JP3999218B2 - 石英ガラスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ゾル-ゲル法による乾燥時に割れ難い石英ガラス製造用に適した乾燥ゲルを製造する方法を提供することを目的とする。
本発明はまた、該乾燥ゲルを用いた高品質で大きいサイズの石英ガラスの製造を可能とする方法を提供することを目的とする。
本発明はさらに、該乾燥ゲルを用いた高品質で大きいサイズの着色石英ガラスの製造を可能とする方法を提供することを目的とする。
前記シリコンアルコキシド、アルコール炭酸水素アンモニウムおよび/または炭酸アンモニウムとの混合溶液が、さらに微紛状シリカを含む前記した乾燥ゲルの製造方法は、本発明の好ましい態様である。
前記乾燥ゲルを塩酸およびアルコールを含む溶液に浸漬し、乾燥させた後焼結する石英ガラスの製造方法は、本発明の好ましい態様である。
前記の乾燥ゲルを着色剤に浸漬した後に、焼結する着色石英ガラスの製造方法は、本発明の好ましい態様である。
また、前記の乾燥ゲルの表面の少なくとも一部に、1種または複数種の着色剤を含浸させた後に、焼結する着色石英ガラスの製造方法も、本発明の好ましい態様である。
前記の金属化合物が、遷移金属の塩化物、硝酸塩、水酸化物および硫酸塩から選ばれた少なくとも1種の化合物である着色剤を用いる前記した着色石英ガラスの製造方法は、本発明の好ましい態様である。
本発明によればまた、ゾル-ゲル法により大きな細孔径を有する乾燥ゲルが提供される。
さらに本発明によれば、上記乾燥時に割れ難い乾燥ゲルを用いて石英ガラスを製造する方法が提供される。
また本発明によれば、上記乾燥時に割れ難い乾燥ゲルを用いて着色石英ガラスを製造する方法が提供される。
以下に、本発明の乾燥ゲルの製造方法について説明する。
本発明のアルコールとして特に好ましいのは、メチルアルコール、エチルアルコールであり、特にはエチルアルコールが好ましい。
微粉状シリカは、本発明において良好な形状を有し、密度が均一な乾燥ゲルを得るのに好ましい働きをする。微粉状シリカの量としては、シリコンアルコキシド、アルコールと炭酸アンモニウムおよび/または炭酸水素アンモニウムを含む溶液100質量部に対して40質量部以下、好ましくは30質量部以下、より好ましくは10〜30質量部の量で用いることが望ましい。
本発明の塩酸は、前記したシリコンアルコキシド、アルコールと炭酸アンモニウムおよび/または炭酸水素アンモニウムを含む溶液に添加する。
膨潤ゲルを乾燥する好適な一態様を例示すると、125℃程度の温度で乾燥し、一旦室温まで徐例したのち、50℃/時程度の速度で加熱して600℃位に昇温させ、同温度でしばらく保持した後、室温まで徐冷する方法を挙げることができる。この態様を参考に、乾燥パターンを適宜選択することができる。
以下に本発明の石英ガラスの製造方法について説明する。
上記方法で得られた乾燥ゲルを、1100〜1300℃で焼結することによって、高品質の石英ガラスを得ることができる。焼結の方法には特に制限がなく、従来公知の方法で焼結することができる。焼結には、電気炉が好適に使用できる。焼結時の雰囲気としては、通常純酸素、空気、窒素などが挙げられる。焼結温度に合せて適宜雰囲気を変化させてもよい。焼結によって最終的には酸化物である石英ガラスを得るので、焼結の雰囲気として、少なくとも一部の段階、例えば焼結第1段階で、純酸素または空気雰囲気とすることが好ましい。例えば900℃近辺の温度までは純酸素または空気雰囲気とし、その後窒素雰囲気とする方法などを採用することができる。
浸漬したのちの乾燥ゲルは、室温〜600℃の温度で乾燥、好ましくは自然乾燥させてから焼結する。
塩酸とエタノールの混合割合は、特に制限がないが、塩酸の塩化水素1モルに対してエタノール1〜10モル程度の割合の混合物であれば、良好な結果が得られるので好ましい。
以下に、本発明の乾燥ゲルから着色石英ガラスを製造する方法を説明する。
