WO2014147125A1 - Vorrichtung und verfahren zur hydrothermalen herstellung von quarzkristallen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur hydrothermalen herstellung von quarzkristallen Download PDF

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WO2014147125A1
WO2014147125A1 PCT/EP2014/055507 EP2014055507W WO2014147125A1 WO 2014147125 A1 WO2014147125 A1 WO 2014147125A1 EP 2014055507 W EP2014055507 W EP 2014055507W WO 2014147125 A1 WO2014147125 A1 WO 2014147125A1
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quartz
germ
plate
region
interior
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PCT/EP2014/055507
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English (en)
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Inventor
Frank-Peter Ludwig
Original Assignee
Qsil Gmbh Quarzschmelze Ilmenau
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B7/00—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions
    • C30B7/10—Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions by application of pressure, e.g. hydrothermal processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C1/00—Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels
    • C03C1/02—Pretreated ingredients
    • C03C1/022—Purification of silica sand or other minerals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/18—Quartz

Definitions

  • the invention relates to a device for the hydrothermal production of quartz crystals, comprising an autoclave, which has an interior for receiving an alkaline solution, a receiving area arranged in a lower area in the interior for receiving quartz raw material and a germ area arranged above the receiving area Germination at least one seed plate designed as a seed element for the attachment of quartz is arranged by means of a plurality of holding elements.
  • the invention further relates to a process for the hydrothermal production of quartz crystals, in which an alkaline solution is introduced into an interior of an autoclave, quartz raw material is introduced into a receiving region arranged in a lower region of the interior and the interior is heated by means of at least one heating element
  • At least one seed element designed as a seed plate for the attachment of quartz is arranged by means of a plurality of holding elements.
  • the invention relates to a method for producing quartz sand and a method for producing quartz glass.
  • quartz crystals are prepared from a sodium hydroxide solution (NaOH) in the presence of lithium nitrate (LiNO 3) at temperatures of 350 ° C. and pressures of up to 200 MPa and a temperature gradient of 50 K.
  • the starting material is quartz glass waste.
  • the generated quartz crystals have a sodium content of 1.1 ppm.
  • RU 2 057 210 C1 discloses a process for producing quartz crystals under hydrothermal conditions from a sodium hydroxide solution having 3.5% by mass to 5.0% by mass.
  • the quartz crystals are prepared on rod-shaped, along the crystallographic Y-direction expanded germs under variation of the temperature gradient during the growth phase of the quartz crystals. In this case, a growth of the quartz crystals is generated, which proceeds due to the use of the extended along the Y-direction rod-shaped nucleus to form trigonal and hexagonal prisms.
  • JP 2002 137 999 A are an apparatus and a method for
  • the device comprises a heatable autoclave which has a lower receiving area for quartz raw material and an upper germ area. In the germ area several ZX germ plates are arranged. To prepare the quartz crystals, a 3% to 5% alkaline solution and the quartz raw material are introduced into the receiving area and the autoclave is heated in such a way that Germination range, a temperature of 300 ° C to 400 ° C prevails. Furthermore, the process is carried out at a pressure of 78 MPa to 147 MPa.
  • the invention is based on the object, a comparison with the prior art improved apparatus for the hydrothermal production of
  • the invention is further based on the object of specifying a method for producing quartz sand and a method for producing quartz glass.
  • the object is achieved by the features specified in claim 1 and in terms of the method for hydrothermal production by the features specified in claim 7.
  • the object is achieved by the features specified in claim 8 and in terms of the method for the production of quartz glass by in the
  • the device for the hydrothermal production of quartz crystals comprises an autoclave, which has an interior for receiving an alkaline solution, one arranged in a lower region in the interior
  • Profile elements on opposite longitudinal sides of the germ plate are arranged and each profile element has a groove for fully receiving a lateral edge region of the respective longitudinal side of the germ plate.
  • the embodiment of the holding elements according to the invention makes possible a significant simplification in the removal of the holding elements from the produced quartz crystal, in particular in comparison with holding elements formed from metallic wires, since this can be separated particularly easily from the holding devices.
  • the metallic wires are very expensive to remove and a risk of damage in the field of wire attachment is great.
  • the holding elements according to the solution according to the invention are suitable for multiple use, so that a material and cost in the production of quartz crystals are minimized.
  • due to the arrangement of the longitudinal sides of the germ plate in the grooves extending substantially parallel to a vertical axis of the autoclave a growth of the quartz crystal in the direction of the holding elements
  • a ZY germ plate runs a
  • Extension of the longitudinal sides in the Y direction is greater than an extension of lateral sides in the X direction of this coordinate system.
  • the crystallographic coordinate system is the well-known and known
  • the ZY germination plate is formed depending on the orientation and dimensions of the germ plate from an original quartz crystal.
  • the germ plate is arranged in such a way in the profile elements that extend in the grooves of the profile elements arranged lateral edge regions of the longitudinal sides in the Y direction and limit the germ plate in the X direction.
  • Impurities, in particular alkalis are incorporated in the growing quartz crystal primarily in so-called trigonal ⁇ + X> prisms and so-called ⁇ -X> prisms. In other words, the incorporation of the impurities takes place primarily in the X direction aligned sides of the germ plate.
  • the quartz crystals produced by means of the device according to the invention have a significantly lower content of impurities compared with the prior art and thus a significantly increased purity.
  • quartz crystals with particularly high purity can be produced, which can be used as starting material for the production of particularly pure quartz glass.
  • an expense for subsequent chemical cleaning of the quartz crystals or of a quartz sand produced therefrom can at least be reduced or completely eliminated.
  • Transverse extension of the profile elements in the Z direction at least one thickness of a quartz crystal to be generated.
  • growth of the quartz crystal in the X direction throughout the growth time is avoided.
  • a width of the grooves corresponds in particular to an expansion of the germ plate in the Z direction, so that a secure hold of the germ plate within the grooves can be realized.
  • the lateral edge regions of the longitudinal sides are each non-positively and / or positively, in particular clamped, arranged in the associated groove, so that a secure hold of the germ plate within the grooves can be realized.
  • plastic in particular polytetrafluoroethylene.
  • Residue-free solubility of the quartz crystal which results from a particularly low adhesion of the polytetrafluoroethylene, this is characterized in addition by a high inertness and resistance to all bases, alcohols, ketones, gasolines, oils and against the alkaline solution used. Also, due to the use of the plastic, in particular of
  • an alkaline solution is introduced into an interior of an autoclave. Furthermore, in a arranged in a lower region of the interior
  • Receiving area introduced quartz raw material and by means of at least one heating element, the interior is heated.
