JPH0825757B2 - Silica glass manufacturing method - Google Patents

Silica glass manufacturing method

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JPH0825757B2
JPH0825757B2 JP16192788A JP16192788A JPH0825757B2 JP H0825757 B2 JPH0825757 B2 JP H0825757B2 JP 16192788 A JP16192788 A JP 16192788A JP 16192788 A JP16192788 A JP 16192788A JP H0825757 B2 JPH0825757 B2 JP H0825757B2
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silica glass
gel
cracks
sol
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房司 林
康一 武井
洋一 町井
俊勝 嶋崎
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Hitachi Chemical Co Ltd
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    • 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

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。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing silica glass used for optics, semiconductor industry, electronic industry, physics and chemistry, and the like.

(従来の技術) 近年、シリカガラスの新たな製造法として注目をあび
ているのが、ゾル−ゲル法である。
(Prior Art) In recent years, the sol-gel method has attracted attention as a new method for producing silica glass.

ゾル−ゲル法によるシリカガラスの製造法は次の通り
である。
The method for producing silica glass by the sol-gel method is as follows.

一般式Si(OR)(但しRはアルキル基を表す)で示
されるシリコンアルコキシド及び/又はその重縮合物、
例えば (RO)3Si(OSi(OR))nOSi(OR)(n=0〜8) に水(あらかじめ触媒として酸、アルカリを加えておい
てもよい)を加え、加水分解しシリカヒドロゾルとす
る。この時、シリコンアルコキシドと水とが均一な系と
なる様に溶媒として適当なアルコールを加えてもよい。
このシリカゾル溶液を静置、昇温、ゲル化剤添加等によ
りゲル化させる。その後、ゲルを乾燥することによりシ
リカゲルとする。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。
A silicon alkoxide represented by the general formula Si (OR) 4 (where R represents an alkyl group) and / or a polycondensate thereof,
For example, (RO) 3 Si (OSi (OR)) nOSi (OR) 3 (n = 0 to 8) is added with water (acid or alkali may be added in advance as a catalyst) and hydrolyzed to obtain a silica hydrosol. And At this time, an appropriate alcohol may be added as a solvent so that the silicon alkoxide and water become a uniform system.
This silica sol solution is allowed to gel by standing, heating, addition of a gelling agent, and the like. Then, the gel is dried to obtain silica gel. The dried gel is sintered in an appropriate atmosphere to obtain silica glass.

このゾル−ゲル法には以下の特長がある。 This sol-gel method has the following features.

(1)SiCl4等を原料とする火炎加水分解等により生成
するスートを焼結してガラス化する従来の気相化学蒸着
法よりも低温で製造できるため、省エネルギーで低コス
ト化できる。
(1) Since it can be produced at a lower temperature than the conventional vapor-phase chemical vapor deposition method in which soot produced by flame hydrolysis or the like using SiCl 4 or the like as a raw material is sintered and vitrified, energy saving and cost reduction can be achieved.

(2)原料として液体状態で使用可能のため、精製が容
易に行え高純度化できる。
(2) Since it can be used as a raw material in a liquid state, it can be easily purified and highly purified.

(3)室温で液相混合できるため、他成分と混合した場
合も均質かガラスができる。
(3) Since it can be mixed in liquid phase at room temperature, it can be homogeneous or glass even when mixed with other components.

このように種々の特長をもつゾル−ゲル法によるシリ
カガラスの製造にもまだ未解決の問題が残されている。
Thus, there are still unsolved problems in the production of silica glass by the sol-gel method having various characteristics.

特にゲルを乾燥する過程でゲルにクラックや割れが発
生し易く、モノリシックな大形の乾燥ゲルを歩留りよく
製造することが困難であるという問題である。クラック
や割れの発生する原因の一つにゲル乾燥時に水やアルコ
ール等の蒸発に伴いゲル中に応力が発生し、この応力が
ゲルの強度より大きいとゲルはクラックや割れが発生す
ると考えられている。またこの応力は次式 ΔP=γcosθ/r (ΔP=応力、γ=表面張力、θ=ぬれ角、r=細孔
径)で表されるように、表面張力が大きい程また細孔径
が小さい程大きくなる。
In particular, cracks and cracks are likely to occur in the gel during the process of drying the gel, and it is difficult to produce a large monolithic dry gel with a good yield. One of the causes of cracks and cracks is that stress occurs in the gel due to evaporation of water, alcohol, etc. during gel drying, and if this stress is greater than the strength of the gel, it is thought that the gel will crack or break. There is. Further, this stress increases as the surface tension increases and as the pore diameter decreases, as expressed by the following equation ΔP = γ cos θ / r (ΔP = stress, γ = surface tension, θ = wetting angle, r = pore diameter). Become.

そこでこのような割れやクラックを防止する方法とし
て、ゾル溶液中の水の量を多くしてゲル強度を上げる方
法、加水分解温度を高くして細孔径を大きくする方法な
どの方策が講じられている。
Therefore, as a method of preventing such cracks and cracks, measures such as increasing the amount of water in the sol solution to increase the gel strength and increasing the hydrolysis temperature to increase the pore size have been taken. There is.

