制造合成石英玻璃的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種制造合成石英玻璃的方法。本發(fā)明還涉及包含一定規(guī)格的氯含 量、金屬雜質(zhì)含量和殘留水分的聚烷基硅氧烷化合物，以及其用于制造合成石英玻璃的應(yīng) 用。本發(fā)明的另一個方面涉及可按照本發(fā)明的方法獲得的合成石英玻璃。
【背景技術(shù)】
[0002] 關(guān)于合成石英比例的制造，習(xí)慣上在CVD過程中由含硅的起始物料通過水解或氧 化并且將其沉積在移動的支撐件上來形成Si0 2顆粒。該方法可以被分為外部和內(nèi)部沉積方 法。在外部沉積方法中，將Si〇2顆粒施加在旋轉(zhuǎn)支撐件的外部。相關(guān)的外部沉積方法的例子 包括所謂的0BD方法(外部氣相沉積）、VAD方法(氣相軸向沉積)或者PECVD方法(等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）。內(nèi)部沉積方法的最有名的例子是MCVD方法(改良的化學(xué)氣相沉積），其中 Si〇2顆粒被沉積在從外部被加熱的管的內(nèi)壁上。
[0003] 如果支撐件表面的區(qū)域中的溫度足夠高，則Si02顆粒直接玻璃化，這也被稱作"直 接玻璃化"。相反，在所謂的"煙灰方法(soot method)"中Si〇2顆粒沉積期間的溫度如此之 低，以至于獲得了多孔的Si02煙灰層，其隨后在單獨(dú)的工藝步驟中被燒結(jié)成透明的石英玻 璃。直接玻璃化和煙灰方法均可得到致密的、透明的、高純度的合成石英玻璃。
[0004] 例如，已知在現(xiàn)有技術(shù)中四氯化硅（SiCl4)作為含硅生產(chǎn)材料用于生產(chǎn)合成石英 玻璃。四氯化硅和其它類似的含氯物質(zhì)在低于l〇〇°C的中等溫度下已經(jīng)具有足夠的蒸氣壓， 從而所有雜質(zhì)通常保持在液相并且使得生產(chǎn)高純度的煙灰體更容易。
[0005] 所述含氯生產(chǎn)材料的一個顯著缺點(diǎn)在于，其轉(zhuǎn)化成合成石英玻璃與生產(chǎn)鹽酸有 關(guān)，這會在廢氣的滌氣和廢棄處理中導(dǎo)致高成本。過去，由于這個原因，已經(jīng)嘗試了多種所 謂的無氯有機(jī)硅化合物作為起始物料用于石英玻璃生產(chǎn)。例子包括甲硅烷，烷氧基硅烷，硅 氧烷以及硅氮烷。例如，從DE 3016010A1中可得知所述所謂的無氯有機(jī)硅化合物的一個特 別有意思的群組，即聚烷基硅氧烷(也被簡稱為"硅氧烷"）。具體地，聚環(huán)硅氧烷(其可包括 在聚烷基硅氧烷)特征在于具有特別高的硅百分比（單位為重量百分比），這有助于其在合 成石英玻璃的生產(chǎn)中的使用經(jīng)濟(jì)高效。由于高純度下的商業(yè)數(shù)量的可行性，特別地廣泛使 用八甲基環(huán)四硅氧烷(0MCTS)。
[0006] 所述聚烷基硅氧烷化合物可以聚合，并且通常作為純物質(zhì)或者通常以液體的形式 作為包括其他化合物的混合物存在于生產(chǎn)材料中。其可以以液體的形式被供應(yīng)到消耗單 元，例如被供應(yīng)到沉積燃燒器。但是通常，通過蒸發(fā)器將液體生產(chǎn)材料轉(zhuǎn)化成氣相或蒸氣相 并且通過導(dǎo)管系統(tǒng)將其作為連續(xù)的氣流供應(yīng)到消耗單元。
[0007] 基于這些所謂的無氯起始原料，現(xiàn)有技術(shù)描述了多種用于生產(chǎn)合成石英玻璃的方 法。因此可以參照例如EP 0760373 A、TO 99/15468 A、W0 99/54259 A、W0 2013/092553 A 以及EP 0529189 A的說明書。
[0008] 雖然現(xiàn)有技術(shù)的方法推薦使用提純的起始原料，但是其部分地與這樣的缺點(diǎn)相 關(guān)，即生產(chǎn)與在蒸發(fā)器和蒸氣傳導(dǎo)導(dǎo)管系統(tǒng)中形成沉淀物或凝膠相關(guān)。
