JPH09295825A - 無気泡透明石英ガラスの製造方法 - Google Patents

無気泡透明石英ガラスの製造方法

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JPH09295825A
JPH09295825A JP10904496A JP10904496A JPH09295825A JP H09295825 A JPH09295825 A JP H09295825A JP 10904496 A JP10904496 A JP 10904496A JP 10904496 A JP10904496 A JP 10904496A JP H09295825 A JPH09295825 A JP H09295825A
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Koji Tsukuma
孝次 津久間
Kenji Kamo
賢治 加茂
Shinkichi Hashimoto
眞吉 橋本
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Tosoh Corp
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Tosoh Corp
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    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、高純度シリカ微粉末の造粒顆
粒を溶融してなる気泡の少ない石英ガラス、及びそれを
熱間静水圧プレス処理により無気泡とした石英ガラスの
製造方法を提供することにある。 【解決手段】シリカ粉末を減圧雰囲気中でクリストバラ
イト溶融温度1713℃以上に加熱して透明石英ガラス
を得る方法において、非晶質シリカ微粉末を水溶媒に分
散したスラリ−を噴霧乾燥により造粒した平均粒径40
〜200μmの球状顆粒シリカ粉末を用い、これを1g
/cm2以上の荷重を印加した状態でカ−ボン製容器に
充填し、カサ密度0.4〜1.0g/cm3とし、10t
orr以下の減圧雰囲気下で溶融して1mm以上の気泡を
消滅させた透明石英ガラスとし、熱間静水圧プレス装置
を用い、1200〜1350℃の温度範囲で100〜2
00MPaのAr又はN2ガス圧力を作用させ、ガラス
中の1mm未満の気泡を消滅させる無気泡透明石英ガラ
スの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は気泡を消滅させた無
気泡透明石英ガラスの製造方法に関する。光透過性を利
用する各種光学材料、高温型TFT液晶基板などの材料
として利用できる。
【0002】
【従来の技術】合成シリカ微粉末を鋳込み成形、乾式プ
レス成形などの手段を用いて一旦成形体とし、それを減
圧雰囲気中で1700℃以上の温度に加熱溶融して透明
石英ガラスを得る方法が従来から知られている。例え
ば、特開平1−275438、1−270530にはア
ルカリ金属ケイ酸から得られた合成シリカ粉末を1〜2
0μmに微粉砕した粉末をプレス、鋳込みなどの成形手
段で固め、焼結し透明石英ガラスとする方法が開示され
ている。
【0003】また、比較的粒度の粗い合成シリカ粉末を
成形することなく、耐熱性容器に充填し、そのまま減圧
雰囲気中で加熱溶融し、透明石英ガラスとする製造方法
もよく知られている。例えば、特開平2−014840
にはアルコキシシランを加水分解したゲルを焼成した粉
末を加熱し、結晶化を通した後溶融してガラスとなす方
法が開示されている。
【0004】上記合成シリカ微粉末を一旦成形体とし、
それを加熱溶融する従来の方法は、粉末にOHなどの揮
発成分が含まれる場合、気泡の多いガラスができ易い。
成形により、粒子間の接触が増すため焼結が促進され、
比較的低い温度で形成される閉気孔内に、高温で揮発ガ
ス成分が放出され、気孔の消滅を妨害するためと推定さ
れる。
【0005】また、成形そのものにも、添加剤が必要と
なるなどノウハウと多大の労力を要する。
【0006】上記もう一つの方法、粒度の粗い合成シリ
カ粉末を耐熱性容器に充填し、そのまま減圧雰囲気中で
加熱溶融し、透明石英ガラスとする方法では得られたガ
ラスに1mm以上の大きい気泡が残り易い。これは粉末
の充填状態が不均一になるためと推定される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高純
度シリカ微粉末の造粒顆粒を溶融し、熱間静水圧プレス
処理により、気泡の数を消滅させた透明石英ガラスの製
造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するために鋭意検討を行った結果、シリカ微粉
末を造粒した球状顆粒を用いることにより、粉末の充填
