KR20010001879A - Manufacturing method of silica glass for sol-gel process - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of silica glass by sol-gel process is provided to prevent formation of cracks after drying and reduce macro pores, resulting from a low-viscosity sol with high Si content by ultrasonic dispersion. The resultant silica glass having improved physical properties is applicable to optical fibers or semiconductors demanding high purity. CONSTITUTION: The method comprises the steps of: (i)mixing silica, dispersant such as tetramethyl ammonium hydroxide and tetraethyl ammonium hydroxide, binder such as polyethyloxazoline and polyvinyl acetate, gelation agent such as methyl formate, methyl lactate and ethyl lactate and deionized water; (ii)dispersing it to get 10-100cps viscosity of sol containing more than 40% of Si by 20-50kHz strength of ultrasonic waves; (iii)molding and gelling; (iv)demolding gel, then drying at 30-80°C and 65-80% of relative humidity; (iv)thermal-treating as the following steps: heating at 10-50°C/hr to 300-600°C for the elimination of remaining organics of gel, at 100°C/hr to 500-100°Cfor an effective time to separate gel and eliminate remained OH- in a Cl2 gas atmosphere, at 100°C/hr to 1100-1500°C for about 5hrs. in a He gas atmosphere.

Description

졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법{Manufacturing method of silica glass for sol-gel process}Manufacturing method of silica glass for sol-gel process

본 발명은 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 건조후 균열 발생을 억제할 수 있는 동시에 매크로 기공 갯수가 감소된 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silica glass for sol-gel process, and more particularly, to a method for producing silica glass for sol-gel process, which can suppress cracking after drying and reduce the number of macro pores. .

졸-겔 공정은 액상 공정으로서 생산성이 높고 제품의 조성을 자유롭게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 전반적으로 저온에서 이루어지므로 경제성이 높아서 광섬유나 반도체용 고순도 실리카 글래스를 제조할 때 매우 유용한 방법이다.The sol-gel process is a liquid phase process, which has high productivity and can freely control the composition of the product, and because the process is generally performed at a low temperature, it is very economical and is very useful when manufacturing high purity silica glass for optical fibers or semiconductors.

이하, 졸-겔 공정을 이용하여 실리카 글래스된 오버클래딩 튜브를 제조하는 방법을 간략하게 살펴보면, 다음과 같다.Hereinafter, a brief description of a method of manufacturing a silica glass overcladding tube using a sol-gel process is as follows.

먼저, 실리카 입자를 물에 분산하여 졸을 형성한다. 형성된 졸을 소정시간동안 방치하여 숙성시킨다. 이어서, 숙성된 졸을 몰드에 부어 겔화시킨다. 겔화가 완결되면, 몰드로부터 겔을 분리해낸 다음, 건조시킨다.First, silica particles are dispersed in water to form a sol. The sol formed is left to mature for a predetermined time. The aged sol is then poured into a mold and gelated. Once gelling is complete, the gel is separated from the mold and then dried.

그 후, 건조된 겔을 1차 열처리하여 겔내의 유기물을 제거한다. 이어서, 유기물이 제거된 겔에 대해 수산기제거반응과 소결반응을 실시하여 실리카 글래스된 오버클래딩 튜브를 완성한다.Thereafter, the dried gel is first heat treated to remove organic matter in the gel. Subsequently, the hydroxyl group removal reaction and the sintering reaction are performed on the gel from which the organic material is removed to complete the silica glass overcladding tube.

상술한 바와 같은 졸-겔 공정의 반응성은 겔화 반응 온도, 조성, 압력, pH, 용매 등의 인자에 따라 달라지므로, 이러한 인자들을 적절하게 조절하여 반응성을 바람직한 범위내로 제어해야 한다.Since the reactivity of the sol-gel process as described above depends on factors such as gelation reaction temperature, composition, pressure, pH, solvent, etc., these factors should be appropriately controlled to control the reactivity to the desired range.

