JPH0259444A - Production of silica glass - Google Patents

Production of silica glass

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JPH0259444A
JPH0259444A JP21181088A JP21181088A JPH0259444A JP H0259444 A JPH0259444 A JP H0259444A JP 21181088 A JP21181088 A JP 21181088A JP 21181088 A JP21181088 A JP 21181088A JP H0259444 A JPH0259444 A JP H0259444A
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JP
Japan
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gel
silica glass
solvent
several
sol
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Pending
Application number
JP21181088A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshikatsu Shimazaki
俊勝 嶋崎
Fusaji Hayashi
林 房司
Koichi Takei
康一 武井
Yoichi Machii
洋一 町井
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.)
Resonac Corp
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
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
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Publication of JPH0259444A publication Critical patent/JPH0259444A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C1/00Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels
    • C03C1/006Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels to produce glass through wet route
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00Other methods of shaping glass
    • C03B19/12Other methods of shaping glass by liquid-phase reaction processes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Silicon Polymers (AREA)
  • Glass Melting And Manufacturing (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain silica glass not causing cracking or crazing by adding polyvinyl acetate to a solvent contg. furfuryl alcohol, hydrolyzing silicon alkoxide in the solvent, converting the resulting silica sol into gel, drying and sintering the gel. CONSTITUTION:Polyvinyl acetate is added to a solvent (e.g., methanol) contg. furfuryl alcohol and silicon alkoxide having a group such as methyl or ethyl is hydrolyzed in the solvent in the presence of a catalyst, preferably a base catalyst. The resulting silica sol is quickly poured into other vessel and allowed to stand at 0-100 deg.C for several min to several ten days to form silica gel. This gel is allowed to stand at room temp. to 200 deg.C for several hr to several ten days until it is dried and the dry gel is sintered by heating to 1,000-1,400 deg.C at 50-400 deg.C/hr heating rate in a proper atmosphere to obtain silica glass. This silica glass is obtd. at a low cost and can be used in various fields of optics, semiconductor industry, electronic industry, etc.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光学用、半導体工業用、電子工業用、理化学
用等に使用されるシリカガラスの製造法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a method for producing silica glass used for optical applications, semiconductor industry, electronic industry, physical and chemical applications, etc.

(従来の技術) シリカガラスは耐熱性、耐食性および光学的性質に優れ
ていることから、半導体製造に欠かせない重要な材料で
あり、さらには光ファイバやIC製造用フォトマスク基
板、TPT基板などに使用されその用途はますます拡大
されている。
(Prior art) Silica glass has excellent heat resistance, corrosion resistance, and optical properties, so it is an important material indispensable for semiconductor manufacturing, and is also used for optical fibers, photomask substrates for IC manufacturing, TPT substrates, etc. It has been used for many years, and its applications are expanding more and more.

従来のシリカガラスの製造法には、天然石英を電気炉ま
たは酸水素炎により溶解する方法、あるいは四塩化ケイ
素を酸水素炎又はプラズマ炎中で高温酸化し熔解する方
法があるが、いずれの方法も製造工程に2000℃ある
いはそれ以上の高温を必要とするため、大量のエネルギ
ーを消費しまた製造時にそのような高温に耐える材料が
必要であり、また高純度のものが得にくいなど経済的、
品質的にいくつかの問題点をもっている。
Conventional methods for producing silica glass include a method in which natural quartz is melted in an electric furnace or an oxyhydrogen flame, or a method in which silicon tetrachloride is oxidized and melted at high temperature in an oxyhydrogen flame or a plasma flame. Since the manufacturing process requires high temperatures of 2000℃ or higher, it consumes a large amount of energy, and materials that can withstand such high temperatures are required during manufacturing, and it is difficult to obtain high purity materials, making it economical.
There are some quality issues.

これに対し、近年ゾル−ゲル法と呼ばれるシリカガラス
を低温で合成する方法が注目されている。
On the other hand, in recent years, a method of synthesizing silica glass at low temperature called the sol-gel method has been attracting attention.

その概要を簡単に述べる。The outline will be briefly described below.