性を良くし、荷重を印加した状態で減圧下で溶融したガ
ラスには気泡の数が100個/cm3以下まで減少し、
1mm以上の大きい気泡が消滅したことを見出だした。
また、このガラスを熱間静水圧プレス処理すると、1m
m未満の小さい気泡は効率よく除去されることを見出だ
し、気泡の数が非常に少ない透明石英ガラスの製造方法
を確立するに至った。
【0009】すなわち、本発明はシリカ粉末を減圧雰囲
気中でクリストバライト溶融温度1713℃以上に加熱
して透明石英ガラスを得る方法において、非晶質シリカ
微粉末を水溶媒に分散したスラリ−を噴霧乾燥により造
粒した平均粒径40〜200μmの球状顆粒シリカ粉末
を用い、これを1g/cm2以上の荷重を印加した状態
でカ−ボン製容器に充填し、カサ密度0.4〜1.0g
/cm3とし、10torr以下の減圧雰囲気下で溶融して
透明石英ガラスとし、このガラスに熱間静水圧プレス装
置を用い、1200〜1350℃の温度範囲で100〜
200MPaのAr又はN2ガス圧力を作用させ、ガラ
ス中の気泡を消滅させる無気泡透明石英ガラスの製造方
法である。
【0010】以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【0011】出発原料である非晶質シリカ粉末として、
アルコキシシランを加水分解したゲルを焼成した粉末、
例えば、加水分解触媒としてアンモニアを添加して製造
される粒径0.3〜0.5μmの球状微粉末、あるいは
アルカリケイ酸塩水溶液を酸処理し、水洗により精製、
焼成されたシリカ粉末、例えば、特開昭62−3011
号、特開昭62−3012号、特開昭62−28380
9号、特開昭62−283810号に記載される製法で
得られる微粉末などを用いることができる。これらの粉
末はいずれも高純度であり、Na,K,Mg,Ca,F
e,Alの各不純物はすべて1ppm以下である。
【0012】シリカ顆粒の調製は、微粉末を水溶媒に分
散したスラリ−を噴霧乾燥することにより行う。通常、
噴霧乾燥はスプレ−ドライヤ−装置で行う。スラリ−濃
度、40〜60wt%、乾燥温度、150〜200℃で
行うのが一般的である。顆粒の平均径は40〜200μ
mの範囲となるよう調製する必要がある。
【0013】透明石英ガラスとする工程は、顆粒粉末を
カ−ボン製容器に充填し、上からカ−ボン板などで1g
/cm2以上の荷重を印加し、10torr以下の減圧雰囲
気下、クリストバライト溶融温度1713℃以上の温度
に加熱することにより行う。印加する荷重は得ようとす
る物体の厚さに依存し、0.5cm以下の薄物では1〜
3g/cm2、それ以上の厚物では3〜10g/cm2
適切である。加熱処理は通常、カ−ボン抵抗加熱方式あ
るいは高周波加熱方式の真空電気炉により行える。減圧
程度は低い方が好ましく、加熱中10-1〜10-3torrを
維持することが理想的であるが、温度上昇によりシリカ
の昇華が起こるため困難であり、10torr以下に抑制でき
ればよい。加熱温度は、クリストバライト溶融温度17
13℃以上を必要とする。好ましい条件は1800〜1
850℃で10分間以上保持することである。
【0014】本発明では、顆粒の充填カサ密度はガラス
密度の18.2〜45.5%の範囲であり、プレス、鋳
込みなどで成形したものに比較して隙間が多いものとな
る。従って、焼結が遅れ、高温まで開気孔状態が保たれ
るため、粉末に含まれるOHなどの揮発成分が逃げやす
く、気泡の少ないガラスが得られる。また、球状顆粒を
充填するため、均一組織となり、ガラスに1mm以上の
大きい気泡ができない。このようにして得られたガラス
を熱間静水圧プレス処理することで、無気泡ガラスとす
ることができる。
【0015】熱間静水圧プレス処理は、1200〜13
50℃の温度範囲で100〜200MPaのAr又はN
2ガス圧力を作用させて行う。温度範囲を1200〜1
350℃に規定した理由は、1200℃以下では200
MPaの圧力を掛けても0.1mm未満の気泡を消滅さ
せることができず、また1350℃以上では、気泡は1
00MPaの圧力でも効果的に消滅できるものの、ガラ
スの結晶化が著しくなるからである。
【0016】この気泡を消滅させるには100MPa以
上の圧力が必要であり、圧力媒体としてはArガスが最
も一般的であるが、N2ガスを利用することも可能であ
る。熱間静水圧プレスによる気泡の消滅速度は、気泡
径、圧力、ガラスの粘性に依存する。気泡径が大きく、
ガラスの粘性が高いほど、消滅速度は遅くなる。本発明
のガラス粘性は1200℃で1013〜1013.3ポイズで
あり、この場合、好ましい処理条件は、1300℃、1
50MPa、1〜4時間である。
【0017】熱間静水圧プレス処理したガラスは、未処
理ガラスより密度が約0.6%高くなり、2.212〜
2.228g/cm3の値を示す。1150〜1250
℃で再加熱することにより、もとの密度2.20〜2.
