KR20040056544A - A method of preparing transparent silica glass - Google Patents

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KR20040056544A
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

PURPOSE: Provided is a process for producing transparent silica glass having compactness close to the theoretical density by vacuum-sintering a dried article produced from a silica sol. CONSTITUTION: The process contains the steps of: preparing a hydrolysate by injecting a Si-based alkoxide to water; preparing a water slurry by dispersing a fine silica powder in water; preparing silica granules by injecting the Si-based alkoxide hydrolysate into the water slurry and drying, mechanically grinding, and calcining; obtaining the silica sol by dispersing the silica granules in water and milling; dispersing by injecting a high alkali dispersant into the silica sol and reducing a pH by adding a gelating agent; injecting the silica sol into a mold and gelating in the mold; and obtaining a humid gel by detaching the gelated article from the mold, drying the humid gel, heat-treating and sintering under the vacuum. The weight ratio of the silica powder and the solid content of the Si-based alkoxide hydrolysate is 99:1-1:99.

Description

투명 실리카 글래스의 제조 방법{A METHOD OF PREPARING TRANSPARENT SILICA GLASS}A manufacturing method of transparent silica glass {A METHOD OF PREPARING TRANSPARENT SILICA GLASS}

발명의 분야Field of invention

본 발명은 투명 실리카 글래스의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리카 졸에서 제조된 건조 성형체를 진공소결하여 이론밀도에 근접한 치밀도를 가지는 투명 실리카 글래스의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing transparent silica glass, and more particularly, to a method for producing transparent silica glass having a density close to the theoretical density by vacuum sintering a dry molded product prepared from a silica sol.

종래 기술Prior art

실리카 글래스의 제조방법으로 졸-겔 공정은 액상 공정으로서 생산성이 높고 제품의 조성을 자유롭게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 공법에 비해서 제조공정이 전반적으로 저온에서 이루어지므로 경제성이 높다는 장점이 있다. 졸-겔 공정을 통한 벌크(bulk) 글래스, 특히 고 실리카 글래스를 제조하고자 하는 수많은 방법이 시도되어 왔다. 이러한 방법중 하나로 알콕사이드를 이용한 졸-겔 공정이 제안되었다. 그러나 이 방법은 대형화에 한계가 있으며 경제성이 떨어지는 단점이 있다.As a method of manufacturing silica glass, the sol-gel process is a liquid phase process, which has high productivity and can freely control the composition of the product, and has an advantage of high economical efficiency since the manufacturing process is generally performed at a low temperature as compared to the existing method. Numerous methods have been attempted to produce bulk glass, in particular high silica glass, via a sol-gel process. As one of these methods, a sol-gel process using an alkoxide has been proposed. However, this method is limited in size and has a disadvantage of low economic efficiency.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 콜로이드 특성을 가질 수 있는 정도로 작은 초미세 분말을 이용하는 졸-겔 공정이 제안되었다. 이 방법에 따르면, 일정한 크기 이상의 대형 실리카 글래스를 제조할 수 있고 광섬유용 오버클래딩(over-cladding) 튜브, 또는 반도체 제조용 및 기타 다양한 용도의 고순도 실리카 글래스를 경제성 있게 제조할 수 있다. 이러한 초미세 입자를 이용한 졸-겔 공정을 통하여 실리카 글래스를 제조하는 기술을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.In order to solve this problem, a sol-gel process using an ultrafine powder small enough to have colloidal properties has been proposed. According to this method, it is possible to manufacture a large size silica glass of a certain size or more, and to economically manufacture an over-cladding tube for an optical fiber, or a high purity silica glass for semiconductor manufacturing and various other applications. Brief description of the technique for preparing silica glass through the sol-gel process using such ultrafine particles is as follows.

