SE520429C2 - Förfarande för framställning av glaspreformer - Google Patents

Description

520 429 avgasning samtidigt som mängden atmosfärisk gas som förs in i ugnen och mängden atmosfärisk gas som förs ut ur ugnen justeras, för att därmed sty- ra trycket inuti ugnen till att vara konstant. JP-A-5-24854 beskriver ett för- farande i vilket åtminstone tre uppvärmningssteg utförs: ett första steg av värmebehandling av en porös glaspreform vid en temperatur där den porösa glaspreformen ej sammandras; ett andra steg av värmebehandling vid en temperatur som är högre än värmebehandlingen i det första steget och vid vilken den porösa glaspreformen ej konsolideras, och ett tredje steg av vär- mebehandling av den porösa glaspreformen vid en temperatur vid vilken den porösa glaspreformen konsolideras, för att erhålla en glaspreform med hög kvalitet, med små variationer i dess ytterdiameter och få restluftbubblor vid framställningen av den genomskinliga glaspreformen genom uppvärmning av glaspreformen i ett vakuum eller vid en tryckreducerad atmosfär.

När en porös glaspreform avgasas och konsolideras för att vara genomskinlig i en vakuumkonsolideringsugn har gas en benägenhet att vara kvar i den porösa glaspreformen vid tidpunkten för avgasning om skrymdensiteten av den porösa glaspreformen är hög. Huvudkomponenter i gasen är vatten, luft, saltsyra, etc. Eftersom gasen fyller mellanrummen mellan glaspartiklarna i den porösa glaspreformen eller absorberas på glaspartiklarna kommer en högre skrymdensitet att sätta igen passerandet av gas ner, så att gasen knappast dras ut ur den porösa glaspreformen.

En sådan porös glaspreform kan förorsaka försämringar i styrke- och överfö- ringsegenskaperna och dessutom om uppvärmningen fortsätter för att kon- solidera glaspreformen finns en fara i att gas i glaspreformen expanderar och förorsakar deformation och explosion av glaspreformen. När avgasningstiden ökades med tre gånger i förhållande till normal tid uppstod problemet att produktiviteten försämrades avsevärt, samtidigt som avgasningen i och för sig utfördes godtagbart. 520 429 _: n; ~ ~ @ u _ »- Sammanfattning av uppfinningen Den föreliggande uppfinningen ämnar lösa ovanstående problem.

Följaktligen är ett syfte med den föreliggande uppfinningen att tillhandahålla ett förfarande för att framställa en glaspreform med hög kvalitet effektivt ge- nom att ändra avgasningstiden i överensstämmelse med skrymdensiteten för den porösa glaspreformen som används.

Andra syften och fördelar med den föreliggande uppfinningen kommer att bli tydliga genom följande beskrivning.

Ovanstående syften kan uppnås genom följande uppfinningar. (1) Ett förfarande för att framställa en glaspreform genom att syntetisera en porös glaspreform med ett gasfassyntesförfarande och uppvärmning av den porösa glaspreformen i ett vakuum eller en tryckreducerad atmosfär för att konsolidera den porösa glaspreformen, vilket innefattar följande steg: ett första steg för avgasning av den porösa glaspreformen för att därige- nom avlägsna gas som är absorberad eller innesluten däri; ett andra steg för att temporärt sammandra den porösa glaspreformen vid en temperatur som är högre än temperaturen i det första steget och lägre än en konsolideringstemperatur; och ett tredje steg för konsolidering av den porösa glaspreformen vid konsoli- deringstemperaturen, varvid det första steget utförs så att avgasningsti- den ändras i överensstämmelse med skrymdensiteten för den porösa gla- spreformen och varvid avgasningen av den porösa glaspreformen utförs över en tidsperiod som fastställs av följande uttryck mellan en avgas- ningstid och skrymdensiteten för en porös glaspreform: Avgasningstid (minuter) = A x skrymdensiteten (g/ cm3) där A är från 201 till 340. 520 429 (2) Förfarandet för att framställa en glaspreform enligt aspekten (1) ovan, i vilket avgasningen utförs vid en temperatur från 900 till l350°C. (3) Förfarandet för att framställa en glaspreform enligt någon av ovanståen- de aspekter (l) eller (2), i vilket skrymdensiteten för den porösa glaspre- formen ej är lägre än 0,6 g/ cm3.

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 är en konceptuell vy som visar en vakuumkonsolideríngsugn anpas- sad för att utföra förfarandet enligt föreliggande uppfinningen.