21g/cm3に戻すことができる。
【0018】以下、実施例によって、本発明をさらに説
明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0019】
【実施例】
実施例1 0.5μmの球状粒子からなる市販コロイダルシリカ
(扶桑シルテック社製、商品名PL−50)をエバポレ
−タ−で乾燥し、800℃で2時間焼成した後、水と混
合し、ナイロンポット、ボ−ルを用い粉砕した。得られ
た濃度50%のスラリ−をスプレ−ドライヤ−装置を用
い、平均粒径60μm(粒度分布30〜100μm)の
顆粒粉末に造粒した。粉末を化学分析した結果は表1の
通りであった。
【0020】
【表1】
【0021】この粉末を高純度処理カ−ボン容器に厚さ
10mmとなるように充填し、上から高純度処理カ−ボ
ン板を荷重3.54g/cm2となるように載せた。こ
の状態での粉末充填カサ密度は0.6g/cm3となっ
た。カ−ボン抵抗加熱炉に設置し、真空度を10-3torr
まで減圧し、300℃/hrで1800℃まで昇温し、
10分間保持した後、減圧を解除し、窒素ガスを2kg
f/cm2となるまで導入し、さらに5分間保持した。
保持中の真空度は1torrであった。得られた透明シリカ
ガラスの密度は2.205g/cm3であった。
【0022】次に、このガラスを熱間静水圧プレス装置
に入れ、Arガスを圧力媒体とし、400℃/時間で1
300℃まで上げ、圧力150MPaをかけた状態で1
hr保持した。
【0023】得られたガラスの密度を測定したところ、
2.218g/cm3であった。熱間静水圧プレス処理
前後におけるガラス中の気泡量は表2に示す通りであ
り、処理によって無気泡となったことが判った。
【0024】
【表2】
【0025】実施例2 アルカリケイ酸塩水溶液を酸処理し、水洗して不純物を
抽出除去し、1200℃で焼成したシリカを水溶媒中で
石英ガラス製ポットとボ−ルを用い粉砕し、平均粒径3
μmとなるように調製した。得られた濃度45%のスラ
リ−をスプレ−ドライヤ−装置を用い、平均粒径50μ
m(粒度分布30〜100μm)の球状顆粒粉末に造粒
した。粉末を化学分析した結果は表3の通りであった。
【0026】
【表3】
【0027】この粉末を高純度処理カ−ボン容器に厚さ
5mmとなるように充填し、上から高純度処理カ−ボン
板を荷重1.77g/cm2となるように載せた。この
状態での粉末充填カサ密度は0.8g/cm3であっ
た。これを実施例1と同様の方法で透明石英ガラスと
し、熱間静水圧プレス処理をArを圧力媒体とし130
0℃、150MPa、4時間行った。
【0028】熱間静水圧プレス処理前後のガラスの気泡
量を測定し、表4に示す結果を得た。
【0029】
【表4】
【0030】表4から明らかなように、処理により無気
泡となったことが判った。
【0031】比較例1 実施例1で用いた濃度50%のPL−50シリカ粉末ス
ラリ−、並びに実施例2で用いた濃度45%の3μmス
ラリ−をそれぞれエバポレ−タ−で乾燥し、造粒されて
いない粉末を作成した。これら粉末をそれぞれカ−ボン
容器に充填した。荷重を加えない状態で、カ−ボン抵抗
加熱炉に設置し、真空度を10-3torrまで減圧し、30
0℃/hrで1800℃まで昇温し、10分間保持した
後、減圧を解除し、窒素ガスを2kgf/cm2となる
まで導入し、さらに5分間保持した。
【0032】得られたガラスの気泡量を測定したとこ
ろ、以下の表5に示す結果が得られ、実施例1、2の熱
間静水圧プレス処理前のガラスと比較して、極めて気泡
が多いことが判った。
【0033】
【表5】
【0034】
【発明の効果】本発明の製造方法により得られる透明石
英ガラスは気泡が全く存在せず、光透過性を利用する用
途、例えば高温型TFT 液晶基板材料、プリズム、レンズ
など各種光学材料として利用できる。また、極めて高純
度であるため、半導体ウエハ−処理用の各種治工具類の
材料としても利用できる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリカ粉末を減圧雰囲気中でクリストバラ
    イト溶融温度1713℃以上に加熱して透明石英ガラス
    を得る方法において、非晶質シリカ微粉末を水溶媒に分
    散したスラリ−を噴霧乾燥により造粒した平均粒径40
    〜200μmの球状顆粒シリカ粉末を用い、これを1g
    /cm2以上の荷重を印加した状態でカ−ボン製容器に
    充填し、カサ密度0.4〜1.0g/cm3とし、10t
    orr以下の減圧雰囲気下で溶融して1mm以上の気泡を
    消滅させた透明石英ガラスとし、熱間静水圧プレス装置
    を用い、1200〜1350℃の温度範囲で100〜2
    00MPaのAr又はN2ガス圧力を作用させ、ガラス
    中の1mm未満の気泡を消滅させる無気泡透明石英ガラ
    スの製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の無気泡透明石英ガラスの
    製造方法において、熱間静水圧プレス前の透明石英ガラ
    スにおける気泡の数が100個/cm3以下であり、且
    つ、1mm以上の気泡が消滅していることを特徴とする
    無気泡透明石英ガラスの製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012116708A (ja) * 2010-12-01 2012-06-21 Japan Siper Quarts Corp 造粒シリカ粉の製造方法、シリカガラスルツボの製造方法

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