  • the interior space above the receiving area in a germination at least one as a germ plate
  • each holding element formed from one profile element each are arranged for holding on opposite longitudinal sides of the germ plate such that a lateral edge region of the respective longitudinal side of the germ plate is arranged in a groove.
  • the interior is heated in such a way and an overpressure is generated, that in a lower region of the interior quartz is dissolved out of the quartz raw material in the alkaline solution, conducted into the germ region by means of a convection flow and subsequently crystallized in the germ region on the at least one germ plate.
  • the inventive method allows in a particularly advantageous manner, a significant simplification in the removal of the holding elements of the quartz crystal produced, since it can be particularly easily separated from the holding devices. Further, growth of the quartz crystal toward the holding members is inhibited, so that quartz crystals having particularly high purity can be produced.
  • the method according to the invention for the production of quartz sand comprises the step of producing quartz crystals after the
  • the process according to the invention for the production of quartz crystals and its developments and the process step of a subsequent comminution of the quartz crystals to quartz sand. Due to the quartz crystals obtained in the hydrothermal preparation process according to the invention, the quartz sand produced from these quartz crystals is likewise distinguished by a particularly high purity.
  • the method according to the invention for the production of quartz glass comprises the method step of producing quartz crystals after
  • quartz glass by means of the inventive method against quartz glass made of synthetic quartz sand is significant
  • Synthetic quartz sand is produced in chemical processes. Embodiments of the invention are described below with reference to
  • FIG. 3 schematically shows a section of a device according to the invention for the hydrothermal production of quartz crystals
  • FIG. 4 schematically shows a section of the device according to FIG. 3 in FIG.
  • FIG. 5 schematically shows a perspective view of the germ element and its holding elements according to FIG. 4,
  • FIG. 6 schematically shows a representation of a seed element according to FIG. 6
  • FIG. 7 schematically shows a perspective view of a section of the
  • FIG. 1 shows a ZY germ plate ZYK in the three-dimensional crystallographic coordinate system.
  • the normal direction of flat sides of the ZY seed plate ZYK is perpendicular to the flat sides and parallel to the Z direction Z of the three-dimensional crystallographic coordinate system.
  • the extent of the ZY germ plate ZYK in the Y direction Y is made larger than the extent in the X direction X.
  • Typical dimensions of such a ZY ZYK seed plate are X 70 mm in the X direction, Y 210 mm in the Y direction and 1 mm in the Z direction Z.
  • Figure 2 shows a section of a device 1 for hydrothermal
  • the device 1 comprises in a manner not shown an autoclave having an interior for receiving an alkaline solution, a arranged in a lower region in the interior receiving area of
  • quartz raw material and heating elements not shown for heating the interior.
  • a plurality of layers of seed elements for the attachment of quartz are arranged above the receiving region in a germ region.
  • the heating elements of the interior is heated so that adjusts a temperature gradient between the receiving area and the germ area.
  • the heating elements are arranged outside the autoclave and / or in the interior. In this case, a first temperature in the receiving area is greater than a second temperature in the germ area.
  • the temperature gradient in the interior causes the quartz raw material is dissolved in the receiving area, passes through a convection flow in the upper germ region and crystallized in this colder germ area at the seed elements in the layers.
  • the germ elements are in the illustrated embodiment according to the prior art in each case by means of four, formed of metallic wires
  • Holding elements 1.1 to 1.4 fixed to a support frame 1.5, which are each guided by a bore of the seed elements.
  • a different number of retaining elements 1.1 to 1.4 is provided according to the prior art and / or the holding elements 1.1 to 1.4 according to the prior art are formed of metallic brackets.
  • a disadvantage of both embodiments of the holding elements 1.1 to 1.4 is that thereby metallic impurities, especially iron, in the alkaline solution and the
  • the prior art holding elements 1.1 to 1.4 allow growth of the quartz crystal in all directions of the crystallographic coordinate system.
  • growth surfaces of the artificial quartz crystals are particularly prone to the incorporation of foreign elements, in particular of alkalis.
  • Such impurities are incorporated in the growing quartz crystal primarily in so-called trigonal ⁇ + X> prisms and so-called ⁇ -X> prisms.
  • the incorporation of the impurities takes place primarily in the X direction aligned sides of the ZY germplate.
  • FIG. 3 shows a section of a possible exemplary embodiment of a device 2 according to the invention for the hydrothermal production of quartz crystals 3 shown in greater detail in FIGS. 6 and 7.
  • the device 2 comprises an autoclave 2.1, which has an interior I for receiving an alkaline solution L and a receiving region AB arranged in a lower region in the interior I for accommodating
  • the alkaline solution L is, for example, a sodium hydroxide solution in which lithium nitrate, in particular in a concentration of 0.01 N, is introduced.
  • the temperature of the crystallization is in particular 400 ° C and the pressure is in particular 140 MPa, with a constant temperature gradient between the zone of growth of the crystals and the zone of dissolution of the raw material.
  • the seed elements 2.2 to 2.13 are fastened to a support frame 2.15 by means of two holding elements 2.14 respectively formed from one profile element.
  • the profile elements are arranged on opposite longitudinal sides of the respective Z Y germination plate ZYK.
  • each profile element has a groove 2.14.1 shown in more detail in FIGS. 5 and 6, wherein a
  • Transverse extent Q of the profile elements in the Z direction Z at least one thickness of the quartz crystal 3 to be produced.
  • Device 2 produced quartz crystal 3 shown, which are grown under otherwise identical conditions in the same growth cycle.
  • the proportions of the impurities aluminum, iron, lithium and sodium are given in parts per million (ppm).
  • the quartz raw material QRM is introduced into a perforated steel basket 2.16.
  • the quartz raw material QRM is, for example, what is known as transition quartz.
  • a permeable partition wall 2.17 is mounted, which subdivides the autoclave .1 into the receiving area AB and the seed area KB: the seed area KB represents the zone of crystal growth and the receiving area AB the zone of dissolution of the quartz raw material QRM in the alkaline solution L dar.
  • Holding elements 2.14 arranged seed elements introduced 2.2 to 2.13, wherein the ZY seed plates ZYK formed as seed elements 2.2 to 2.13 are arranged above a partition wall 2.17 and below an upper closure 2.18.
  • the interior I is filled with the alkaline solution L.
  • a not shown upper and lower heating element are provided for heating the interior I, d. H. all located in the interior I solutions and objects.