Figur 2 är en graf som visar sambandet mellan en avgasningstid och skrym- densiteten för en porös glaspreform med avseende på särdraget av förfaran- det i den föreliggande uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen I förfarandet som visas ovan enligt aspekt (1), kan en ökning av avgasnings- temperaturen i det första steget ge en acceleration av avgasningen så länge som avgasningstemperaturen ligger i ett särskilt temperaturintervall. Om avgasningstemperaturen överskrider detta särskilda temperaturintervall sammandras den porösa glaspreformen så att i motsats därtill avgasningen ej fortskrider. Det lämpliga temperaturintervallet är från 900 till l350°C, fö- reträdesvis från 1200 till l300°C såsom beskrivs ovan i punkt (2). Vid av- gasning av den porösa glaspreformen är det följaktligen nödvändigt att ändra avgasningstiden inom det ovan nämnda temperaturintervallet beroende på skrymdensiteten för den porösa glaspreformen. Termen "temporär samman- dragning" betyder ett tillstånd innan den porösa glaspreformen konsolideras, dvs ett tillstånd i vilket den porösa glaspreformen görs tät men inte har kon- soliderat ännu. 520 429 I. n Q » « o | lin u.

Den porösa glaspreformen som används häri kan förberedas av någon av ett VAD-förfarande, ett DVD-förfarande, ett sol-gel-förfarande, etc. Alternativt kan en porös glaspreform förberedas genom formning eller tryckformning av fina glaspartiklar. Termen "porös glaspreform" som används häri inkluderar en kompositglaspreform i vilken en porös glaspreform syntetiseras på den yttre ytan av en startglasstav. I detta fall betyder termen "skrymdensitet" vik- ten per volymenhet för den porösa glaspreformen exklusive startglasstaven (dvs: g/cms).

Föredragen utfóringsform av uppfinningen En startglasstav förbereds och poröst glas syntetiseras på den yttre omkret- sen av staven genom ett VAD-förfarande för att därigenom framställa en kompositglaspreform som har en skrymdensitet som inte är lägre än 0,6 g/cm3, företrädesvis från 0,6 till 0,8 g/cm3. Kompositglaspreformen konso- lideras i en vakuumkonsolideringsugn som är konfigurerad i överensstäm- melse med den föreliggande uppfinningen. Såsom visas i figur 1 har vaku- umkonsolideringsugnen 2 ett muffelrör 3, ett värmeelement 4 som omger muffelröret 3, en försörjningsenhet 5 för inert gas, flödesmätare 6 och 7 för inert gas, öppningar 8 och 9 för att leverera gas in i ugnen, sugpumpar 10 och 11 för att cirkulera inert gas för att hålla ugnen i ett vakuum eller vid en tryckreducerad atmosfär, rör 12 och 13 för avgaser från ugnskroppen och muffelröret, en groddstav 14, en ugnskropp 17, och övre lock A 15 och B 16 för att täta ugnskroppen. Vid kylningstidpunkten hålls insidan av ugnskrop- pen i vakuum eller vid reducerat tryck, eller så cirkuleras inert i ugnskrop- pen under ett ugnstryck i ett intervall från 104 till 105 Pa av en tvångskyl- enhet 19 och pumparna 10 och 11 för att cirkulera inert gas i ugnen. Ugns- temperaturen styrs av en temperaturövervakningsenhet 21 till en vilotempe- ratur i ett intervall från 200 till 1000°C, företrädesvis från 300 till 700°C.

Ugnen tätas av det övre locket B 16. Samtidigt som det övre locket B öppnas och den porösa glaspreformen 1 stoppas in i ugnen tätas ugnen genom det övre locket A 15 fäst på det övre partiet av groddstaven 14. Ugnstrycket re- duceras sen till 0,1 till 10 Pa och ugnstemperaturen höjs med en takt från 5 520 429 i. ff. till l5°C /min till en temperatur från 900 till 1350°C, företrädesvis från 1200 till 1300°C. Ugnstemperaturen hålls sedan i detta temperaturintervall under 100 till 300 minuter så att gasen som är adsorberad i den porösa glaspre- formen avlägsnas tillräckligt (första steget).

Ugnstemperaturen ökas ytterligare vid en takt på från 1 till l0°C per minut till en temperatur från 1250 till 1450°C (andra steget), och höjs sedan till en temperatur från 1460 till 1600°C och hålls vid denna temperatur under 5 till 60 minuter (tredje steget). Sedan stoppas uppvärmningen genom värmeele- mentet och den inerta gasen införs i ugnskroppen. Efter det att trycket inuti ugnskroppen har ökat från 104 till 105 Pa cirkuleras den inerta gasen i ug- nen genom tvångskylningsenheten så att ugnen kyls ned.

