JP6942688B2 - Composition for transparent silica glass and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、透明シリカガラス用組成物、透明シリカガラス及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a composition for transparent silica glass, transparent silica glass, and a method for producing the same.
現在、白色LED市場は大きな広がりを見せており、チップの高輝度化に伴い樹脂の高耐熱、高耐衝撃が要求され、現在は高輝度LEDにはシリコーン樹脂が主に用いられている。 At present, the white LED market is expanding greatly, and high heat resistance and high impact resistance of resins are required as the brightness of chips is increased. Currently, silicone resins are mainly used for high brightness LEDs.
また、最近では殺菌用途などでUV LEDが展開されるようになってきた。UV LEDは波長が400nmの領域を主な発光波長としているため、非常に高い耐熱性、耐衝撃性、耐変色性が求められる。しかし、シリコーン樹脂はUV領域の光が当たり続けると分解が進み、クラックや変色といった問題が発生してきている。 Recently, UV LEDs have been developed for sterilization applications. Since UV LEDs mainly emit light in a wavelength region of 400 nm, extremely high heat resistance, impact resistance, and discoloration resistance are required. However, the silicone resin is decomposed when it is continuously exposed to light in the UV region, causing problems such as cracks and discoloration.
そこで、現在では有機成分を入れずに、UV LEDチップ直上にガラスなどがリフレクタとハーメチックシールされているLEDの構造がほとんどである。しかし、短波長で吸収の少ないガラスは石英ガラスしかなく、価格としては非常に高価なものとなる。また、LEDの構造も石英ガラスでは平板構造しかできず、多種多彩なレンズ構造やフレネル構造などを搭載することが困難であった。 Therefore, at present, most of the LED structures have a glass or the like hermetically sealed with a reflector directly above the UV LED chip without adding an organic component. However, quartz glass is the only glass with a short wavelength and low absorption, which is very expensive in terms of price. Further, the LED structure can only be a flat plate structure with quartz glass, and it is difficult to mount a wide variety of lens structures and Fresnel structures.
従来から、無機粉体とバインダーの混練物を成形し、焼結することによって製造するガラス焼結体は知られているが、高純度・高透明の成形物を得ることは困難であった(特許文献1)。また、メチルセルロースやメチルヒドロキシエチルセルロース等のセルロース誘導体(特許文献2、3)やポリビニルアルコール(PVA)(特許文献4)などをバインダーとしてシリカを成形し、焼結させて透明シリカガラスを製造する方法が見出されている。しかし、セルロース誘導体をバインダーとして用いた場合では成形性は良好だがセルロース誘導体内の不純物が残存して高透明性を発揮することが困難であった。また、PVAをバインダーとして用いた場合も同様にPVAの可塑剤などが不純物として混入することで焼結後のシリカガラスの透明性に問題があり、量産化が困難であった。更に、ゾル−ゲル法でpHを調整したシリカ含有ゲルを焼結する方法は知られているが(特許文献5、6)、この製造方法は手順が煩雑であり、この方法でも量産化は困難であった。 Conventionally, a glass sintered body produced by molding and sintering a kneaded product of an inorganic powder and a binder has been known, but it has been difficult to obtain a highly pure and highly transparent molded product (). Patent Document 1). Further, there is a method of molding silica using a cellulose derivative such as methyl cellulose or methyl hydroxyethyl cellulose (Patent Documents 2 and 3) or polyvinyl alcohol (PVA) (Patent Document 4) as a binder and sintering the silica to produce transparent silica glass. Has been found. However, when the cellulose derivative is used as a binder, the moldability is good, but impurities in the cellulose derivative remain and it is difficult to exhibit high transparency. Further, when PVA is used as a binder as well, there is a problem in the transparency of the silica glass after sintering due to the inclusion of a plasticizer of PVA as an impurity, which makes mass production difficult. Further, although a method of sintering a silica-containing gel whose pH is adjusted by a sol-gel method is known (Patent Documents 5 and 6), the procedure of this production method is complicated, and mass production is difficult even with this method. Met.
これらのことから、高純度かつ高透明な透明シリカガラス、及びこのような透明シリカガラスを効率よく量産できる製造方法の開発が求められていた。 From these facts, it has been required to develop high-purity and highly transparent transparent silica glass and a manufacturing method capable of efficiently mass-producing such transparent silica glass.
そこで本発明では上記事情に鑑み、高純度かつ高透明な透明シリカガラスとなる組成物、及びこの組成物から得られる透明シリカガラスを提供することを目的とする。また、バインダーそのものがシリカになることにより、高純度かつ高透明な透明シリカガラスを効率よく量産できる製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a composition that becomes a highly pure and highly transparent transparent silica glass, and a transparent silica glass obtained from this composition. Another object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of efficiently mass-producing high-purity and highly transparent transparent silica glass by converting the binder itself into silica.
上記課題を解決するために、本発明では、下記(A)成分及び(B)成分;
(A)平均粒径が0.01〜150μmであり、かつアスペクト比が1.00〜1.50である非晶質球状シリカ粒子:80〜99.9質量部
(B)1個以上のSi−N結合および1個以上のSi−H基を有するシラザン化合物であるバインダー:0.1〜20質量部
を含むものであることを特徴とする透明シリカガラス用組成物を提供する。
In order to solve the above problems, in the present invention, the following components (A) and (B);
(A) Amorphous spherical silica particles having an average particle size of 0.01 to 150 μm and an aspect ratio of 1.00 to 1.50: 80 to 99.9 parts by mass (B) One or more Si Provided is a composition for transparent silica glass, which comprises 0.1 to 20 parts by mass of a binder which is a silazane compound having an −N bond and one or more Si—H groups.
本発明のような透明シリカガラス用組成物であれば、(B)成分であるバインダーを脱脂すると全てシリカになるため、残存有機基による変色なども起こらず、より透明性に優れ、純度の高い透明シリカガラスが得られる。 In the case of a composition for transparent silica glass as in the present invention, when the binder which is the component (B) is degreased, all of the composition becomes silica, so that discoloration due to residual organic groups does not occur, and the composition is more transparent and has high purity. A transparent silica glass is obtained.
また、前記(B)成分が、下記一般式(1)で示される重量平均分子量1,000〜2,000,000のポリシラザン化合物であることが好ましい。
このように高分子化されることにより、さらに緻密なガラス膜を形成することができて、脱脂や焼結時に空隙やクラックが発生する恐れがなく、より透明な透明シリカガラスとなる。 By being polymerized in this way, a more dense glass film can be formed, and there is no risk of voids or cracks occurring during degreasing or sintering, resulting in a more transparent transparent silica glass.
さらに、前記式(1)において、R1、R2、R3の全てが水素原子であってもよい。 Further, in the above formula (1), all of R 1 , R 2 and R 3 may be hydrogen atoms.
このように、R1、R2、R3の全てが水素原子であれば、脱脂および焼結時に揮発するものに透明性への影響を与える成分が残らず、全てシリカとなるため好ましい。 As described above , if all of R 1 , R 2 , and R 3 are hydrogen atoms, it is preferable because all of those that volatilize during degreasing and sintering do not have any component that affects transparency and are all silica.