한편, 성형된 겔을 건조시킬 때 균열이 많이 발생하고 소결단계에서 수축 및 균열이 발생되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 건조조절 화학첨가제(drying control chemical additive: DCCA)를 사용하는 방법, 재분산(redispersion)방법, 초임계건조법, 고분자 결합제를 사용하는 방법 등이 제안되었다.On the other hand, when the molded gel is dried, there are many cracks and shrinkage and cracking occur in the sintering step. In order to solve this problem, a method using a dry control chemical additive (DCCA), a redispersion method, a supercritical drying method, a method using a polymer binder, and the like have been proposed.

건조조절 화학첨가제를 사용하는 방법은 겔내에서 용매가 증발되는 속도의 국소적인 차이를 최소화하고 건조중의 응력중에 견딜수 있는 고체 골격의 두께를 균일화함으로써 건조중에 시편의 국소적 응력들의 차이를 최소화할 수 있다. 그 결과 겔이 견고해짐으로써 균열의 생성이 감소된다.The method of using a dry control chemical additive can minimize the difference in the local stresses of the specimen during drying by minimizing the local difference in the rate of evaporation of the solvent in the gel and by equalizing the thickness of the solid skeleton that can withstand the stress during drying. have. The result is a hardening of the gel which reduces the formation of cracks.

재분산방법을 간략하게 살펴보면, 미세한 건조 실리카 분말 즉, 발연 실리카를 물에 분산하여 졸을 형성시킨 다음, 이를 겔화시킨다. 겔화시키는 과정에서, 실리카 입자들은 수소 결합에 의하여 응집체를 형성한다. 형성된 응집체를 건조한 다음, 열처리 및 분쇄하여 이를 물에 재분산시킨다. 재분산된 결과물을 겔화시킨 다음, 성형하고 얻어진 성형체를 소결하는 방법이다.Briefly looking at the redispersion method, fine dry silica powder, ie, fumed silica, is dispersed in water to form a sol and then gelled. In the process of gelling, the silica particles form aggregates by hydrogen bonding. The formed aggregates are dried, then heat treated and ground to redisperse them in water. The redispersed product is gelled, then molded and sintered.

그러나, 상술한 방법들은 겔을 건조하는 단계에서 생성되는 균열을 억제하는것이나 소결 단계 이후의 수축 발생을 억제하는 데 그다지 효과적이지 못할 뿐만 아니라, 공정자체가 복잡해지는 문제점이 있다.However, the above-described methods are not only very effective in suppressing cracks generated in the step of drying the gel or suppressing shrinkage after the sintering step, but also in the process itself.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 높은 실리카 함량을 가지면서 저점도의 졸을 제조할 수 있도록 제조공정을 제어함으로써 건조후 균열 발생을 억제할 수 있는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법을 제공하는 것이다.Technical problem to be solved by the present invention is to solve the above problems by controlling the manufacturing process to produce a low viscosity sol with a high silica content, sol-gel process silica glass that can suppress the cracking after drying It is to provide a manufacturing method.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는. (a) 실리카, 분산제, 결합제, 겔화제 및 탈이온수를 혼합한 다음, 초음파로 분산처리하여 졸을 형성하는 단계;In the present invention to achieve the above technical problem. (a) mixing silica, dispersant, binder, gelling agent and deionized water, and then dispersing with ultrasound to form a sol;

(b) 상기 졸을 몰딩하여 겔화시키는 단계;(b) molding and gelling the sol;

(c) 얻어진 겔을 디몰딩하여 건조시키는 단계;(c) demolding the obtained gel to dry it;

(d) 건조된 겔을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법을 제공한다.(d) providing a method for producing silica glass for sol-gel process, comprising the step of heat-treating the dried gel.