  • thermocouples 2.19 An overpressure generated within the interior I is monitored by means of a manometer 2.20.
  • the quartz raw material QRM dissolves in the receiving region AB in the solution L.
  • a constant is preferably achieved
  • Receiving area AB greater than the second temperature T2 in the range of Germ elements 2.2 to 2.13 is selected.
  • the constancy of the temperature gradient during the entire growth phase allows the maintenance of a constant growth rate of the quartz crystals 3, whereby the process time can be minimized and improves the economics of crystal growth.
  • the temperature T2 in the seed area KB is set in the range of 400 ° C. Furthermore, an overpressure of about 140 MPa in the interior I is set.
  • FIG. 4 shows a detail of the device 2 according to FIG. 3 in the region of a germ element 2.2 and its holding elements 2.14.
  • Figure 5 is a
  • the holding elements 2.14 are formed as profile elements made of plastic.
  • the plastic used for example polytetrafluoroethylene, is under the hydrothermal conditions of the process during crystallization, d. H. at temperatures of up to 400 ° C, pressures of about 140 MPa and in the environment of the alkaline solution L sufficiently chemically and mechanically stable.
  • the profile elements in such a configuration after the growth process of the respective quartz crystal 3 can be solved easily and without residue of this.
  • Grooves 2.14.1 preferably corresponds to an expansion of the germ plate in the Z direction Z, so that the lateral edge regions of the longitudinal sides of the
  • Germ plates are each non-positively and / or positively arranged in the associated groove 2.14.1.
  • a depth of the respective groove 2.14.1 is formed such that the germ plate is held sufficiently stable. The depth is not unnecessarily large, so that an area of the germ plate is minimized.
  • An advantageous depth of the groove 2.14.1 is for example 1 mm.
  • the ZY germination plates ZYK are at their two long sides by the
  • Profile elements within the support frame 2.15 held in the autoclave 2.1 are within the support frame 2.15 held in the autoclave 2.1.
  • the support frame 2.15 and the profile elements in a manner not shown on preferably mutually corresponding formations, which is a simple installation of the profile elements with the ZY germ plates ZYK on the support frame 2.15 and secure attachment of the profile elements on
  • Support frame 2.15 allow.
  • the formations are, for example, designed such that so-called inserts for receiving the profile elements in the support frame 2.15 are provided.
  • the profile elements have a suitable thickness in order to provide a sufficiently high mechanical stability despite the introduced groove 2.14.1. Furthermore, a transverse extent Q of the profile elements in the Z direction Z corresponds to at least one thickness of the quartz crystal 3 to be produced, as shown in FIG. 6, so that its growth in the X direction is prevented during the entire growth phase.
  • Germ elements 2.2 to 2.13 on the holding elements 2.2 to 2.13 and within the autoclave 2.1 is easy and quick to implement.
  • FIG. 6 shows a representation of a quartz crystal 3 in the crystallographic coordinate system generated from the seed element according to FIG. 3 and arranged on the holding elements 2.14.
  • the transverse extent Q of Profile elements in the Z direction Z is greater than the thickness of the quartz crystal 3. Growth of the quartz crystal 3 in the X direction X was completely prevented.
  • the generated quartz crystal 3 has on its longitudinal sides in each case one of the respective groove 2.14.1 corresponding shaping 3.1, 3.2.
  • FIG. 7 shows a section of the quartz crystal 3 according to FIG. 6 in a perspective view.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen (3), umfassend einen Autoklav (2.1), welcher einen Innenraum (I) zur Aufnahme einer alkalischen Lösung (L), einen in einem unteren Bereich in dem Innenraum (I) angeordneten Aufnahmebereich (AB) zur Aufnahme von Quarzrohmaterial (QRM) und einen oberhalb des Aufnahmebereichs (AB) angeordneten Keimbereich (KB) aufweist, wobei innerhalb des Keimbereichs (KB) zumindest ein als Keimplatte ausgebildetes Keimelement (2.2 bis 2.13) zur Anlagerung von Quarz mittels mehrerer Halteelemente (2.14) angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind jeweils zwei aus jeweils einem Profilelement gebildete Halteelemente (2.14) zur Halterung einer Keimplatte vorgesehen, wobei die Profilelemente an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Keimplatte angeordnet sind und jedes Profilelement eine Nut (2.14.1) zur vollständigen Aufnahme eines seitlichen Randbereichs der jeweiligen Längsseite der Keimplatte aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen (3), ein Verfahren zur Herstellung von Quarzsand und ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglas.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen, umfassend einen Autoklav, welcher einen Innenraum zur Aufnahme einer alkalischen Lösung, einen in einem unteren Bereich in dem Innenraum angeordneten Aufnahmebereich zur Aufnahme von Quarzrohmaterial und einen oberhalb des Aufnahmebereichs angeordneten Keimbereich aufweist, wobei innerhalb des Keimbereichs zumindest ein als Keimplatte ausgebildetes Keimelement zur Anlagerung von Quarz mittels mehrerer Halteelemente angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen, wobei in einen Innenraum eines Autoklavs eine alkalische Lösung eingebracht wird, in einen in einem unteren Bereich des Innenraumes angeordneten Aufnahmebereich Quarzrohmaterial eingebracht wird und mittels zumindest eines Heizelements der Innenraum beheizt wird, wobei in dem
Innenraum oberhalb des Aufnahmebereichs in einen Keimbereich zumindest ein als Keimplatte ausgebildetes Keimelement zur Anlagerung von Quarz mittels mehrerer Halteelemente angeordnet wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Quarzsand und ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglas.
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass eine Verwendung künstlicher Quarz -Einkristalle mit hoher Konzentration an Alkalien bei der Herstellung von besonders reinem Quarzglas problematisch ist. Bei der
Herstellung von Quarzglas aus künstlichen Quarzkristallen führt bereits das Vorhandensein geringer Spuren von Alkalien zu so genannten Entglasungen sowie zu Verformungen aufgrund einer verringerten Viskosität. Die Herstellung transparenter Quarzgläser mit niedrigem Alkaligehalt aus künstlichem Quarzkristall bedingt einen hohen Aufwand bei der Reinigung des aus künstlichem Quarz gebildeten Rohstoffs, welche mit Belastungen der Umwelt verbunden sind.
Zur Herstellung von künstlichen Quarzkristallen sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren zur hydrothermalen Züchtung von Quarzkristallen sind aus der US 5,135,603 A bekannt. Dabei werden die Quarzkristalle aus einer Natriumhydroxid-Lösung (NaOH) unter Anwesenheit von Lithiumnitrat (LiN03) bei Temperaturen von 350°C und Drücken bis 200 MPa und einem Temperaturgradient von 50 K hergestellt. Als Ausgangsstoff dienen Quarzglas-Abfälle. Die erzeugten Quarzkristalle weisen einen Natriumgehalt von 1.1 ppm auf.