また、前記(B)成分に、下記一般式(2)
で示されるシラザンモノマーを含み、上記一般式(1)で表されるポリシラザン化合物と、上記一般式(2)で表されるシラザンモノマーとの割合が質量比で99:1〜99.9:0.1であることが好ましい。
In addition, the following general formula (2) is added to the component (B).
The ratio of the polysilazane compound represented by the general formula (1) to the silazane monomer represented by the general formula (2) is 99: 1 to 99.9: 0 in terms of mass ratio. It is preferably 1.
このようなシラザンモノマーが含まれれば、成形時のシリカとポリシラザン化合物との濡れ性を向上させ、成形時のボイド等を低減することができる。 If such a silazane monomer is contained, the wettability between silica and the polysilazane compound during molding can be improved, and voids and the like during molding can be reduced.
また、本発明は、上記透明シリカガラス用組成物の焼結体であることを特徴とする透明シリカガラスを提供する。 The present invention also provides transparent silica glass, which is a sintered body of the composition for transparent silica glass.
本発明に示す透明シリカガラスであれば、高純度かつ高透明な透明シリカガラスとなる。 The transparent silica glass shown in the present invention is a highly pure and highly transparent transparent silica glass.
さらに、本発明は、下記(A)成分及び(B)成分;
(A)平均粒径が0.01〜150μmであり、かつアスペクト比が1.00〜1.50である非晶質球状シリカ粒子:80〜99.9質量部
(B)1個以上のSi−N結合および1個以上のSi−H基を有するシラザン化合物であるバインダー:0.1〜20質量部
を含む組成物を調製する工程の後に、該組成物を成形して成形体を形成する工程、次いで、該成形体を400〜1,200℃で10分間〜12時間加熱して脱脂する工程、さらに、該脱脂した成形体を1,400〜1,900℃で1〜60分間加熱して焼結する工程を有することを特徴とする透明シリカガラスの製造方法を提供する。
Further, the present invention relates to the following components (A) and (B);
(A) Amorphous spherical silica particles having an average particle size of 0.01 to 150 μm and an aspect ratio of 1.00 to 1.50: 80 to 99.9 parts by mass (B) One or more Si Binder, which is a silican compound having an −N bond and one or more Si—H groups: After the step of preparing a composition containing 0.1 to 20 parts by mass, the composition is molded to form a molded product. Step, then the step of heating the molded product at 400 to 1,200 ° C. for 10 minutes to 12 hours to degrease, and further heating the degreased molded product at 1,400 to 1,900 ° C. for 1 to 60 minutes. Provided is a method for producing transparent silica glass, which comprises a step of sintering.
本発明のような製造方法であれば、バインダーを構成する全てのケイ素種がシリカに変わるため、高純度かつ高透明な透明シリカガラスを効率よく量産できる。 With the production method as in the present invention, since all the silicon species constituting the binder are changed to silica, high-purity and highly transparent transparent silica glass can be efficiently mass-produced.
さらに、前記(B)成分として、下記一般式(1)で示される重量平均分子量1,000〜2,000,000のポリシラザン化合物を用いることが好ましい。
このような(B)成分を使用する製造方法であれば、さらに緻密なガラス膜を形成することができて、脱脂や焼結時に空隙やクラックが発生する恐れがなく、より透明な透明シリカガラスを製造することができる。 With such a manufacturing method using the component (B), a finer glass film can be formed, and there is no risk of voids or cracks occurring during degreasing or sintering, and a more transparent transparent silica glass. Can be manufactured.
またこのとき、前記式(1)において、R1、R2、R3の全てが水素原子であってもよい。 At this time, in the above formula (1), all of R 1 , R 2 , and R 3 may be hydrogen atoms.
このような(B)成分を使用する製造方法であれば、脱脂および焼結時に揮発するものに透明性への影響を与える成分が残らず、全てシリカとなるため好ましい。 A production method using such a component (B) is preferable because all of the components that volatilize during degreasing and sintering do not remain and are all silica.
さらに、前記(B)成分に、下記一般式(2)
で示されるシラザンモノマーを含み、上記一般式(1)で表されるポリシラザン化合物と、上記一般式(2)で表されるシラザンモノマーとの割合が質量比で99:1〜99.9:0.1であることが好ましい。
Further, the following general formula (2) is added to the component (B).
The ratio of the polysilazane compound represented by the general formula (1) to the silazane monomer represented by the general formula (2) is 99: 1 to 99.9: 0 in terms of mass ratio. It is preferably 1.
このような(B)成分を使用する製造方法であれば、成形時のシリカとポリシラザン化合物との濡れ性を向上させ、成形時のボイド等を低減することができる。 With such a production method using the component (B), the wettability between silica and the polysilazane compound during molding can be improved, and voids and the like during molding can be reduced.
以上のように、本発明の透明シリカガラス用組成物は、バインダーとして脱脂すればケイ素種はすべてシリカになるシラザン化合物を用いているので、非晶質球状シリカ粒子との親和性が飛躍的に向上し、クラック、ボイド、失透の発生が抑制されるため、高透明な透明シリカガラスとなる。また、失透の原因となる不純物が非常に少なく、高純度の透明シリカガラスとなる。さらに、バインダーに含まれるSi−N結合が非晶質球状シリカ粒子と結合し、脱脂、焼結時にSi−O結合に変化するため、さらにシリカとの化学結合の形成に寄与するので、透明性が非常に高く、広範囲の波長で透過率に優れたシリカガラスとなる。 As described above, since the composition for transparent silica glass of the present invention uses a silazane compound in which all silicon species become silica when degreased as a binder, the affinity with amorphous spherical silica particles is dramatically improved. It is improved and cracks, voids, and devitrification are suppressed, so that the glass becomes highly transparent transparent silica glass. In addition, there are very few impurities that cause devitrification, resulting in high-purity transparent silica glass. Furthermore, the Si—N bond contained in the binder binds to the amorphous spherical silica particles and changes to a Si—O bond during degreasing and sintering, which further contributes to the formation of a chemical bond with silica, and thus is transparent. Is very high, and it becomes silica glass with excellent transmittance in a wide range of wavelengths.
また、本発明の透明シリカガラスの製造方法であれば、バインダーとしてシラザン化合物を用いることで、脱脂及び焼結時の変色を極限まで減らすことができ、しかもケイ素種が全てシリカに変換されることからも、従来のバインダーに比べて脱脂及び焼結時の体積収縮を限りなく少なくすることができる。更に、バインダーと非晶質球状シリカ粒子の混練時に縮合触媒等を用いる必要がないため、該触媒に起因する金属元素など、金属不純物を減らすことができるので、高品質な透明シリカガラスを安価かつ容易に製造することができ、更に、量産時に工程を合理化できる。 Further, in the method for producing transparent silica glass of the present invention, by using a silazane compound as a binder, discoloration during degreasing and sintering can be reduced to the utmost, and all silicon species are converted to silica. Therefore, the volume shrinkage during degreasing and sintering can be reduced as much as possible as compared with the conventional binder. Furthermore, since it is not necessary to use a condensation catalyst or the like when kneading the binder and the amorphous spherical silica particles, metal impurities such as metal elements caused by the catalyst can be reduced, so that high-quality transparent silica glass can be inexpensively produced. It can be easily manufactured, and the process can be rationalized at the time of mass production.
