用于制造合成石英玻璃的蒸發(fā)器和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造石英玻璃的方法以及適于該方法的蒸發(fā)器。
【背景技術(shù)】
[0002]為了制造高純度的合成石英玻璃，使用由含鹵素和非鹵素的硅化合物作為起始原料。含鹵素的進(jìn)料，如四氯化硅(SiCl4)的缺點(diǎn)是使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的腐蝕性酸，例如，鹽酸(HC1)。出于這個(gè)原因，非鹵素材料的使用日益增多，其中，烷基聚硅氧烷目前已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003]根據(jù)US5043002，聚甲基環(huán)硅氧烷，如六甲基環(huán)三硅氧烷(HMCTS)，八甲基環(huán)四硅氧烷(0MCTS)和十甲基環(huán)戊硅氧烷(DMCTS)，特別適合于制造用于光纖的高純度二氧化硅。硅氧烷在氧氣存在下在燃燒器火焰中被氧化得到Si02，其以非晶形細(xì)顆粒的形式聚積，被稱為二氧化娃灰(silica soot)。3;102灰被收集并恪化形成一種玻璃，它可以用作光纖還料或光學(xué)部件的原料。
[0004]US5356451披露了被認(rèn)為適于蒸發(fā)含齒素和非齒素的娃化合物的蒸發(fā)器。待蒸發(fā)的液體以薄層的方式施加到一傾斜表面。該表面被加熱，其結(jié)果是液體當(dāng)其沿表面流下時(shí)蒸發(fā)。
[0005]聚甲基環(huán)硅氧烷的缺點(diǎn)是它們?nèi)菀仔纬蓸渲湍z，這導(dǎo)致在熱交換器和燃燒器表面的污染，以及管道的堵塞。例如，樹脂和凝膠在環(huán)烷基聚硅氧烷水解開環(huán)以形成線性端羥基的硅氧烷(硅烷醇)的過程中形成，其具有顯著低于環(huán)狀化合物的揮發(fā)度并沉積在系統(tǒng)中。硅烷醇是反應(yīng)性的，并與環(huán)硅氧烷分子反應(yīng)形成凝膠狀的聚合產(chǎn)物。很可能微量的硅烷醇作為污染物包含在原料中。
[0006]EP 0719575 A2公開了一種用于非鹵素硅化合物的蒸發(fā)器，其中，凝膠收集在凹槽中，以防止蒸發(fā)器表面的污染和管道的堵塞。該蒸發(fā)器包括垂直排列的蒸發(fā)腔室，待蒸發(fā)的物質(zhì)被噴霧至其中。由于壓力下降，一部分預(yù)熱液體在進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)蒸發(fā)，而另一部分在接觸加熱器蒸發(fā)器壁時(shí)蒸發(fā)。蒸發(fā)過程中所形成的凝膠在蒸發(fā)器的下部被收集，并定期除去。用于噴射液體的噴嘴被設(shè)置成使其不攜帶聚積在蒸發(fā)器的貯槽內(nèi)的凝膠。
[0007]根據(jù)US 6312656，所述烷基聚硅氧烷未蒸發(fā)而是直接以液體形式噴入燃燒器的火焰以避免凝膠的形成。以這種方式防止與蒸發(fā)和利于凝膠的形成相關(guān)的溫度荷載。
[0008]US 5879649公開了具有低于250°C的沸點(diǎn)的烷基聚硅氧烷，該烷基聚硅氧烷含有小于14ppm的沸點(diǎn)超過250°C的高沸點(diǎn)污染物。這些雜質(zhì)由于其高沸點(diǎn)只能不充分地蒸發(fā)，并聚積蒸發(fā)器內(nèi)，且在那里反應(yīng)形成凝膠狀沉積物。烷基聚硅氧烷通過蒸餾以及隨后餾出物通過活性炭和分子篩過濾進(jìn)行純化。
[0009]US 2012/0276291公開了一種用于蒸發(fā)烷基聚硅氧烷的方法，根據(jù)該方法待蒸發(fā)的液體被引導(dǎo)到蒸發(fā)腔室的垂直壁。蒸發(fā)腔室的壁被加熱到很高的溫度致使一部分液體蒸發(fā)。剩余的液體沿著壁流動(dòng)，到腔室的底部，并在那里被連續(xù)除去。在蒸發(fā)器中形成的凝膠隨著這種液體從腔室洗出。
[0010]盡管進(jìn)行了許多努力，凝膠的形成仍是高純度石英玻璃的制造中的一個(gè)嚴(yán)重問題。凝膠可以集中于蒸發(fā)器內(nèi)和管道內(nèi)并降低過程的穩(wěn)定性。特別是對(duì)于玻璃纖維的制造，因?yàn)?，在這里，微細(xì)凹凸大大損害玻璃坯料形成纖維的進(jìn)一步處理。此外，要盡大量努力來純化原料并清潔蒸發(fā)器和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明是基于提供一種能夠克服上述問題的用于制造石英玻璃的蒸發(fā)器和方法的目的。特別是，作為凝膠形成的結(jié)果與蒸發(fā)器和裝置的清洗相關(guān)的努力都盡可能最小化。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過用于制造石英玻璃的方法來解決的，根據(jù)該方法