一般式S L  (OR)a (R:アルキル基)で表
わされるシリコンアルキシド(本発明に於いては、その
重縮合物を含む0例えば(R0)ss i・ (O31
(OR)z)−・O3i  (OR)s、(n−0〜8
、R;アルキル基))に水(アルカリ土類金属でpHを
調整してもよい)を加え、加水分解し、シリカヒドロシ
ル(本発明に於てはシリカゾルという)とする、この時
、シリコンアルコキシドと水が均一な系となる様、一般
には溶媒として適当なアルコールが添加されている。こ
のシリカゾルを静置、昇温、ゲル化剤の添加等によって
ゲル化させる。その後ゲルを蒸発乾燥することによりシ
リカ乾燥ゲルとする。この乾燥ゲルを適当な雰囲気中で
焼結することによりシリカガラスを得る。
Silicon alkoxide represented by the general formula S L (OR)a (R: alkyl group) (in the present invention, 0 containing its polycondensate, for example (R0)ss i. (O31
(OR)z)-・O3i (OR)s, (n-0~8
, R; alkyl group)) is added with water (the pH may be adjusted with an alkaline earth metal) and hydrolyzed to form silica hydrosil (referred to as silica sol in the present invention). At this time, silicon An appropriate alcohol is generally added as a solvent so that the alkoxide and water form a homogeneous system. This silica sol is gelled by standing still, increasing the temperature, adding a gelling agent, etc. Thereafter, the gel is evaporated to dryness to obtain a dry silica gel. Silica glass is obtained by sintering this dried gel in a suitable atmosphere.

(発明が解決しようとする問題点) しかし、ゾル−ゲル法によるシリカガラスの製造にはま
だ未解決の問題が残されている。特にゲルを乾燥してい
く過程でゲルにクランクや割れが発生し易く、クラック
や割れのないモノリシックな大形の乾燥ゲルを歩留り良
く製造することが困難である。
(Problems to be Solved by the Invention) However, there are still unresolved problems in the production of silica glass by the sol-gel method. In particular, during the process of drying the gel, cracks and cracks are likely to occur in the gel, making it difficult to produce a monolithic large-sized dried gel without cracks or cracks with a good yield.

本発明はクランクや割れの発生することのないシリカガ
ラスの製造法を提供するものである。
The present invention provides a method for manufacturing silica glass that does not cause cracks or cracks.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、ゾル−ゲル法によるシリカガラスの製造法に
於て、ゾル調整時に、シリコンアルコキドの溶媒として
フルフリルアルコールを含む溶媒を使用する共にポリ酢
酸ビニルを添加することを特徴とするものである。
(Means for Solving the Problems) The present invention uses a solvent containing furfuryl alcohol as a solvent for silicon alkoxide and polyacetic It is characterized by the addition of vinyl.

本発明において、シリコンアルコキシドのアルキル基に
ついて、特に制限はないが、加水分解のし易さ、ゲル化
時間の点から、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチ
ル基を有するシリコンアルコキシドを使用することが好
ましい。またこれらのシリコンアルコキシドを部分的に
重合させたものを用いることもできる。
In the present invention, there are no particular restrictions on the alkyl group of silicon alkoxide, but from the viewpoint of ease of hydrolysis and gelation time, silicon alkoxide having a methyl group, ethyl group, propyl group, or butyl group is used. is preferred. Furthermore, partially polymerized silicon alkoxides can also be used.

水と共に加える触媒は、塩基、酸等特に制限しないが、
ゲル化時間、また得られる乾燥ゲルの焼結のし易すさの
点から塩基の方が好ましい結果が得られる。
The catalyst added with water is not particularly limited, such as bases and acids, but
From the viewpoint of gelation time and ease of sintering of the resulting dry gel, a base gives more preferable results.

ポリ酢酸ビニルの分子量については本発明では特に限定
を設けないが、水、溶媒への溶解性、ゾル中でのシリカ
微粒子の成長の度合に応じて選択される。シリコンアル
コキシドの溶媒として使用するフルフリルアルコールの
量に関しては本発明では特に限定を設けないが、ゾル中
でのシリカ微粒子の成長の度合に応じて選択される。
The molecular weight of polyvinyl acetate is not particularly limited in the present invention, but it is selected depending on the solubility in water and solvents and the degree of growth of silica fine particles in the sol. The amount of furfuryl alcohol used as a solvent for silicon alkoxide is not particularly limited in the present invention, but is selected depending on the degree of growth of silica fine particles in the sol.