上述のように、高純度かつ高透明な透明シリカガラス、及びこのような透明シリカガラスを効率よく量産できる製造方法の開発が求められていた。 As described above, there has been a demand for the development of high-purity and highly transparent transparent silica glass and a manufacturing method capable of efficiently mass-producing such transparent silica glass.
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、バインダーとしてシラザン化合物を用いることで、高純度かつ高透明な透明シリカガラスを安価かつ容易に製造できることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of diligent studies to achieve the above object, the present inventors have found that high-purity and highly transparent transparent silica glass can be produced inexpensively and easily by using a silazane compound as a binder. Completed.
すなわち、本発明は、下記(A)成分及び(B)成分;
(A)平均粒径が0.01〜150μmであり、かつアスペクト比が1.00〜1.50である非晶質球状シリカ粒子:80〜99.9質量部
(B)1個以上のSi−N結合および1個以上のSi−H基を有するシラザン化合物であるバインダー:0.1〜20質量部
を含むものであることを特徴とする透明シリカガラス用組成物である。
That is, the present invention describes the following components (A) and (B);
(A) Amorphous spherical silica particles having an average particle size of 0.01 to 150 μm and an aspect ratio of 1.00 to 1.50: 80 to 99.9 parts by mass (B) One or more Si A binder which is a silazane compound having an −N bond and one or more Si—H groups: a composition for transparent silica glass, which comprises 0.1 to 20 parts by mass.
以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited thereto.
<透明シリカガラス用組成物>
(A)非晶質球状シリカ粒子
本発明に使用する非晶質球状シリカ粒子は、その平均粒径が0.01〜150μmの範囲であり、かつ、そのアスペクト比が1.00〜1.50のものである。非晶質球状シリカ粒子の平均粒径は、好ましくは0.05〜100μm、より好ましくは、0.1〜10μmである。平均粒径が0.01μm未満だと焼結時にミクロな空隙が生まれるため好ましくなく、150μmを超えると焼結時にシリカ間の空隙が発生するため好ましくない。
<Composition for transparent silica glass>
(A) Amorphous Spherical Silica Particles The amorphous spherical silica particles used in the present invention have an average particle size in the range of 0.01 to 150 μm and an aspect ratio of 1.00 to 1.50. belongs to. The average particle size of the amorphous spherical silica particles is preferably 0.05 to 100 μm, more preferably 0.1 to 10 μm. If the average particle size is less than 0.01 μm, micro voids are generated during sintering, which is not preferable, and if it exceeds 150 μm, voids between silicas are generated during sintering, which is not preferable.
また、非晶質球状シリカ粒子のアスペクト比は、好ましくは1.00〜1.40、より好ましくは、1.00〜1.20である。アスペクト比が1.50を超えるとシリカを高充填すると焼結時に空隙が発生するため好ましくない。アスペクト比の下限についても上限と同様に限定されるが、非晶質球状シリカ粒子は球形に近いほど望ましい。 The aspect ratio of the amorphous spherical silica particles is preferably 1.00 to 1.40, more preferably 1.00 to 1.20. If the aspect ratio exceeds 1.50, high filling of silica causes voids during sintering, which is not preferable. The lower limit of the aspect ratio is also limited in the same manner as the upper limit, but it is desirable that the amorphous spherical silica particles are closer to a sphere.
なお、本発明において、非晶質球状シリカ粒子の平均粒径とは、動的光散乱法で測定した粒子の体積平均径の値を指し、アスペクト比とは、SEMによる撮影画像によって長径(D)と短径(d)との比、つまりD/dとして測定された値である。 In the present invention, the average particle size of the amorphous spherical silica particles refers to the value of the volume average diameter of the particles measured by the dynamic light scattering method, and the aspect ratio is the major axis (D) according to the image taken by SEM. ) And the minor axis (d), that is, the value measured as D / d.
また、本発明に用いられる非晶質球状シリカ粒子としては、天然のシリカから製造されたものよりも、ゾル−ゲル法や、クロロシランの加水分解、またはVMC法と呼ばれる金属ケイ素を酸素気流中に分散させて着火し冷却することによって合成し、金属除去精製によってアルミニウム、ナトリウム、鉄などの球状シリカ粒子によく含まれる不純物の量を極限まで減らしたものを用いることが好ましい。不純物量は、本発明では誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP−OES)で測定し、絶対検量線法で定量した元素含有量を指す。非晶質球状シリカ粒子中のアルミニウム含有量は0.1〜50ppmが好ましく、0.1〜10ppmが更に好ましい。アルミニウム含有量は少なければ少ないほどよいが、コスト等を勘案すれば、0.1ppmまで除去できれば十分であり、50ppm以下であれば、失透の原因となる焼結時の非晶質球状シリカ粒子の結晶化の進行を抑制できる。また、非晶質球状シリカ粒子中のナトリウム含有量は0.01〜1ppmが好ましく、0.05〜1ppmが更に好ましい。ナトリウム含有量は少なければ少ないほどよいが、コスト等を勘案すれば、0.01ppmまで除去できれば十分であり、1ppm以下であれば、焼結時の失透の発生を抑制できる。さらに、非晶質球状シリカ粒子中の鉄の含有量は0.1〜5ppmが好ましく、0.1〜2ppmが更に好ましい。鉄の含有量は少なければ少ないほどよいが、コスト等を勘案すれば、0.1ppmまで除去できれば十分であり、5ppm以下であれば、焼結時の失透の発生を抑制できる。 Further, as the amorphous spherical silica particles used in the present invention, metallic silicon called a sol-gel method, hydrolysis of chlorosilane, or VMC method is used in an oxygen stream rather than those produced from natural silica. It is preferable to use one that is synthesized by dispersing, igniting, and cooling, and the amount of impurities often contained in spherical silica particles such as aluminum, sodium, and iron is reduced to the utmost by metal removal purification. In the present invention, the amount of impurities refers to the element content measured by an inductively coupled plasma emission spectrophotometer (ICP-OES) and quantified by an absolute calibration curve method. The aluminum content in the amorphous spherical silica particles is preferably 0.1 to 50 ppm, more preferably 0.1 to 10 ppm. The smaller the aluminum content, the better, but considering the cost, it is sufficient to remove up to 0.1 ppm, and if it is 50 ppm or less, amorphous spherical silica particles at the time of sintering that cause devitrification. The progress of crystallization of silica can be suppressed. The sodium content in the amorphous spherical silica particles is preferably 0.01 to 1 ppm, more preferably 0.05 to 1 ppm. The smaller the sodium content, the better, but considering the cost and the like, it is sufficient to remove up to 0.01 ppm, and if it is 1 ppm or less, the occurrence of devitrification during sintering can be suppressed. Further, the iron content in the amorphous spherical silica particles is preferably 0.1 to 5 ppm, more preferably 0.1 to 2 ppm. The smaller the iron content, the better, but considering the cost and the like, it is sufficient if the iron content can be removed up to 0.1 ppm, and if it is 5 ppm or less, the occurrence of devitrification during sintering can be suppressed.