Die RU 2 057 210 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Quarzkristallen unter hydrothermalen Bedingungen aus einer Natriumhydroxid-Lösung mit 3,5 Masse% bis 5,0 Masse%. Dabei werden die Quarzkristalle auf stabförmigen, entlang der kristallografischen Y-Richtung ausgedehnten Keimen unter Variation des Temperaturgradienten während der Wachstumsphase der Quarzkristalle hergestellt. Es wird dabei ein Wachstum der Quarzkristalle erzeugt, welches aufgrund der Verwendung des entlang der Y-Richtung ausgedehnten stabförmigen Keimes unter Bildung von trigonalen und hexagonalen Prismen verläuft.
Aus der JP 2002 137 999 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Herstellung eines künstlichen Quarzkristalls offenbart. Die Vorrichtung umfasst einen beheizbaren Autoklav, welcher einen unteren Aufnahmebereich für Quarzrohmaterial und einen oberen Keimbereich aufweist. Im Keimbereich sind mehrere ZX-Keimplatten angeordnet. Zur Herstellung der Quarzkristalle werden eine 3%ige bis 5%ige alkalische Lösung und das Quarzrohmaterial in den Aufnahmebereich eingebracht und der Autoklav wird derart beheizt, dass im Keimbereich eine Temperatur von 300°C bis 400°C herrscht. Weiterhin wird das Verfahren bei einem Druck von 78 MPa bis 147 MPa durchgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur hydrothermalen Herstellung von
Quarzkristallen und ein verbessertes Verfahren zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Quarzsand und ein Verfahren zur Herstellung von Quarzglas anzugeben.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens zur hydrothermalen Herstellung durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung von Quarzsand wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung von Quarzglas durch die im
Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Vorrichtung zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen umfasst einen Autoklav, welcher einen Innenraum zur Aufnahme einer alkalischen Lösung, einen in einem unteren Bereich in dem Innenraum angeordneten
Aufnahmebereich zur Aufnahme von Quarzrohmaterial und einen oberhalb des Aufnahmebereichs angeordneten Keimbereich aufweist, wobei innerhalb des Keimbereichs zumindest ein als Keimplatte ausgebildetes Keimelement zur Anlagerung von Quarz mittels mehrerer Halteelemente angeordnet ist.
Erfindungsgemäß sind jeweils zwei aus jeweils einem Profilelement gebildete Halteelemente zur Halterung einer Keimplatte vorgesehen, wobei die
Profilelemente an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Keimplatte angeordnet sind und jedes Profilelement eine Nut zur vollständigen Aufnahme eines seitlichen Randbereichs der jeweiligen Längsseite der Keimplatte aufweist.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Halteelemente ermöglicht insbesondere gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten, aus metallischen Drähten gebildeten Halteelementen eine signifikante Vereinfachung bei der Entfernung der Halteelemente vom erzeugten Quarzkristall, da dieser besonders einfach von den Haltevorrichtungen getrennt werden kann. Demgegenüber sind die metallischen Drähte nur sehr aufwändig entfernbar und eine Gefahr von Beschädigungen im Bereich der Drahtbefestigung ist groß. Weiterhin eignen sich die Haltelemente gemäß der erfindungsgemäßen Lösung zu einer mehrfachen Verwendung, so dass ein Material- und Kostenaufwand bei der Herstellung der Quarzkristalle minimiert sind. Ferner wird aufgrund der Anordnung der Längsseiten der Keimplatte in den sich im Wesentlichen parallel zu einer Hochachse des Autoklavs erstreckenden Nuten ein Wachstum des Quarzkristalls in Richtung der Halteelemente
unterbunden.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind Flächen der Keimplatte im
kristallografischen Koordinatensystem derart ausgerichtet, dass die Keimplatte eine ZY-Keimplatte ist. Bei einer derartigen ZY-Keimplatte verläuft eine
Normalenrichtung senkrecht zu einer Flachseite der ZY-Keimplatte in Z-Richtung des dreidimensionalen kristallografischen Koordinatensystems und eine
Ausdehnung der Längsseiten in Y-Richtung ist größer als eine Ausdehnung von Querseiten in X-Richtung dieses Koordinatensystems. Bei dem kristallografischen Koordinatensystem handelt es sich um das allgemein bekannte und zur
Beschreibung von Quarzkristallen übliche Koordinatensystem. Die ZY- Keimplatte entsteht dabei in Abhängigkeit davon, in welcher Orientierung und mit welchen Maßen die Keimplatte aus einem Ursprungs-Quarzkristall geschnitten wird. Die Keimplatte ist dabei derart in den Profilelementen angeordnet, dass sich die in den Nuten der Profilelemente angeordneten seitlichen Randbereiche der Längsseiten in Y-Richtung erstrecken und die Keimplatte in X-Richtung begrenzen. Verunreinigungen, insbesondere Alkalien, werden im wachsenden Quarzkristall vorrangig in so genannten trigonalen <+X>-Prismen und so genannten <-X>- Prismen eingelagert. Mit anderen Worten: Die Einlagerung der Verunreinigungen findet vorrangig in den in X-Richtung ausgerichteten Seiten der Keimplatte statt. Aufgrund der Anordnung der Längsseiten der Keimplatte in den Nuten der Halteelemente wird ein Wachstum des Quarzkristalls in X-Richtung unterbunden. Daraus resultiert weiterhin, dass die Einlagerung von Verunreinigungen in den Quarzkristall verringert wird. Somit weisen die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Quarzkristalle einen gegenüber dem Stand der Technik signifikant geringeren Gehalt an Verunreinigungen und somit eine deutlich erhöhte Reinheit auf. Somit können Quarzkristalle mit besonders hoher Reinheit erzeugt werden, welche als Ausgangsstoff zur Herstellung von besonders reinem Quarzglas verwendet werden können. Somit kann ein Aufwand zu einer nachträglichen chemischen Reinigung der Quarzkristalle oder eines daraus erzeugten Quarzsandes zumindest verringert werden oder vollständig entfallen.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung entspricht eine
Querausdehnung der Profilelemente in Z-Richtung zumindest einer Dicke eines zu erzeugenden Quarzkristalls. Somit wird ein Wachstum des Quarzkristalls in X- Richtung während der gesamten Wachstumszeit vermieden.
