Wie die Überschrift schon vermuten lässt, gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, um Quarzglas herzustellen. Bei der einen werden hochreines Quarz oder andere Mineralien, die Siliziumdioxid enthalten, durch verschiedene Wärmequellen geschmolzen. Diese Werkstoffklasse wird als natürliches Quarzglas bezeichnet. Die andere Möglichkeit, die zu synthetischem Quarzglas führt, verwendet Chemikalien mit gasförmigem Silicium (z. B. SiCl4), die bei Anwesenheit von Sauerstoff verbrannt werden, um Siliciumdioxid zu bilden.
Herstellung von natürlichem und synthetischem Quarzglas
Natürliches Quarzglas
Elektrisches Schmelzen
Das elektrische Schmelzen ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Quarzglas. Zwei Methoden werden hierbei unterschieden:
- Kontinuierliches Schmelzen:
Im kontinuierlichen Verfahren wird Quarzsand stetig oben in einen vertikalen Schmelzofen eingefüllt, der im Wesentlichen aus einem hitzebeständigen, von elektrischen Heizelementen umgebenen Tiegel besteht. Im Tiegelinneren wird eine neutrale oder leicht reduzierende Atmosphäre gehalten, die eine Reaktion des Siliziumdioxids mit dem Tiegel unterbindet. Das geschmolzene Glas tritt aus einer Öffnung unten aus dem Tiegel aus, wobei die Geometrie der Produkte in Form von Stäben, Rohren oder Platten eingestellt wird. - Block- bzw. Batch-Schmelzen:
Im Batch-Verfahren wird eine größere Menge des Quarz-Rohstoffs in eine hitzebeständige Vakuumkammer eingebracht, die von Heizelementen umgeben ist. Obwohl dieses Verfahren klassisch eingesetzt wurde, um einzelne große Quarzglasblöcke zu fertigen, kann das Verfahren auch zur Herstellung kleinerer, formoptimierter Körper aus Quarzglas angewandt werden.
Die Reinheit des Quarzglases wird im Wesentlichen durch den Aufbereitungsgrad der Rohstoffe und das eingesetzte Verfahren bestimmt. Heraeus verwendet bei der Herstellung seiner Produkte nur sehr hoch aufbereiteten Quarzsand in Verbindung mit einer sehr strengen Qualitätskontrolle.
Flammenschmelzen
Historisch gesehen bestand das erste Verfahren zur Herstellung von natürlichem Quarzglas aus dem kleinmaßstäblichen Schmelzen von Quarzkristallen in einer Flamme. Der Heraeus-Chemiker Richard Küch begann vor mehr als 100 Jahren erstmals damit, Bergkristall in einer Knallgasflamme (H2/O2) zu schmelzen. Seitdem wird Quarzglas bei Heraeus in einem industriellen Maßstab mit diesem Verfahren hergestellt.
Heute wird flammengeschmolzenes natürliches Quarzglas in großem Maßstab durch ein kontinuierliches Verfahren hergestellt, bei dem hochreiner Quarzsand dosiert in eine Hochtemperatur-Wasserstoff/Sauerstoff-Flamme gestreut wird und sich in einen aus refraktären Materialien aufgebauten Behälter abscheidet. Die zähflüssige Schmelze wird langsam durch eine Düse im Boden dieses Behälters gezogen und verfestigt sich in einer durch die Geometrie der Düse bestimmten Form. Auf diese Weise ist es möglich, einen Block aus transparentem, natürlichem Quarzglas mit dem gewünschten Querschnitt (rund, rechteckig oder hohl) herzustellen, der in Intervallen abgeschnitten und zur Weiterverarbeitung entfernt wird.
Synthetisches Quarzglas
Bei diesem Verfahren werden die Silizium enthaltenden Ausgangsstoffe (z. B. Siliciumtetrachlorid, STC) bei Anwesenheit von Sauerstoff verbrannt, um Nanopartikel aus Siliziumdioxid zu bilden, die auch als „Soot-Teilchen“ bezeichnet werden. Da die Ausgangsstoffe spezifisch hergestellt und aufbereitet werden, sind sie in einer außergewöhnlich hohen Reinheit verfügbar; daher weist das resultierende synthetische Quarzglas einen sehr niedrigen Gehalt an metallischen Verunreinigungen auf.