また、非晶質球状シリカ粒子の種類としては、非晶質状のシリカバルーン、メソポーラスシリカ、シリカゲル及びステショバイト、さらに石英などが挙げられる。 Examples of the types of amorphous spherical silica particles include amorphous silica balloons, mesoporous silica, silica gel and stechobite, and quartz.
(A)成分の含有量は(A)成分と後述する(B)成分との合計100質量部中、80〜99.9質量部であり、好ましくは85〜99.5質量部、更に好ましくは90〜99.5質量部である。(A)成分の含有量が80質量部未満であれば、バインダーの応力が焼結時に耐えられなくなりクラックが発生するため好ましくなく、99.9質量部を超えると、(B)成分のバインダーの結着効果が十分に発現しないため好ましくない。 The content of the component (A) is 80 to 99.9 parts by mass, preferably 85 to 99.5 parts by mass, more preferably 85 to 99.5 parts by mass, out of a total of 100 parts by mass of the component (A) and the component (B) described later. It is 90 to 99.5 parts by mass. If the content of the component (A) is less than 80 parts by mass, the stress of the binder cannot withstand during sintering and cracks occur, which is not preferable. It is not preferable because the binding effect is not sufficiently exhibited.
(B)シラザン化合物
本発明の(B)成分として用いられるシラザン化合物は、(A)成分の非晶質球状シリカ粒子同士を密に化学的に結着させて、焼結時の空隙をできる限り減らすために添加するバインダーの役割を担うものである。(B)成分は、1個以上のSi−N結合および1個以上のSi−H基を有するシラザン化合物であることを特徴とする。
(B) Silazane compound The silazane compound used as the component (B) of the present invention closely chemically binds the amorphous spherical silica particles of the component (A) to each other to create voids during sintering as much as possible. It plays the role of a binder added to reduce the amount. The component (B) is characterized by being a silazane compound having one or more Si—N bonds and one or more Si—H groups.
前記シラザン化合物は、下記一般式(1)で示される重量平均分子量1,000〜2,000,000のポリシラザン化合物であることが好ましい。
ここで、R1、R2、R3はそれぞれ独立して、水素原子、または炭素数1〜10の飽和脂肪族炭化水素基、炭素数6〜12の芳香族炭化水素基から選ばれる基であり、1分子中の少なくとも1つのR1は水素原子であり、nは前記重量平均分子量の範囲を満たす値である。
前記飽和脂肪族炭化水素基は、好ましくは炭素数1〜8、より好ましくは1〜4であり、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基などのアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、アダマンチル基などのシクロアルキル基などが挙げられる。
また、前記芳香族炭化水素基は、好ましくは炭素数6〜10、より好ましくは6〜7であり、具体的には、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基などが挙げられ、中でもフェニルメチル基が好ましい。
Here, R 1 , R 2 , and R 3 are independently selected from hydrogen atoms, saturated aliphatic hydrocarbon groups having 1 to 10 carbon atoms, and aromatic hydrocarbon groups having 6 to 12 carbon atoms. Yes, at least one R 1 in one molecule is a hydrogen atom, and n is a value satisfying the range of the weight average molecular weight.
The saturated aliphatic hydrocarbon group preferably has 1 to 8 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms, and specifically, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, or an isobutyl group. , T-butyl group, pentyl group, neopentyl group, hexyl group, octyl group, nonyl group, decyl group and other alkyl groups; cyclopentyl group, cyclohexyl group, norbornyl group, adamantyl group and other cycloalkyl groups.
The aromatic hydrocarbon group preferably has 6 to 10 carbon atoms, more preferably 6 to 7 carbon atoms, and specifically, an aryl group such as a phenyl group, a tolyl group, a xsilyl group, or a naphthyl group; a benzyl group. , Phenylethyl group, aralkyl group such as phenylpropyl group and the like, and phenylmethyl group is preferable.
ただし、1分子中の少なくとも1つ、好ましくは2以上のR1が水素原子であり、より好ましくは、前記R1、R2、R3の全てが水素原子である。R1、R2、R3の全てが水素原子であるペルヒドロポリシラザン(以下、PHPSと略)を用いることで脱脂および焼結時に揮発するものに透明性への影響を与える成分が残らず、全てシリカとなり純度の高い透明シリカガラスが得られるためより好ましい。 Provided that at least one in one molecule, and preferably 2 or more of R 1 is a hydrogen atom, more preferably all of the R 1, R 2, R 3 is a hydrogen atom. By using perhydropolysilazane (hereinafter abbreviated as PHPS) in which all of R 1 , R 2 , and R 3 are hydrogen atoms, there are no components that affect the transparency of those that volatilize during degreasing and sintering. It is more preferable because it becomes all silica and a transparent silica glass having high purity can be obtained.
また、ポリシラザン化合物の重量平均分子量は、1,000〜2,000,000であり、より好ましくは、1,000〜500,000、更に好ましくは1,000〜100,000の範囲である。 The weight average molecular weight of the polysilazane compound is 1,000 to 2,000,000, more preferably 1,000 to 500,000, and even more preferably 1,000 to 100,000.
なお、前記nはこの重量平均分子量の範囲を満たす値である。具体的には、20〜22,000であり、好ましくは20〜13,000である。なお、本発明において、重量平均分子量とは、下記条件で測定したゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレンを標準物質とした重量平均分子量を指すこととする。 In addition, said n is a value satisfying the range of this weight average molecular weight. Specifically, it is 20 to 22,000, preferably 20 to 13,000. In the present invention, the weight average molecular weight refers to the weight average molecular weight using polystyrene as a standard substance measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
[測定条件]
展開溶媒:テトラヒドロフラン(THF)
流量:0.6mL/min
検出器:示差屈折率検出器(RI)
カラム:TSK Guardcolumn SuperMP−M
TSKgel SupermultiHZ−M(6.0mmI.D.×15cm×4)(いずれも東ソー社製)
カラム温度:40℃
試料注入量:20μL(濃度0.1重量%のTHF溶液)
[Measurement condition]
Developing solvent: tetrahydrofuran (THF)
Flow rate: 0.6 mL / min
Detector: Differential Refractometer (RI)
Column: TSK Guardcolum SuperMP-M
TSKgel Supermulti HZ-M (6.0 mm ID x 15 cm x 4) (both manufactured by Tosoh Corporation)
Column temperature: 40 ° C
Sample injection volume: 20 μL (THF solution with a concentration of 0.1 wt%)
前記(B)成分のシラザン化合物は、上記式(1)で示されるポリシラザン化合物の他に、下記式(2)で示されるシラザンモノマーを併用してもよい。
前記式中、R2及びR3はそれぞれ独立して、水素原子、または炭素数1〜10、好ましくは1〜4の飽和脂肪族炭化水素基、炭素数6〜12、好ましくは6〜10の芳香族炭化水素基から選ばれる基であり、具体的には前記式(1)で挙げた例と同じものを例示することができる。中でも、R2が炭素数1〜4の飽和脂肪族炭化水素基、R3が水素原子の組合せが好ましい。xは1〜3、好ましくは1または2の整数である。 In the above formula, R 2 and R 3 are independently hydrogen atoms or saturated aliphatic hydrocarbon groups having 1 to 10 carbon atoms, preferably 1 to 4 carbon atoms, and 6 to 12 carbon atoms, preferably 6 to 10 carbon atoms. It is a group selected from aromatic hydrocarbon groups, and specifically, the same group as the example given in the above formula (1) can be exemplified. Of these, a combination of a saturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms in R 2 and a hydrogen atom in R 3 is preferable. x is an integer of 1-3, preferably 1 or 2.