本発明の着色石英ガラスの製造方法は、前記した本発明の乾燥ゲルに金属化合物溶液を含む着色剤を含浸させた後焼結することによって行うことができる。
また、本発明の乾燥ゲルに着色剤を含浸させるにあたり、乾燥ゲル表面の少なくとも一部に着色剤を含浸させた後に、焼結することによって表面全部または一部に着色した石英ガラスを得ることができる。また、複数種の着色剤を含浸させることにより、複数種の着色が可能となる。
前述したとおり、乾燥ゲルを焼結すると収縮するが、一定の条件で焼結すると収縮率は一定であるので、試験的に収縮率を測定しておくことによって、石英ガラス上に所望の正確さをもって図形を表すことができる。
乾燥ゲルの調製
テトラエトキシシラン181.9g、エタノール161.7gを攪拌混合し、微紛状シリカ(AEROSIL50、1次粒子の平均径:約30nm、見かけ比重:約50g/l、日本アエロジル(株))100gを混合し、アルカリ触媒として炭酸水素アンモニウム0.54gを水500gに溶解した溶液157gを添加して、室温30℃以下で攪拌した。さらに、PHを1.0に調整した塩酸水溶液214gを添加して攪拌し、炭酸水素アンモニウム5gと水95gからなる調整液でPHを5.0〜7.0に調整した。ポリテトラフルオロエチレン樹脂容器12個に約50gずつ、ポリプロピレン容器に残り量を注ぎ入れた。それぞれガラスの蓋をして室温でゲル化させた。得られたゲルを、乾燥器で50℃、12時間熟成させた後、50℃から125℃まで、0.5〜1.0℃/時の昇温速度で加熱昇温し、ほぼ5℃刻みで所定の温度に到達した後、その温度で約12時間保持した後、再昇温するという乾燥プログラムで乾燥して乾燥ゲルを調製した。得られた乾燥ゲルに、割れはまったく認められなかった。
上記ポリテトラフルオロエチレン樹脂容器中で生成した膨潤ゲルを、10.90g採取し、40℃で30分間加熱した。その間,窒素ガスを3.00L+0.36L通じて発生するガスを収集した。窒素ガス中の成分について、TCD−ガスクロマトグラフ法によって水素およびCO2を、水吸収ーイオンクロマトグラフ法によってHClを、インドフェノール吸光光度法によってNH3を、またFID−ガスクロマトグラフ法によってエタノールの各量を測定した。その結果は下記のとおりであった。
ガス成分 量(ml/g−ゲル)
水素 0.05未満
CO2 0.06
HCL 0.0005
NH3 0.0002
エタノール 82
上記ポリテトラフルオロエチレン樹脂容器中で膨潤ゲルが生成したときの、無色透明の液体部分40ml採取して、混液中のCl−、NH4 +、CO3 −を分析した。
Cl−およびNH4 +は、キャピラリー電気泳動法(CE)で、CO3 −は、燃焼/赤外吸収法(IOC=TC−TOC)によって分析した。
混液中に、Cl−が1100ppm、NH4 +が550ppm含有され、CO3 −は0.01ppm未満であることが分かった。
乾燥ゲルの焼結
実施例1で得られた乾燥ゲルの一つを焼結用に選んだ。乾燥ゲルの重量は9.52g、寸法は直径6.32cm、厚さ0.43cmのコイン形状で、密度は0.71g/cm3であった。この乾燥ゲルを、電気炉を用いて20℃から1150℃まで、900℃までは純酸素雰囲気、900℃超は窒素雰囲気で、昇温速度10〜20℃/時で昇温しながら、250℃、450℃、900℃および950℃において10〜30分間所定の温度に保ち、1150℃に到達後6時間焼結した、その後20℃まで約100℃/時で冷却し石英ガラスを得た。得られた石英ガラスの重量は8.76g、寸法は直径4.23cm、厚さ0.29cmのコイン形状で、密度は2.06g/cm3であった。
乾燥ゲルの焼結