Ferner entspricht eine Breite der Nuten insbesondere einer Ausdehnung der Keimplatte in Z-Richtung, so dass ein sicherer Halt der Keimplatte innerhalb der Nuten realisierbar ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind die seitlichen Randbereiche der Längsseiten jeweils kraft- und/oder formschlüssig, insbesondere geklemmt, in der zugehörigen Nut angeordnet, so dass ein sicherer Halt der Keimplatte innerhalb der Nuten realisierbar ist. Um ein einfaches Entfernen der Profilelemente nach dem Abschluss des
Wachstums des Quarzkristalls sicherzustellen, sind diese aus Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen, gebildet. Neben der leichten und
rückstandsfreien Lösbarkeit vom Quarzkristall, welche aus einer besonders geringen Haftung des Polytetrafluorethylen resultiert, zeichnet sich dieses zusätzlich durch eine hohe Reaktionsträgheit und Beständigkeit gegen alle Basen, Alkohole, Ketone, Benzine, Öle und gegen die verwendete alkalische Lösung aus. Auch wird aufgrund der Verwendung des Kunststoffes, insbesondere von
Polytetrafluorethylen, gegenüber der Verwendung von metallischen
Haltelementen ein Eintrag von metallischen Fremdstoffen, insbesondere von Eisen, in die alkalische Lösung und den Quarzkristall vermieden.
In dem Verfahren zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen wird in einen Innenraum eines Autoklavs eine alkalische Lösung eingebracht. Weiterhin wird in einen in einem unteren Bereich des Innenraumes angeordneten
Aufnahmebereich Quarzrohmaterial eingebracht und mittels zumindest eines Heizelements wird der Innenraum beheizt. In dem Innenraum wird oberhalb des Aufnahmebereichs in einen Keimbereich zumindest ein als Keimplatte
ausgebildetes Keimelement zur Anlagerung von Quarz mittels mehrerer
Halteelemente angeordnet.
Erfindungsgemäß werden jeweils zwei aus jeweils einem Profilelement gebildete Halteelemente zur Halterung an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Keimplatte derart angeordnet werden, dass ein seitlicher Randbereich der jeweiligen Längsseite der Keimplatte in einer Nut angeordnet wird. Zusätzlich wird der Innenraum derart beheizt und es wird ein Überdruck erzeugt, dass in einem unteren Bereich des Innenraumes Quarz aus dem Quarzrohmaterial in der alkalischen Lösung gelöst wird, mittels einer Konvektionsströmung in den Keimbereich geleitet wird und anschließend im Keimbereich an der zumindest einen Keimplatte kristallisiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei in besonders vorteilhafter Weise eine signifikante Vereinfachung bei der Entfernung der Halteelemente vom erzeugten Quarzkristall, da dieser besonders einfach von den Haltevorrichtungen getrennt werden kann. Ferner wird ein Wachstum des Quarzkristalls in Richtung der Halteelemente unterbunden, so dass Quarzkristalle mit besonders hoher Reinheit hergestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Quarzsand umfasst den Verfahrensschritt der Herstellung von Quarzkristallen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Quarzkristallen und dessen Weiterbildungen und den Verfahrensschritt einer anschließenden Zerkleinerung der Quarzkristalle zu Quarzsand. Aufgrund der in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur hydrothermalen Herstellung gewonnenen Quarzkristalle zeichnet sich der aus diesen Quarzkristallen hergestellte Quarzsand ebenfalls durch eine besonders hohe Reinheit aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Quarzglas umfasst den Verfahrensschritt der Herstellung von Quarzkristallen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Quarzkristallen und dessen Weiterbildungen und den Verfahrensschritt einer anschließenden Zerkleinerung der Quarzkristalle zu Quarzsand. Weiterhin ist der Verfahrensschritt der
Umwandlung des Quarzsandes in Quarzglas vorgesehen, wobei bei dieser Umwandlung der Quarzsand bis zum Erreichen seiner Schmelztemperatur erhitzt und anschließend zumindest bis zur Unterschreitung der Schmelztemperatur gekühlt wird. Mittels dieses Verfahrens sind aus dem sehr reinen Quarzsand sehr reine Quarzgläser herstellbar, welche sich durch eine minimierte Anzahl an Einschlüssen auszeichnen. Dieses reine Quarzglas eignet sich besonders für anspruchsvolle Anwendungen, beispielweise für optische Anwendungen.
Weiterhin ist das Quarzglas mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber aus synthetischem Quarzsand hergestelltem Quarzglas mit signifikant
verringertem Kostenaufwand herstellbar. Synthetischer Quarzsand wird dabei in chemischen Verfahren hergestellt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von
Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figur 1 schematisch eine ZY-Keimplatte im kristallografischen
Koordinatensystem,
Figur 2 schematisch einen Ausschnitt einer Vorrichtung zur hydrothermalen
Herstellung von Quarzkristallen im Bereich eines Keimelements nach dem Stand der Technik,
Figur 3 schematisch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen,
Figur 4 schematisch einen Ausschnitt der Vorrichtung gemäß Figur 3 im
Bereich eines Keimelements und dessen Halteelemente,
Figur 5 schematisch eine perspektivische Darstellung des Keimelements und dessen Halteelemente gemäß Figur 4,
Figur 6 schematisch eine Darstellung eines aus dem Keimelement gemäß
Figur 4 erzeugten und an den Halteelementen angeordneten
Quarzkristalls im kristallografischen Koordinatensystem, und
Figur 7 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des
Quarzkristalls gemäß Figur 6.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. In Figur 1 ist eine ZY-Keimplatte ZYK im dreidimensionalen kristallografischen Koordinatensystem dargestellt. Die Normalenrichtung von Flachseiten der ZY- Keimplatte ZYK verläuft senkrecht zu den Flachseiten und parallel zur Z- Richtung Z des dreidimensionalen kristallografischen Koordinatensystems. Die Ausdehnung der ZY-Keimplatte ZYK in Y-Richtung Y ist größer ausgebildet als die Ausdehnung in X-Richtung X.