なお、これらのシラザンモノマーは1種あるいは2種以上混合して使用してもよい。また、これらに限定するものではない。 In addition, these silazane monomers may be used alone or in mixture of 2 or more types. Moreover, it is not limited to these.
シラザンモノマーを併用することにより、成形時のシリカとポリシラザン化合物との濡れ性を向上させ、成形時のボイド等を低減することができるため好ましい。また、(1)ポリシラザン化合物と(2)シラザンモノマーとの配合比(割合)は質量比として(1):(2)=95:5〜99.9:0.1とすることができ、好ましくは99:1〜99.9:0.1である。シラザンモノマーが0.1質量部以上であればボイド抑制効果を得やすく、5質量部以下であれば、シラザン部分の炭素と結合するケイ素原子にひずみが生じにくいため、クラックの発生が抑えられるため好ましい。 The combined use of the silazane monomer is preferable because the wettability between the silica and the polysilazane compound during molding can be improved and voids and the like during molding can be reduced. Further, the compounding ratio (ratio) of (1) polysilazane compound and (2) silazane monomer can be (1) :( 2) = 95: 5-99.9: 0.1 as a mass ratio, which is preferable. Is 99: 1 to 99.9: 0.1. If the amount of the silazane monomer is 0.1 parts by mass or more, the void suppressing effect is easily obtained, and if it is 5 parts by mass or less, the silicon atom bonded to the carbon of the silazane portion is less likely to be distorted, so that the occurrence of cracks is suppressed. preferable.
(B)成分の含有量は(A)成分と(B)成分との合計100質量部中、0.1〜20質量部であり、好ましくは0.1〜10質量部、更に好ましくは0.1〜5質量部である。(B)成分の含有量が0.1質量部未満であれば、(B)成分のシラザン化合物の結着効果が十分に発現しないため好ましくなく、20質量部を超えると、変換されたシリカによる応力が大きくクラックが発生するため好ましくない。 The content of the component (B) is 0.1 to 20 parts by mass, preferably 0.1 to 10 parts by mass, and more preferably 0. 1 to 5 parts by mass. If the content of the component (B) is less than 0.1 parts by mass, the binding effect of the silazane compound of the component (B) is not sufficiently exhibited, which is not preferable. If it exceeds 20 parts by mass, the converted silica is used. It is not preferable because the stress is large and cracks occur.
また、前記(A)及び(B)成分の他に、本発明の透明シリカガラス用組成物には、目的に応じて、任意の成分を添加してもよい。具体的には、キシレン、ジブチルエーテルなどの(B)を希釈可能な有機溶剤、KF−96(信越化学工業製)に代表される無官能シリコーンオイルなどが挙げられる。 In addition to the components (A) and (B), any component may be added to the composition for transparent silica glass of the present invention, depending on the intended purpose. Specific examples thereof include an organic solvent capable of diluting (B) such as xylene and dibutyl ether, and a non-functional silicone oil typified by KF-96 (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.).
<透明シリカガラス>
本発明は、上記透明シリカガラス用組成物の焼結体であることを特徴とする透明シリカガラスを提供する。
本発明の透明シリカガラスは、バインダーとして脱脂すればケイ素種はすべてシリカになるシラザン化合物を用いて製造されるので、非晶質球状シリカ粒子との親和性が飛躍的に向上し、クラック、ボイド、失透の発生が抑制されるため、高透明な透明シリカガラスとなる。また、失透の原因となる不純物が非常に少なく、高純度の透明シリカガラスとなる。さらに、バインダーに含まれるSi−N結合が非晶質球状シリカ粒子と結合し、脱脂、焼結時にSi−O結合に変化するため、さらにシリカとの化学結合の形成に寄与するので、透明性が非常に高く、広範囲の波長で透過率に優れたシリカガラスとなる。
本発明の透明シリカガラスは、本発明の透明シリカガラス用組成物を用いて、以下に説明する方法により製造することができる。
<Transparent silica glass>
The present invention provides transparent silica glass, which is a sintered body of the above composition for transparent silica glass.
Since the transparent silica glass of the present invention is produced using a silazane compound in which all silicon species become silica when degreased as a binder, the affinity with amorphous spherical silica particles is dramatically improved, and cracks and voids are formed. Since the occurrence of devitrification is suppressed, highly transparent transparent silica glass is obtained. In addition, there are very few impurities that cause devitrification, resulting in high-purity transparent silica glass. Furthermore, the Si—N bond contained in the binder binds to the amorphous spherical silica particles and changes to a Si—O bond during degreasing and sintering, which further contributes to the formation of a chemical bond with silica, and thus is transparent. Is very high, and it becomes silica glass with excellent transmittance in a wide range of wavelengths.
The transparent silica glass of the present invention can be produced by the method described below using the composition for transparent silica glass of the present invention.
<透明シリカガラスの製造方法>
本発明ではさらに、下記(A)成分及び(B)成分;
(A)平均粒径が0.01〜150μmであり、かつアスペクト比が1.00〜1.50である非晶質球状シリカ粒子:80〜99.9質量部
(B)1個以上のSi−N結合および1個以上のSi−H基を有するシラザン化合物であるバインダー:0.1〜20質量部
を含む組成物を調製する工程の後に、該組成物を成形して成形体を形成する工程、次いで、該成形体を400〜1,200℃で10分間〜12時間加熱して脱脂する工程、さらに、該脱脂した成形体を1,400〜1,900℃で1〜60分間加熱して焼結する工程を有することを特徴とする透明シリカガラスの製造方法を提供する。以下、各工程について詳細に説明する。
<Manufacturing method of transparent silica glass>
In the present invention, the following components (A) and (B);
(A) Amorphous spherical silica particles having an average particle size of 0.01 to 150 μm and an aspect ratio of 1.00 to 1.50: 80 to 99.9 parts by mass (B) One or more Si Binder, which is a silican compound having an −N bond and one or more Si—H groups: After the step of preparing a composition containing 0.1 to 20 parts by mass, the composition is molded to form a molded product. Step, then the step of heating the molded product at 400 to 1,200 ° C. for 10 minutes to 12 hours to degrease, and further heating the degreased molded product at 1,400 to 1,900 ° C. for 1 to 60 minutes. Provided is a method for producing transparent silica glass, which comprises a step of sintering. Hereinafter, each step will be described in detail.