Da im Herstellungsverfahren Chemikaliendämpfe (Silicium enthaltende Ausgangsstoffe) zum Einsatz kommen, wird es als chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) bezeichnet. Zwei Prozessfamilien sind zu nennen: Bei der einen werden die abgeschiedenen Nanopartikel direkt auf eine verdichtete Quarzglasschicht aufgeschmolzen; bei der anderen sammeln sich die Soot-Teilchen an und werden in einem sekundären Prozessschritt zu transparentem Quarzglas verdichtet (dieser Vorgang wird als Verglasung bezeichnet).
Einstufige Herstellung von Quarzglas
Chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD)
Bei der Herstellung von Lichtleitfaser-Kernstäben erfolgt die Beschichtung von Quarzglas mit einem definierten Brechungsindex im Inneren von Quarzglasrohren. Die Chemikalien werden durch ein Trägergas in das Rohr eingebracht. Die Reaktion zur Bildung von Soot wird durch eine Wärmequelle ausgelöst. CVD-Prozesse werden nach Art der eingesetzten Wärmequelle unterschieden. Als Wärmequelle wird entweder eine Flamme (MCVD), ein Ofen (FCVD) oder ein Plasma (PCVD) verwendet. Alle Gase, die nicht reagiert haben, werden in einem Gaswäscher behandelt.
Weitere Informationen zur Herstellung von Lichtleitfasern
Weitere Informationen zu Quarzglasrohren
Plasma Outside Deposition (POD)
Bei diesem Prozess wird eine Plasma-Wärmequelle verwendet, um chemische Ausgangsstoffe zu „verbrennen“ und eine dünne Glasschicht auf einem rotierenden Zielkörper („Target“) aufzubringen. Bei diesem Target kann es sich um ein Rohr oder einen massiven Stab handeln, der nicht unbedingt eine runde Form aufweisen muss. Aufgrund der hohen Temperatur des Plasmas eignet sich dieses Verfahren am besten zur Herstellung von fluordotiertem Quarzglas. Der erreichbare maximale Gehalt an Fluor in Kieselsäure ist eine Funktion der Beschichtungstemperatur. Der maximale Fluorgehalt ist begrenzt, da Quarzglas durch Fluor auch weggeätzt wird. Je höher der Fluorgehalt in den Gasen, desto langsamer erfolgt die Abscheidung.
Das POD-Verfahren wird in der Regel zur Herstellung von stark fluordotiertem Quarzglas eingesetzt, das einen niedrigeren Brechungsindex als nicht dotiertes Quarzglas aufweist. Dieser unterschiedliche Brechungsindex wird für Lichtleitfasern benötigt. Die verfügbaren Produkte sind stark fluordotierte Rohre und Stäbe, aber Heraeus bietet dieses Verfahren auch als Dienstleistung an.
Weitere Informationen zu Produkten für Lichtleitfasern
Zweistufige Herstellung von Quarzglas
Bei diesem Verfahren werden Soot-Teilchen auf einem rotierenden Trägerstab (dem sog. „Bait Rod“) (Outside Vapor Deposition, OVD, Außendampfabscheidung) oder am Ende eines Stabes, der nach oben gezogen wird (Vapor Axial Deposition, VAD; Axiale Dampfabscheidung), abgeschieden. Die Soot-Teilchen sammeln sich an und bilden einen porösen Körper mit einer Dichte, die weniger als 25 % der Dichte von Quarzglas beträgt. Anschließend wird dieser poröse Soot-Körper zu einem transparenten Quarzglaskörper konsolidiert.
Aufgrund seiner großen Oberfläche kann der poröse Soot-Körper einfach dotiert werden. In der faseroptischen Industrie wird Wasserstoff in einem Dehydratationsschritt durch Chlor ersetzt, bevor der Soot-Körper verglast wird.