Typische Abmessungen einer solchen ZY-Keimplatte ZYK sind in X-Richtung X 70 mm, in Y-Richtung Y 210 mm und in Z-Richtung Z 1 mm.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer Vorrichtung 1 zur hydrothermalen
Herstellung von nicht näher dargestellten künstlichen Quarzkristallen im Bereich eines Keimelements nach dem Stand der Technik, wobei das Keimelement als ZY-Keimplatte ZYK ausgebildet ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst in nicht näher dargestellter Weise einen Autoklav, welcher einen Innenraum zur Aufnahme einer alkalischen Lösung, ein in einem unteren Bereich in dem Innenraum angeordneten Aufnahmebereich von
Quarzrohmaterial und nicht näher dargestellte Heizelemente zur Beheizung des Innenraums aufweist. Im Innenraum sind oberhalb des Aufnahmebereichs in einem Keimbereich mehrere Lagen von Keimelementen zur Anlagerung von Quarz angeordnet.
Mittels der Heizelemente wird der Innenraum derart erwärmt, dass sich zwischen dem Aufnahmebereich und dem Keimbereich ein Temperaturgradient einstellt. Die Heizelemente sind dabei außerhalb des Autoklavs und/oder im Innenraum angeordnet. Dabei ist eine erste Temperatur im Aufnahmebereich größer als eine zweite Temperatur im Keimbereich. Das Temperaturgefälle im Innenraum führt dazu, dass das Quarzrohmaterial im Aufnahmebereich aufgelöst wird, durch eine Konvektionsströmung in den oberen Keimbereich gelangt und in diesem kälteren Keimbereich an den Keimelementen in den Lagen auskristallisiert. Die Keimelemente sind im dargestellten Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik jeweils mittels vier, aus metallischen Drähten gebildeten
Halteelementen 1.1 bis 1.4 an einem Trägergestell 1.5 befestigt, welche jeweils durch eine Bohrung der Keimelemente geführt sind. In nicht näher dargestellter Weise ist eine abweichende Anzahl von Halteelementen 1.1 bis 1.4 nach dem Stand der Technik vorgesehen und/oder die Halteelemente 1.1 bis 1.4 nach dem Stand der Technik sind aus metallischen Klammern gebildet. Nachteilig an beiden Ausbildungen der Halteelemente 1.1 bis 1.4 ist, dass hierdurch metallische Fremdstoffe, insbesondere Eisen, in die alkalische Lösung und den zu
erzeugenden Quarzkristall eingetragen werden. Weiterhin ist eine erforderliche Entfernung der Drähte oder Klammern nach der Herstellung des Quarzkristalls sehr aufwändig und somit arbeits- und kostenintensiv.
Weiterhin ermöglichen die Halteelemente 1.1 bis 1.4 nach dem Stand der Technik ein Wachstum des Quarzkristalls in alle Richtungen des kristallografischen Koordinatensystems. Aus dem Stand der Technik ist jedoch allgemein bekannt, dass Wachstumsflächen der künstlichen Quarzkristalle besonders stark zur Einlagerung von Fremdelementen, insbesondere von Alkalien, neigen. Derartige Verunreinigungen werden dabei im wachsenden Quarzkristall vorrangig in so genannten trigonalen <+X> -Prismen und so genannten <-X>-Prismen eingelagert. Mit anderen Worten: Die Einlagerung der Verunreinigungen findet vorrangig in den in X-Richtung ausgerichteten Seiten der ZY-Keimplatte statt.
In Figur 3 ist ein Ausschnitt eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur hydrothermalen Herstellung von in den Figuren 6 und 7 näher gezeigten Quarzkristallen 3 dargestellt.
Die Vorrichtung 2 umfasst einen Autoklav 2.1, welcher einen Innenraum I zur Aufnahme einer alkalischen Lösung L und ein in einem unteren Bereich in dem Innenraum I angeordneten Aufnahmebereich AB zur Aufnahme von
Quarzrohmaterial QRM aufweist. Die alkalische Lösung L ist beispielsweise eine Natriumhydroxidlösung, in welche Lithiumnitrat, insbesondere in einer Konzentration von 0,01 N, eingebracht ist.
Weiterhin sind ein nicht näher dargestelltes oberes Heizelement und ein unteres Heizelement zur Beheizung des Innenraums I vorgesehen, welche mit
unterschiedlichen Heizleistungen betreibbar sind.
Im Innenraum I sind oberhalb des Aufnahmebereichs AB im Keimbereich KB mehrere Keimelemente 2.2 bis 2.13 zur Anlagerung von Quarz angeordnet, wobei die Keimelemente 2.2 bis 2.13 als ZY -Keimplatten ZYK ausgebildet sind.
Die Temperatur der Kristallisation beträgt insbesondere 400°C und der Druck beträgt insbesondere 140 MPa, bei gleich bleibendem Temperaturgradienten zwischen der Zone des Wachstums der Kristalle und der Zone der Auflösung des Rohstoffs.
Dabei sind die Keimelemente 2.2 bis 2.13 mittels jeweils zwei aus jeweils einem Profilelement gebildeten Halteelementen 2.14 an einem Trägergestell 2.15 befestigt. Die Profilelemente sind dabei an sich gegenüberliegenden Längsseiten der jeweiligen Z Y-Keimplatte ZYK angeordnet.
Zur vollständigen Aufnahme eines seitlichen Randbereichs der jeweiligen Längsseite der jeweiligen ZY-Keimplatte ZYK weist jedes Profilelement eine in den Figuren 5 und 6 näher dargestellte Nut 2.14.1 auf, wobei sich eine
Längsausdehnung der Profilelemente, die Nuten 2.14.1 und die Längsseiten der ZY-Keimplatten ZYK im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zu einer Hochachse H des Autoklavs 2.1 erstrecken. Die Hochachse H verläuft dabei in Y-Richtung Y. Diese Erstreckung in Y-Richtung Y ist jedoch nicht zwingend. Dabei entspricht eine ebenfalls in den Figuren 5 und 6 näher dargestellte
Querausdehnung Q der Profilelemente in Z-Richtung Z zumindest einer Dicke des zu erzeugenden Quarzkristalls 3.
Aufgrund der Anordnung der Längsseiten der ZY-Keimplatten ZYK in den Nuten 2.14.1 der Halteelemente 2.14 wird das Wachstum der Quarzkristalle 3 in X-Richtung X zumindest nahezu vollständig unterbunden. Daraus resultiert eine signifikante Verringerung der Einlagerung von Verunreinigungen in die
Quarzkristalle 3 und somit eine Erhöhung einer chemischen Reinheit der
Quarzkristalle 3.
In der folgenden Tabelle 1 ist die chemische Reinheit eines mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik hergestellten Quarzkristalls im Vergleich zu einem mittels eines möglichen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2 hergestellten Quarzkristalls 3 dargestellt, welche unter sonst identischen Bedingungen im selben Wachstumszyklus gewachsen sind. Dabei sind die Anteile der Verunreinigungen Aluminium, Eisen, Lithium und Natrium jeweils in parts per million (ppm) angegeben.
