図面 (/)

技術 合成石英粉の製造方法

出願人 三菱化学株式会社
発明者 勝呂芳雄下山勝大石昭二
出願日 1995年12月19日 (24年7ヶ月経過) 出願番号 1995-330199
公開日 1997年6月24日 (23年1ヶ月経過) 公開番号 1997-165214
状態 未査定
技術分野 ガラスの溶融、製造 珪素及び珪素化合物 マッフル炉、ロータリキルン等(炉2)
主要キーワード 残存カーボン 保持終了後 ヒュージョン法 タップ嵩密度 加熱強度 アークメルト法 供給操作 温度測定点
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1997年6月24日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

溶融成形時発泡の少ない合成石英粉の効率的な製造。

解決手段

シリカゲル粉末を、ロータリーキルン片端より連続的に供給しつつ、流動させながら加熱処理することにより合成石英粉を製造する方法であって、ロータリーキルンの炉心管周速2m/分〜12m/分で回転させることを特徴とする合成石英粉の製造方法。

概要

背景

概要

溶融成形時発泡の少ない合成石英粉の効率的な製造。

シリカゲル粉末を、ロータリーキルン片端より連続的に供給しつつ、流動させながら加熱処理することにより合成石英粉を製造する方法であって、ロータリーキルンの炉心管周速2m/分〜12m/分で回転させることを特徴とする合成石英粉の製造方法。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
4件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

シリカゲル粉末を、ロータリーキルン片端より連続的に供給しつつ、流動させながら加熱処理することにより合成石英粉を製造する方法であって、ロータリーキルンの炉心管周速2m/分〜12m/分で回転させることを特徴とする合成石英粉の製造方法。

請求項2

加熱処理の最終温度が900〜1100℃である請求項1記載の合成石英粉の製造方法。

請求項3

加熱処理を1100℃以下で行った後、更に1100℃を超える温度で焼成する請求項1又は2に記載の合成石英粉の製造方法。

請求項4

多段のロータリーキルンを用いて行う請求項1乃至3のいずれかに記載の製造方法。

請求項5

ロータリーキルンの炉心管材質石英である請求項1乃至4のいずれかに記載の合成石英粉の製造方法。

請求項6

シリカゲル粉末がテトラアルコキシシラン加水分解により得られたものである請求項1乃至5のいずれかに記載の合成石英粉の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、合成石英粉の効率的な製造方法に関するものである。近年、光通信分野、半導体産業等で使用されるガラス製品に於いては、その微量不純物及び製品中の微小泡に関し非常に厳しい管理が行われている。このような高品質ガラスは主に、天然石英を精製する方法、四塩化珪素酸水素炎中での分解で発生したヒューム基体に付着・成長させる方法、シリコンアルコキシド等の加水分解ゲル化により得たシリカゲル焼成してガラス化する方法等によって生成される。しかしながら、の方法では、微量不純物含有率の低減に限界があり、の方法では、極めて製造コストが高い等の問題点がある。一方、の、シリカゲルを用いる方法、特に原料としてシリコンアルコキシドを用いる方法では、の方法に比べると安価に微量不純物含有率が低い合成石英粉が得られるが、要求レベルを必ずしも満足しているとは言えないし、このシリコンアルコキシドを用いる方法では、最終製品成形体中に、場合によっては、微小泡が発生すると言う問題点がある。

発明が解決しようとする課題

0002

本発明者らの鋭意検討により、シリコンアルコキシドを用いる合成石英粉の製造方法で、従来に比べ安価で、かつ成形体を製造する際に微小泡の発生が極めて少ない合成石英粉を工業的に製造するには、次に示す課題を解決すればよいことが判った。

