JPH04338122A - 無水合成石英ガラスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は無水合成石英ガラスの製
造方法、特には無水、無泡であることから耐熱光学用な
どとして有用とされる無水合成石英ガラスを量産性よく
製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】無水の合成石英ガラスの製造方法につい
ては、１）酸素プラズマ中に四塩化けい素などのけい素
源を投入し、酸化分解させながら堆積させるプラズマ法
、２）酸水素火炎中で四塩化けい素を火炎加水分解させ
、発生したシリカ粉を集積し、Ｃｌ２　−Ｈｅガス中で
焼結するス−ト法、３）アルコキシシランの加水分解で
得たシリカをバインダ−で成形し、真空中で処理するか
、Ｈｅ−Ｃｌ２　ガス中で焼結する、ゾル−ゲル法が公
知とされている。

【０００３】しかし、この１）プラズマ法には得られる
石英ガラス中にＣｌが大量に含有されるし、量産性に劣
ること、また石英ガラスが強い脈理をもつものになると
いう不利があり、２）　ス−ト法にはス−ト強度に難点
があるためにハンドリングに注意が必要であるし、製品
のカサ比重が０．２　〜０．５　程度であるために大型
品の製造が難しいという欠点がある。また、この３）ゾ
ル−ゲル法には大型品を作ると割れの問題が生じるし、
コスト的に商業ベ−スにのらないという不利がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らはこのゾル
−ゲル法による合成石英ガラスの製造方法について実際
に試作を行ない、ゾル−ゲル法によって得られたシリカ
粉を真空中で焼結すればＣｌなどの不純物を含まない、
無水、無泡の合成石英ガラスを得ることができることを
確認している（特開平３−５３２９号公報参照）が、こ
れについては大型品を作るときの設備コストが非常に高
くなるという問題点があり、特に真空ホットプレスを使
用する方法には高真空、高温、加圧、広い均熱帯などの
諸条件を全て満たす必要があるために装置上に問題があ
り、これがコストを押上げる要因となっている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような不利
を解決した無水合成石英ガラスの製造方法に関するもの
であり、これはアルキルシリケ−トを加水分解して得た
シリカ粉を耐熱容器中において一軸プレスしながらヘリ
ウムガス中で熱処理してカサ比重が１．０　〜１．５の
焼結体としたのち、炉中において１×１０−２ト−ル以
上の減圧下に加熱してカサ比重が２．２　以上のものと
し、ついで常圧下に１，７５０　℃以上の温度で熱処理
することを特徴とするものである。

【０００６】すなわち、本発明者らは簡単な装置で容易
に無水合成石英ガラスを製造する方法について種々検討
した結果、シリカ粉はゾル−ゲル法によって製造し、こ
のシリカ粉を耐熱容器で熱処理してカサ比重が１．０　
〜１．５　の焼結体とする工程、この焼結体を炉内、例
えばタングステンヒ−タ−炉内において真空下に加熱し
てカサ比重が２．２　以上のものとしてから、常圧下に
１，７５０　℃以上の温度で、熱処理すれば目的とする
無水の合成石英ガラスを容易に、しかも簡単な装置で得
ることができることを見出し、ここに使用する耐熱容器
、タングステンヒ−タ−炉の構成、熱処理条件などにつ
いての研究を進めて本発明を完成させた。以下にこれを
さらに詳述する。

【０００７】

【作用】本発明は無水合成石英ガラスを製造に関するも
のであり、これは公知のゲル−ゾル法でシリカ粉を作り
、これを耐熱容器中において一軸プレスしながらヘリウ
ム中で熱処理してカサ比重が１．０　〜１．５　の焼結
体としたのち、炉内で真空下に熱処理してカサ比重が２
．２　以上のものとし、ついで常圧下に１，７５０　℃
以上で熱処理することを要旨とするものである。

