シラン化合物から合成された合成石英ガラスを粉砕し、不活性ガス雰囲気下に 1,500〜 1,900℃で加熱溶融することを特徴とする合成石英ガラス部材の製造方法。
2. 合成石英ガラスの粉砕粉の粒度が 150μｍ以下のものである請求項１に記載した合成石英ガラス部材の製造方法。
3. 得られた合成石英ガラス部材が水酸基量 50ppm以下、塩素量が 10ppm以下のものである請求項１に記載した合成石英ガラス部材の製造方法。