組成物調製工程
本発明の透明シリカガラスの製造方法では、まず、(A)成分と(B)成分を含む透明シリカガラス用組成物(焼結体用組成物)を調製する。なお、(A)成分および(B)成分は、上述の透明シリカガラス用組成物の説明で挙げたものと同様のものを使用することができるため、ここでは説明を省略する。透明シリカガラス用組成物は、上述した各成分を、同時に、または別々に、必要により加熱処理を加えながら撹拌、溶解、混合及び分散させることにより調製することができるが、通常は、非晶質球状シリカ粒子(A)成分に対し、シラザン化合物(B)成分を混合することが好ましい。
Composition Preparation Step In the method for producing transparent silica glass of the present invention, first, a composition for transparent silica glass (composition for sintered body) containing the component (A) and the component (B) is prepared. As the component (A) and the component (B), the same components as those mentioned in the above description of the composition for transparent silica glass can be used, and thus the description thereof will be omitted here. The composition for transparent silica glass can be prepared by stirring, dissolving, mixing and dispersing each of the above-mentioned components simultaneously or separately with heat treatment if necessary, but is usually amorphous. It is preferable to mix the silazane compound (B) component with the spherical silica particle (A) component.
非晶質球状シリカ粒子(A)にシラザン化合物(B)を混合する際の撹拌などの操作に用いる装置は特に限定されないが、撹拌、加熱装置を備えたライカイ機、3本ロール、ボールミル、プラネタリーミキサー、自転公転式ミキサーなどを用いることができる。また、シラザン系バインダーを有機溶剤で希釈し、非晶質球状シリカ粒子にスプレードライでコーティングする方法、そのまま湿式処理で溶剤を乾燥させる方法、フリーズドライなどの方法も用いることができる。また、これらの装置、方法を適宜組み合わせてもよい。 The device used for operations such as stirring when mixing the silazane compound (B) with the amorphous spherical silica particles (A) is not particularly limited, but a Raikai machine equipped with a stirring and heating device, three rolls, a ball mill, and a planeta. A Lee mixer, a rotating / revolving mixer, or the like can be used. Further, a method of diluting the silazane-based binder with an organic solvent and coating the amorphous spherical silica particles by spray-drying, a method of drying the solvent by a wet treatment as it is, a method of freeze-drying, or the like can also be used. Further, these devices and methods may be appropriately combined.
成形工程
本発明の透明シリカガラスの製造方法では、次に、上記のようにして調製した焼結体用組成物を成形して成形体を形成する。成形方法は特に限定されず、公知の方法で所望の形状に成形すればよい。
Molding Step In the method for producing transparent silica glass of the present invention, next, the composition for a sintered body prepared as described above is molded to form a molded product. The molding method is not particularly limited, and it may be molded into a desired shape by a known method.
脱脂工程
本発明の透明シリカガラスの製造方法では、次に、上記のようにして形成した成形体を400〜1,200℃で10分間〜12時間加熱して脱脂する。焼結体用組成物は、脱脂することにより徐々に炭素成分が除去される。脱脂工程がないと、焼結時に残存する炭素成分が炭化してしまい、失透の原因となる。脱脂工程は塩化水素ガス以外、例えばヘリウムガスや窒素ガスなどの不活性ガスの雰囲気下で最高温度が400〜1,200℃、好ましくは400〜1,000℃で10分〜12時間、好ましくは1〜6時間処理する。400℃未満では脱脂が十分に進まず、シラザンがシリカに変換されず残存することにより焼結時に失透するため好ましくなく、1,200℃を超えると、シリカの結晶化が進み失透するため好ましくない。
Solventing Step In the method for producing transparent silica glass of the present invention, the molded product formed as described above is then heated at 400 to 1,200 ° C. for 10 minutes to 12 hours to degreas. The carbon component of the sintered body composition is gradually removed by degreasing. Without the degreasing process, the carbon component remaining during sintering will be carbonized, causing devitrification. The degreasing step is carried out at a maximum temperature of 400 to 1,200 ° C., preferably 400 to 1,000 ° C. for 10 minutes to 12 hours, preferably in an atmosphere of an inert gas such as helium gas or nitrogen gas other than hydrogen chloride gas. Treat for 1-6 hours. If the temperature is lower than 400 ° C, degreasing does not proceed sufficiently, and silazane is not converted to silica and remains, which is not preferable because it is devitrified at the time of sintering. Not preferable.
焼結工程
本発明の透明シリカガラスの製造方法では、次に、上記のようにして脱脂(必要に応じて純化)した成形体を1,400〜1,900℃で1〜60分間加熱し、焼結することで透明シリカガラスを作製する。脱脂後の本発明の透明シリカガラス用組成物の焼結条件は特に制限されるものではないが、通常、例えばヘリウムガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で1,400〜1,900℃、好ましくは1,500〜1,900℃で焼結させることができる。1,400℃未満ではシリカ同士の融着による焼結が進まず、失透する。1,900℃を超えるとシリカの結晶化が促進され、失透する。焼結時間は1分〜60分、好ましくは1〜30分程度で焼結させることができる。1分未満だとシリカ同士が十分に融着せず、失透する。60分を超えてくるとシリカの結晶化が更に促進されるため失透する。
Sintering Step In the method for producing transparent silica glass of the present invention, the molded product degreased (purified if necessary) as described above is then heated at 1,400 to 1,900 ° C. for 1 to 60 minutes. Transparent silica glass is produced by sintering. The sintering conditions of the composition for transparent silica glass of the present invention after degreasing are not particularly limited, but are usually 1,400 to 1,900 ° C. under an atmosphere of an inert gas such as helium gas or nitrogen gas. , Preferably, can be sintered at 1,500 to 1,900 ° C. If the temperature is lower than 1,400 ° C., sintering due to fusion between silicas does not proceed and devitrification occurs. If the temperature exceeds 1,900 ° C., crystallization of silica is promoted and devitrification occurs. The sintering time is 1 minute to 60 minutes, preferably about 1 to 30 minutes. If it is less than 1 minute, the silicas will not be sufficiently fused and will be devitrified. If it exceeds 60 minutes, the crystallization of silica is further promoted and the silica is devitrified.
純化工程
本発明の透明シリカガラスの製造方法では、焼結工程前にAl、Na及びFeなどを除去する工程である純化工程を取り入れてもよい。純化工程を行う場合は、塩化水素ガス雰囲気下で最高温度が1,000〜1,500℃、好ましくは1,000〜1,300℃、より好ましくは1,100〜1,300℃で0.5〜5時間、好ましくは0.5〜2時間の条件で処理する。
Purification Step In the method for producing transparent silica glass of the present invention, a purification step which is a step of removing Al, Na, Fe and the like may be incorporated before the sintering step. When the purification step is performed, the maximum temperature is 1,000 to 1,500 ° C., preferably 1,000 to 1,300 ° C., more preferably 1,100 to 1,300 ° C. in a hydrogen chloride gas atmosphere. The treatment is carried out under the conditions of 5 to 5 hours, preferably 0.5 to 2 hours.
