(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素ハロゲン化物を酸化加水分解して生成したすす状シリカ微粒子をターゲット上に繰り返し堆積して密度が異なる不連続な層を有する多層構造の多孔質石英ガラス母材を製造したのち、アンモニアガスで処理して発泡体前駆体を形成し、それを加熱発泡することを特徴とする高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【請求項２】
多層構造の多孔質石英ガラス母材を酸水素火炎バーナーの移動速度の変動で形成することを特徴とする請求項１記載の高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【請求項３】
多層構造の各層を酸水素火炎バーナーの移動速度の変動率±１５％以下で形成するとすることを特徴とする請求項２記載の高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【請求項４】
多層構造体の多孔質石英ガラス母材を酸水素火炎バーナーに供給する原料の流量の変化で形成することを特徴とする請求項１記載の高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【請求項５】
多層構造の各層を供給原料の流量の変化率±１０％以下で形成することを特徴とする請求項４記載の高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【請求項６】
多層構造体の多孔質石英ガラス母材を酸水素火炎バーナーの移動速度及び供給原料の流量変動で形成することを特徴とする請求項１記載の高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【請求項７】
多層構造の各層を供給原料の流量の変化率±１０％以下で、かつ酸水素火炎バーナーの移動速度の変動率±１５％以下で形成することを特徴とする請求項６記載の高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【請求項８】
多層構造の多孔質石英ガラス母材を堆積したすす状シリカ微粒子を周期的に酸水素火炎バーナーで加熱することで形成することを特徴とする請求項１記載の高強度石英ガラス発泡体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英ガラス発泡体の製造方法、更に詳しくは疎密な層を複数層有し高強度の石英ガラス発泡体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、石英ガラス発泡体は、軽量で断熱性に優れ、しかも低膨張性であるところから炉の保温断熱構造材や軽量反射鏡の基体等に幅広く利用されてきた。前記石英ガラス発泡体は、石英粉又はガラス粉にカーボン粉やＳｉ3Ｎ4等の発泡剤を添加混合し、発泡させる方法、或は多孔質石英ガラス母材とアンモニアとを反応させ、それを高温下で加熱発泡させる方法（特公平６−２４９９９号公報）等で製造されてきた。ところが、前記製造方法等で製造された石英ガラス発泡体は、軽量で断熱性に優れているが、元来ガラス質の多孔質構造体であるため、局部的な力や、大きな曲げ負荷で簡単に破損したり、或はセルが潰れて発泡体が崩壊したりし、構造材料として機械的強度が不十分であった。また前記石英ガラス発泡体を炉の構造材として使用すると、例えば１２００℃以上の高温で軟化変形し、形状安定性にも欠ける等の欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした現状に鑑み、本発明者等は鋭意研究を続けた結果、珪素ハロゲン化物を酸水素火炎バーナー中で酸化加水分解して生成したすす状シリカ微粒子を、例えば水酸基の量や密度等の物性値の不連続層となるようにターゲット上に堆積させ、それを加熱発泡させたところ、高強度の石英ガラス発泡体が得られることを見出し、本発明を完成したものである。
【０００４】
すなわち、本発明は、軽量で、高強度の石英ガラス発泡体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、疎密な層を複数層有する均一な気泡を含有する石英ガラス発泡体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、珪素ハロゲン化物を酸化加水分解して生成したすす状シリカ微粒子を物性値が不連続的に異なる層状にターゲット上に堆積して多層構造の多孔質石英ガラス母材を製造したのち、アンモニアガスで処理して発泡体前駆体を形成し、それを加熱発泡することを特徴とする高強度石英ガラス発泡体の製造方法法に係る。