졸-겔 공정에서 일반적인 프로세스인 (1) 실리카 졸의 제조, (2) 졸의 겔화, (3) 겔의 건조, 및 (4) 건조 겔의 열처리를 통한 유리화라는 과정을 거치고 있다. (1)∼(3)의 공정에는 다양한 경로가 제공되고 있으며 마지막 치밀화 과정인 (4) 건조 겔의 열처리를 통한 유리화 과정은 일반적으로 건조된 겔을 1차 열처리하여 겔내의 유기물을 제거한다. 이어서, 유기물이 제거된 겔에 대해 수산기 및 불순물 제거 공정 및 공기중 또는 헬륨 등의 불활성 가스 분위기하에서 소결을 실시하여 고순도의 실리카 글래스를 완성한다.In the sol-gel process, a process of (1) preparation of silica sol, (2) gelation of sol, (3) drying of gel, and (4) vitrification through heat treatment of dry gel are performed. Various processes are provided for the processes of (1) to (3), and the vitrification process through heat treatment of the dry gel (4), which is the final densification process, generally removes organic matter from the gel by first heat treatment of the dried gel. Subsequently, the gel from which the organic substance has been removed is sintered in a hydroxyl group and an impurity removing step and in an inert gas atmosphere such as air or helium to complete silica glass of high purity.

상기 방법에 따르면, 대형 실리카 기물을 채택된 졸-겔 공정을 통하여 비교적 용이하게 제조할 수 있다. 그런데, 공기중에서 소결하는 경우에는 소결시 고온으로 올라감에 따라 과도한 결정화 경향 및 소결체 내의 잔류기공의 과다 존재로 인해 현실적으로 이론 밀도에 가까운 투명 실리카 글래스를 제조하는 것이 매우 어렵다.According to this method, large silica substrates can be prepared relatively easily through an adopted sol-gel process. However, in the case of sintering in air, it is very difficult to manufacture transparent silica glass that is close to the theoretical density due to excessive tendency of crystallization and excessive presence of residual pores in the sintered body as it rises to a high temperature during sintering.

한편 보다 개선된 소결방법으로 가장 널리 알려진 헬륨 등의 가스 분위기 하에서의 소결하는 경우 공기 중에서의 소결에 비해서는 월등하게 우수한 소결능을 보이며 또한 유리의 결정화에 따른 부작용을 최대한 없앨 수 있다는 장점이 있다.그러나 헬륨 분위기 하에서의 소결시 여전히 불완전 소결로 인해 소결체내에 과량의 미세 기포가 남게되어 최종적인 유리의 질을 떨어뜨리는 단점이 있다. 이러한 미세 기포를 제거하기 위해 헬륨 분위기 하에서의 소결시 보다 고온으로 소결온도를 올리는 방법이 사용되고 있으나, 소결온도의 상승에 따라 실리카 기물의 변형이 심해지는 단점이 크게 부각되며 또한 그에 상응되는 소결체 내에 존재하는 미세기포의 제거는 만족스럽지 못하다.On the other hand, when sintering under a gas atmosphere such as helium, which is the most widely known sintering method, the sintering performance is superior to that in air, and the side effects of crystallization of glass can be eliminated as much as possible. In the case of sintering under helium atmosphere, incomplete sintering still leaves an excessive amount of fine bubbles in the sintered body, which has the disadvantage of degrading the final glass. In order to remove such fine bubbles, a method of raising the sintering temperature to a higher temperature than that used in the sintering under helium atmosphere is used. Removal of microbubbles is not satisfactory.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 이론 밀도에 근접한 치밀도를 가지는 투명 실리카 글래스의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a method for producing a transparent silica glass having a density close to the theoretical density.

상기한 목적을 달성하고자, 본 발명은 Si계 알콕사이드를 물에 첨가하여 가수분해물을 만드는 단계;In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of adding a Si-based alkoxide to water to make a hydrolyzate;

미세한 실리카 분말을 물에 분산시켜 수계 슬러리를 제조하는 단계;Dispersing the fine silica powder in water to prepare an aqueous slurry;

상기 수계 슬러리에 Si계 알콕사이드 가수분해물을 첨가한 후 건조, 기계적 분쇄 및 하소하여 과립의 실리카를 제조하는 단계;Adding a Si-based alkoxide hydrolyzate to the aqueous slurry and then drying, mechanically grinding and calcining to produce granule silica;

과립의 실리카를 물에 재분산한 후 밀링하여 실리카 졸을 얻는 단계;Redispersing the granular silica in water and milling to obtain a silica sol;

상기 실리카 졸에 고알칼리성 분산제를 첨가하여 분산시킨 후 겔화제를 첨가하여 pH를 저감시키는 단계;Adding a high alkaline dispersant to the silica sol to disperse and then adding a gelling agent to reduce the pH;