このように純化する工程を含む製造方法であれば、焼結時に失透の原因となりうる不純物を除去することで失透の発生がさらに抑制された透明シリカガラスを製造できるので好ましい。 A manufacturing method including a purification step as described above is preferable because it is possible to manufacture transparent silica glass in which the occurrence of devitrification is further suppressed by removing impurities that may cause devitrification during sintering.
検査工程
本発明の透明シリカガラスの製造方法では、焼結工程後に検査工程として、紫外領域から可視領域での透過性を測定するために、JIS K 7105:1981記載の方法で厚さ1mmの透明シリカガラスの透過率を測定する工程を追加することができる。波長が250〜300nmの範囲の光における透過率が、90%以上であれば好ましく、92〜100%であれば更に好ましい。このような光透過率であれば、輝度が良好なUV用レンズ材料として好適に用いることができる。上記範囲の光透過性を有する透明シリカガラスを検査工程によって選別することで、高純度・高透明な透明ガラス成形体のみを得ることができる。
Inspection Step In the method for producing transparent silica glass of the present invention, in order to measure the transmittance from the ultraviolet region to the visible region as an inspection step after the sintering step, the method described in JIS K 7105: 1981 is used to make a transparent material having a thickness of 1 mm. A step of measuring the transmittance of silica glass can be added. The transmittance of light in the wavelength range of 250 to 300 nm is preferably 90% or more, and more preferably 92 to 100%. With such a light transmittance, it can be suitably used as a UV lens material having good brightness. By selecting transparent silica glass having light transmittance in the above range by an inspection step, only a high-purity and highly transparent transparent glass molded body can be obtained.
このような本発明の透明シリカガラスの製造方法であれば、バインダーとしてシラザン化合物を用いることで、脱脂及び焼結後の変色および硬化収縮を極限まで減らすことができ、しかもケイ素種を全てシリカにできることから、従来のバインダーとは異なり脱脂及び焼結時の体積収縮を極限まで減らすことができる。更に、バインダーに起因する触媒や、不要元素を減らすことができるため高品質な透明シリカガラスを安価かつ容易に製造することができ、更に、量産時に工程を合理化できる。 In such a method for producing transparent silica glass of the present invention, by using a silazane compound as a binder, discoloration and curing shrinkage after degreasing and sintering can be reduced to the utmost, and all silicon species are converted to silica. As a result, unlike conventional binders, volume shrinkage during degreasing and sintering can be reduced to the utmost limit. Further, since the catalyst caused by the binder and unnecessary elements can be reduced, high-quality transparent silica glass can be produced inexpensively and easily, and the process can be rationalized at the time of mass production.
以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。また、以下の式において、Meはメチル基である。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples. Further, in the following formula, Me is a methyl group.
本発明の実施例及び比較例で用いた材料を示す。
(A)球状シリカ粒子
球状シリカ粒子としては下記表1に記載したものを用いた。
平均粒径はレーザー回折式粒度分布測定装置(日機装(株)製「MicrotracHRA(X−100)」)による体積平均径の値を用いた。
The materials used in the Examples and Comparative Examples of the present invention are shown.
(A) Spherical silica particles As the spherical silica particles, those listed in Table 1 below were used.
For the average particle size, the value of the volume average diameter by a laser diffraction type particle size distribution measuring device (“Microtrac HRA (X-100)” manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) was used.
アスペクト比はSEMによって撮影されたSEM画像を、画像解析ソフト(三谷産業(株)製 WINROOF2015)で求めた長径(D)と短径(d)の比、D/dの値を用いた。 As the aspect ratio, the ratio of the major axis (D) to the minor axis (d) obtained by using image analysis software (WINROOF2015 manufactured by Mitani Sangyo Co., Ltd.) and the value of D / d of the SEM image taken by the SEM were used.
金属不純物量は、ICP−OES(Agilent社製 730−ES ICP−OES)で測定した。サンプル0.3gをフッ酸及び硝酸で溶解後、該溶液を加熱乾固させ、該乾固物に対して、濃硝酸0.5mL及び適量の水を加えて加熱濃縮し、再度水で2mLに定容し測定用溶液を調製した。得られた測定値から、絶対検量線法によってAl,Fe,Na量を定量した。 The amount of metal impurities was measured by ICP-OES (730-ES ICP-OES manufactured by Agilent). After dissolving 0.3 g of the sample with hydrofluoric acid and nitric acid, the solution is heated to dryness, 0.5 mL of concentrated nitric acid and an appropriate amount of water are added to the dried product, and the mixture is heated and concentrated, and then reconstituted with water to 2 mL. The volume was adjusted and a measurement solution was prepared. From the obtained measured values, the amounts of Al, Fe, and Na were quantified by the absolute calibration curve method.
クリストバライト:フミテック(株)製、結晶性
EMIX−300:(株)龍森製、非晶質
GB−AC:マコー(株)製、非晶質
MKCシリカ:日本化成(株)製、石英
(B)シラザン化合物
(B)のシラザン化合物については、以下のものを用いた。
シラザン化合物A:下記式(3)
で示される重量平均分子量1,200のPHPS
シラザン化合物B:前記式(3)(ただし、式中nは重量平均分子量5,000を満たす平均値)
で示される重量平均分子量5,000のPHPS
シラザン化合物C:前記式(3)(ただし、式中nは重量平均分子量900,000を満たす平均値)
で示される重量平均分子量900,000のPHPS
シラザン化合物D:下記式(4)
で示される重量平均分子量10,000の有機ポリシラザン
シラザン化合物E:下記式(5)
で示される重量平均分子量3,000の無機・有機ハイブリッドポリシラザン
シラザンモノマー:ヘキサメチルジシラザン(信越化学工業(株)製 商品名SZ−31)
(B) Cilazan compound As the cilazan compound of (B), the following was used.
Cilazan compound A: The following formula (3)
PHPS with a weight average molecular weight of 1,200 indicated by
Cilazan compound B: The above formula (3) (where n is an average value satisfying a weight average molecular weight of 5,000).
PHPS with a weight average molecular weight of 5,000 indicated by
Cilazan compound C: The above formula (3) (where n is an average value satisfying a weight average molecular weight of 900,000)
PHPS with a weight average molecular weight of 900,000 indicated by
Cilazan compound D: The following formula (4)
Organic polysilazane compound E with a weight average molecular weight of 10,000 represented by: the following formula (5)
Inorganic / organic hybrid polysilazane with a weight average molecular weight of 3,000 indicated by bisilazan Monomer: Hexamethyldisilazane (trade name SZ-31 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.)
(B)のシラザン化合物を用いずに、比較調製例でそれぞれのバインダー組成物を作製した。 Each binder composition was prepared in a comparative preparation example without using the silazane compound of (B).