0003

即ち、シリカゲルの焼成は、容器からの不純物コンタミを排除するために、石英製の容器にシリカゲルを仕込み電気炉等で加熱する方法が採用される。特に、工業的製造を図る場合には、大容量の石英容器、例えば大口径の石英るつぼを使用することになる。しかしながら、シリカゲルは石英粉に比べ嵩密度が低いために、焼成に用いる容器を効率的に利用できず、生産性が悪く、製造コストが高くなっている。従って、生産性の向上にはるつぼ仕込む粉体の嵩密度アップが重要な課題となる。

0004

一方、石英粉を用いた成形体の製造に於いて、成形体を製造する際の微小泡の発生は、石英粉製造時の焼成工程の昇温過程が影響を及ぼす。シリコンアルコキシドの加水分解により得たシリカゲル粉末は、副生したアルコールを乾燥により除去しても、未反応のアルコキシ基及び副生したアルコールの一部が残存する。実際、乾燥を施したシリカゲル粉末中のカーボン濃度を測定すると、乾燥条件によっても異なるが、1〜3%である。このシリカゲル粉末を酸素含有ガス中で焼成を行うと、大部分のカーボンは、昇温過程で燃焼除去されるが、一部が未燃カーボンとして合成石英粉中に閉じ込められることがある。この未燃カーボンを含有する合成石英粉を用いると、溶融成形の際にCOやCO2ガスとなり、泡発生の原因となる。従って、シリカゲルの封孔前に、未燃カーボンを実質的に全量除去することが必要となり、昇温過程における昇温速度が重要となるわけである。

0005

ところが、先述の様に、合成石英粉を工業的に製造する場合、大口径の石英るつぼが使用され、昇温過程に於ける、るつぼ内の温度は不均一となるので、容器内の全ての部分を所定の温度パターンで昇温するのは困難である。その結果、場合によっては、カーボンが残存した合成石英粉が部分的に生成しその合成石英粉を用いた成形体中に、微小泡が発生するという現象が見られるのである。

課題を解決するための手段

0006

本発明者らは、上記課題に鑑み、更に鋭意検討を行った結果、シリカゲルを焼成前に適当な条件及び操作で加熱処理することにより、焼成に供する粉体の嵩密度を焼成後と同等にすることができ、なおかつ、アルコキシ基及び水酸基を十分に除去することができる事を見いだし、本発明を完成するに到った。即ち、本発明は、シリカゲル粉末を、ロータリーキルン片端より連続的に供給しつつ、流動させながら加熱処理することにより合成石英粉を製造する方法であって、ロータリーキルンの炉心管周速2m/分〜12m/分で回転させることを特徴とする合成石英粉の製造方法、にある。

0007

以下、本発明を詳細に説明する。本発明で対象となる合成石英粉は、シリカゲル粉末を、焼成することにより無孔化してなる合成石英粉である。シリカゲル粉末の製造法は特に限定されず、種々の公知方法を採用できるが、高純度を容易に達成できる等の観点からアルコキシシラン等の加水分解・ゲル化による、いわゆるゾルゲル法によるものが好ましい。ゾルゲル法によるアルコキシシランの加水分解は、公知の方法にしたがって、アルコキシシランと水を反応させることによって行われる。

0008

原料として用いられるアルコキシシランとしては、テトラメトキシシランテトラエトキシシラン等のC1〜C4の低級アルコキシシラン或いはそのオリゴマーが好ましい。水の使用量は、通常、アルコキシシラン中のアルコキシ基の1倍等量以上から10倍等量以下の範囲から選択される。この際、必要に応じて、水と相溶性のあるアルコール類エーテル類等の有機溶媒を混合して使用してもよい。使用されるアルコールの代表例としては、メタノールエタノール等の低級脂肪族アルコールが挙げられる。

0009

この加水分解反応には、触媒として塩酸酢酸等の酸や、アンモニア等のアルカリを触媒として添加してもよい。なお、当然のことながら、ここで使用する水・触媒等の、反応系に導入される物質はすべて高純度であることが必要である。加水分解生成物のゲル化は、加熱下あるいは常温で実施される。加熱を行うと、ゲル化の速度を向上することができるので、加熱の程度を調節することにより、ゲル化時間を調節することができる。

