用于制造合成石英玻璃的蒸发器和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造石英玻璃的方法以及适于该方法的蒸发器。
【背景技术】
[0002]为了制造高纯度的合成石英玻璃，使用由含卤素和非卤素的硅化合物作为起始原料。含卤素的进料，如四氯化硅(SiCl4)的缺点是使用时会产生作为副产物的腐蚀性酸，例如，盐酸(HC1)。出于这个原因，非卤素材料的使用日益增多，其中，烷基聚硅氧烷目前已成为关注的焦点。
[0003]根据US5043002，聚甲基环硅氧烷，如六甲基环三硅氧烷(HMCTS)，八甲基环四硅氧烷(0MCTS)和十甲基环戊硅氧烷(DMCTS)，特别适合于制造用于光纤的高纯度二氧化硅。硅氧烷在氧气存在下在燃烧器火焰中被氧化得到Si02，其以非晶形细颗粒的形式聚积，被称为二氧化娃灰(silica soot)。3;102灰被收集并恪化形成一种玻璃，它可以用作光纤还料或光学部件的原料。
[0004]US5356451披露了被认为适于蒸发含齒素和非齒素的娃化合物的蒸发器。待蒸发的液体以薄层的方式施加到一倾斜表面。该表面被加热，其结果是液体当其沿表面流下时蒸发。
[0005]聚甲基环硅氧烷的缺点是它们容易形成树脂和凝胶，这导致在热交换器和燃烧器表面的污染，以及管道的堵塞。例如，树脂和凝胶在环烷基聚硅氧烷水解开环以形成线性端羟基的硅氧烷(硅烷醇)的过程中形成，其具有显著低于环状化合物的挥发度并沉积在系统中。硅烷醇是反应性的，并与环硅氧烷分子反应形成凝胶状的聚合产物。很可能微量的硅烷醇作为污染物包含在原料中。
[0006]EP 0719575 A2公开了一种用于非卤素硅化合物的蒸发器，其中，凝胶收集在凹槽中，以防止蒸发器表面的污染和管道的堵塞。该蒸发器包括垂直排列的蒸发腔室，待蒸发的物质被喷雾至其中。由于压力下降，一部分预热液体在进入蒸发器时蒸发，而另一部分在接触加热器蒸发器壁时蒸发。蒸发过程中所形成的凝胶在蒸发器的下部被收集，并定期除去。用于喷射液体的喷嘴被设置成使其不携带聚积在蒸发器的贮槽内的凝胶。
[0007]根据US 6312656，所述烷基聚硅氧烷未蒸发而是直接以液体形式喷入燃烧器的火焰以避免凝胶的形成。以这种方式防止与蒸发和利于凝胶的形成相关的温度荷载。
[0008]US 5879649公开了具有低于250°C的沸点的烷基聚硅氧烷，该烷基聚硅氧烷含有小于14ppm的沸点超过250°C的高沸点污染物。这些杂质由于其高沸点只能不充分地蒸发，并聚积蒸发器内，且在那里反应形成凝胶状沉积物。烷基聚硅氧烷通过蒸馏以及随后馏出物通过活性炭和分子筛过滤进行纯化。
[0009]US 2012/0276291公开了一种用于蒸发烷基聚硅氧烷的方法，根据该方法待蒸发的液体被引导到蒸发腔室的垂直壁。蒸发腔室的壁被加热到很高的温度致使一部分液体蒸发。剩余的液体沿着壁流动，到腔室的底部，并在那里被连续除去。在蒸发器中形成的凝胶随着这种液体从腔室洗出。
[0010]尽管进行了许多努力，凝胶的形成仍是高纯度石英玻璃的制造中的一个严重问题。凝胶可以集中于蒸发器内和管道内并降低过程的稳定性。特别是对于玻璃纤维的制造，因为，在这里，微细凹凸大大损害玻璃坯料形成纤维的进一步处理。此外，要尽大量努力来纯化原料并清洁蒸发器和装置。
【发明内容】
[0011]本发明是基于提供一种能够克服上述问题的用于制造石英玻璃的蒸发器和方法的目的。特别是，作为凝胶形成的结果与蒸发器和装置的清洗相关的努力都尽可能最小化。
[0012]根据本发明，该目的是通过用于制造石英玻璃的方法来解决的，根据该方法
[0013](a)合适的液体原料通过喷入蒸发器的垂直设置的蒸发腔室蒸发，