フルフリル)ルコールと共に用いられる溶媒成分として
は、メチルアルコール、エチルアルコール、1−プロピ
ルアルコール、2−プロピルアルコール、ブチルアルコ
ール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル
類、アセトン、エチルメチルケトン等のケトン類、酢酸
エチル等のエステル類の少なくとも一種が使用可能であ
る。
Solvent components used with (furfuryl) alcohol include alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, butyl alcohol, ethers such as dimethyl ether, ketones such as acetone and ethyl methyl ketone, At least one type of ester such as ethyl acetate can be used.

シリコンアルコキシドとポリ酢酸ビニル、溶媒及び水と
は生成するゾルをできるだけ均一なものとするためにス
タークなどを用いてよく混合する。
The silicon alkoxide, polyvinyl acetate, solvent, and water are thoroughly mixed using a Stark or the like to make the resulting sol as uniform as possible.

また超音波を照射してもよい、ゾル調整時にシリカの微
粒子を加えても良い。
Further, ultrasonic waves may be irradiated, and silica fine particles may be added during sol preparation.

生成したゾル溶液は手早く他の容器に移してゲル化させ
る。ゲル化時には生成したゲルからの溶媒の発散を防ぐ
ために容器を密封することが好ましく、またゲル化時の
温度は0℃以上が好ましい。
The generated sol solution is quickly transferred to another container and allowed to gel. During gelation, it is preferable to seal the container to prevent the solvent from escaping from the generated gel, and the temperature during gelation is preferably 0° C. or higher.

乾燥する工程では穴のある蓋に代えて、適当な雰囲気下
で乾燥収縮固化させて乾燥ゲルとする。
In the drying process, instead of using a lid with holes, the gel is dried and shrunk and solidified in an appropriate atmosphere to form a dry gel.

その後ゲル−ゾル法で焼結することによりシリカガラス
を製造する。
Thereafter, silica glass is manufactured by sintering using a gel-sol method.

ゲル化する工程、乾燥する工程、焼結する工程は一般に
用いられる条件が使用される。例えばそれぞれ、0℃〜
100℃で数分〜数10日放置、室温〜200℃で数時
間〜数10日放置、適当な雰囲気下で1000〜140
0℃に50〜400で7時間の昇温速度で加熱する等で
ある。
Generally used conditions are used for the gelling step, drying step, and sintering step. For example, each
Leave at 100℃ for a few minutes to several 10 days, leave at room temperature to 200℃ for several hours to several 10 days, 1000 to 140 in an appropriate atmosphere
For example, heating to 0° C. at a heating rate of 50 to 400° C. for 7 hours.

(作用) フルフリルアルコール、ポリ酢酸ビニルの作用について
は不明であるが、ゾル中でのシリカ微粒子の生成、成長
の制御、乾燥過程でゲル中に発生する応力の緩和に寄与
し、ゲルの大形化が可能になったものと考えられる。
(Function) Although the effects of furfuryl alcohol and polyvinyl acetate are unknown, they contribute to the generation and growth of silica particles in the sol, to the relaxation of stress generated in the gel during the drying process, and to increase the size of the gel. It is thought that it became possible to take shape.

実施例1 シリコンテトラメトキシド:フルフリルアルコール=1
=1のモル比になるように調整し、メタノールをフルフ
リルアルコールと同量加えて攪拌し、更にポリ酢酸ビニ
ルをシリコンテトラメトキシド100重量部に対して1
0重量部添加し均一溶液とした。この溶液に濃度が0.
01 mol/ 1のコリン水溶液をシリコンテトラメ
トキシド1モルに対し4モル加え充分混合してシリカゾ
ルを得た。
Example 1 Silicon tetramethoxide: furfuryl alcohol = 1
= 1 molar ratio, add methanol in the same amount as furfuryl alcohol and stir, and then add polyvinyl acetate to 100 parts by weight of silicon tetramethoxide.
0 parts by weight was added to form a homogeneous solution. This solution has a concentration of 0.
0.01 mol/1 choline aqueous solution was added in an amount of 4 mol to 1 mol of silicon tetramethoxide and thoroughly mixed to obtain a silica sol.