상기 실리카 졸을 몰드내에 주입시켜 몰드 내에서 겔화시키는 단계; 및Injecting the silica sol into a mold to gel it in the mold; And

겔화된 성형체를 몰드로부터 제거하여 얻은 습윤 겔을 건조, 열처리 한 후진공 분위기 하에서 소결하는 단계를 포함하는 실리카 글래스의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a silica glass comprising the step of sintering in a vacuum atmosphere after drying, heat treatment the wet gel obtained by removing the gelled molded body from the mold.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 실리카 글래스 제조방법의 첫 번째 공정은 Si계 알콕사이드 가수분해물을 제조하는 공정이다. Si계 알콕사이드 가수분해물은 Si계 알콕사이드를 물에 넣고 교반하여 제조한다. Si계 알콕사이드의 바람직한 예로는 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS; Si(OC2H5)4), 테트라메틸오르토실리케이트 등이 있다. Si계 알콕사이드 가수분해물은 퓸드 실리카 보다 소결성이 우수하고 훨씬 미세하여 실리카 입자사이의 간극을 채워 성형체를 고밀도화시킴과 동시에 소결성을 증진시킨다.The first step of the silica glass production method of the present invention is to prepare a Si-based alkoxide hydrolyzate. Si-based alkoxide hydrolyzate is prepared by adding Si-based alkoxide to water and stirring. Preferred examples of Si-based alkoxides include tetraethylorthosilicate (TEOS; Si (OC 2 H 5 ) 4 ), tetramethylorthosilicate and the like. Si-based alkoxide hydrolyzate has better sinterability than fumed silica and is much finer, thereby filling the gap between silica particles, densifying the molded body and improving sinterability.

그런 다음 미세한 실리카 분말을 물에 분산시켜 수계 슬러리를 제조한다. 상기 실리카 분말은 20 내지 50 m2/g의 비표면적을 가지며 평균 입자크기가 30 내지 100nm인 초미세 입자가 사용되는 것이 바람직하다. 이중 상용되고 있는 퓸드(fumed) 실리카가 바람직하게 사용될 수 있다.Then fine silica powder is dispersed in water to prepare an aqueous slurry. The silica powder preferably has a specific surface area of 20 to 50 m 2 / g and ultrafine particles having an average particle size of 30 to 100 nm. Fumed silica, which is commonly used, can be preferably used.

제조된 수계 슬러리에 Si계 알콕사이드 가수분해물을 첨가하여 어느 정도의 유동성을 가지도록 한다. 혼합시 혼합도 및 분산도를 높이기 위하여 쿼츠 자와 볼을 이용하여 볼밀링하면 점도가 매우 낮고 분산성이 우수한 슬러리가 얻어진다. 실리카 분말과 Si계 알콕사이드 가수분해물의 고상함량의 비율은 질량비로 99:1 내지 1:99의 비율로 배합한다. 슬러리내의 전체 실리카에 대한 증류수의 배합비율은 5 내지 80 wt% 범위 안에 들어오게 한다.Si-based alkoxide hydrolyzate is added to the prepared aqueous slurry to have some fluidity. In order to increase the degree of mixing and dispersion during mixing, ball milling using a quartz ruler and a ball yields a slurry having a very low viscosity and excellent dispersibility. The ratio of the solid phase content of the silica powder and the Si-based alkoxide hydrolyzate is blended in a ratio of 99: 1 to 1:99 by mass ratio. The blending ratio of distilled water to total silica in the slurry is in the range of 5 to 80 wt%.

이와 같이 얻어진 졸 상태의 실리카 수계 슬러리를 완전히 건조하여 실리카 덩어리를 건식 기계적 분쇄 공정에 의하여 과립상으로 만든 다음 이를 하소하여 단단한 실리카 과립을 얻는다. 이때 실리카 과립의 비표면적은 건조 성형체의 비표면적과 거의 비슷하다.The silica aqueous slurry in the sol state thus obtained is completely dried to form a silica mass by granulation by a dry mechanical grinding process, and then calcined to obtain solid silica granules. In this case, the specific surface area of the silica granules is almost similar to that of the dry formed body.