Hänvisningsbeteckning nummer 18 betecknar en strålningstermometer; 19, en tvångskylningsenhet; 20, en tvärgående mekanism; och 21, en tempera- turövervakningsenhet. Även om ritningarna visar det fall där både ugns- kroppen och muffelröret kommunicerar med respektive gasförsörjningsenhe- ter och gasutblåsningsenheter så kan uppfinningen appliceras också i de fall där en gasförsörjningsenhet och en gasutblåsningsenhet är anordnad för endast någon av ugnskroppen och muffelröret. Även om det inte visas är ventiler anordnade i rörledningarna 8, 9, 12 och 13 så att evakuering eller gasströmning utförs genom att ställa ventilerna.

I allmänhet har en porös glaspreform som syntetiseras genom ett gasfas- synstesförfarande en struktur som är fylld med fina partiklar med en storlek från 0,1 till 0,5 um. Fyllningssättet av de fina partiklarna, dvs skrymdensite- ten, varierar beroende på omständigheterna vid gasfassyntesen. Desto mind- re partiklarna är och desto högre temperaturen är vid syntestidpunkten des- to hårdare blir det erhållna glaset eftersom det har mindre håligheter och desto större är skrymdensiteten. Den porösa glaspreformen som används i den föreliggande uppfinningen har företrädesvis en skrymdensitet som inte är mindre än 0,6 g/cm3, företrädesvis från omkring 0,6 till 0,8 g/cm3. Om 520 429 skrymdensiteten faller under detta intervall har den porösa glaspreformen en tendens att brytas sönder efter som den är för mjuk. Om å andra sidan skrymdensiteten överskrider intervallet ovan är glaspreformen för hård och därför kommer luftbubblor som redan är införlivade däri ha svårt att avlägs- na sig och blir därmed kvar.

I den föreliggande uppfinningen genomfördes undersökningar hur konsolide- ringstillståndet för den porösa glaspreformen förändras sig med avseende på skrymdensiteten hos preformen och avgasningstiden när den porösa glaspre- formen avgasades och konsoliderades i en vakuumkonsolideringsugn. I figur 2 visas sålunda det optimala intervallet för graden av avgasning för gasen som är införlivad i den porösa glaspreformen varvid sambandet mellan av- gasningstiden och skrymdensiteten för den porösa glaspreformen erhålls en- ligt följande: avgasningstid (min) = A X skrymdensitet (g/ cm3) där A är från 201 till 340.

Detta klassificeras i ett föredraget intervall och ett ej föredraget intervall en- ligt följande.

Intervall a: Avgasningstid > 340 x skrymdensitet.

Detta är ej något föredraget intervall i förhållande till produktivitet.

Intervall b: Avgasningstid < 201 x skrymdensitet.

Detta är ett intervall i vilket produkter får defekter.

Intervall c: 201 X skrymdensiteten 5 avgasningstid 5 340 X skrymdensiteten.

Detta är ett föredraget intervall i vilket inte endast en bra preform erhålles utan också en god produktivitet. 520 429 1 . » . . .

Den föreliggande uppfinningen kommer att beskrivas i detalj med hänvisning till följande exempel, men uppfinningen skall ej anses vara begränsad av dessa exempel.

Exempel 1 En övergångsglaspreform drogs ut för att förbereda en startglasstav på 18 mm. En porös glaspreform med en yttre diameter på 150 mm syntetiserades på den yttre Omkretsen av staven genom ett VAD-förfarande för att framstäl- la en sammansatt glaspreform med en skrymdensitet på 0,8 g/ cms. Prefor- men konsoliderades i en vakuumkonsolideringsugn enligt konfigurationen i den föreliggande uppfinningen. Vakuumkonsolideringsugnen 2 hade ett muffelrör 3, ett värmeelement 4 som omgav ugnskärnpipan, öppningar 8 och 9 för att mata gas in i ugnen, och övre lock A 15 och B 16 för att täta ugns- kroppen. Vid kylningstidpunkten hölls ugnen i ett vakuum eller en tryckre- ducera atmosfär, eller inert gas cirkulerades i ugnskroppen under ett ugns- tryck som inte var mindre än 104 Pa med en tvångskylenhet 19 och pumpar 10 och 11 för att cirkulera inert gas i ugnen. I exempel 1 hölls insidan av ugnen vid 400°C genom en temperaturövervakningsenhet 21. Ugnen tätades med ett det övre locket B 16. Samtidigt som det övre locket B öppnades och preformen placerades i ugnen tätades ugnen med det övre locket A 15 fast- satt på det övre partiet av groddstaven 14. Ugnstrycket reducerades sedan till 10 Pa med pumparna 10 och 11 och ugnstemperaturen ökades med en takt på 10°C/min. Insidan av ugnen värmdes upp till 1300°C och hölls vid 1300°C under 240 minuter så att gasen som adsorberats i den sammansatta glas-preformen avlägsnades tillräckligt. Ugnstemperaturen höjdes vidare till ett intervall från 1500 till 1600°C vid en takt på 3°C / min och hölls där un- der 10 minuter. Sedan stoppades uppvärmningen med värmeelementet och inert gas fördes in i ugnen med tvångskylenheten. Efter det att trycket på insidan av ugnen ökat till 105 Pa genom den inerta gasen cirkulerades den inerta gasen i ugnen genom tvångskylenheten för att kyla ugnen. Vid tid- punkten när ugnstemperaturen nått 400°C stoppades cirkulationen av inert gas i ugnen och groddstaven 14 lyftes upp tillsammans med det övre locket 520 429 i.. J.