又、特開昭61−183129号公報には、割れやクラックを
防止するため沸点が水より高い溶媒、例えば1−ブタノ
ール、1−ベンタノール、1−ヘキサノール、トルエン
をシリコンアルコキシドに添加する方法が提案されてい
る。
Further, JP-A-61-183129 proposes a method of adding a solvent having a boiling point higher than that of water, such as 1-butanol, 1-pentanol, 1-hexanol, or toluene, to a silicon alkoxide in order to prevent cracks and cracks. Has been done.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら上記の方法ではいずれも十分に大きな乾
燥ゲル体を得るのは困難で、シリカガラス体となった時
の寸法があまり大きなものは得られなかった。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in any of the above methods, it is difficult to obtain a sufficiently large dry gel body, and it is not possible to obtain a silica glass body having a very large size.

本発明は、クラックや割れの発生しないシリカガラス
の製造を提供するものである。
The present invention provides the production of silica glass that does not crack or split.

(課題を解決するための手段) 本発明は、ゲル乾燥中、水やアルコール等の蒸発に伴
って発生する応力がクラックや割れの一因になるものと
考え、このような大きな応力の発生を回避するために、
シリコンアルコキシドの溶媒として、N,N−ジメチルア
セトアミドを用いるものである。
(Means for Solving the Problems) In the present invention, it is considered that the stress caused by evaporation of water, alcohol, etc. during gel drying contributes to cracks and cracks, and the occurrence of such a large stress is considered. To avoid
N, N-dimethylacetamide is used as a solvent for the silicon alkoxide.

本発明に用いるシリコンアルコキシドはシリコンアル
コキシド単量体のみでなく重縮合物を用いてもよい、例
えば (CH3O)3Si(OSi(OCH3)nOSi(OCH3(n=0
〜8) を挙げることができる。これらは一種でも複数でも使用
可能である。シリコンアルコキシドのアルキル基として
は、メチル基、エチル基、プロピル基等が好ましい。
The silicon alkoxide used in the present invention may be not only a silicon alkoxide monomer but also a polycondensate, for example, (CH 3 O) 3 Si (OSi (OCH 3 ) 2 ) nOSi (OCH 3 ) 3 (n = 0.
~ 8) can be mentioned. These may be used either alone or in combination. As the alkyl group of silicon alkoxide, a methyl group, an ethyl group, a propyl group and the like are preferable.

加水分解のために加える水は予め触媒として塩酸、硝
酸などの鉱酸、ギ酸、酢酸などの有機酸、また塩基とし
てアンモニアばかりでなくエチレンジアミンなどの有機
塩基を加えておいても良い。
Water to be added for the hydrolysis may be previously added with a mineral acid such as hydrochloric acid or nitric acid as a catalyst, an organic acid such as formic acid or acetic acid, and not only ammonia but also an organic base such as ethylenediamine as a base.

シリコンアルコキシドに添加するジアセトンアルコー
ルの添加量はシリコンアルコキシドに対して0.1〜5.0倍
(モル比)が好ましい。また通常使用されるエタノール
等のアルコールを併用することもできる。
The amount of diacetone alcohol added to the silicon alkoxide is preferably 0.1 to 5.0 times (molar ratio) that of the silicon alkoxide. Further, alcohol such as ethanol which is usually used can be used in combination.

シリコンアルコキシドとジアセトンアルコール及び水
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
スターラなどを用いてよく混合する。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。
The silicon alkoxide, diacetone alcohol and water are well mixed using a stirrer or the like in order to make the produced sol as uniform as possible. Also, ultrasonic waves may be applied. Fine particles of silica may be added during the preparation of the sol.

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 produced sol solution is quickly transferred to another container for gelation. At the time of gelation, the container is preferably sealed in order to prevent the solvent from escaping from the generated gel, and the temperature at the time of 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。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。
In the step of drying, a dry gel is prepared by shrinking and shrinking and solidifying under a suitable atmosphere instead of using a lid having holes. Then gel
Silica glass is manufactured by sintering by the 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〜100℃で数時間〜数
10日放置、適当な雰囲気下で1000〜1300℃に50〜200℃
/時間の昇温速度で加熱する等である。
For the step of gelling, the step of drying and the step of sintering, generally used conditions are used. For example, 0 ° C
Leave at -100 ° C for several minutes to tens of days, room temperature to 100 ° C for several hours to several
Leave for 10 days, 1000 to 1300 ℃ in suitable atmosphere 50 to 200 ℃
/ Hour heating rate.