[0014](b)该汽态原料被氧化形成Si02，以及
[0015](c)收集 Si02，其中
[0016]该方法的特征在于待蒸发原料被喷射在蒸发腔室的底部，并且所述汽态原料在蒸发腔室的顶端被除去，其中所述蒸发器被设计为使得沉积在所述腔室内的组分聚积在蒸发器的底部，并被再次喷射。
[0017]在步骤(c)中所聚积的Si02，优选地，在进一步的方法步骤(d)中干燥以形成玻璃坯料，并在步骤(e)中进行热处理以用于釉化的目的。接着，坯料可在步骤(f)被进一步加工，例如以形成玻璃纤维。
[0018]有可能作为液体原料的物质是那些趋于通过聚合形成凝胶并适于制造Si02的物质。优选的是聚甲基环硅氧烷，更为优选的是六甲基环三硅氧烷(D3)、八甲基环四硅氧烷(D4)、十甲基环戊硅氧烷(D5)或十二甲基环六硅氧烷(D6)。最优选的原料是八甲基环四硅氧烷(OMCTS ;D4)。缩写D3、D4、D5等是通用电气公司为硅氧烷的引入的名称，其中D表示基团[(CH3) 2Si]-0-。
[0019]—般情况下，优选使用尽可能纯的形式的原料，因为蒸发过程被调整到原料的沸点。原料可以含有少量的具有更高或更低的沸点的组分。例如，根据本发明优选的八甲基环四硅氧烷(OMCTS ;D4)可包含高达2% (重量)的D3和/或高达5% (重量)的D5。诸如D7、D8、D9等的高分子化合物的含量，优选不超过30至lOOppm。
[0020]蒸发腔室中的温度被调整到原料，对于0MCTS(沸点171-175°C ;除非另有说明，本发明中的所有的数据均是指常压下)的情况，优选在130°C至230°C，更为优选在140°C至190°C，而最为优选的在150°C至180°C的范围内。
[0021]优选地，原料与载气一起被喷入蒸发腔室内。优选地，所使用的载气为惰性气体，更为优选地为氮气。然而，也可以将氧用作载气或将氧气与载气混合，氧气是后续烷基聚硅氧烷氧化所需要的。
[0022]优选地，原料与载气的摩尔比在0.01-2，更为优选地在0.05-1，最为优选地在0.1-0.75范围内。在其他方面，这有利于原料中高沸点聚甲基环硅氧烷的蒸发，例如D7(沸点 276。。)。
[0023]优选地，载气具有不超过30ppm(体积)，更优选地，小于10ppm(体积)的含水量。
[0024]汽态烷基聚硅氧烷，或者更确切地说，载气和汽态烷基聚硅氧烷的混合物在蒸发腔室的顶端被移除，并供入燃烧器。在引入燃烧器之前，气态物料，或者更确切地说，气态物料与载气的混合物，优选与氧气混合。在燃烧器中，烷基聚硅氧烷被氧化形成Si02。这导致无定形的Si02细粉6102灰)的形成，其以多孔团块的形式沉积。为了确保所述烷基聚硅氧烷的完全氧化，优选将更多的氧气供入燃烧器。供给(氧气)可以通过单独的喷嘴来实现。
[0025]根据一个可选择的实施方式，该蒸汽，或者更确切地说，该蒸气和载气的混合物和氧气分别供给至燃烧器，并且在它们进入燃烧器之前不混合。
[0026]优选地，给燃烧器外加燃烧燃料，优选甲烷，更为优选的是氢气，燃料燃烧导致引燃火焰，蒸气或者确切地说蒸气和载气的混合物导入火焰中。
[0027]Si02灰沉积在适宜的沉积表面上，优选在旋转的输送管道上。本发明中，获得的多孔Si0#$体也被称为烟灰体。烟灰体在步骤⑷中干燥，并通过随后的温度处理(e)转换成石英玻璃坯料。优选地，干燥在800°C至1100°C的温度下实现。其后，干燥的烟灰体通过加热到1400°C至1500°C的范围内的温度被釉化，即烧结以获得玻璃坯料。优选地，多孔Si0#$体在由氯气和惰性气体组成的气氛中进行干燥；优选地，在惰性气体气氛中，更优选地，在减压条件下进行烧结。