実施例1で得られた乾燥ゲルの一つを焼結用に選んだ。この乾燥ゲルを、50℃/時で125℃まで昇温し6時間乾燥させたのち、放冷によって20℃まで冷却したところ、重量は12.71g、寸法は直径6.4cm、厚さ0.57cmのコイン形状で、密度は0.69g/cm3であった。これを塩酸560gとエタノール560gの混合物に浸漬したのち自然乾燥させた。得られた乾燥ゲルについて、実施例2と同様にして焼結した。その結果、得られた石英ガラスの重量は11.66g、寸法は直径4.3cm、厚さ0.39cmのコイン形状で、密度は2.06g/cm3であった。
乾燥ゲルの細孔径の測定
実施例1で得られた乾燥ゲルの一つを焼結用に選んだ。乾燥ゲルの重量は9.57g、寸法は直径6.33cm、厚さ0.42cmのコイン形状で、密度は0.72g/cm3であった。この乾燥ゲルを、電気炉を用いて純酸素雰囲気下で50℃/時で600℃まで昇温して1時間加熱したのち放冷した。得られた乾燥ゲルについて、200kV透過型電子顕微鏡(日立製作所 H−8000)で、観察時加速電圧200kVで観察した。
上記で得られた乾燥ゲルを、得られたゲルから数mm角の試料を切り出し、これをダミーにアラルダイトで固定した。ミクロトームで、ドライ法にて、切削角度0度、切削速度1mm/sで、切片厚70nmの超薄切片を切り出した。超薄切片を睫毛棒にてCuメッシュにのせ、カーボンを蒸着し、電子顕微鏡用試料とした。
その結果、乾燥ゲルには、最大径0.1μm、平均径約44nmの細孔があることがわかった。電子顕微鏡の画像を、倍率が10万倍のものと、20万倍のものを図1および図2として示した。
着色石英ガラスの調製
実施例1で得られた乾燥ゲルの一つを焼結用に選んだ。乾燥ゲルの重量は9.56g、寸法は直径6.31cm、厚さ0.43cmのコイン形状で、密度は0.711g/cm3であった。硝酸コバルト6水和物2.8g、硝酸アルミニウム7.0gとエタノール10.0gを混合して着色剤を調製した。上記乾燥ゲルをエタノール100gと着色剤10gの攪拌混合物中に12時間浸漬したところ、乾燥ゲルがピンク色に着色した。室温で自然乾燥した後、実施例1と同様にして焼結したところ、全体に均一に青色に着色した石英ガラスが得られた。
表面部分着色石英ガラスの調製
実施例1で得られた乾燥ゲルの一つを焼結用に選んだ。乾燥ゲルの重量は9.52g、寸法は直径6.34cm、厚さ0.44cmのコイン形状で、密度は0.686g/cm3であった。乾燥ゲルの表面に硝酸コバルトと硝酸アルミニウムのエタノール溶液、塩化クロムと塩化スズのエタノール溶液、および塩化金と塩化アンチモンのエタノール溶液を筆で一筋ずつ一文字の線を描いた。室温で自然乾燥した後、実施例1と同様にして焼結したところ、表面に鮮やかに青、緑および赤で一筋ずつ一文字の線を描いた石英ガラスが得られた。
乾燥ゲルの調製
実施例1において、アルカリ触媒としての炭酸水素アンモニウム0.54gを、炭酸アンモニウム0.54gに代えるほかは同様にして乾燥ゲルを製造した。乾燥ゲルには割れも反りも認められなかった。
乾燥ゲルの焼結
得られた乾燥ゲルを用いて、実施例2に記載の焼結条件と同様の条件で焼結して、石英ガラスを得た。得られた石英ガラスは割れもなく良好な石英ガラスであった。
着色石英ガラスの調製
本実施例7で得られた乾燥ゲルを用いて、実施例5と同様にして着色石英ガラスを製造したが、実施例5と同等の着色石英ガラスが得られた。
乾燥ゲルの調製
実施例1において、テトラエトキシシラン181.9gをテトラメトキシシラン165.3gに、エタノール161.7gをメタノール139.3gに代え、またアルカリ触媒として炭酸水素アンモニウムを0.1質量%の水溶液として195.5g使用するほかは同様にして乾燥ゲルを製造した。乾燥ゲルには割れも反りも認められなかった。
乾燥ゲルの焼結
得られた乾燥ゲルを用いて、実施例2に記載の焼結条件と同様の条件で焼結して、石英ガラスを得た。得られた石英ガラスは割れもなく良好な石英ガラスであった。
乾燥ゲルの調製