과립의 실리카를 물에 재분산한 후 밀링하여 실리카 졸을 제조한다. 이때 분산제를 소량 첨가할 수 있다. 과립의 실리카를 물에 넣고 분쇄 및 분산을 위해 쿼츠 자와 볼을 이용하여 볼밀링을 해주면 점도가 매우 낮은 실리카 졸이 얻어진다. 최적 분산은 볼밀링 시간에 따른 분쇄물의 평균입도 변화와 입도 분포를 측정하여 결정하게 되는데, 일반적으로 평균입도가 1μm 이하이며, 좋게는 0.5μm이하이고 입도 분포가 라디안 타입이 되는 조건이 좋다. 이때 실리카 졸내의 최적 고체함량은 35 내지 55 중량%이다.Silica sol is prepared by redispersing the granular silica in water and then milling. At this time, a small amount of dispersant may be added. When the granular silica is put in water and ball milled using quartz jars and balls for grinding and dispersion, a silica sol having a very low viscosity is obtained. The optimum dispersion is determined by measuring the average particle size change and particle size distribution of the mill with ball milling time. Generally, the average particle size is 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less, and the particle size distribution is a radian type. The optimum solids content in the silica sol is 35 to 55% by weight.

상기 실리카 졸에 고알칼리성 분산제를 첨가하여 분산시킨 후 겔화제를 첨가하여 pH를 저감시킨다. 상기 고알칼리성 분산제와 겔화제는 기존의 실리카 글래스 제조시 사용되는 모든 화합물이 사용될 수 있으며, 이하에 기재된 화합물에 한정되는 것은 아니다.After dispersing by adding a highly alkaline dispersant to the silica sol, a gelling agent is added to reduce the pH. As the highly alkaline dispersant and the gelling agent, all compounds used in the production of conventional silica glass may be used, and are not limited to the compounds described below.

상기 고알칼리성 분산제로 실리카 졸의 pH를 11 이상으로 상승시킨다. 이러한 고알칼리성 분산제에는 암모늄염계 화합물이 포함되며, 이들의 구체적인 예로는 4급 암모늄 하이드록사이드인 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH), 또는 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(TEAH)가 있다. 분산제는 실리카가 균일하게 분산되는 것을 도울 뿐만 아니라 실리카가 분산된 졸을 정전기적으로 안정화시키는 역할을 한다.The highly alkaline dispersant raises the pH of the silica sol to 11 or more. Such highly alkaline dispersants include ammonium salt compounds, specific examples of which are quaternary ammonium hydroxide tetramethylammonium hydroxide (TMAH), or tetraethylammonium hydroxide (TEAH). Dispersants not only help the silica to be uniformly dispersed, but also serve to electrostatically stabilize the sol in which the silica is dispersed.

상기 겔화제로는 산의 수용성 지방족 에스테르가 사용가능하며, 이들의 바람직한 예로는 락트산 에틸, 락트산 메틸, 포름산 에틸, 포름산 메틸, 글리콜산 에틸, 글리콜산 메틸 등이 있다. 이 겔화제는 고알칼리성 분산제와 반응하여 이온화합물을 형성하며, 고알칼리성 분산제의 첨가로 상승된 실리카 졸의 pH를 저감시키는 역할을 한다. 겔화제는 고알칼리성 분산제 1 당량에 대하여 1.2 내지 1.4 당량으로 첨가한다.As the gelling agent, water-soluble aliphatic esters of acids may be used, and preferred examples thereof include ethyl lactate, methyl lactate, ethyl formate, methyl formate, ethyl glycolate and methyl glycolate. This gelling agent reacts with the high alkaline dispersant to form an ionic compound, and serves to reduce the pH of the silica sol, which is raised by the addition of the high alkaline dispersant. The gelling agent is added in an amount of 1.2 to 1.4 equivalents based on 1 equivalent of the high alkaline dispersant.