【０００７】
上記珪素ハロゲン化物としては、モノシラン（ＳｉＨ4）、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ3）、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）等を挙げることができる。本発明は、前記珪素ハロゲン化物を酸素、水素とともに加水分解用バーナーに供給し、酸水素火炎で加水分解してすす状シリカ微粒子を生成し、それをアルミナ等からなるターゲット上に物性値が層状に異なるように堆積させて多孔質シリカ母材を製造し、次いで前記多孔質シリカ母材をアンモニア処理したのち加熱発泡する製造方法からなる。前記多孔質シリカ母材の物性値を層状に異ならせる堆積方法としては、バーナーの移動速度を変動させる方法（以下バーナー移動法という）、供給原料の流量を変化させる方法（以下原料供給変化法という）、前二者を併用する方法、或はターゲット上に堆積したすす状シリカ微粒子を酸水素火炎で周期的に加熱する方法等が挙げられる。他方、前記多孔質シリカ母材を形成する各堆積層はその物性値が一定であるのが好ましい。前記堆積層に物性値の変動があると、高温発泡に際し、発生したガスにバラツキが生じ、それが原因で発泡体の各堆積層に平行な方向にコントロールされない疎密な部位や空洞が生じ、発泡体全体の機械的強度が低下する。そのため各堆積層の形成には、バーナー移動法では移動速度を±１５％以下の変動率に、また原料ガス供給法では供給流量を±１０％以下の変化率にするのがよい。
【０００８】
上記多孔質シリカ母材の製造で使用するターゲットとしては、種々の形状のもの例えば、円筒状、多角形、円盤状、多角錐等が使用できる。ターゲットの任意選択により任意の形状の多孔質シリカ母材を形成でき、それを発泡させれば、利用目的に応じた形状の構造材が製造できる。
【０００９】
さらに、多層構造の多孔質シリカガラス母材の製造において加水分解用バーナーの角度又は配置を変えることで図１（ａ）〜（ｃ）に示すような多孔質シリカ母材が製造できる。この加水分解用バーナーの変位とターゲットの形状を組合せることにより任意の疎密層角度を有する石英ガラス発泡体が製造でき、最終的に利用される石英ガラス発泡体構造材が最も強度を発揮できるように形状を選択でき工業的に極めて有利である。
【００１０】
本発明では、上記製造方法で得られた多孔質シリカ母材を、次いでアンモニアガスで処理して発泡体前駆体を形成するが、アンモニアガス処理方法としては、多孔質シリカ母材をアンモニアガス雰囲気中で６００〜１３００℃に加熱保持するのがよい。アンモニア処理温度が６００℃より低いと反応が遅過ぎて実用的でなく、また１３００℃を超えると、置換反応によって結合したアンモニア又は窒素含有ガスが再び遊離し、続く発泡工程に悪影響を与えて不都合である。
【００１１】
上記アンモニア処理されて形成された発泡体前駆体は１３５０〜１８００℃、好ましくは１６００℃以上で３０〜１２０分間加熱処理されて発泡成形され、主に独立気泡からなる石英ガラス発泡体が製造される。前記発泡成形は減圧下でも又大気圧下でもよいが、大気圧が異常発泡が抑制でき好ましい。好ましい発泡度は、見掛け密度０．２５〜１．７ｇ／ｃｍ3の範囲にある。見掛け密度が０．２５ｇ／ｃｍ3未満では圧縮及び曲げ強度に劣り、また見掛け密度が１．７ｇ／ｃｍ3を超えると、層状構造が消失し断熱性、軽量性が損なわれる。前記範囲の見掛け密度を有する発泡体は、疎な層の密度が０．１〜１．４ｇ／ｃｍ3、密な層の密度が０．５〜２．２ｇ／ｃｍ3の範囲になる。
【００１２】
上記発泡成形で得られた発泡体は、疎密な層を複数層有する多層構造で、空洞の発生がほとんどみられない均一な気泡を有する石英ガラス発泡体である。そしてその発泡度は、層に垂直方向では高く、平行方向では低い。そのため一方向のみを考慮すれば良いところから、発泡成形に当っては密閉性の型をとくに必要とせず、上下方向に発泡するようにセットすればよい。前記発泡成形で得られた石英ガラス発泡体の疎な層厚が密な層厚より１以上で、かつ密な層の密度が疎な層の密度より０．３ｇ／ｃｍ3以上大きいと、軽量化が保持されたまま曲げ破壊強度、圧縮強度及び高温曲げ強度等の機械的強度が向上し、さらに高温における形状安定性も向上する。そのため前記石英ガラス発泡体は、各種構造材として有用である。前記発泡成形における発泡温度が１３５０℃未満では、十分な発泡が行われないばかりでなく、独立気泡内に活性なアンモニアガスが熱分解されずに残留し、また１８００℃を超えると発泡が進行し過ぎて連通気泡の発泡体が形成され不都合である。