【０００８】本発明はにおいて始発材とされるシリカ粉
はゾル−ゲル法で製造されたものとされる。したがって
、これはアルキルシリケ−ト、例えばメチルシリケ−ト
をアンモニア水中で加水分解することによって得られた
ものとすればよいが、このシリカ粉は一昼夜デカンテ−
ションしたのち遠心脱水器でろ過し、超純水で洗浄し、
石英ルツボ中で１，０００　℃に加熱して脱炭し、つい
で１５０　〜２００　メッシュに篩別したものとするこ
とがよいが、このものは通常カサ比重が０．６２程度の
ものとされる。

【０００９】このようにして作られたシリカ粉は耐熱容
器で熱処理されて焼結体とされるのであるが、この耐熱
容器は従来常用されている高価な黒鉛型とする必要はな
く、これは例えば石英ガラス、アルミナ、ムライト、炭
化けい素、シリコンなどで作られたものとすればよいし
、この場合には黒鉛のように焼結体に混入し、泡を発生
させる原因となることもない。

【００１０】この工程で耐熱容器はヘリウウムガス雰囲
気中において最高１，３００　℃で加熱されるのである
が、この加熱は例えば常圧ホットプレス炉で行えばよい
。この常圧ホットプレス炉に入れられた耐熱容器中のシ
リカ粉は一軸プレスされ、ヘリウムガス雰囲気中での加
熱によりカサ比重の増加した焼結体とされるのであるが
、このカサ比重はそれが１．０　未満では完全にガラス
になるカサ比重２．２　までの収縮率が大きく、つぎの
操作でクラックが発生し、１．５　より大きくすると焼
結体のところどころが閉孔化して泡が閉じこめられ、無
泡のものにならないので、これは１．０　〜１．５　の
範囲とすることが必要とされる。

【００１１】このようにして得られた焼結体はついで真
空下の加熱でさらにカサ比重を上げたのち、常圧下での
１，７５０　℃以上の加熱で合成石英ガラスとされるの
であるが、この焼結体はカサ比重が１．０　〜１．５　
とされているので、ハンドリングで破壊されることはな
い。この焼結体の加熱をタングステンヒ−タ−炉内で行
なった場合は、このタングステンヒ−タ−炉は断熱材と
して数層のタングステン筒を使用するもので、ガスを吸
着することがないので真空度を簡単に上げることができ
、また昇温にも十分な能力をもつものである。

【００１２】このタングステンヒ−タ−炉による加熱は
高真空下で行なって焼結体のカサ比重をそれが完全にガ
ラス化される２．２　以上にまで上昇させるのであるが
、この真空度は１×１０−２ト−ル以下では微細な泡が
若干焼結体中に残るので１×１０−２ト−ル以上、好ま
しくは１×１０−３以上とすることが必要とされるし、
この加熱温度は焼結体の気孔径により変化させる必要が
あるが、例えば気孔径が５０μｍ　程度であれば気孔径
を収縮させて減じるように１，４００　〜１，５００　
℃程度に加熱し、気孔径１０μｍ　以下であれば一気に
１，６５０　℃程度で加熱してもよい。

【００１３】このようにしてカサ比重がが２．２　まで
上昇された焼結体は、ついで同じタングステンヒ−タ−
炉内で常圧下に加熱することによって完全に透明な無水
合成石英ガラスとされるのであるが、この加熱温度は１
，７５０　℃が一般にガラス安定化領域であり、高温処
理で一部構造が結晶化される場合でも１，７５０　℃以
上に加熱すれば完全なガラスとすることができるので、
１，７５０　℃以上とすればよい。

【００１４】

【実施例】つぎに本発明の実施例、比較例をあげる。 実施例 メチルシリケ−トを２１０ｍｌ／分の速度で、また濃度
２０．５重量％のアンモニア水を１４０ｍｌ／分の速度
で同時に滴下し、連続的に球径が７００ｎｍ　である球
状シリカ粒子を作り、これを一昼夜デカンテ−ションし
たのち遠心脱水器でろ過し、超純水で洗浄したのち、石
英ルツボに入れて１，０００　℃まで１０時間かけて昇
温して脱炭し、１５０〜２００　メッシュに篩別した。