得られたゾルを直径200mのテフロンをコーティング
したガラスシャーレに深さ10日まで入れ密封して室温
でゲル化した。ゲル化した後入のある蓋に代えて60℃
で14日間乾燥、その後170℃まで30℃7日で昇温
し乾燥してクランクや割れのない乾燥ゲルを得た。この
乾燥ゲルを空気中1300℃まで60℃/時間の速度で
昇温加熱してクランクや発泡などのないシリカガラスを
得た。このシリカガラスには失透や気泡はなく品質の高
いものである。又分析の結果、このシリカガラスは市販
のシリカガラスとその特性が一致した。
The obtained sol was placed in a Teflon-coated glass Petri dish with a diameter of 200 m to a depth of 10 days, sealed and gelatinized at room temperature. 60℃ instead of a lid with a gelled afterfill.
The gel was dried for 14 days, and then heated to 170°C for 7 days at 30°C to obtain a dry gel without any cracks or cracks. This dried gel was heated in air to 1300° C. at a rate of 60° C./hour to obtain silica glass without cracks or foaming. This silica glass has no devitrification or bubbles and is of high quality. Further, as a result of analysis, the properties of this silica glass matched those of commercially available silica glass.

実施例2 シリコンテトラメトキシド:フルフリルアルコール−t
ilのモル比になるように調整し、メタノールをフルフ
リルアルコールの半量加えて攪拌し、更にポリ酢酸ビニ
ルをシリコンテトラメトキシド100重量部に対して1
0重量部添加し均一溶液とした。この溶液に濃度が0.
01 mol/ IIのコリン水溶液をシリコンテトラ
メトキシド1モルに対し4モル加え充分混合してシリカ
ゾルを得た。
Example 2 Silicon tetramethoxide: furfuryl alcohol-t
il molar ratio, add half of methanol to furfuryl alcohol, stir, and add polyvinyl acetate to 100 parts by weight of silicon tetramethoxide.
0 parts by weight was added to form a homogeneous solution. This solution has a concentration of 0.
01 mol/II of choline aqueous solution was added in an amount of 4 mol to 1 mol of silicon tetramethoxide and thoroughly mixed to obtain a silica sol.

以下実施例1と同様の操作を行ってシリカガラスを得た
。このシリカガラスには失透や気泡はなく品質の高いも
のである。又分析の結果、このシリカガラスは市販のシ
リカガラスとその特性が一致した。
Thereafter, the same operation as in Example 1 was performed to obtain silica glass. This silica glass has no devitrification or bubbles and is of high quality. Further, as a result of analysis, the properties of this silica glass matched those of commercially available silica glass.

比較例 溶媒としてフルフリルアルコールを用いず、メタノール
のみを用いた以外は実施例1と同様の操作を行った結果
、乾燥中ゲルにクランクや割れが発生し易かった。
Comparative Example The same operation as in Example 1 was performed except that furfuryl alcohol was not used as the solvent and only methanol was used. As a result, the gel was prone to cracks and cracks during drying.

(発明の効果) 本発明によれば、大型のシリカガラスをゾル−ゲル法に
よりクランクや割れを発生することなく、容易に製造が
可能となる。その大きさは基本的には制約がなく形状も
板状の物に限らず棒状、管状のものも製造可能となり従
来よりも安価に製造することができる。
(Effects of the Invention) According to the present invention, large-sized silica glass can be easily manufactured by the sol-gel method without causing cracks or cracks. There are basically no restrictions on its size, and its shape is not limited to plate-like ones, but also rod-like and tubular ones, which can be manufactured at a lower cost than in the past.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、シリコンアルコキシドを加水分解してシリカゾルと
し、これをゲル化し、乾燥して乾燥ゲルとし、次いで焼
結するシリカガラスの製造法に於て、シリコンアルコキ
シドを加水分解してシリカゾルとする段階で、シリコン
アルコキシドの溶媒としてフルフリルアルコールを含む
溶媒を使用すると共にポリ酢酸ビニルを添加することを
特徴とするシリカガラスの製造法。
1. In a method for producing silica glass in which silicon alkoxide is hydrolyzed to form silica sol, this is gelled, dried to form a dry gel, and then sintered, at the step of hydrolyzing silicon alkoxide to form silica sol, A method for producing silica glass, characterized in that a solvent containing furfuryl alcohol is used as a solvent for silicon alkoxide, and polyvinyl acetate is added.
JP21181088A 1988-08-26 1988-08-26 Production of silica glass Pending JPH0259444A (en)

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