0010

得られたゲルは水分及び加水分解により生成したアルコールを多量に含むウェットシリカゲルであり、これを細分化してから乾燥してもよいし、乾燥してから細分化してもよい。いずれにしても、乾燥後の粒径が、10〜1000μm、好ましくは、100〜600μmと成るように細分化を行う。乾燥は、常圧、或いは、減圧下で加熱しつつ行われる。加熱温度は、条件によっても異なるが、通常、50〜200℃である。また、操作は、回分・連続のいずれによっても行うことができる。乾燥の程度は、通常、含液率が1〜30重量%まで行われる。ここで言う含液率とは、160℃において恒量に達した時の重量減少率である。

0011

このようにして得られた乾燥シリカゲル粉末を、以下に述べる特定の条件下で加熱処理する。即ち、シリカゲル粉末をロータリーキルン内で特定の温度条件下でロータリーキルンを回転してシリカゲル粉末を流動させながら加熱処理する。この加熱処理は、複数のロータリーキルンを用いて加熱処理を行ってもよい。ここで言う「粉体の流動」とは、例えば粉体を仕込んだ回転状態のロータリーキルンの断面を示す図2を用い静止状態のロータリーキルンの断面を示す図1と比較して説明すると、粉体(1)と炉心管(2)壁の接粉面(3)との間には実質的に滑りが生じておらず、炉心管壁で持ち上げられ、安息角以上で粉体が壁面を離れて炉心管壁下部に流下している状態(図2中の黒矢印方向)をいう。

0012

炉心管の材質は、処理を行った粉への材質のコンタミが発生しないものを選択する必要があり、石英製が好ましい。石英製の場合、製作上、炉心管のサイズに限界があるので、条件によっては、多段のロータリーキルンを用いて加熱処理を行うこととなる。加熱処理を行う温度領域は、50〜1100℃である。通常、加熱はヒーターによって行われる。ここで、粉体を流動させるための、ロータリーキルンの炉心管の回転速度を周速2m/分〜12m/分とすることが本発明の要件である。周速2m/分未満では、加熱処理後の粉体中の黒色粒子の数が増加し、また溶融成形して得られる成形体中の微小泡の発生が増加する。この理由は必ずしも明らかではないが、周速2m/分未満の場合、粉体の混合状態特定レベル以下となり、粉体の混合状態が特定のレベル以下となると酸素との接触が急速に悪化し未燃の残存カーボンが増加するためと考えられる。一方、12m/分を超えると黒色粒子の発生数、成形体の微小泡量に差はなくなり、また、炉心管の強度の面から12m/分を超えた場合には炉心管肉厚を厚くする必要が生じるので、好ましくない。

0013

加熱処理により、まず、シリカゲルが含有する水及びアルコールが揮発する。この際、ロータリーキルン内の粉体の温度は、通常、50〜300℃となる。この温度領域に於いて、粉体より発生するガスの量を500N-リットル/Kg・Hr以下とすることが好ましい。発生量が、500N-リットル/Kg・Hrより高いと、粉体内で突沸現象が発生し、粉体の流動性消失することがある。理由は、明らかではないが、突沸により揮発成分のガスが大量に発生して粉体を浮上させることにより、壁面での摩擦力が減少し、粉体が炉心管壁で持ち上げられ難くなる為と考えられる。

0014

続いて、残存するカーボン成分燃焼温度領域に昇温される。この温度領域は、300〜600℃である。しかしながら、本発明者らの検討によって、300〜430℃で、残存するカーボン成分を燃焼するための加熱をロータリーキルンで行うと、ロータリーキルン内の粉体の流動性が極めて悪いことが判明した。そこで、残存するカーボン成分の燃焼は450℃以上の温度で行われる。

