KR100312230B1 - Manufacture method of metal doped silica glass - Google Patents
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Abstract
본 발명은 졸-겔 공법을 이용한 실리카 글래스의 제조 방법에 있어서, 메탈 알콕사이드를 가수분해하는 제1과정과; 형성될 겔이 발연 실리카의 건조 특성을 따르고 습윤겔의 강도가 증가하도록 상기 메탈 알콕사이드와의 몰수비가 1:0.1 이하가 되도록 메탈 알콕사이드보다 더많은 양의 발연 실리카를 탈이온수와 혼합하는 제2과정과; 상기 제1과정에 의한 가수분해물을 상기 제2과정에 의한 혼합물과 혼합하여 졸을 형성하는 제3과정과; 상기 졸을 몰드에 주입하여 겔화시키는 제4과정과; 상기 겔을 디몰딩하여 건조시키는 제5과정과; 상기 건조된 겔을 소결시켜 유리화하는 제6과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈이 도핑된 실리카 글래스의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing silica glass using a sol-gel method, comprising: a first step of hydrolyzing a metal alkoxide; A second step of mixing a greater amount of fumed silica with deionized water than the metal alkoxide so that the gel to be formed follows the drying characteristics of the fumed silica and the molar ratio with the metal alkoxide is 1: 0.1 or less so that the strength of the wet gel increases; A third step of forming a sol by mixing the hydrolyzate of the first step with the mixture of the second step; A fourth step of injecting the sol into a mold to gelate the sol; A fifth step of demolding and drying the gel; And a sixth process of sintering and drying the dried gel to vitrify the silica gel.
Description
본 발명은 실리카 글래스(Silica glass)의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 졸-겔(Sol-gel) 공법에 의한 게르마늄(Germanium)과 같은 메탈(Metal)이 도핑(Dopping)된 실리카 글래스의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing silica glass, and more particularly, to a method of manufacturing silica glass doped with metal such as germanium by a sol-gel method. It is about.
광섬유 등의 기본 모재(Preform)가 되는 실리카 글래스는 VAD(Vapor-phase Axial Deposition), OCVD(Outer Chemical Vapor-phase Deposition), PCVD(Plasma Chemical Vapor-phase Deposition) 및 MCVD(Modified Chemical Vapor-phase Deposition) 방법과 같은 기상 증착법이나, 졸-겔 공법과 같은 액상법에 의해 제조된다.Silica glass, which is a preform of optical fibers, is used for Vapor-phase Axial Deposition (VAD), Outer Chemical Vapor-phase Deposition (OCVD), Plasma Chemical Vapor-phase Deposition (PCVD), and Modified Chemical Vapor-phase Deposition (MCVD). It is prepared by the vapor deposition method such as)) or the liquid phase method such as the sol-gel method.
특히, 상기 졸-겔 공법은 기체 상태인 원료 가스를 증착시켜 고체 상태인 실리카 글래스를 제조하는 화학기상증착법과는 달리, 졸 상태인 원료 물질을 몰드에 넣고 겔 상태로 만든 후 소결시킴으로써 실리카 글래스를 제조한다. 따라서, 상기 졸-겔 공법은 화학기상증착법에 비해 비교적 저온에서 이루어져 생산 원가가 낮고, 조성을 조절하기가 용이할 뿐만 아니라 생산성이 높으므로, 실리카 글래스를 제조하는데 매우 유용한 제조 방법이다.In particular, the sol-gel method is different from the chemical vapor deposition method in which a raw material gas in a gaseous state is deposited to prepare a silica glass in a solid state. Manufacture. Therefore, the sol-gel method is relatively low temperature production cost compared to chemical vapor deposition method is low production cost, easy to control the composition and high productivity, it is a very useful manufacturing method for producing silica glass.