[0013](a)合適的液體原料通過噴入蒸發(fā)器的垂直設(shè)置的蒸發(fā)腔室蒸發(fā)，
[0014](b)該汽態(tài)原料被氧化形成Si02，以及
[0015](c)收集 Si02，其中
[0016]該方法的特征在于待蒸發(fā)原料被噴射在蒸發(fā)腔室的底部，并且所述汽態(tài)原料在蒸發(fā)腔室的頂端被除去，其中所述蒸發(fā)器被設(shè)計(jì)為使得沉積在所述腔室內(nèi)的組分聚積在蒸發(fā)器的底部，并被再次噴射。
[0017]在步驟(c)中所聚積的Si02，優(yōu)選地，在進(jìn)一步的方法步驟(d)中干燥以形成玻璃坯料，并在步驟(e)中進(jìn)行熱處理以用于釉化的目的。接著，坯料可在步驟(f)被進(jìn)一步加工，例如以形成玻璃纖維。
[0018]有可能作為液體原料的物質(zhì)是那些趨于通過聚合形成凝膠并適于制造Si02的物質(zhì)。優(yōu)選的是聚甲基環(huán)硅氧烷，更為優(yōu)選的是六甲基環(huán)三硅氧烷(D3)、八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)、十甲基環(huán)戊硅氧烷(D5)或十二甲基環(huán)六硅氧烷(D6)。最優(yōu)選的原料是八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS ;D4)。縮寫D3、D4、D5等是通用電氣公司為硅氧烷的引入的名稱，其中D表示基團(tuán)[(CH3) 2Si]-0-。
[0019]—般情況下，優(yōu)選使用盡可能純的形式的原料，因?yàn)檎舭l(fā)過程被調(diào)整到原料的沸點(diǎn)。原料可以含有少量的具有更高或更低的沸點(diǎn)的組分。例如，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS ;D4)可包含高達(dá)2% (重量)的D3和/或高達(dá)5% (重量)的D5。諸如D7、D8、D9等的高分子化合物的含量，優(yōu)選不超過30至lOOppm。
[0020]蒸發(fā)腔室中的溫度被調(diào)整到原料，對(duì)于0MCTS(沸點(diǎn)171-175°C ;除非另有說明，本發(fā)明中的所有的數(shù)據(jù)均是指常壓下)的情況，優(yōu)選在130°C至230°C，更為優(yōu)選在140°C至190°C，而最為優(yōu)選的在150°C至180°C的范圍內(nèi)。
[0021]優(yōu)選地，原料與載氣一起被噴入蒸發(fā)腔室內(nèi)。優(yōu)選地，所使用的載氣為惰性氣體，更為優(yōu)選地為氮?dú)?。然而，也可以將氧用作載氣或?qū)⒀鯕馀c載氣混合，氧氣是后續(xù)烷基聚硅氧烷氧化所需要的。
[0022]優(yōu)選地，原料與載氣的摩爾比在0.01-2，更為優(yōu)選地在0.05-1，最為優(yōu)選地在0.1-0.75范圍內(nèi)。在其他方面，這有利于原料中高沸點(diǎn)聚甲基環(huán)硅氧烷的蒸發(fā)，例如D7(沸點(diǎn) 276。。)。
[0023]優(yōu)選地，載氣具有不超過30ppm(體積)，更優(yōu)選地，小于10ppm(體積)的含水量。
[0024]汽態(tài)烷基聚硅氧烷，或者更確切地說，載氣和汽態(tài)烷基聚硅氧烷的混合物在蒸發(fā)腔室的頂端被移除，并供入燃燒器。在引入燃燒器之前，氣態(tài)物料，或者更確切地說，氣態(tài)物料與載氣的混合物，優(yōu)選與氧氣混合。在燃燒器中，烷基聚硅氧烷被氧化形成Si02。這導(dǎo)致無定形的Si02細(xì)粉6102灰)的形成，其以多孔團(tuán)塊的形式沉積。為了確保所述烷基聚硅氧烷的完全氧化，優(yōu)選將更多的氧氣供入燃燒器。供給(氧氣)可以通過單獨(dú)的噴嘴來實(shí)現(xiàn)。
[0025]根據(jù)一個(gè)可選擇的實(shí)施方式，該蒸汽，或者更確切地說，該蒸氣和載氣的混合物和氧氣分別供給至燃燒器，并且在它們進(jìn)入燃燒器之前不混合。
[0026]優(yōu)選地，給燃燒器外加燃燒燃料，優(yōu)選甲烷，更為優(yōu)選的是氫氣，燃料燃燒導(dǎo)致引燃火焰，蒸氣或者確切地說蒸氣和載氣的混合物導(dǎo)入火焰中。
[0027]Si02灰沉積在適宜的沉積表面上，優(yōu)選在旋轉(zhuǎn)的輸送管道上。本發(fā)明中，獲得的多孔Si0#$體也被稱為煙灰體。煙灰體在步驟⑷中干燥，并通過隨后的溫度處理(e)轉(zhuǎn)換成石英玻璃坯料。優(yōu)選地，干燥在800°C至1100°C的溫度下實(shí)現(xiàn)。其后，干燥的煙灰體通過加熱到1400°C至1500°C的范圍內(nèi)的溫度被釉化，即燒結(jié)以獲得玻璃坯料。優(yōu)選地，多孔Si0#$體在由氯氣和惰性氣體組成的氣氛中進(jìn)行干燥；優(yōu)選地，在惰性氣體氣氛中，更優(yōu)選地，在減壓條件下進(jìn)行燒結(jié)。