Figure imgf000014_0001
Tabelle 1
Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass der mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2 und den als Profilelemente ausgebildeten Halteelementen 2.14 hergestellte Quarzkristall 3 eine signifikant verringerte Einlagerung von
Verunreinigungen aufweist. Im Folgenden wird ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
In den Innenraum I des Autoklavs 2.1 wird das Quarzrohmaterial QRM in einem perforierten Stahlkorb 2.16 eingebracht. Das Quarzrohmaterial QRM ist dabei beispielsweise so genannter Gangquarz.
Oberhalb des Stahlkorbes 2.16 wird eine durchlässige Trennwand 2.17 montiert, welche den Autoklav .1 in den Aufnahmebereich AB und den Keimbereich KB unterteilt: Der Keimbereich KB stellt dabei die Zone des Kristallwachstums und der Aufnahmebereich AB die Zone der Auflösung des Quarzrohmaterials QRM in der alkalischen Lösung L dar.
In den Keimbereich KB wird das Trägergestell 2.15 mit den in den
Halteelementen 2.14 angeordneten Keimelementen 2.2 bis 2.13 eingebracht, wobei die als ZY -Keimplatten ZYK ausgebildeten Keimelemente 2.2 bis 2.13 oberhalb einer Trennwand 2.17 und unterhalb eines oberen Verschlusses 2.18 angeordnet werden.
Anschließend wird der Innenraum I mit der alkalischen Lösung L befüllt. Zur Aufheizung des Innenraums I, d. h. aller im Innenraum I befindlichen Lösungen und Gegenstände, sind ein nicht gezeigtes oberes und unteres Heizelement vorgesehen. Eine Temperaturkontrolle einer ersten Temperatur Tl im
Aufnahmebereich AB und einer zweiten Temperatur T2 im Keimbereich KB erfolgt anhand von Thermoelementen 2.19. Ein innerhalb des Innenraumes I erzeugter Überdruck wird mittels eines Manometers 2.20 überwacht.
Durch die Erhitzung und Druckerhöhung löst sich das Quarzrohmaterial QRM im Aufnahmebereich AB in der Lösung L. Zwischen dem Aufnahmebereich AB und den Keimelementen 2.2 bis 2.13 wird vorzugsweise ein konstanter
Temperaturgradient eingestellt, wobei die erste Temperatur Tl im
Aufnahmebereich AB größer als die zweite Temperatur T2 im Bereich der Keimelemente 2.2 bis 2.13 gewählt wird. Dadurch kristallisiert der gelöste Quarz an den Keimelementen 2.2 bis 2.13 aus.
Die Konstanz des Temperaturgradienten während der gesamten Wachstumsphase erlaubt die Aufrechterhaltung einer konstanten Wachstumsgeschwindigkeit der Quarzkristalle 3, wodurch die Prozesszeit minimiert werden kann und sich die Wirtschaftlichkeit der Kristallzüchtung verbessert.
Die Temperatur T2 im Keimbereich KB wird im Bereich von 400°C eingestellt. Weiterhin wird ein Überdruck von ca. 140 MPa im Innenraum I eingestellt.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung 2 gemäß Figur 3 im Bereich eines Keimelements 2.2 und dessen Halteelemente 2.14. In Figur 5 ist eine
perspektivische Ansicht des Keimelements 2.2 und von dessen
Halteelementen 2.14 dargestellt.
Die Halteelemente 2.14 sind dabei als Profilelemente aus Kunststoff gebildet. Der verwendete Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen, ist dabei unter den hydrothermalen Bedingungen des Prozesses während der Kristallisierung, d. h. bei Temperaturen von bis zu 400°C, Drücken von ca. 140 MPa und in der Umgebung der alkalischen Lösung L hinreichend chemisch und mechanisch stabil. Außerdem lassen sich die Profilelemente bei einer derartigen Ausgestaltung nach dem Wachstumsprozess des jeweiligen Quarzkristalls 3 leicht und rückstandsfrei von diesem lösen.
Die in den Profilelementen eingebrachte Nut 2.14.1 verläuft parallel zur
Längsausdehnung der Profilelemente und weist eine geeignete Breite auf, um den Randbereich der Längsseite der Keimplatte aufzunehmen. Die Breite der
Nuten 2.14.1 entspricht dabei vorzugsweise einer Ausdehnung der Keimplatte in Z-Richtung Z, so dass die seitlichen Randbereiche der Längsseiten der
Keimplatten jeweils kraft- und/oder formschlüssig in der zugehörigen Nut 2.14.1 angeordnet sind. Eine Tiefe der jeweiligen Nut 2.14.1 ist derart ausgebildet, dass die Keimplatte ausreichend stabil gehaltert ist. Dabei wird die Tiefe nicht unnötig groß gewählt, so dass eine Fläche der Keimplatte minimal verringert ist. Eine vorteilhafte Tiefe der Nut 2.14.1 beträgt beispielsweise 1 mm.
Die ZY-Keimplatten ZYK werden an ihren beiden Längsseiten durch die
Profilelemente innerhalb des Trägergestells 2.15 im Autoklav 2.1 gehalten. Dabei weisen das Trägergestell 2.15 und die Profilelemente in nicht näher dargestellter Weise vorzugweise zueinander korrespondierende Ausformungen auf, welche eine einfache Montage der Profilelemente mit den ZY-Keimplatten ZYK am Trägergestell 2.15 und eine sichere Befestigung der Profilelemente am
Trägergestell 2.15 ermöglichen. Die Ausformungen sind dabei beispielsweise derart ausgebildet, dass so genannte Einschübe zur Aufnahme der Profilelemente im Trägergestell 2.15 vorgesehen sind.
Weiterhin weisen die Profilelemente eine geeignete Dicke auf, um trotz der eingebrachten Nut 2.14.1 eine ausreichend hohe mechanische Stabilität zu bieten. Ferner entspricht eine Querausdehnung Q der Profilelemente in Z-Richtung Z zumindest einer Dicke des zu erzeugenden Quarzkristalls 3, wie es Figur 6 zeigt, so dass dessen Wachstum in X-Richtung während der gesamten Wachstumsphase unterbunden wird.
Somit sind zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 und des erfindungsgemäßen Verfahrens keine metallischen Halteelemente zur Befestigung der Keimelemente 2.2 bis 2.13 erforderlich und eine Montage der
Keimelemente 2.2 bis 2.13 an den Halteelementen 2.2 bis 2.13 und innerhalb des Autoklavs 2.1 ist einfach und schnell realisierbar.