A. Ugnen tätades sedan med det övre locket B 16. Glaspreformen som togs ut utsattes för dragning. Som ett resultat därav erhölls en utmärkt fiber med en förlust på mindre 0,335 dB/km vid 1,3 pm och 0,195 dB/km vid 1,55 pm.

Exempel 2 En porös glaspreform som förberetts genom ett VAD-förfarande och med en diameter på 150 mm och ett skrymdensitet på 0,7 g/cms avgasades och konsoliderades med samma apparatkonfiguration som i exempel 1. Insidan av ugnen hölls vid 400°C genom temperaturövervakningsenheten 21 och ug- nen tätades med det övre locket B16. Samtidigt som det övre locket B öpp- nades och den porösa glaspreformen placerades i ugnen tätades ugnen ge- nom det övre locket A 15 fastsatt på det övre partiet av groddstaven 14.

Ugnstrycket reducerades sedan till 10 Pa med pumparna 10 och 11 och ugnstemperaturen ökades i en takt på 10°C/min. Insidan av ugnen värmdes upp till 1300°C och hölls vid l300°C under 210 minuter så att gasen som adsorberats i processen avlägsnades tillräckligt. Ugnstemperaturen höjdes vidare till ett intervall från 1500 till 1600°C vid en takt på 3°C/ min och hölls där under 10 minuter. Uppvärmningen av värmeelementet stoppades sedan och inert gas infördes i ugnen. Efter att trycket inuti ugnen ökat till 105 Pa genom den inerta gasen cirkulerades den inerta gasen i ugnen med tvångs- kylenheten för att kyla ugnen. Vid tidpunkten när ugnstemperaturen nått 400°C stoppades cirkulationen av inert gas i ugnen och groddstaven 14 lyf- tes upp tillsammans med det övre locket A. Som ett resultat därav erhölls en glaspreform med utmärkt genomsynlighet. Även om exemplen 1 och 2 har visat fallet där vilotemperaturen är 400°C, ligger den effektiva vilotemperaturen från 200 till 1000°C, företrädesvis från 300 till 700°C. Även om exemplen 1 och 2 har visat fallet där en sammansatt glaspreform och en porös glaspreform som båda har tillverkats genom ett VAD-förfarande 520 429 - f | , i v 10 så kan samma effekt som i exemplen 1 och 2 erhållas även i fall där den sammansatta glaspreformen och den porösa glaspreformen tillverkas med andra förfaranden till exempel ett OVD-förfarande, ett sol-gel-förfarande etc.

Vidare kan samma effekt erhållas också i de fall där den sammansatta glas- preformen och den porösa glaspreformen framställs av glaspartiklar genom formning eller tryckformning. Även om exemplen 1 och 2 har visat fallet där avgasningstemperaturen är l300°C, ligger den effektiva avgasningstemperaturen i ett intervall från 900 till 1350°C, företrädesvis från 1200 till 1300°C.