상기 졸-겔 공법은 출발 물질(Start material)로서 실리콘 알콕사이드(Silicon alkoxide)를 이용하는 방법과 발연 실리카(Fumed silica)를 이용하는 방법이 있다. 상기 실리콘 알콕사이드를 이용하는 방법은 영국특허번호 제2,041,913호 등에, 상기 발연 실리카를 이용하는 방법은 미국특허번호 제4,419,115호 등에 각각 상세히 개시되어 있다.The sol-gel method includes a method using silicon alkoxide as a starting material and a method using fumed silica. The method of using the silicon alkoxide is disclosed in British Patent No. 2,041,913 and the like, and the method of using the fumed silica is disclosed in detail in US Patent No. 4,419,115 and the like, respectively.
상기 졸-겔 공법에 의해 광섬유 모재를 제조하기 위해서는 광섬유의 코어 부분을 이루게 될 코어 로드(Core rod)와 클래드 부분을 이루게 될 오버클래딩 튜브(Overcladding tube)를 제조한 다음, 상기 오버클래딩 튜브를 코어 로드 외주면에 오버 자켓팅(Over-jacketing)시킨다.In order to manufacture the optical fiber base material by the sol-gel method, an overcladding tube that forms the core rod and the cladding portion that forms the core portion of the optical fiber is manufactured, and then the overcladding tube is the core. Over-jacket the outer circumference of the rod.
광섬유에 있어서 코어 부분은 신호광이 전송되는 부분이다. 따라서, 코어 부분의 굴절율은 클래드 부분의 굴절율보다 높아야 하므로, 상기 코어 로드에는 굴절율을 높이기 위하여 게르마늄과 같은 첨가제(Dopant)가 도핑된다.In the optical fiber, the core portion is a portion where signal light is transmitted. Therefore, since the refractive index of the core portion must be higher than the refractive index of the clad portion, the core rod is doped with an additive such as germanium to increase the refractive index.
한편, 종래 실리콘 알콕사이드를 이용한 실리카 글래스 제조 방법은 상술한 게르마늄 등의 첨가제를 코어 로드에 도핑할 경우, 상기 실리콘 알콕사이드가중합(Polymerization)에 의해 형성된 망사 구조 내에 결합되므로 코어 로드 전체에 걸쳐 도핑이 비교적 균일하게 이루어지는 반면, 건조시 겔의 수축율이 클 뿐 아니라 작은 기공으로 인해 건조후 균열이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 종래 실리콘 알콕사이드를 이용한 실리카 글래스 제조 방법은 건조시 발생하는 균열 문제때문에 상당히 완화된 건조 조건을 적용하거나, 몰드의 제한된 부분만을 노출시켜 건조시켜야 하는데, 이럴 경우 건조 속도가 너무 느려져 생산성을 저하하는 문제점이 있었다.On the other hand, in the conventional silica glass manufacturing method using silicon alkoxide, when doping the above-described additives such as germanium to the core rod, the doping is relatively doped throughout the core rod because it is bonded in the mesh structure formed by the silicon alkoxide polymerization (Polymerization) While uniformly made, there is a problem that cracking occurs after drying due to small pores as well as a large shrinkage of the gel during drying. In addition, conventional silica glass manufacturing method using silicon alkoxide has to be applied to considerably relaxed drying conditions due to the cracking problem occurs during drying, or to dry only by exposing a limited part of the mold, in which case the drying speed is too slow to reduce productivity There was a problem.