0015

ところが、実際に、この加熱処理を、ロータリーキルンの片端より連続的に供給しつつ、流動させながら行うと、当然ながら、昇温過程に相当する300〜430℃の温度ゾーンが発生する。この、温度ゾーンの長さが5cm以上、135cm以下となるように熱供給を調節するとよい。温度ゾーンの長さが135cmより長いと粉体の流動性が悪化する部分が発生する。一方、5cm未満では流動性が悪化する部分は発生しないが、極めて狭い領域で強烈な加熱を行う必要があるためである。

0016

この、300〜430℃の温度領域で、粉体の流動性が低下する理由は、明らかではないが、この温度領域で、シリカゲルの嵩密度が低下する、この温度領域のシリカゲルは静電気を発生しやすい等の物理的な性質があり、これらが合い重なって壁面での摩擦力が減少し、粉体が炉心管壁で持ち上げられ難くなる為と考えられる。

0017

450℃以上の温度領域に加熱された粉体は、残存カーボンの減少が進行する。粉体温度が、600℃以上となるとシリカゲルの封孔が開始するので、この温度領域に到達するまでに、残存するカーボンのほぼ全量を消失させておかなければならない。さもなければ、得られた合成石英粉中に未燃カーボンが残存し、溶融成形の際に泡が発生する。

0018

そのために、粉体が450〜550℃の温度領域を通過する時間を適切に制御するのがよい。ロータリーキルンでは、粉体は進行方向に対し、ほぼピストンフロー的に移動する。従って、所定温度ゾーンの通過時間は、ロータリーキルン内の所定温度ゾーンの長さと粉体の進行方向に対する移動速度からおのずと求められる。例えば、所定温度ゾーンの長さが1mで、粉体の進行方に対する移動速度が0.5m/Hrであると、通過時間は2Hrとなる。

0019

通過時間は、通常、0.5〜10時間、好ましくは、1〜5時間である。この範囲より短いと、十分に未燃カーボンを減少させるのは困難であり、また、これ以上の通過時間では、未燃カーボン量に差が見られず、装置が大型化し経済的ではないためである。次に、これまで述べた加熱処理の制御方法について説明する。

0020

本発明では、操作を連続で行うので、処理粉体の進行方向に従い炉心管の加熱ゾーン複数個に分割し、粉体の温度が所定領域になるように、各々のゾーンのヒーターの加熱強度を調節することにより達成される。具体的には、炉心管の片端より清浄な空気あるいは、酸素含有ガスを供給し、他端より排出する方法がとられる。ガスの供給量は、通常、連続的に供給する粉体1kg当たり、酸素換算で30〜300リットル/Hrである。ロータリーキルンを用い粉体を流動させつつ行うことにより、カーボンの減少が促進されるとともに、均質な処理粉体が得られる。

0021

この処理により、シリカゲル中のカーボン濃度は、50〜1000ppm程度に減少する。残存するカーボンがほぼ消失した処理粉体は、引き続き加熱され、最終的な粉体の温度は、900〜1100℃、好ましくは950〜1050まで高められる。この際の昇温速度は通常、100〜1000℃/Hrである。ロータリーキルンでは、粉体は進行方向に対し、ほぼピストンフロー的に流れるので、供給した粉体はロータリーキルン内を進行方向に移動するに従い昇温されることとなる。従って、粉体の昇温速度は、ロータリーキルン内の温度分布と粉体の進行方向に対する移動速度からおのずと求められる。例えば、温度測定点間の距離が1mで温度差が200℃であり、粉体の進行方向に対する移動速度が0.5m/Hrであると、昇温速度は400℃/Hrとなる。

0022

この温度領域に於ける加熱処理も、清浄な空気あるいは、酸素含有ガス雰囲気下で行われる。具体的には、炉心管の片端より清浄な空気あるいは、酸素含有ガスを供給し、他端より排出する方法がとられる。ガスの供給量は、通常、連続的に供給する粉体1kg当たり、酸素換算で3〜50リットル/Hrである。またこの温度領域に於ける加熱処理もロータリーキルンを用い粉体を流動させつつ行う事が望ましい。ロータリーキルンを用い粉体を流動させつつ行うことにより、均一な加熱が行われ、均質な処理粉体が得られる。この処理によりシリカゲルの封孔はほぼ終了し、0.7〜0.8g/ml程度であった粉体のタップ嵩密度(以後、嵩密度と称す)は、1.0〜1.2g/ml程度まで上昇する。