実施例1において、テトラエトキシシラン181.9gをテトラメトキシシラン147.3gに、エタノールの量を161.7gから178.5gに代え、アルカリ触媒として炭酸アンモニウムの0.1質量%水溶液を174.2g使用するほかは同様にして乾燥ゲルを製造した。乾燥ゲルには割れも反りも認められなかった。
乾燥ゲルの焼結
得られた乾燥ゲルを用いて、実施例2に記載の焼結条件と同様の条件で焼結して、石英ガラスを得た。得られた石英ガラスは割れもなく良好な石英ガラスであった。
乾燥ゲルの調製
実施例1において、PHの調整用いた炭酸水素アンモニウムを炭酸アンモニウムに代えるほかは同様にして乾燥ゲルを製造した。乾燥ゲルには割れも反りも認められなかった。
乾燥ゲルの焼結
得られた乾燥ゲルを用いて、実施例2に記載の焼結条件と同様の条件で焼結して、石英ガラスを得た。得られた石英ガラスは割れもなく良好な石英ガラスであった。
乾燥ゲルの調製
実施例1において、微紛状シリカを、AEROSIL50を70gと、AEROSIL200CF(日本エアロジル(株)、1次粒子の平均径約:約12nm、見かけ比重:約30)を30g混合したものに代えるほかは同様にして乾燥ゲルを製造した。乾燥ゲルには割れも反りも認められず、表面が非常に滑らかであった。
乾燥ゲルの焼結
得られた乾燥ゲルを用いて、実施例2に記載の焼結条件と同様の条件で焼結して、石英ガラスを得た。得られた石英ガラスは割れもなく、表面状態が良好な石英ガラスであった。
本発明により得られる乾燥ゲルは、従来のゾル-ゲル法による乾燥ゲルでは到達できなかった大きな細孔径を有しており、乾燥時に割れ難いだけでなく、焼結時の割れや反りが少ないので、気泡の少ない高品質の石英ガラス製造用に適している。
本発明により得られる乾燥ゲルは割れ難いので、大きいサイズの乾燥ゲルを得ることができ、そのために大きいサイズの石英ガラスの製造を可能となる。
本発明により提供される乾燥ゲルは、石英ガラス製造用に適しているばかりでなく、触媒用担体などの担体、フィルターなどの用途も期待されるものである。
また本発明によれば、上記乾燥ゲルを用いる高品質の石英ガラスを製造する方法が提供される。
さらに本発明によれば、上記乾燥時に割れ難い乾燥ゲルを用いて着色石英ガラスを製造する方法が提供される。
本発明の着色石英ガラスの製造方法によれば、精密な作図や、複雑な図柄を単色または多色で石英ガラス表面に描くことが可能となるので、精密機器や絵画の分野にも応用が可能であり、幅広い用途が期待できる。
Claims (9)
- シリコンアルコキシド、アルコール、および炭酸水素アンモニウムおよび/または炭酸アンモニウムとの混合溶液に、塩酸を添加した後、PHを調整して膨潤ゲルを得て、これを乾燥させる乾燥ゲルの製造方法。
- シリコンアルコキシド、アルコール炭酸水素アンモニウムおよび/または炭酸アンモニウムとの混合溶液が、さらに微紛状シリカを含むことを特徴とする請求項1に記載の乾燥ゲルの製造方法。
- 前記PHの調整が、炭酸水素アンモニウムおよび/または炭酸アンモニウムによって、PH4〜7の範囲に調整されることを特徴とする請求項1または2に記載の乾燥ゲルの製造方法。
- 請求項1に記載の乾燥ゲルを焼結する石英ガラスの製造方法。
- 前記乾燥ゲルを塩酸およびアルコールを含む溶液に浸漬し乾燥させた後、焼結する請求項4に記載の石英ガラスの製造方法。
- 請求項1に記載の乾燥ゲルに金属化合物溶液を含む着色剤を含浸させた後焼結する着色石英ガラスの製造方法。
- 乾燥ゲルを着色剤に浸漬した後に、焼結する請求項6に記載の着色石英ガラスの製造方法。
- 乾燥ゲルの表面の少なくとも一部に、一種または複数種の着色剤を含浸させた後に、焼結する請求項6に記載の着色石英ガラスの製造方法。
- 前記金属化合物が、遷移金属の塩化物、硝酸塩、水酸化物および硫酸塩から選ばれた少なくとも1種の化合物である請求項6〜8のいずれかに記載の着色石英ガラスの製造方法。
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