상기와 같이 제조된 실리카 졸은 겔화 반응이 일어나기 전 유동성을 유지한 상태에서 몰드에 주입하는 것이 바람직하다. 몰드에 주입한 후 수분의 증발을 막기 위하여 밀봉하여 주는 것이 바람직하다. 몰드에 주입된 실리카 졸의 pH는 시간이 경과함에 따라 급격히 떨어지기 시작하여 pH가 9.5 이하가 되면 급격히 응고한다. 응고반응 시간은 고체의 양과 겔화제의 양, 반응온도에 영향을 받지만 통상 5분에서 10분 이내에 이루어지는 것이 바람직하다.The silica sol prepared as described above is preferably injected into the mold while maintaining fluidity before the gelation reaction occurs. After the injection into the mold, it is preferable to seal in order to prevent evaporation of moisture. The pH of the silica sol injected into the mold begins to drop rapidly with time and solidifies rapidly when the pH is below 9.5. The solidification reaction time is influenced by the amount of solids, the amount of gelling agent and the reaction temperature, but it is generally preferred to be within 5 to 10 minutes.

응고가 완료되면 겔이 충분한 강도를 가지게 되고 일정시간이 지난후 겔을 몰드에서 꺼낸다. 몰드에서 꺼낸 습윤 겔의 건조는 30 내지 80℃의 온도 및 60 내지 80%의 상대습도에서 실시하는 것이 바람직하다.Once solidification is complete, the gel will have sufficient strength and after a period of time the gel is removed from the mold. Drying of the wet gel taken out of the mold is preferably carried out at a temperature of 30 to 80 ° C. and a relative humidity of 60 to 80%.

건조된 겔의 1차 열처리 공정은 300 내지 600℃의 온도에서 승온속도 5 내지 50℃/hr로 실시한다. 이 1차 열처리에 의하여 겔 내에 존재하는 유기물이 제거된다. 1차 열처리된 겔은 500 내지 1000℃의 온도에서 승온속도 100℃/hr로 2차 열처리한다. 이러한 2차 열처리 과정중에 염소 가스 분위기를 이용하여 고순도화 공정을 실시하며 이 과정에서 잔류 수산기 및 기타 금속성 불순물들이 제거된다. 또한 동시에 실리카 성형체내에 잔류하게 되는 염소성분을 제거하기 위하여 산소 또는 플루오르계 화합물 가스를 흘려준다. 이때의 열처리는 900 내지 1100℃에서 승온속도 100℃/hr로 수행하는 것이 바람직하다.The primary heat treatment process of the dried gel is carried out at a temperature increase rate of 5 to 50 ℃ / hr at a temperature of 300 to 600 ℃. This primary heat treatment removes organic matter present in the gel. The first heat treated gel is second heat treated at a temperature rising rate of 100 ° C./hr at a temperature of 500 to 1000 ° C. During this secondary heat treatment process, a high purity process is performed using a chlorine gas atmosphere, in which residual hydroxyl groups and other metallic impurities are removed. At the same time, oxygen or a fluorine compound gas is flowed to remove the chlorine component remaining in the silica molded body. At this time, the heat treatment is preferably carried out at a heating rate of 100 ℃ / hr at 900 to 1100 ℃.

본 발명에서는 상기에서와 같이 2차 열처리된 성형체를 공기중이나 헬륨 분위기에서 소결하는 종래의 방법과는 달리 진공 분위기하에서 소결하여 투명성이 우수하고 이론 밀도(2.202g/cm3)에 가까운 실리카 글래스를 제공한다. 상기 진공 소결공정은 10-1내지 10-6토르(Torr)의 진공 분위기 하에서 1200 내지 1700℃까지 승온속도 100℃/hr로 승온하여 그 온도에서 0.1 내지 20시간 열처리하여 실시한다.In the present invention, unlike the conventional method of sintering the secondary heat-treated molded body in the air or helium atmosphere as described above, it is sintered in a vacuum atmosphere to provide silica glass which is excellent in transparency and close to the theoretical density (2.202 g / cm 3 ). do. The vacuum sintering process is carried out in a vacuum atmosphere of 10 -1 to 10 -6 Torr (Torr) to a temperature rising rate of 100 ℃ / hr up to 1200 to 1700 ℃ heat treatment at that temperature for 0.1 to 20 hours.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following presents a preferred embodiment to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are provided only to more easily understand the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