0023

本発明に従いシリカゲル粉末に加熱処理を施すと合成石英粉が得られるが、通常、シラノールが1000ppm以上残存している。そこで、更に高められた温度領域での焼成を行う。焼成に用いる容器は、合成石英粉への不純物のコンタミを発生させない材質、例えば、石英製のるつぼを用いる。この焼成に於いては、すでに、焼成に用いる粉体中のカーボンは実質的に全量除去されているので、昇温速度に特別な注意払う必要はない。従って、容器内での昇温速度のばらつきが品質に影響を与えないので、均質な製品が得られ、従来に比べ、大容量の容器の使用も可能となる。また、予め、粉体の嵩密度が十分に高められており、焼成前の粉体の嵩密度と焼成後の粉体の嵩密度に大きな変化がなく、容器を効率的に利用できるので、生産性の向上が計られる。

0024

焼成温度は、通常、1100〜1300℃である。昇温速度は特に限定されず、100〜2000℃/Hrの範囲から適宜選択さる。焼成時間は、焼成温度にもよるが、通常10〜100時間で、合成石英粉中のシラノール濃度が100ppm以下、好ましくは、60ppm以下となるまで継続される。また、加熱の際に実質的に水分を含有しない空気、あるいは、不活性ガス流通しつつ行うとシラノール基減少速度加速されるので好ましい。当然ながら、焼成後の合成石英粉中には、実質的にカーボンは存在しない。

0025

このようにして得られた合成石英粉は、成形体に成形される。その、成形方法は、成形体の用途によって異なるが、例えば、用途がるつぼで有る場合にはアークメルト法が、IC用治具である場合には、一旦、酸・水素炎によるベルヌーイ法インゴットに成形する方法や、炭素製鋳型を用い真空下で加熱溶融するヒュージョン法等が挙げられる。

0026

いずれにしても、本発明方法によって得られた合成石英粉を用いると、泡の発生が極めて少ない成形体が得られるので、成形体の品質及び製品歩留りが大きく向上する。

0027

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
〔実施例1〕
ドライシリカゲルの作成)高純度テトラメトキシシランを水と反応させ、塊状のウェットゲルを得た。続いて、この塊状のウェットゲルを網式粉砕機粉砕した後、減圧下で加熱乾燥し、粉状のドライシリカゲルを得た。この粉状のドライシリカゲルを、振動篩別機で分級し500μm以下及び100μm以上の粒子を取得した。この粉状のドライシリカゲルを分析したところ、含液率は19.5重量%で、カーボン濃度は1.1重量%であった。また、この粉状のドライシリカゲルの嵩密度は、0.92g/mlであった。

0028

概略を図3に示すロータリーキルンを用い、以下の加熱処理を行った。図3中、6はドライゲルホッパー、7はテーブルフィーダー、8は炉心管、9は供給口、10は供給口ドーナツ、11は空気供給管、12は排出口、13は排出口ドーナツ状堰、14は処理粉受器、15は第1加熱ヒーター、16は第2加熱ヒーター、17は第3加熱ヒーター、18は第4加熱ヒーター、19は第5加熱ヒーターである。炉心管は材質が石英で、長さ(加熱ゾーン):2m、内径:200mm、供給口ドーナツ状堰開口径:20mm、排出口ナツ状堰開口径: 40mmの寸法とし、最大層高が80mmとなるように設定した。また、炉心管は、傾斜角度が0.2°になるように調節した。
(加熱処理)まず、加熱ヒーターを昇温し(第1加熱ヒーター:330℃、第2加熱ヒーター:330℃、第3加熱ヒーター:455℃、第4加熱ヒーター:455℃、第5加熱ヒーター:455℃)、炉心管を周速5.0m/分で回転させつつ粉状のドライシリカゲルを11kg/時で、空気を100リットル/分で供給口より供給した。