【００１３】
上記本発明の製造方法では、発泡方向以外はほとんど寸法が変わらないところから、後工程での加工を考慮し、多孔質シリカ母材を少し大きめのサイズに形成し、それを所期の寸法に加工すれば寸法精度の高い高純度の石英ガラス発泡体が製造できる。
【００１４】
【実施の形態】
次に具体例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はそれにより限定されるものではない。
【００１６】
実施例１
酸水素火炎バーナーに酸素０．４Ｎｍ３／ｈ、水素１．８Ｎｍ３／ｈ及び酸素０．２Ｎｍ３／ｈをキャリアガスとする気体四塩化珪素１５００ｇ／ｈを供給してすす状シリカ微粒子を生成し、それを高純度の平面円盤状の厚さ３０ｍｍ、直径４００ｍｍφのアルミナプレートターゲットに堆積させた。前記ターゲットは６５ｒｐｍで回転し、その回転軸を通るようにバーナーが３００ｍｍ／ｍｉｎの移動速度で振幅１００ｍｍで往復運動した。また、四塩化珪素を供給するのを３分、非供給を１分とし交互に繰り返し堆積させた。その結果、厚さ１５０ｍｍ、直径３５０ｍｍφの多孔質シリカ母材が製造された。この多孔質シリカ母材に、窒素ガス０．５Ｎｍ３／ｈをキャリアガスとして、アンモニアガス０．２Ｎｍ３／ｈを流しながら、電気炉内で１２００℃に４．５時間加熱保持し発泡体体前駆体を形成した。得られた発泡体前駆体を１７５０℃で３０分間加熱保持したところ、厚さ２８０ｍｍ、直径３７０ｍｍφで見掛け密度０．４ｇ／ｃｍ３の層状構造の石英ガラス発泡体が得られた。前記発泡体を２等分したところ、どの切り口にも空洞の発生がなく、平行な層状模様が観察された。またその発泡体について密度の密な層を切り出して調べたところ、厚みが約１〜２ｍｍでその密度は１．０２ｇ／ｃｍ３（サンプル平均）であった。
【００１７】
上記石英ガラス発泡体について２点曲げ破壊試験、圧縮試験及び高温曲げ試験を行った。その結果を表１に示す。各試験のうち２点曲げ破壊試験は、層に平行な方向に長さ１５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、垂直方向の高さ５０ｍｍの角柱をサンプルとし、スパン１４０ｍｍで試験を行った。また、圧縮試験は、層に平行な方向に長さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、層に垂直な方向の高さ２０ｍｍの立方体をサンプルとして試験を行った。さらに、高温曲げ試験は、層に平行な方向に長さ２１０ｍｍ、幅３０ｍｍ、垂直方向の高さ３０ｍｍの角柱をサンプルとし、スパン２００ｍｍ、１２８０℃、２０時間の加熱試験を行った。
【００１８】
〈比較例〉
比較例１
酸水素火炎バーナーに酸素０．４Ｎｍ3／ｈ、水素１．８Ｎｍ3／ｈ及び酸素０．２Ｎｍ3／ｈをキャリアガスとする気体四塩化珪素１５００ｇ／ｈを供給して生成したすす状シリカ微粒子を集めて石英ガラス容器（内径４００×深さ３００）の中に入れ、窒素ガス０．５Ｎｍ3／ｈをキャリアガスとしてアンモニアガスを０．２Ｎｍ3／ｈを流しながら、電気炉で８５０℃で４．５時間加熱し発泡体前駆体を形成した。次いで前記発泡体前駆体を内径３７０ｍｍのカーボン型中で１００ｇ／ｃｍ2の圧力でプレスしたのち同型内で１７５０℃に３０分間加熱保持し発泡した。得られた石英ガラス発泡体は厚さ３００ｍｍ、直径３７０ｍｍの見掛け密度０．４ｇ／ｃｍ3の発泡体であった。この発泡体について実施例２と同様に２等分し観察したところ、層構造がなく、１０〜２０ｍｍの空洞が多数みられた。さらに、曲げ破壊試験、圧縮試験及び高温曲げ試験について実施例２と同様んい行った。その結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
0003770412.tif 000002
【００２０】
上記表１から明らかなように実施例２の発泡体は、比較例１の発泡体に比べて曲げ強度が約２〜３倍、圧縮強度が層に垂直な方向で約２倍向上している。さらに高温における撓み量が比較例１の発泡体の約１／２と高温形状安定性が優れていることがわかる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の製造方法では、疎密な層を複数層有し、疎密な層に垂直の曲げ強度が高く、かつ平行の方向の引張り強度が高い上に、高温における形状安定性が優れ各種構造材、特に炉の構造材として有用である。
図面の簡単な説明】
【図１】図１は、加水分解バーナーの配置による各種形状の多孔質シリカ母材を製造する概略図を示す。
【図１】
0003770412.tif 000003