[0009]從現(xiàn)有技術(shù)的全面評估明顯可知，在石英玻璃的生產(chǎn)中，為了防止凝膠的形成，起 始材料中的氯含量、金屬雜質(zhì)含量以及殘留水分，均分別非常重要。但是，并沒有評估文件 顯示各個雜質(zhì)關(guān)于凝膠的形成之間可能存在函數(shù)關(guān)系。而且，并未指明金屬雜質(zhì)確實是形 成凝膠的原因。
[0010]明顯可知，在基于聚烷基硅氧烷的合成石英玻璃的生產(chǎn)中存在形成凝膠的問題， 特別是在大的工業(yè)規(guī)模的工藝中，特別是在具有超過It的生產(chǎn)量的工藝中存在該問題，并 且其導(dǎo)致蒸氣傳導(dǎo)管道、質(zhì)量流量調(diào)整器、扼流圈和相應(yīng)的閥被凝膠和殘留物包覆，并且部 分地被凝膠和殘留物堵塞。這以不可控制的方式損害了蒸汽傳導(dǎo)整個系統(tǒng)的控制和流動行 為。因此，增加的凝膠的形成使得控制聚烷基硅氧烷的流動更難，這反過來對方法的再現(xiàn)性 (例如煙灰密度分布的批樣差異）以及得到的產(chǎn)物的性質(zhì)（例如煙灰密度在軸向/徑向同質(zhì) 性的均勻性)產(chǎn)生了負(fù)面影響，尤其是在多燃燒器裝置中。而且，由于需要對方法中使用的 設(shè)施進(jìn)行清潔、可能需要對其進(jìn)行更換，并且在清潔期間相應(yīng)地需要停工，因而產(chǎn)生了高成 本。材料損失導(dǎo)致的增加成本也必須考慮在內(nèi)。
[0011]在煙灰沉積方法中明顯存在額外的問題，其中需要同時給多個消耗單元供應(yīng)生產(chǎn) 材料，例如在通過多燃燒器裝置方式的煙灰沉積中。為了阻止不均勻的煙灰沉積以及層的 形成，在這個背景下特別重要的是每一個沉積然燃燒器均具有相同的煙灰結(jié)構(gòu)特征，在數(shù) 量上和質(zhì)量上均相同。應(yīng)該避免氣體供應(yīng)的波動，該氣體供應(yīng)的波動例如是由于凝膠形成 而形成的沉積所導(dǎo)致。
[0012] 上述評估的現(xiàn)有技術(shù)的文件以及在這些文件中描述的方法不能完全解決這些問 題，并且仍然需要進(jìn)一步改善用于生產(chǎn)合成石英玻璃的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 基于所述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于，提供一種生產(chǎn)合成石英玻璃的方法，其中 基本上阻止了副產(chǎn)品的形成，該副產(chǎn)品的形成特別地導(dǎo)致在用于生產(chǎn)合成石英玻璃的蒸氣 傳導(dǎo)設(shè)施中形成沉淀物。
[0014] 而且，本發(fā)明的目的在于，提供一種生產(chǎn)合成石英玻璃的方法，其中在煙灰沉積方 法中同時給多個燃燒器供應(yīng)生產(chǎn)材料，并且其中確保流過眾多燃燒器的質(zhì)量流量均勻分 布。
[0015] 并且最后，本發(fā)明的目的在于，提供一種生產(chǎn)合成石英玻璃的方法，其中基本上阻 止煙灰密度分布的批樣差異，并且其導(dǎo)致了基本上均勻并且具有軸向和/或徑向均勻性的 煙灰。特別地在涉及多個燃燒器裝置的方法中，本發(fā)明能夠生產(chǎn)在軸向和/或徑向方向上均 勻的密度分布，或者可以以一定的方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，該目的是通過發(fā)明獲得在多燃燒 器裝置的端帽之間的空間中在軸向方向上小于3%，優(yōu)選地小于2%的相對密度差異，均相 對于石英玻璃的密度。
[0016]通過用于生產(chǎn)合成石英玻璃的方法來滿足該目的，其包括以下步驟：
[0017] (a)蒸發(fā)包括至少一種可聚合的聚烷基硅氧烷化合物的生產(chǎn)材料，同時形成生產(chǎn) 材料蒸氣；
[0018] (b)將從加工步驟(a)中得到的生產(chǎn)材料蒸氣供應(yīng)到反應(yīng)區(qū)域，其中通過熱解或水 解將生產(chǎn)材料轉(zhuǎn)化成Si0 2顆粒；
[0019] (c)將從加工步驟(b)中得到的Si02顆粒沉積在沉積表面上；