또한, 종래 발연 실리카를 이용한 실리카 글래스 제조 방법에 있어서 게르마늄 등의 첨가제를 코어 로드에 도핑할 경우에는, 건조시 겔의 수축율이 낮고 큰 기공으로 인해 건조후 균열이 적은 반면, 첨가제가 코어 로드 전체에 균일하게 도핑되지 못하는 문제점이 있었다.In addition, in the conventional silica glass manufacturing method using fumed silica, when doping an additive such as germanium to the core rod, the shrinkage of the gel during drying and low cracking after drying due to the large pores, while the additive is not applied to the entire core rod There was a problem that can not be uniformly doped.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 건조시 발생할 수 있는 균열을 방지하면서도 코어 내에 게르마늄과 같은 메탈이 균일하게 도핑되는 실리카 글래스의 제조 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for producing silica glass in which a metal such as germanium is uniformly doped in a core while preventing cracks that may occur during drying.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 졸-겔 공법을 이용한 실리카 글래스의 제조 방법에 있어서, 메탈 알콕사이드를 가수분해하는 제1과정과; 형성될 겔이 발연 실리카의 건조 특성을 따르고 습윤겔의 강도가 증가하도록 상기 메탈 알콕사이드와의 몰수비가 1:0.1 이하가 되도록 메탈 알콕사이드보다 더많은 양의 발연 실리카를 탈이온수와 혼합하는 제2과정과; 상기 제1과정에 의한 가수분해물을 상기 제2과정에 의한 혼합물과 혼합하여 졸을 형성하는 제3과정과; 상기 졸을 몰드에 주입하여 겔화시키는 제4과정과; 상기 겔을 디몰딩하여 건조시키는 제5과정과; 상기 건조된 겔을 소결시켜 유리화하는 제6과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈이 도핑된 실리카 글래스의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing silica glass using a sol-gel method, the first step of hydrolyzing a metal alkoxide; A second step of mixing a greater amount of fumed silica with deionized water than the metal alkoxide so that the gel to be formed follows the drying characteristics of the fumed silica and the molar ratio with the metal alkoxide is 1: 0.1 or less so that the strength of the wet gel increases; A third step of forming a sol by mixing the hydrolyzate of the first step with the mixture of the second step; A fourth step of injecting the sol into a mold to gelate the sol; A fifth step of demolding and drying the gel; And a sixth process of sintering and drying the dried gel to vitrify the silica gel.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈이 도핑된 실리카 글래스를 제조하는 졸-겔 공법을 나타낸 흐름도.1 is a flow chart showing a sol-gel process for producing a metal-doped silica glass according to a preferred embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 게르마늄이 도핑된 실리카 글래스를 제조하는 졸-겔 공법을 나타낸 흐름도이다. 즉, 도 1에 의한 실시예에서는 메탈 알콕사이드 중 게르마늄 알콕사이드를 예를 들어 설명하기로 한다.1 is a flowchart illustrating a sol-gel process for preparing germanium-doped silica glass according to a preferred embodiment of the present invention. That is, in the embodiment according to FIG. 1, germanium alkoxides among metal alkoxides will be described as an example.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 게르마늄이 도핑된 실리카 글래스를 제조하는 과정은 크게 게르마늄 알콕사이드 가수분해 과정(10), 발연 실리카와 탈이온수의 혼합 과정(20), 졸 형성 과정(30), 몰딩 과정(30), 겔 형성 과정(40), 디몰딩 과정(50), 건조 과정(60) 및 소결 과정(70)으로 이루어진다. 이때, 상기 게르마늄 알콕사이드 가수분해 과정(10)과 발연 실리카와 탈이온수의 혼합 과정(20)의 시행 순서는 본 발명의 실시에 영향이 없음을 밝혀둔다.As shown in FIG. 1, the process of preparing germanium-doped silica glass according to an embodiment of the present invention is largely performed by germanium alkoxide hydrolysis process (10), mixing process of fumed silica with deionized water (20), and sol formation process. 30, a molding process 30, a gel forming process 40, a demolding process 50, a drying process 60, and a sintering process 70. At this time, the germanium alkoxide hydrolysis process (10) and the execution order of the mixing process of the fumed silica and deionized water (20) is not affected in the practice of the present invention.