Jämförande exempel 1 En övergångsglaspreform drogs ut för att förbereda en startglasstav på 18 mm. En porös glaspreform med en yttre diameter på 150 mm syntetiserades på den yttre Omkretsen av staven genom ett VAD-förfarande för att framstäl- la en sammansatt glaspreform med en skrymdensítet på 0,8 g/ cm3. Prefor- men konsolíderades i en vakuumkonsolideringsugn enligt konfigurationen i den föreliggande uppfinningen. Vakuumkonsolideringsugnen 2 hade ett muffelrör 3, ett värmeelement 4 som omgav ugnskärnpipan, öppningar 8 och 9 för att mata gas in i ugnen, och övre lock A 15 och B 16 för att täta ugns- kroppen. Vid kylningstidpunkten hölls ugnen i ett vakuum eller en tryckre- ducerad atmosfär, eller inert gas cirkulerades i ugnskroppen under ett ugns- tryck som inte var mindre än 104 Pa med en tvångskylenhet 19 och pumpar 10 och 11 för att cirkulera inert gas i ugnen. I det jämförande exemplet 1 hölls insidan av ugnen vid 400°C genom en temperaturövervakningsenhet 21 och ugnen tätades med det Övre locket B 16. Samtidigt som det övre locket B öppnades och den sammansatta glaspreformen placerades i ugnen tätades ugnen med det övre locket A 15 fastsatt på det övre partiet av groddstaven 14. Ugnstrycket reducerades sedan till 10 Pa med pumparna 10 och 11 och ugnstemperaturen ökades med en takt på 10°C / min. Insidan av ugnen värmdes upp till 1300°C och hölls vid 1300°C under 60 minuter så att gasen som adsorberats i den sammansatta glas-preformen avlägsnades tillräckligt. 520 429 11 Vidare, 20 minuter efter att ugnstemperaturen höjdes till ett intervall från 1500 l600°C vid en takt av 3°C / min uppstod problem att glaspreformen ex- panderade så mycket att den fastnade på muffelröret. Detta problem ansågs ha inträffat eftersom varaktigheten på 60 minuter vid vilken temperaturen 1300°C vidmakthölls var för kort och som ett resultat därav påverkades ga- sen som var kvar i glaset i glaspreformen att expandera genom uppvärm- ningstemperaturen för att förglasa glaspreformen.

Jämförande exempel 2 En övergångsglaspreform drogs ut för att förbereda en startglasstav på 18 mm. En porös glaspreform med en yttre diameter på 150 mm syntetiserades på den yttre Omkretsen av staven genom ett VAD-förfarande för att framstäl- la en sammansatt glaspreform med en skrymdensitet på 0,5 g/cms. Den sammansatta glaspreformen kunde emellertid inte framställas som en pro- dukt eftersom sprickning inträffade i ytan av den sammansatta glasprefor- men i produktionsprocessen.

Enligt förfarandet i den föreliggande uppfinningen utförs avgasningssteget, som är ett första steg, samtidigt som avgasningstiden ändras i överens- stämmelse med skrymdensitet för en porös glaspreform som användes. Av- gasningen vid preformning kan följaktligen åstadkommas effektivt så att en högkvalitativ genomskinlig glassubstans kan erhållas. Även om uppfinningen har beskrivits i detalj och med hänvisning till specifi- ka exempel därav skall förstås av fackmannen att olika förändringar och modifieringar kan göras utan att avvika från uppfinningens omfattning.

Claims (1)

1. 520 429 12 Patentkrav Ett förfarande för att framställa en glaspreform genom syntetisering av en porös glaspreform (1) genom ett gasfassyntesförfarande och upp- värmning av den porösa glaspreformen i ett vakuum eller i en tryckre- ducerad atmosfär för att konsolidera den porösa glaspreformen (1), vil- ket ínnefattar följande steg: ett första steg för att avgasa den porösa glaspreformen (1) och därige- nom avlägsna gas som adsorberats eller inneslutits däri; ett andra steg för att temporärt sammandra den porösa glaspreformen (1) vid en temperatur som är högre än temperaturen i det första steget och lägre än en konsolideringstemperatur; och ett tredje steg för att konsolidera den porösa glaspreformen (1) vid kon- solideringstemperaturen, kännetecknad av att det första steget utförs så att avgasningstiden ändras i överensstämmelse med skrymdensiteten för den porösa glaspreformen (1) varvid avgasningen av den porösa gla- spreformen utförs över en tidsperiod som fastställs av sambandet mel- lan en avgasningstid och skrymdensiteten för en porös glaspreform (1): Avgasningstid (minuter) = A x skrymdensitet (g/cm3) där A är från 201 till 340. Förfarande för att framställa en glaspreform enligt patentkrav 1, i vilket avgasningen utförs i en temperatur från 900 till 1350°C. Förfarande för att framställa en glaspreform enligt patentkrav 1 eller 2, i vilket skrymdensiteten för den porösa glaspreformen (1) inte är lägre än 0,6 g /cm3.