상기 (a)단계의 초음파 분산 이전에 기계적 분산을 실시하는 것이 졸의 분산성면에서 보다 바람직하다. 그리고 상기 (a)의 초음파 분산 과정에서, 초음파 강도는 20 내지 50kHz이고, 상기 (a) 단계로부터 형성된 졸의 점도가 10 내지 100cps인 것이 바람직하다.It is more preferable in terms of dispersibility of the sol to perform mechanical dispersion before the ultrasonic dispersion in step (a). In the ultrasonic dispersion process of (a), the ultrasonic intensity is 20 to 50 kHz, and the viscosity of the sol formed from the step (a) is preferably 10 to 100 cps.

이하, 본 발명에 따른 실리카 글래스의 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing silica glass according to the present invention will be described.

먼저, 실리카, 첨가제 및 탈이온수를 혼합한 다음, 초음파를 이용하여 분산시켜서 졸을 형성한다. 이러한 초음파 분산시 초음파의 강도, 분산 시간, 초음파 처리시 온도, 초음파를 전달하는 매질 및 초음파 분산 이전의 전처리조건 등이 매우 중요한 변수이다. 여기에서 초음파의 강도는 20 내지 50KHz 특히, 20 내지 28KHz인 것이 바람직하며, 분산시간은 조성물의 점도 감소가 더 이상 일어나지 않은 시점 즉, 포화시점인 것이 바람직하다.First, silica, additives and deionized water are mixed and then dispersed using ultrasonic waves to form a sol. Ultrasonic intensity, dispersion time, temperature during sonication, medium for delivering ultrasonic waves, pretreatment conditions before ultrasonic dispersion and the like are very important variables. Herein, the intensity of the ultrasonic wave is preferably 20 to 50 KHz, in particular 20 to 28 KHz, and the dispersion time is preferably the point of time when the viscosity decrease of the composition no longer occurs, that is, the time of saturation.

이와 같이 형성된 졸은 그 구성 성분이 균일하게 분산되어 있으며, 실리카 함량을 40 중량% 이상으로 높일 수 있다. 그리고 점도는 10 내지 100cps로서 매우 낮은 편이다. 이와 같이 저점도이면 후속공정에서 취급이 용이한 장점이 있다. 또한, 이와 같이 초음파 분산을 실시하면 기포도 일부 제거되므로 후속공정인 탈포 작업시간이 감소된다.The sol thus formed is uniformly dispersed in constituents thereof, and can increase the silica content to 40% by weight or more. And the viscosity is very low as 10 to 100cps. Thus low viscosity has the advantage of easy handling in subsequent processes. In addition, if the ultrasonic dispersion is carried out as described above, some bubbles are also removed, thereby reducing the degassing time which is a subsequent process.

종래에는 실리카, 첨가제 및 탈이온수의 혼합시 볼밀 등과 같은 믹서기를 이용하여 기계적으로 분산하는 방법만을 주로 사용하였다. 그런데, 이와 같은 기계적 분산 방법에 따르면, 저점도의 졸을 제조하는 데 한계가 있다.In the related art, only a method of mechanically dispersing by using a mixer such as a ball mill when mixing silica, an additive, and deionized water was mainly used. However, according to such a mechanical dispersion method, there is a limit in preparing a low viscosity sol.

반면, 본 발명에서와 같이 초음파 분산을 이용하거나 또는 기계적 분산 이후에 초음파 분산을 실시하면 이러한 문제점을 모두 해결할 수 있게 된다. 특히 기계적 분산을 실시한 다음, 초음파 분산을 실시하는 방법을 사용하면 구성 성분들이 매우 균일하게 분산되어 있는 졸을 얻을 수 있다.On the other hand, by using ultrasonic dispersion or ultrasonic dispersion after mechanical dispersion as in the present invention it is possible to solve all these problems. In particular, using mechanical dispersion followed by ultrasonic dispersion, a sol in which the components are very uniformly dispersed can be obtained.