상기 게르마늄 알콕사이드 가수분해 과정(10, 이하 가수분해 과정)은 게르마늄 알콕사이드에 물을 부가한 다음, 산 촉매하에서 가수분해(Hydrosis)시키는 과정이다. 상기 가수분해 과정을 통해 게르마늄 알콕사이드의 알콕사이드기(-OR)는 물과 반응하여 수산화기(-OH)로 치환된다. 상기 산 촉매로는 염산, 질산 또는 황산 등의 산을 선택적으로 사용할 수 있다. 상기 산 촉매는 게르마늄 원자 주변의 전자밀도를 떨어뜨려 전자와의 친화성을 커지게 함으로써 물과의 반응을 쉽게 하여, 가수분해 시간을 단축시킴과 동시에 가수분해율을 향상시킨다.The germanium alkoxide hydrolysis process (hereinafter, referred to as hydrolysis process) is a process of adding water to the germanium alkoxide and then hydrolyzing it under an acid catalyst (Hydrosis). Through the hydrolysis process, the alkoxide group (-OR) of the germanium alkoxide is reacted with water to be replaced with a hydroxyl group (-OH). As the acid catalyst, an acid such as hydrochloric acid, nitric acid or sulfuric acid may be selectively used. The acid catalyst lowers the electron density around the germanium atom to increase the affinity with the electrons, thereby facilitating the reaction with water, shortening the hydrolysis time and improving the hydrolysis rate.
상기 발연 실리카와 탈이온수의 혼합 과정(20, 이하 혼합 과정)은 발연 실리카와 탈이온수를 혼합, 분산시키는 과정이다. 이때, 상기 발연 실리카와 탈이온수의 중량비에는 특별한 제한이 없으나, 실시예에 따라 약 50:50 정도가 되도록 조절할 수 있다. 상기 혼합 과정(20)은 고전단 믹서(High shear mixer) 등의 혼합기 내에서 이루어지며, 혼합된 결과물의 균일도 향상과 불순물 제거를 위하여 초음파 분쇄 및 원심 분리 작업을 추가할 수 있다. 혼합물의 조성에 따라 변할 수 있으나, 상기 혼합 과정(20)에 있어 졸의 점도가 높아 초음파 분쇄 및 원심 분리 작업이 용이하지 않을 경우에는 후술할 졸 형성 과정(30) 후에 초음파 분쇄 및 원심 분리 작업을 행할 수도 있다.The mixing process of fumed silica and deionized water (20, or less mixing process) is a process of mixing and dispersing fumed silica and deionized water. At this time, the weight ratio of the fumed silica and deionized water is not particularly limited, but may be adjusted to about 50:50 depending on the embodiment. The mixing process 20 is performed in a mixer such as a high shear mixer, and may add ultrasonic grinding and centrifugation to improve the uniformity of the mixed result and to remove impurities. Although it may vary depending on the composition of the mixture, if the viscosity of the sol in the mixing process (20) is not easy to ultrasonic grinding and centrifugation operation, the ultrasonic grinding and centrifugation operation after the sol forming process 30 to be described later You can also do it.
상기 졸 형성 과정(30)은 상기 혼합 과정(20)에서 얻어진 결과물인 발연 실리카와 탈이온수의 혼합물에 상기 가수분해 과정(10)에서 얻어진 결과물인 게르마늄 알콕사이드 가수분해물을 혼합 및 분산하여 졸을 형성하는 과정이다. 이때, 상기 게르마늄 알콕사이드는 가수분해 후 유동성을 가진 상태에서 혼합물에 투입되어야 한다. 상기 졸 형성 과정(30)에는 필요에 따라 산성도(pH) 조절용으로 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(Tetramethylammonium hydroxide)와 같은 오르가닉 베이스(Organic Base) 또는 산성 용액, 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol)과 같은 결합제 및 가소제를 첨가할 수 있다. 이때, 졸의 산성도(pH)는 4 이하가 되도록 조절하는데, 이는 상기 오르가닉 베이스, 산성 용액과 같은 오르가닉 유기화합물 및 초기에 투입되는 촉매의 첨가량을 조절함으로써 가능하다. 이와 같이 졸을 형성한 이후에는 진공 펌프 등을 이용하여 졸 내부의 기포를 제거한다.The sol forming process 30 is a mixture of the fumed silica and deionized water obtained in the mixing process 20 and deionized water to form a sol by mixing and dispersing the germanium alkoxide hydrolyzate obtained in the hydrolysis process 10 It is a process. At this time, the germanium alkoxide should be added to the mixture in the state having fluidity after hydrolysis. In the sol formation process 30, an organic base such as tetramethylammonium hydroxide or an acidic solution, a binder such as polyvinyl alcohol, may be used for controlling acidity (pH) as necessary. And plasticizers can be added. At this time, the acidity (pH) of the sol is adjusted to be 4 or less, which is possible by controlling the addition amount of the organic base, an organic organic compound such as an acidic solution, and an initially charged catalyst. After forming the sol in this manner, bubbles in the sol are removed by using a vacuum pump or the like.