실시예 1Example 1

먼저 Si-계 알콕사이드로 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS; Si(OC2H5)4) 200g을 증류수 800g과 혼합하여 상온에서 격렬하게 24시간 교반하여 가수분해를 완료하였다. 다시 온도를 80℃로 승온하여 4시간이상 유지하여 주었다. 이때 반응이 진행되고 있는 용기는 밀봉하여 수분의 손실이 없도록 하였다. 80℃에서의 4시간 유지한 다음 완전히 겔화반응을 완료시켰다. 얻어진 실리카 겔은 수Å에서 수십Å의 실리카 입자들이 연결된 구조이다.First, 200 g of tetraethylorthosilicate (TEOS; Si (OC 2 H 5 ) 4 ) was mixed with 800 g of distilled water with Si-based alkoxide and stirred vigorously at room temperature for 24 hours to complete hydrolysis. The temperature was again raised to 80 ° C. and maintained for 4 hours or more. At this time, the vessel in which the reaction is progressing was sealed so that there was no loss of moisture. After 4 hours at 80 ° C., the gelation reaction was completely completed. The obtained silica gel has a structure in which several hundreds to several tens of silica particles are connected.

비표면적이 50 m2/g 이하이고 평균 입자크기가 40 nm인 실리카 분말(Aerosil OX-50(독일의 Degussa사)) 200g을 증류수 1000g과 혼합하여 수계 슬러리를 제조하였다. 이 수계 슬러리 1200g을 TEOS 가수분해물 1000g과 혼합한 후 고속 블렌더에 넣고 10분간 강제혼합하여 어느 정도 유동성이 유지되도록 하였다. 수계 슬러리의 혼합도 및 분산도를 높여주기 위해서 쿼츠 자와 볼을 이용하여 8시간 볼밀링을 하여 점도가 매우 낮고 분산이 잘된 슬러리를 얻었다. 제조된 슬러리는 TEOS의 가수분해를 통해 얻어진 Å단위의 초미세 입자와 평균입자크기 40nm의 Aero-sil이 균일하게 섞여 졸 상태로 존재한다.An aqueous slurry was prepared by mixing 200 g of silica powder (Aerosil OX-50 (Degussa, Germany)) with a specific surface area of 50 m 2 / g or less and 40 nm in average with distilled water. 1200 g of this aqueous slurry was mixed with 1000 g of TEOS hydrolyzate and placed in a high speed blender forcibly mixed for 10 minutes to maintain fluidity to some extent. In order to improve the mixing and dispersion of the aqueous slurry, the ball was milled for 8 hours using a quartz jar and a ball to obtain a slurry having a very low viscosity and a good dispersion. The prepared slurry is present in a sol state by uniformly mixing the ultrafine particles of Å unit obtained through the hydrolysis of TEOS and aero-sil with an average particle size of 40 nm.

상기 졸 상태의 슬러리를 110℃까지 승온하여 48시간이상 유지하여 완전히 건조된 실리카 덩어리를 얻었다. 이 실리카 덩어리를 건식 분쇄과정을 통해 0.5mm정도의 과립상으로 만들었다. 이 과립을 공기중 800℃에서 10시간 하소하여 단단한 실리카 과립을 얻었다.The sol slurry was heated to 110 ° C. and maintained for at least 48 hours to obtain a completely dried silica mass. The silica mass was dried into granules of about 0.5 mm by dry grinding. The granules were calcined at 800 ° C. for 10 hours in air to obtain solid silica granules.

실리카 과립 분말 1000g을 2차 증류수 1000g에 혼합하여 주고, 여기에 분산을 돕기 위해 분산제로 DARVAN-C 0.3%를 첨가하였다. 이 혼합물을 1차적으로 고속블렌더에 넣고 10분간 혼합하여 상당한 유동성을 가지는 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 쿼츠 자와 볼을 이용하여 8시간 볼밀링하여 분쇄 및 분산시켜 점도가 매우 낮은 실리카 졸을 얻었다.1000 g of silica granule powder was mixed with 1000 g of distilled water, and 0.3% of DARVAN-C was added thereto as a dispersant to aid dispersion. The mixture was first placed in a high speed blender and mixed for 10 minutes to prepare a slurry having considerable fluidity. The slurry was ball milled for 8 hours using a quartz jar and a ball to grind and disperse to obtain a silica sol having a very low viscosity.