実施例1 シリコンテトラメトキシド(Si(OCH3):N,N−ジ
メチルアセトアミド(CH3CON(CH3)=1:1のモル比
になるように調整し、メタノールをN,N−ジメチルアセ
トアミドと同量加えて撹拌し均一溶液とした。この溶液
に濃度が0.01mol/のアンモニア水をSi(OCH341モル
に対し4モル加え充分混合してシリカゾルを得た。得ら
れたゾルを直径150mmのテフロンをコーティングしたガ
ラスシャーレに深さ10mmまで入れ密封して室温でゲル化
した。ゲル化した後穴のある蓋に代えて60℃で10日間乾
燥、その後170℃まで30℃/日で昇温し乾燥してクラッ
クや割れのない乾燥ゲルを得た。この乾燥ゲルを空気中
1250℃まで60℃/時間の速度で昇温加熱してクラックや
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。
Example 1 Silicon tetramethoxide (Si (OCH 3) 4) : N, N- dimethylacetamide (CH 3 CON (CH 3) 2) = 1: adjusted to 1 molar ratio of methanol N, The same amount as N-dimethylacetamide was added and stirred to obtain a uniform solution. Aqueous ammonia having a concentration of 0.01 mol / mol was added to this solution in an amount of 4 mol with respect to 1 mol of Si (OCH 3 ) 4 and sufficiently mixed to obtain a silica sol. The obtained sol was put into a Teflon-coated glass petri dish having a diameter of 150 mm to a depth of 10 mm, and the gel was sealed at room temperature. After gelling, it was dried at 60 ° C. for 10 days in place of the lid having holes, and then heated to 170 ° C. at 30 ° C./day and dried to obtain a dry gel without cracks or cracks. This dried gel in the air
By heating up to 1250 ° C. at a rate of 60 ° C./hour and heating, silica glass without cracks or foaming was obtained. This silica glass is of high quality without devitrification or bubbles. As a result of the analysis, this silica glass was in agreement with the properties of commercially available silica glass.

実施例2 シリコンテトラメトキシド(Si(OCH34:N,N−ジメ
チルアセトアミド(CH3CON(CH3=2:1のモル比にな
るように調整し、エタノールをN,N−ジメチルアセトア
ミドの半量加えて撹拌し均一溶液とした。この溶液に濃
度が0.01mol/のアンモニア水をSi(OCH341モルに対
し4モル加え、充分混合してシリカゾルを得た。得られ
たゾルを直径150mmのテフロンをコーティングしたガラ
スシャーレに深さ10mmまで入れ密封して室温でゲル化し
た。ゲル化した後、穴のある蓋に代えて60℃で10日間乾
燥、その後170℃まで30℃/日の速度で昇温し乾燥して
クラックや割れのない乾燥ゲルを得た。この乾燥ゲルを
空気中1250℃まで60℃/時間の速度で昇温加熱してクラ
ッ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。
Example 2 silicon tetramethoxide (Si (OCH 3) 4: N, N- dimethylacetamide (CH 3 CON (CH 3) 2 = 2: adjusted to 1 molar ratio, ethanol N, N- Half the amount of dimethylacetamide was added and stirred to form a uniform solution.Ammonia water having a concentration of 0.01 mol / mol was added to this solution in an amount of 4 mol with respect to 1 mol of Si (OCH 3 ) 4 and sufficiently mixed to obtain a silica sol. The sol was placed in a Teflon-coated glass dish with a diameter of 150 mm to a depth of 10 mm, sealed, and gelled at room temperature.After gelling, replace the lid with a hole and dry at 60 ° C for 10 days, then to 170 ° C Drying was performed by heating at a rate of 30 ° C / day to obtain a dry gel without cracks or cracks.The dried gel was heated up to 1250 ° C in air at a rate of 60 ° C / hour to prevent cracks or foaming. A silica glass that does not have devitrification or bubbles is obtained. Is high of. The analysis results, the silica glass its properties were consistent with commercial silica glass.

(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
によりクラッ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 produced by the sol-gel method without generating cracks or cracks. The size is basically not limited, and the shape is not limited to the plate-shaped one, and rod-shaped or tubular-shaped ones can be manufactured, which can be manufactured at a lower cost than before.

又、本発明によりシリカガラスは従来より安価に製造
できるため、従来から使用されてきたIC製造用フォトマ
スク基材等の分野はもちろんのこと、これまで高価格の
ため使用されていなかった分野での需要の拡大も可能と
なる。
In addition, since silica glass can be manufactured at a lower cost according to the present invention, it can be used not only in fields such as photomask base materials for IC manufacturing which have been conventionally used, but also in fields which have not been used because of its high price. Demand can be expanded.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコンアルコキシドを加水分解してゾル
溶液とする工程、ゾルをゲル化する工程、ゲルを乾燥す
る工程及び焼成する工程とからなるシリカガラスの製造
において、ゾル溶液とする工程でN,N−ジメチルアセト
アミドを添加することを特徴とするシリカガラスの製造
法。
1. A process for preparing a sol solution in the production of silica glass, which comprises the steps of hydrolyzing a silicon alkoxide into a sol solution, gelling the sol, drying the gel, and firing the silica glass. A method for producing silica glass, characterized by adding N, N-dimethylacetamide.
JP16192788A 1988-06-29 1988-06-29 Silica glass manufacturing method Expired - Lifetime JPH0825757B2 (en)

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