상기 몰딩 과정(40)은 상기 졸 형성 과정(30)에서 형성된 졸을 몰드에 주입하여 코어 로드 모양의 몰드물을 형성시키는 과정이다. 상기 몰드는 폴리스틸렌(Polystylene) 혹은 테프론(Teflon) 재질을 이용하여 형성하며, 튜브 모양의 원통부 및 상기 원통부의 개구된 양단을 막기 위한 상, 하 원판부로 구성된다. 상기 몰딩 과정(40) 후에는 실시예에 따라 겔화 시간을 단축하기 위해 주위 온도를 80℃ 이내로 상승시키거나, 별도의 겔화제를 추가하기도 한다.The molding process 40 is a process of forming a core rod-shaped mold by injecting a sol formed in the sol forming process 30 into a mold. The mold is formed using polystyrene or Teflon, and is composed of a tube-shaped cylindrical part and an upper and lower disc part for blocking open ends of the cylindrical part. After the molding process 40, in order to shorten the gelation time according to the embodiment, the ambient temperature is raised to within 80 ° C, or a separate gelling agent may be added.
상기 겔 형성 과정(50)은 몰드에 주입된 졸의 pH를 상승시켜 겔화를 촉진시키고 건조를 촉진시키기 위하여 아미드 계열 물질인 포름아미드(Formamide)를 투입하거나, 플루오린 이온을 포함한 물질인 암모늄 플루오라이드(Ammonium fluoride) 등의 겔화제를 투입하고, 이를 상온에서 숙성시켜 겔을 형성하는 과정이다. 상기 가수분해하여 혼합되는 게르마늄 알콕사이드는 겔화시 발연 실리카에 비해 매우 작은 크기인 수 nm의 입자를 생성하므로, 상대적으로 큰 입자를 가진 발연 실리카의 음의 곡률을 가진 부분에 결합되어 겔의 강도를 향상시킨다.In the gel formation process 50, formamide (amide) is added to increase the pH of the sol injected into the mold to promote gelation and accelerate drying, or ammonium fluoride is a material containing fluorine ions. It is a process of adding a gelling agent such as (Ammonium fluoride) and aging it at room temperature to form a gel. The germanium alkoxide mixed by hydrolysis produces particles of several nm, which are very small in size compared to fumed silica when gelled, thereby being bonded to the negative curvature of the fumed silica having relatively large particles to improve gel strength. Let's do it.
상기 디몰딩 과정(60)은 상기 겔 형성 과정(50)을 통해 몰드 내에 형성된 코어 로드 모양의 겔을 몰드로부터 분리하는 과정이다. 상기 디몰딩 과정(60)은 디몰딩 중에 발생할 수 있는 겔의 손상을 방지하기 위해 수조(Water tank) 내에서 행할 수 있다. 즉, 상,하 원판부를 제거한 몰드를 수조 안에 넣은 후 한쪽에서 수압으로 밀어 내면, 상기 몰드 내에 형성된 겔이 몰드로부터 분리된다.The demolding process 60 is a process of separating the core rod-shaped gel formed in the mold through the gel forming process 50 from the mold. The demolding process 60 may be performed in a water tank to prevent damage to the gel that may occur during demolding. That is, the mold formed by removing the upper and lower disc portions is placed in a water tank and then pushed out by hydraulic pressure from one side, and the gel formed in the mold is separated from the mold.