상기 첨가제는 특별히 한정되지 않으나, 분산제, 결합제, 가소제, 겔화제 등을 사용한다. 여기에서 상기 분산제, 결합제, 가소제 및 겔화제로는 실리카 글래스 제조시 통상적으로 사용되는 물질이라면 특별히 제한되지는 않는다. 그리고 각 물질들의 함량도 통상적인 수준이다.Although the said additive is not specifically limited, A dispersing agent, a binder, a plasticizer, a gelling agent, etc. are used. Herein, the dispersant, binder, plasticizer, and gelling agent are not particularly limited as long as they are materials commonly used in the production of silica glass. And the content of each substance is also normal.

겔화제는 포름산(formic acid), 락트산(lactic acid) 및 글리콜산(glycolic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 산의 수용성 지방족 에스테르로서, 구체적인 예로서 포름산 메틸, 락트산 메틸, 락트산 에틸 등이 있다. 그리고 분산제로는 4급 암모늄 하이드록사이드인 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드를 사용한다. 이러한 물질은 실리카가 조성물내에서 균일하게 분산되는 것을 도울 뿐만 아니라 실리카가 분산된 졸을 정전기적으로 안정화시키는 역할을 한다.The gelling agent is a water-soluble aliphatic ester of an acid selected from the group consisting of formic acid, lactic acid and glycolic acid, and specific examples thereof include methyl formate, methyl lactate, ethyl lactate, and the like. As the dispersant, tetramethylammonium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide which are quaternary ammonium hydroxides are used. These materials not only help the silica to be uniformly dispersed in the composition, but also serve to electrostatically stabilize the sol in which the silica is dispersed.

또한, 가소제로는 다가알콜(polyhydric alcohol)을 사용한다. 구체적인 예로는 글리세린(glycerin), 에틸렌글리콜, 2-메틸프로판-1,2,3-트리올 등이 있다. 그리고 결합제로는 폴리에틸옥사졸린, 폴리비닐아세테이트 등을 사용한다.In addition, a polyhydric alcohol (polyhydric alcohol) is used as a plasticizer. Specific examples include glycerin, ethylene glycol, 2-methylpropane-1,2,3-triol, and the like. As the binder, polyethyloxazoline, polyvinylacetate, or the like is used.

상기 과정에 따라 형성된 졸을 몰딩시킨 다음, 겔화시킨다. 이어서, 소정기간이 경과하여 겔화가 완결되면, 겔화된 결과물을 디몰딩한다.The sol formed according to the above procedure is molded and then gelled. Subsequently, when the gelation is completed after a predetermined period of time, the gelled resultant is de-molded.

그리고 나서, 디몰딩된 겔을 온도 30∼80℃, 상대습도 65∼80%에서 건조한다.The demolded gel is then dried at a temperature of 30-80 ° C. and a relative humidity of 65-80%.

이어서, 건조된 겔을 300∼600℃에서(승온속도:10∼50℃/hr) 열처리하여 겔내에 남아있는 유기물을 제거한다. 그 후, 겔을 유리화시키기 위하여 500 내지 1000℃로 승온하여(승온속도:100℃/hr) 소정시간동안 열처리한다. 이러한 열처리는 염소 가스 분위기하에서 실시하여 잔류 수산화기를 제거한다. 이어서, 헬륨 가스 분위기하에서 1100 내지 1500℃로 승온하고(승온속도:100℃/hr) 약 5시간동안 열처리함으로써 실리카 글래스 튜브를 완성한다.The dried gel is then heat treated at 300 to 600 ° C. (raising rate: 10 to 50 ° C./hr) to remove organic matter remaining in the gel. Thereafter, the gel is heated to 500 to 1000 ° C. (heating rate: 100 ° C./hr) for heat treatment for a predetermined time in order to vitrify the gel. This heat treatment is carried out in a chlorine gas atmosphere to remove residual hydroxyl groups. Subsequently, a silica glass tube is completed by heating up at 1100-1500 degreeC (heating rate: 100 degreeC / hr) in a helium gas atmosphere, and heat-processing for about 5 hours.