【００１５】ついでこのシリカ粉２０Ｋｇを３００ｍｍ
　φ×５００ｍｍ　のカ−ボン製の容器に入れ、この容
器を常圧ホットプレス炉に設置し、上下方向に３００ｋ
ｇ　の圧力を加え、ヘリウムガス雰囲気で１，２００℃
に３時間保持したのち、冷却後取り出して型から離した
ところ、３００ｍｍ　φ×２５７ｍｍ　の焼結体が得ら
れ、このものはカサ比重が０．６２から１．１０に上昇
していた。

【００１６】つぎにこの焼結体をタングステンヒ−タ−
炉に設置し、炉内を１×１０−６ト−ルに減圧してから
１，２００　℃に２時間保持し、５分で１，６５０　℃
まで昇温し、減圧度を１×１０−３ト−ルとして１時間
保持したのち、炉内に水素ガスを導入して炉内を常圧に
し、１，７５０　℃に３０分間加熱したところ、３８０
　ｍｍφ×７２ｍｍの透明な合成石英ガラスインゴット
体が得られた。このインゴット体は目視では無泡であり
、顕微鏡検査によっても１０μｍ　以上の泡は検出され
ず、また赤外線吸収スペクトルによるＯＨ含有量検査で
もピ−クが観察されないので無水のものであることが証
明されたし、このものには脈理、粒状構造も認められな
かった。

【００１７】比較例 実施例で得られたシリカ粉を外径１５０ｍｍ　φ、内径
１２０　ｍｍφ、長さ２５０ｍｍ　の黒鉛型に２ｋｇ仕
込み、上下方向から３００ｋｇ　の荷重をかけ、ヘリウ
ムガス雰囲気中で１，２００　℃に３時間保持したとこ
ろ、カサ比重が０．６９から１．１５になった。

【００１８】ついで、この黒鉛型を２×１０−２ト−ル
に減圧して１，２００　℃に２時間加熱したのち、６×
１０−１ト−ルの減圧下に１，６５０　℃で１時間保持
し、アルゴンガスを導入して常圧にもどし、１，７５０
　℃で３０分間加熱し、放冷後取り出したところ、石英
ガラスと黒鉛型が密着しており、黒鉛型は一部破損して
いた。なお、このようにして得られた合成石英ガラスイ
ンゴット体は１２０　ｍｍφ×８０ｍｍのもので透明体
であったが、インゴット体の周囲には２００　μｍ　程
度の泡が見られ、ＯＨ基含有量はフリ−であったが、２
４５ｎｍ　の紫外線による励起では周囲に緑色のケイ光
が発生した。

【００１９】

【発明の効果】本発明は無水合成石英ガラスの製造方法
に関するものであり、これは前記したよにアルキルシリ
ケ−トの加水分解で得たシリカ粉を耐熱容器中において
一軸プレスしたがらヘリウムガス中で熱処理してカサ比
重が１．０　〜１．５　の焼結体としたのち、炉内にお
いて１×１０−２ト−ル以上の減圧下に加熱してカサ比
重が２．２　以上のものとし、ついで常圧下に１，７５
０　℃以上の温度で熱処理することを特徴とするもので
あるが、ここに使用される耐熱容器は石英ガラス、アル
ミナ、ムライト、炭化けい素などで作られる安価なもの
でよく、ここに使用される常圧ホットプレス器も安価な
もので、ヒ−タ−もタングステンヒ−タ−のような簡単
な構造のものでよいので、これによれば目的とする無水
合成石英ガラスを簡単な装置で、容易にしたがって安価
に得ることができるという有利性が与えられる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルキルシリケ−トの加水分解で得たシリ
   カ粉を耐熱容器中において一軸プレスしながらヘリウム
   ガス中で熱処理してカサ比重が１．０　〜１．５　の焼
   結体としたのち、炉中において１×１０−２ト−ル以上
   の減圧下に加熱してカサ比重が２．２　以上のものとし
   、ついで常圧下に１．７５０　℃以上の温度で熱処理す
   ることを特徴とする無水合成石英ガラスの製造方法。