상기 건조 과정(70)은 몰드로부터 분리된 겔을 항온항습 챔버 내에서 건조시키고, 저온 열처리를 통해 겔 내의 잔류 수분 및 유기물을 분해하는 과정이다. 상기 저온 열처리 후에는 염소(Cl)가스 분위기에서 900 내지 1000℃까지 가열하여 겔 내의 금속 불순물과 수산화(OH)기를 제거한다. 상기와 같이 입자 크기가 작은 게르마늄 알콕사이드의 가수분해물과 입자 크기가 상대적으로 큰 발연 실리카를 혼합하여 충진율이 높은 겔을 형성하게 됨으로써, 겔의 강도가 향상될 뿐만 아니라 게르마늄 입자가 겔 내에 균일하게 도핑됨은 물론 건조 과정시 발생하는 균열 현상을 방지하게 된다. 즉, 본 발명의 실리카 글래스 제조 방법에는 발연 실리카에 비해 상대적으로 아주 작은 양인 수 % 미만의 게르마늄 알콕사이드가 사용되므로, 겔 조성물인 게르마늄 알콕사이드와 발연 실리카 중 건조 특성이 좋은 발연 실리카에 의해 겔 특성이 결정되어 겔의 건조 시간 단축 및 건조 상태를 향상시킨다.The drying process 70 is a process of drying the gel separated from the mold in a constant temperature and humidity chamber and decomposing residual moisture and organic matter in the gel through low temperature heat treatment. After the low temperature heat treatment, it is heated to 900 to 1000 ° C. in a chlorine (Cl) gas atmosphere to remove metal impurities and hydroxide (OH) groups in the gel. As described above, the hydrolyzate of germanium alkoxide having a small particle size and the fumed silica having a relatively large particle size are mixed to form a gel having a high filling rate, thereby increasing the strength of the gel and uniformly doping the germanium particles in the gel. Of course, it prevents the cracking phenomenon occurring during the drying process. That is, the method for producing silica glass of the present invention uses less than a few% germanium alkoxide, which is a relatively small amount compared to fumed silica, and thus gel properties are determined by the fumed silica having good drying properties in the gel composition germanium alkoxide and fumed silica. This shortens the drying time of the gel and improves the drying state.
상기 소결 과정(80)은 건조 과정(70)을 거친 겔을 소결시켜 유리화하는 과정이다. 상기 소결 과정(80)은 겔을 헬륨(He)가스 분위기하의 소결로 내에서 1350℃ 내지 1400℃까지 가열함으로써 이루어진다. 상기 소결 과정(80)을 마치게 되면, 비로소 게르마늄과 같은 메탈이 균일하게 도핑된 고순도 실리카 글래스인 코어 로드를 얻게 된다.The sintering process 80 is a process of sintering and vitrifying the gel after the drying process 70. The sintering process 80 is performed by heating the gel to 1350 ° C to 1400 ° C in a sintering furnace under a helium (He) gas atmosphere. When the sintering process 80 is completed, a core rod, which is a high purity silica glass doped with a metal such as germanium, is uniformly doped.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 메탈이 도핑된 실리카 글래스의 제조 방법은 게르마늄과 같은 메탈 입자가 실리카 글래스 내에 균일하게 도핑됨으로써 상기 실리카 글래스로부터 생산되는 광섬유의 광특성을 향상시키고, 겔 건조시 발생하는 균열 현상을 방지함으로써 실리카 글래스의 품질을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the method of manufacturing the metal-doped silica glass according to the embodiment of the present invention improves the optical properties of the optical fiber produced from the silica glass by uniformly doping metal particles such as germanium in the silica glass, and gel drying. It is effective to improve the quality of the silica glass by preventing the crack phenomenon occurs during.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탈이 도핑된 실리카 글래스의 제조 방법은 건조 시간을 단축시켜 실리카 글래스의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.In addition, the method of manufacturing the metal-doped silica glass according to the embodiment of the present invention has the effect of shortening the drying time to improve the productivity of the silica glass.
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