상술한 실리카 글래스 제조방법은 실리카 글래스 오버클래딩 튜브의 규격에 상관없이 모두 유용하게 적용할 수 있는 방법이다. 특히 내경 10 내지 50mm, 외경 50 내지 100mm, 길이 500 내지 1000mm의 크기를 갖는 장대형 실리카 글래스 튜브 제조시 매우 유용한 방법이다.The silica glass manufacturing method described above is a method that can be usefully applied regardless of the specifications of the silica glass overcladding tube. In particular, it is a very useful method for producing a large silica glass tube having an inner diameter of 10 to 50 mm, an outer diameter of 50 to 100 mm, and a length of 500 to 1000 mm.

실시예 1Example 1

퓸 실리카(Aerosil OX-50, Degussa사) 500g, 25중량%의 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetraammonium hydroxide: TMAH) 수용액 52㎖, 탈이온수 500g, 에틸 락테이트 50g 및 폴리에틸옥사졸린 2.1g를 혼합한 다음, 이를 고전단믹서(high shear mixer)를 이용하여 10분동안 블렌딩하였다. 이어서, 상기 반응 혼합물에 초음파(강도: 20 kHz)를 2시간동안 가하여 분산하여 졸을 제조하였다. 이와 같은 과정에 따라 형성된 졸의 점도는 25cps였다.500 g of fume silica (Aerosil OX-50, manufactured by Degussa), 52 ml of a 25% by weight solution of tetraammonium hydroxide (TMAH), 500 g deionized water, 50 g ethyl lactate, and 2.1 g polyethyloxazoline This was then blended for 10 minutes using a high shear mixer. Subsequently, ultrasonic waves (strength: 20 kHz) were added to the reaction mixture for 2 hours to disperse to prepare a sol. The viscosity of the sol formed according to this procedure was 25 cps.

이어서, 진공펌프를 이용하여 상기 졸내의 기포를 제거한 다음, 15시간동안 숙성하였다. 이렇게 기포가 제거된 졸을 몰드에 부어 겔화시켰다. 이 때 몰드로는 내경이 100mm인 아크릴 튜브와, 외경이 33mm인 스테인레스계 봉을 사용하였다.Subsequently, bubbles in the sol were removed using a vacuum pump, and then aged for 15 hours. This bubble-free sol was poured into a mold and gelated. At this time, an acrylic tube having an inner diameter of 100 mm and a stainless rod having an outer diameter of 33 mm were used as the mold.

겔화가 완결되면, 몰드로부터 습윤 겔을 꺼내어 항온항습기에서 30℃, 80 RH%에서 4일동안 건조하였다. 이어서, 건조된 겔을 약 500℃까지 승온하여(승온속도:50℃/hr) 이 온도에서 5시간동안 열처리하여 겔내에 함유된 유기물을 제거하였다.Once gelling was complete, the wet gel was removed from the mold and dried for 4 days at 30 ° C. and 80 RH% in a thermo-hygrostat. Subsequently, the dried gel was heated to about 500 ° C. (raising rate: 50 ° C./hr) and heat-treated at this temperature for 5 hours to remove organic matter contained in the gel.

그 후, 상기 결과물을 염소(Cl2) 가스 분위기하에서 약 1000℃(승온 속도: 100℃/hr)에서 5시간동안 열처리하여 겔내의 잔류 수산기를 제거하였다. 이어서 산소(O2) 및 헬륨(He) 가스를 이용하여 잔존하는 염소 가스를 제거하였다.Thereafter, the resultant was heat treated at about 1000 ° C. (raising rate: 100 ° C./hr) for 5 hours in a chlorine (Cl 2 ) gas atmosphere to remove residual hydroxyl groups in the gel. Subsequently, residual chlorine gas was removed using oxygen (O 2 ) and helium (He) gas.

상기 결과물을 헬륨 분위기하, 약 1400℃(승온 속도: 100℃/hr)에서 4시간동안 소결함으로써 실리카 글래스 튜브를 완성하였다. 이 때 실리카 글래스 튜브의 내경은 22mm, 외경은 67mm, 길이 1000mm이었다.The resultant was sintered at about 1400 ° C. (heating rate: 100 ° C./hr) for 4 hours under a helium atmosphere to complete a silica glass tube. At this time, the inner diameter of the silica glass tube was 22 mm, the outer diameter was 67 mm, and the length was 1000 mm.