상기 실리카 졸에 강알칼리인 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide)를 실리카에 대해 질량비로 2.8wt%를 첨가해주고 1시간이상 교반하여 졸의 pH가 11이상으로 증가하도록 하였다. 다시 이 졸을 24시간동안 상온에서 숙성(aging)한 후 기포를 제거하기 위하여 진공용기내에서 탈포작업을 수행하였다. 이 실리카 졸에 TMAH에 대해 당량비로 1.2 내지 1.4당량의 포름산 메틸(Methyl Formate)을 천천히 교반하면서 첨가하였다. 충분히 교반된 실리카 졸을 콘형의 몰드내에 주입하였다. 몰드 주입후 몰드는 수분의 증발을 막기 위하여 밀봉하였다. 시간이 경과함에 따라 몰드내에 주입된 실리카 졸의 pH는 급격히 떨어지기 시작하여 pH 9.5이하가 되면 급격히 응고되었다. 응고가 완료되면 24시간 이상 유지시켜 겔이 충분한 강도를 가지게 한다. 일정시간이 지난후 겔을 몰드로 부터 제거하여 부드러운 표면위에 놓았다. 얻어진 겔 성형체는 겔의 두께에 따라 차이는 있으나 상온에서 14일 이상 유지하면 수분의 98%가 제거된다. 얻어진 건조겔을 다시 110℃까지 24시간동안 승온하여 그온도에서 24시간 유지 시켜 흡착수를 완전히 제거하였다. 건조된 겔을 5℃/h의 승온속도로 500℃까지 승온시키고, 이 온도에서 5시간동안 열처리하여 건조겔내의 유기물을 제거하였다. 유기물이 제거된 겔을 100℃/hr로 900℃까지 승온시키고 이 온도에서 5시간동안 유지하였다. 이 때 상기 열처리 과정은 염소 가스 분위기하에서 실시하여 수산화기 및 금속불순물들을 제거하였다. 또한 900℃까지 염소가스 열처리를 실시한 후, 1100℃까지 100℃/hr의 속도로 승온하면서 산소분위기를 유지함으로써 실리카 성형체내에 잔류하게 되는 염소성분을 제거하였다.Strong alkali TMAH (Tetramethyl ammonium hydroxide) was added to the silica sol in a mass ratio of 2.8 wt% to silica and stirred for at least 1 hour to increase the pH of the sol to 11 or more. Again, the sol was aged for 24 hours at room temperature, and then degassed in a vacuum vessel to remove bubbles. To this silica sol was added 1.2 to 1.4 equivalents of methyl formate (Methyl Formate) in an equivalent ratio to TMAH with slow stirring. Fully stirred silica sol was injected into the cone mold. After mold injection, the mold was sealed to prevent evaporation of moisture. As time passed, the pH of the silica sol injected into the mold began to drop sharply and rapidly solidified below pH 9.5. Once solidification is complete, hold for at least 24 hours to ensure that the gel has sufficient strength. After a period of time, the gel was removed from the mold and placed on a smooth surface. The obtained gel molded product is different depending on the thickness of the gel, but is maintained at room temperature for 14 days or more to remove 98% of moisture. The obtained dried gel was further heated to 110 ° C. for 24 hours and maintained at that temperature for 24 hours to completely remove the adsorbed water. The dried gel was heated to 500 ° C. at a temperature increase rate of 5 ° C./h, and heat-treated at this temperature for 5 hours to remove organic matter in the dried gel. The organic-free gel was heated to 900 ° C. at 100 ° C./hr and maintained at this temperature for 5 hours. At this time, the heat treatment process was carried out in a chlorine gas atmosphere to remove the hydroxyl group and metal impurities. Further, after performing chlorine gas heat treatment to 900 ° C, the chlorine component remaining in the silica molded body was removed by maintaining the oxygen atmosphere while raising the temperature to 1100 ° C at a rate of 100 ° C / hr.

마지막으로 10-4Torr의 진공분위기하에서 100℃/hr의 승온속도로 1250℃까지 승온하고 이 온도에서 1시간동안 소결함으로써 실리카 글래스를 제조하였다.Finally, silica glass was prepared by heating up to 1250 ° C. at a heating rate of 100 ° C./hr under a vacuum atmosphere of 10 −4 Torr and sintering at this temperature for 1 hour.

실시예 2Example 2

진공소결시 10-3토르의 진공하에서 1400℃로 소결한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 글래스를 제조하였다.Silica glass was prepared in the same manner as in Example 1 except that the sintered at 1400 ° C. under vacuum of 10 −3 Torr during vacuum sintering.