[0020] (d)若適用，干燥并且玻璃化Si02顆粒，同時形成合成石英玻璃。
[0021 ]根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于，在該過程中，
[0022] (1)該至少一種聚烷基硅氧烷化合物包含最多為（多達(dá)，up to)550ppb的氯含量， 并且
[0023] (2)同時，該至少一種聚烷基硅氧烷化合物包含金屬雜質(zhì)含量的鉻(Cr)和鋅(Zn)， 合計最多為25bbp。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)很明顯的是，為了在基于聚烷基硅氧烷化合物的合成石英玻璃 的生產(chǎn)過程中防止凝膠形成，遵守兩者，即同時遵守規(guī)定的氯含量以及Cr和Zn的金屬雜質(zhì) 含量非常重要。
[0025] 因此，如果滿足上述給出的氯以及金屬雜質(zhì)Cr和Zn的規(guī)定，則在用于進(jìn)行合成石 英玻璃的合成的裝置中沒有顯著的凝膠形成，并且生產(chǎn)過程中的連續(xù)操作可以維持很長時 間，特別是為期幾個月。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的方法非常適合于通過"直接玻璃化"來生產(chǎn)合成石英玻璃。由于在 Si02顆粒沉積在沉積表面上的過程中的溫度相當(dāng)高，因此該方法與Si02顆粒的直接玻璃化 相關(guān)。因此，"直接玻璃化"放棄了任選的加工步驟(d)。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法還非常適合 于根據(jù)所謂的"煙灰方法"來生產(chǎn)石英玻璃，其中在加工步驟(c)中的Si0 2顆粒的沉積過程 中的溫度如此低以至于得到多孔的Si02層，該多孔的Si02層在單獨(dú)的加工步驟(d)中被干燥 并且被玻璃化成石英玻璃。
[0027] 基本上，非常適合于生產(chǎn)合成石英玻璃的任何聚烷基硅氧烷化合物均可用于根據(jù) 本發(fā)明的方法。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，用語聚烷基硅氧烷應(yīng)當(dāng)包括線性(還包括分支結(jié)構(gòu)）和 環(huán)形的分子結(jié)構(gòu)。
[0028] 特別適合于環(huán)形代表分子的是具有以下分子通式的聚烷基硅氧烷：
[0029] SiP0P(R)2p,
[0030] 其中p是大于或等于2的整數(shù)。殘基"R"是烷基基團(tuán)，即，在最簡單的情況下是甲基 基團(tuán)。
[0031] 聚烷基硅氧烷的特征在于，具有特別高的硅百分?jǐn)?shù)(單位為重量百分?jǐn)?shù)），這有利 于其在合成石英玻璃的生產(chǎn)中的使用經(jīng)濟(jì)高效。
[0032] 在這個背景下，聚烷基硅氧烷化合物優(yōu)選地選自由六甲基環(huán)三硅氧烷(D3)、八甲 基環(huán)四硅氧烷(D4)，十甲基環(huán)五硅氧烷(D5)、十二甲基環(huán)六硅氧烷(D6)，十四甲基環(huán)庚硅氧 烷(D7)，十六甲基環(huán)八硅氧烷(D8)及其線性同系物組成的組中。03、04、06、07和08在術(shù)語學(xué) 上源自General Electric公司引進(jìn)的術(shù)語，其中"D"表示[(CH3)2Si]-〇-基團(tuán)。
[0033] 上述提到的聚烷基硅氧烷化合物的混合物也可用于本發(fā)明的范圍。
[0034] 由于高純度下的商業(yè)數(shù)量的可行性，目前優(yōu)選地使用八甲基環(huán)四硅氧烷(0MCTS)。 因此，如果聚烷基硅氧烷化合物是八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)，則在本發(fā)明的范圍內(nèi)是特別優(yōu) 選的。
【具體實施方式】
[0035]以下是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。