Figur 6 zeigt eine Darstellung eines aus dem Keimelement gemäß Figur 3 erzeugten und an den Halteelementen 2.14 angeordneten Quarzkristalls 3 im kristallografischen Koordinatensystem. Die Querausdehnung Q der Profilelemente in Z-Richtung Z ist dabei größer als die Dicke des Quarzkristalls 3. Ein Wachstum des Quarzkristalls 3 in X-Richtung X wurde vollständig unterbunden.
Der erzeugte Quarzkristall 3 weist an seinen Längsseiten jeweils einer mit der jeweiligen Nut 2.14.1 korrespondierende Ausformung 3.1, 3.2 auf.
In Figur 7 ist ein Ausschnitt des Quarzkristalls 3 gemäß Figur 6 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Vorrichtung nach dem Stand der Technik
1.1 bis 1.4 Halteelement nach dem Stand der Technik
1.5 Trägergestell
Vorrichtung
2.1 Autoklav
2.2 bis 2.13 Keimelement
2.14 Halteelement
2.14.1 Nut
2.15 Trägergestell
2.16 Stahlkorb
2.17 Trennwand
2.18 Verschluss
2.19 Thermoelement
2.20 Manometer
3 Quarzkristall
3.1,3.2 Ausformung
AB Aufnahmebereich
H Hochachse
I Innenraum
KB Keimbereich
L Lösung
Q Querausdehnung
QRM Quarzrohmaterial
Tl erste Temperatur
T2 zweite Temperatur
X X-Richtung
Y Y-Richtung
Z Z-Richtung
ZYK ZY-Keimplatte

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung (2) zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen (3), umfassend einen Autoklav (2.1), welcher einen Innenraum (I) zur Aufnahme einer alkalischen Lösung (L), einen in einem unteren Bereich in dem
Innenraum (I) angeordneten Aufnahmebereich (AB) zur Aufnahme von Quarzrohmaterial (QRM) und einen oberhalb des Aufnahmebereichs (AB) angeordneten Keimbereich (KB) aufweist, wobei innerhalb des
Keimbereichs (KB) zumindest ein als Keimplatte ausgebildetes
Keimelement (2.2 bis 2.13) zur Anlagerung von Quarz mittels mehrerer Halteelemente (2.14) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei aus jeweils einem Profilelement gebildete Halteelemente (2.14) zur Halterung einer Keimplatte vorgesehen sind, wobei die Profilelemente an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Keimplatte angeordnet sind und jedes Profilelement eine Nut (2.14.1) zur vollständigen Aufnahme eines seitlichen Randbereichs der jeweiligen
Längsseite der Keimplatte aufweist.
2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass Flächen der Keimplatte im kristallografischen Koordinatensystem derart ausgerichtet ist, dass die Keimplatte eine ZY- Keimplatte (ZYK) ist, wobei deren Normalenrichtung senkrecht zu einer Flachseite der ZY-Keimplatte (ZYK) in Z-Richtung (Z) des dreidimensionalen kristallografischen Koordinatensystems verläuft und eine Ausdehnung der Längsseiten in Y-Richtung (Y) größer als eine Ausdehnung von Querseiten in X-Richtung (X) dieses Koordinatensystems ist, wobei sich die in den
Nuten (2.14.1) der Profilelemente angeordneten seitlichen Randbereiche der Längsseiten in Y-Richtung (Y) erstrecken und die Keimplatte in X- Richtung (X) begrenzen.
3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Querausdehnung (Q) der Profilelemente in Z-Richtung (Z) zumindest einer Dicke eines zu erzeugenden Quarzkristalls (3) entspricht.
4. Vorrichtung (2) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Nuten einer Ausdehnung der Keimplatte in Z-Richtung (Z) entspricht.
5. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Randbereiche der Längsseiten jeweils kraft- und/oder formschlüssig in der zugehörigen Nut (2.14.1) angeordnet sind.
6. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelemente aus Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen, gebildet sind.
7. Verfahren zur hydrothermalen Herstellung von Quarzkristallen (3), wobei in einen Innenraum (I) eines Autoklavs (2.1) eine alkalische Lösung (L) eingebracht wird, in einen in einem unteren Bereich des Innenraumes (I) angeordneten Aufnahmebereich (AB) Quarzrohmaterial (QRM) eingebracht wird und mittels zumindest eines Heizelements der Innenraum (I) beheizt wird, wobei in dem Innenraum (I) oberhalb des Aufnahmebereichs (AB) in einen Keimbereich (KB) zumindest ein als Keimplatte ausgebildetes
Keimelement (2.2 bis 2.13) zur Anlagerung von Quarz mittels mehrerer Halteelemente (2.14) angeordnet wird,
dadurch gekennzeichnet,
- dass jeweils zwei aus jeweils einem Profilelement gebildete
Halteelemente (2.14) zur Halterung an sich gegenüberliegenden Längsseiten der Keimplatte derart angeordnet werden, dass ein seitlicher Randbereich der jeweiligen Längsseite der Keimplatte in einer Nut (2.14.1) angeordnet wird, und
- dass die Keimplatte gemeinsam mit den Profilelementen innerhalb des Keimbereichs (KB) angeordnet wird und
- dass der Innenraum (I) derart beheizt wird und ein Überdruck erzeugt wird, dass in einem unteren Bereich des Innenraumes (I) Quarz aus dem
Quarzrohmaterial (QRM) in der alkalischen Lösung (L) gelöst wird, mittels einer Konvektionsströmung in den Keimbereich (KB) geleitet wird und anschließend im Keimbereich (KB) an der zumindest einen Keimplatte kristallisiert.
8. Verfahren zur Herstellung von Quarzsand, umfassend die Verfahrensschritte
- Herstellung von Quarzkristallen (4) in einem Verfahren nach Anspruch 7 und
- Zerkleinern der Quarzkristalle (4) zu Quarzsand.
9. Verfahren zur Herstellung von Quarzglas, umfassend die Verfahrensschritte,
- Herstellung von Quarzkristallen (4) in einem Verfahren nach Anspruch 7,
- Zerkleinern der Quarzkristalle (4) zu Quarzsand und
- Umwandlung des Quarzsandes in Quarzglas, wobei bei der Umwandlung der Quarzsand bis zum Erreichen seiner Schmelztemperatur erhitzt und anschließend zumindest bis zur Unterschreitung der Schmelztemperatur gekühlt wird.
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