비교예 1Comparative Example 1

헬륨 분위기에서 소결한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 글래스를 제조하였다.Silica glass was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mixture was sintered in a helium atmosphere.

비교예 2Comparative Example 2

진공 분위기 대신 헬륨 분위기에서 소결한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 글래스를 제조하였다.Silica glass was prepared in the same manner as in Example 1 except that the sintered in a helium atmosphere instead of a vacuum atmosphere.

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 실리카 글래스 튜브 내의 잔류 미세 기포의 양을 레이저 산란법을 이용하여 분석하였다. 비교예 1에서 얻어진 실리카 글래스에 비하여 실시예 1 및 2에서 얻어진 실리카 글래스보다 40 vol% 정도 더 적은 잔류 미세기포를 함유하고 있었다.The amount of residual microbubbles in the silica glass tubes prepared according to the above Examples and Comparative Examples was analyzed using a laser scattering method. Compared to the silica glass obtained in Comparative Example 1, it contained about 40 vol% less residual microbubbles than the silica glass obtained in Examples 1 and 2.

본 발명의 실리카 글래스의 제조방법에 따르면 실리카 졸의 건조 성형체를 진공 소결하여 기존의 공기 분위기나 헬륨 분위기하에서의 소결하는 경우에 비해 미세기포가 감소되고, 투명성이 우수하며, 이론 밀도에 가까운 치밀한 투명 실리카글래스를 제조할 수 있다.According to the method of manufacturing the silica glass of the present invention, compared to the case of vacuum sintering a dry molded body of a silica sol and sintering in a conventional air atmosphere or helium atmosphere, fine bubbles are reduced, transparency is high, and dense transparent silica is close to theoretical density. Glass can be prepared.

Claims (3)

Si계 알콕사이드를 물에 첨가하여 가수분해물을 만드는 단계;Adding a Si-based alkoxide to water to make a hydrolyzate; 미세한 실리카 분말을 물에 분산시켜 수계 슬러리를 제조하는 단계;Dispersing the fine silica powder in water to prepare an aqueous slurry; 상기 수계 슬러리에 Si계 알콕사이드 가수분해물을 첨가한 후 건조, 기계적 분쇄 및 하소하여 과립의 실리카를 제조하는 단계;Adding a Si-based alkoxide hydrolyzate to the aqueous slurry and then drying, mechanically grinding and calcining to produce granule silica; 과립의 실리카를 물에 재분산한 후 밀링하여 실리카 졸을 얻는 단계;Redispersing the granular silica in water and milling to obtain a silica sol; 상기 실리카 졸에 고알칼리성 분산제를 첨가하여 분산시킨 후 겔화제를 첨가하여 pH를 저감시키는 단계;Adding a high alkaline dispersant to the silica sol to disperse and then adding a gelling agent to reduce the pH; 상기 실리카 졸을 몰드내에 주입시켜 몰드 내에서 겔화시키는 단계; 및Injecting the silica sol into a mold to gel it in the mold; And 겔화된 성형체를 몰드로부터 제거하여 얻은 습윤 겔을 건조, 열처리 한 후 진공 분위기 하에서 소결하는 단계를 포함하는 실리카 글래스의 제조방법.A method of producing silica glass, comprising the step of drying the wet gel obtained by removing the gelled molded body from the mold, followed by sintering under vacuum atmosphere after drying and heat treatment. 제1항에 있어서, 상기 실리카 분말과 Si계 알콕사이드 가수분해물의 고상함량의 비율은 질량비로 99:1 내지 1:99인 실리카 글래스의 제조방법.The method of claim 1, wherein the ratio of the solid phase content of the silica powder and the Si-based alkoxide hydrolyzate is 99: 1 to 1:99 by mass ratio. 제1항에 있어서, 상기 진공 분위기 하에서의 소결은 10-1내지 10-6토르의 진공압에서 1200 내지 1700℃의 온도에서 실시하는 실리카 글래스의 제조방법.The method of claim 1, wherein the sintering in a vacuum atmosphere is carried out at a temperature of 1200 to 1700 ℃ at a vacuum pressure of 10 -1 to 10 -6 Torr.
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