실시예 2Example 2

초음파 강도가 20 kHz 대신 26 kHz로 변화된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 실리카 글래스 튜브를 제조하였다.A silica glass tube was prepared in the same manner as in Example 1 except that the ultrasonic intensity was changed to 26 kHz instead of 20 kHz.

비교예Comparative example

초음파 분산을 실시하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 실리카 글래스 튜브를 제조하였다.A silica glass tube was prepared in the same manner as in Example 1 except that ultrasonic dispersion was not performed.

상기 실시예 1-3 및 비교예에 따라 제조된 실리카 글래스 튜브의 건조후의 균열 발생 정도와 열처리후 수축 정도를 조사하였다.The degree of cracking after drying and the degree of shrinkage after heat treatment of the silica glass tubes prepared according to Examples 1-3 and Comparative Examples were investigated.

그 결과, 실시예 1-3에 따라 제조된 실리카 글래스 튜브는 비교예 1-2의 경우에 비하여 건조후의 균열 발생 정도가 감소되었으며 실리카 글래스 튜브내의 매크로 기공 갯수가 감소됨을 알 수 있었다. 이는 실시예 1-3에서와 같이 초음파 분산을 실시하면, 구성성분들이 매우 균일하면서 안정적으로 분산되어 있어서 졸내의 실리카 함량을 높일 수 있게 되면서 저점도화된 졸을 얻을 수 있기 때문이다.As a result, the silica glass tube prepared according to Example 1-3 was found to be less cracking after drying and the number of macro pores in the silica glass tube than in the case of Comparative Example 1-2. This is because when the ultrasonic dispersion is performed as in Example 1-3, the components are dispersed very uniformly and stably, thereby increasing the silica content in the sol and thus obtaining a low viscosity sol.

본 발명에 따라 초음파 분산을 실시하면 높은 실리카 함량을 갖는 저점도의 졸을 제조할 수 있고, 후속공정인 졸의 탈포작업 시간이 감소된다. 그 결과, 건조후의 균열 발생이 억제되면서 매크로 기공 갯수가 감소됨으로써 물성이 향상된 실리카 글래스를 제조할 수 있다.Ultrasonic dispersion according to the present invention can produce a low viscosity sol having a high silica content, reducing the degassing time of the sol, which is a subsequent process. As a result, while the occurrence of cracks after drying is suppressed, the number of macropores is reduced, thereby making it possible to manufacture silica glass with improved physical properties.

Claims (4)

(a) 실리카, 분산제, 결합제, 겔화제 및 탈이온수를 혼합한 다음, 초음파로 분산 처리하여 졸을 형성하는 단계;(a) mixing silica, a dispersant, a binder, a gelling agent and deionized water and then dispersing with ultrasound to form a sol; (b) 상기 졸을 몰딩하여 겔화시키는 단계;(b) molding and gelling the sol; (c) 얻어진 겔을 디몰딩하여 건조시키는 단계;(c) demolding the obtained gel to dry it; (d) 건조된 겔을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법.(D) a method for producing a silica glass for sol-gel process comprising the step of heat-treating the dried gel. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계의 초음파 분산 처리 이전에 기계적 분산을 실시하는 것을 특징으로 하는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법.The method of claim 1, wherein the mechanical dispersion is performed before the ultrasonic dispersion treatment of step (a). 제1항에 있어서, 상기 초음파의 강도가 20 내지 50KHz인 것을 특징으로 하는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법.The method of claim 1, wherein the intensity of the ultrasonic wave is 20 to 50KHz. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계로부터 형성된 졸의 점도가 10 내지 100cps인 것을 특징으로 하는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법.The method of claim 1, wherein the viscosity of the sol formed from the step (a) is 10 to 100cps method for producing a silica glass for sol-gel process.
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