0029

炉心管内の粉体は、連続して、終始流動していた。各加熱ゾーンの粉体の温度は、第1加熱ヒーター部:110℃、第2加熱ヒーター部:135℃、第3加熱ヒーター部:265℃、第4加熱ヒーター部:433℃、第5加熱ヒーター部:464℃であった。粉体温度が300℃以下のゾーンの、ガスの発生量は、310N-リットル/Kg・Hrであった。また、粉体温度が300〜430℃のゾーンの長さは、30cmであった。さらに、粉体温度が450〜464℃のゾーンの通過時間は、0.6時間であった。次に、供給操作開始後、4、6、8時間目に排出された粉を分析したところ、表1に示す値であった。

0030

0031

表1から判るように、粉体の分析値は安定していた。続いて、同じロータリーキルンを用い、上記操作で得られた粉を、以下に示件で加熱処理した。第1加熱ヒーター:500℃、第2加熱ヒーター:500℃、第3加熱ヒーター:500℃、第4加熱ヒーター:1000℃、第5加熱ヒーター:1030℃に昇温し、炉心管を周速5.0m/分で回転させつつ、粉体を9.2kg/Hrで、空気を110リットル/分で供給口より供給した。

0032

加熱処理の粉体の最終温度は、1020℃であった。炉心管内の粉体は、連続して、終始流動していた。供給操作開始後、4、6、8時間目に排出された合成石英粉を分析したところ、表2に示す値であった。

0033

0034

(焼成)加熱処理で得られた合成石英粉130kgを直径550mmの石英るつぼに仕込み、電気炉内で加熱し焼成を行った。炉は昇温速度 200℃/Hrで到達温度1200℃まで昇温後、同温度で40時間保持した。この際、るつぼに、露点が−60℃の清浄な乾燥空気を780リットル/Hrで流通した。保持終了後、加熱を停止し、室温まで冷却した。冷却の際にも清浄な乾燥空気は流通した。焼成後られた合成石英粉は、112kgであった。得られた合成石英粉を、サンプリング場所毎に分析したところ表3に示す値であった。

0035

0036

(成形)焼成で得られた合成石英粉を、ベルヌーイ法でインゴットに成形した。インゴット10g中に、10μmの泡が4個検出された。
〔実施例2〕炉心管の回転速度を2.5m/分にした以外は実施例1と同様に操作を行った。加熱処理で得られた粉体中の黒色粒子数は、2個/10gであった。また、ベルヌーイ法で成形したインゴット10g中に、10μm以上まの泡が6個検出された。
〔比較例1〕炉心管の回転速度を1.3m/分にした以外は、実施例1と同様に操作を行った。加熱処理で得られた粉体中の黒色粒子数は6個/10gであった。また、ベルヌーイ法で成形したインゴット10g中に10μm以上の泡が30個検出された。

発明の効果

0037

本発明により、溶融時に発泡の原因となる残存カーボン量の少ない合成石英粉を容易に得ることができる。

図面の簡単な説明

0038

図1粉体を仕込んだ静止状態のロータリーキルンの断面図
図2仕込んだ粉体が流動状態にある、回転状態のロータリーキルンの断面図
図3本発明に用いることのできるロータリーキルンの概略を示す図

--

0039

1:粉体
2:炉心管
3:接粉面
4:炉心管内の空隙
5:粉体表面
6:ドライゲルホッパー
7:テーブルフィーダー
8:炉心管
9:供給口
10:供給口ドーナツ状堰
11:空気供給管
12:排出口
13:排出口ドーナツ状堰
14:処理粉受器
15:第1加熱ヒーター
16:第2加熱ヒーター
17:第3加熱ヒーター
18:第4加熱ヒーター
19:第5加熱ヒーター

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