(比較調製例1)
(B)の代わりにメチルセルロース(商品名:メトローズSM−4000、信越化学工業(株)製)を8g、水を92g加えプラネタリーミキサーで混合し、メチルセルロースバインダー組成物を作製した。
(Comparative Preparation Example 1)
Instead of (B), 8 g of methyl cellulose (trade name: Metrose SM-4000, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and 92 g of water were added and mixed with a planetary mixer to prepare a methyl cellulose binder composition.
(比較調製例2)
(B)の代わりにポリビニルアルコール(PVA)を8g、純水を92g加え自転公転式ミキサーを用いて2,000回転で1分間、次いで2,200回転で1分間混合し、PVAバインダー組成物を作製した。
(Comparative Preparation Example 2)
Instead of (B), 8 g of polyvinyl alcohol (PVA) and 92 g of pure water were added and mixed using a rotating and revolving mixer at 2,000 rpm for 1 minute and then at 2,200 rpm for 1 minute to prepare a PVA binder composition. Made.
(比較調製例3)
(B)の代わりに、テトラメトキシシラン(信越化学工業製 KBM−04)を用いた。
(Comparative Preparation Example 3)
Instead of (B), tetramethoxysilane (KBM-04 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was used.
(比較調製例4)
(B)の代わりに、ビニルジメチルシラザン(信越化学工業製 SZ−1021)を用いた。
(Comparative Preparation Example 4)
Vinyl dimethyl silazane (SZ-1021 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was used instead of (B).
(実施例1〜12、比較例1〜10)
シラザン化合物A〜E、比較調製例1〜4で調製したそれ以外のバインダー組成物あるいは有機ケイ素化合物と、各シリカ粒子を混合し、以下の特性を測定した。その結果を表2、表3に示す。
(Examples 1 to 12, Comparative Examples 1 to 10)
Each silica particle was mixed with silazane compounds A to E and other binder compositions or organosilicon compounds prepared in Comparative Preparation Examples 1 to 4, and the following characteristics were measured. The results are shown in Tables 2 and 3.
[成形性]
シリカ粒子混合後の組成物を30×30×1mmの金型に注入し、圧縮成形機(TOWA株式会社製)を用いて成形圧力0.5MPaで80℃×5分間加熱して成形し、得られた成形体のフローマーク、未充填及びクラック発生の有無を確認した。
[Moldability]
The composition after mixing the silica particles is injected into a mold of 30 × 30 × 1 mm, and molded by heating at 80 ° C. × 5 minutes at a molding pressure of 0.5 MPa using a compression molding machine (manufactured by TOWA Corporation). It was confirmed whether or not the flow mark, unfilled and cracks were generated in the molded product.
[透過率]
成形性の評価と同じ条件で成形したサンプルを500℃×1時間加熱することで脱脂し、その後に焼成炉(島津産機システムズ社製 VESTA)を用いて1,750℃で10分間加熱し、焼結した。焼結後のサンプルは、波長が200〜800nmの範囲の光における透過率を紫外可視光分光光度計(日立テクノシステム社製 U−4100)で、走査速度300nm/分で測定し、波長が250nm及び300nmの光透過率を評価した。焼結物にクラックなどが生じ、測定できなかった場合は「測定不可」と記載した。
[Transmittance]
A sample molded under the same conditions as the evaluation of moldability was degreased by heating at 500 ° C. for 1 hour, and then heated at 1,750 ° C. for 10 minutes using a firing furnace (VESTA manufactured by Shimadzu Industrial Machinery Systems Co., Ltd.). Sintered. For the sample after sintering, the transmittance of light in the wavelength range of 200 to 800 nm was measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer (U-4100 manufactured by Hitachi Techno System Co., Ltd.) at a scanning speed of 300 nm / min, and the wavelength was 250 nm. And the light transmittance at 300 nm was evaluated. If the sintered product had cracks or the like and could not be measured, it was described as "not measurable".
[外観]
透過率の評価で用いた焼結後のサンプルについて、外観を目視にて評価し、色調、透明性、クラックの有無などを評価した。無色透明でクラックがない場合は、「無色透明」と記載し、何か異常がある場合はその旨表2、3に記載した。
[exterior]
The appearance of the sintered sample used in the evaluation of the transmittance was visually evaluated, and the color tone, transparency, presence or absence of cracks, etc. were evaluated. If it is colorless and transparent and has no cracks, it is described as "colorless and transparent", and if there is any abnormality, it is described in Tables 2 and 3.
[焼結後の不純物量]
焼結後の金属不純物量をICP−OES(Agilent社 730−ES ICP−OES)で測定した。サンプル0.3gをフッ酸及び硝酸で溶解後、該溶液を加熱乾固させ、該乾固物に対して、濃硝酸0.5mL及び適量の水を加えて加熱濃縮し、再度水で2mLに定容し測定用溶液を調製した。得られた測定値から、絶対検量線法によってAl,Fe,Na量を定量した。その結果を表2、表3に示す。
[Amount of impurities after sintering]
The amount of metal impurities after sintering was measured by ICP-OES (Agilent 730-ES ICP-OES). After dissolving 0.3 g of the sample with hydrofluoric acid and nitric acid, the solution is heated to dryness, 0.5 mL of concentrated nitric acid and an appropriate amount of water are added to the dried product, and the mixture is heated and concentrated, and then reconstituted with water to 2 mL. The volume was adjusted and a measurement solution was prepared. From the obtained measured values, the amounts of Al, Fe, and Na were quantified by the absolute calibration curve method. The results are shown in Tables 2 and 3.
表2に示されるように、実施例1〜12で作製した透明シリカガラスは、成形性がよく、くすみなどがなく高透明かつ高純度であり、容易に製造することができた。 As shown in Table 2, the transparent silica glasses produced in Examples 1 to 12 had good moldability, no dullness, high transparency and high purity, and could be easily produced.
表2、表3で示されるように、Si−N結合及びSi−H基のいずれか又は両方を含まない化合物をバインダーとして使用した比較例5〜7では、クラックや成形時に未硬化が発生し、成形性が非常に悪く、焼結時にバインダーとシリカが密に存在しないために、クラックが発生した。また、(B)成分の代わりにメチルセルロースを使用した比較例1〜4、及びPVAを使用した比較例8,9は不純物が多かった。結晶性のシリカ粒子を使用した比較例10では、透過率が低かった。 As shown in Tables 2 and 3, in Comparative Examples 5 to 7 in which a compound containing no or both of Si—N bond and Si—H group was used as a binder, cracks and uncured during molding occurred. The moldability was very poor, and cracks occurred because the binder and silica were not densely present at the time of sintering. In addition, Comparative Examples 1 to 4 in which methyl cellulose was used instead of the component (B) and Comparative Examples 8 and 9 in which PVA was used contained a large amount of impurities. In Comparative Example 10 using crystalline silica particles, the transmittance was low.
以上のことから、本発明であれば、高純度かつ高透明な透明シリカガラスを容易に製造することができることが明らかになった。 From the above, it has been clarified that according to the present invention, high-purity and highly transparent transparent silica glass can be easily produced.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an example, and any object having substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibiting the same effect and effect is the present invention. Is included in the technical scope of.
Claims (8)
(A)平均粒径が0.01〜150μmであり、かつアスペクト比が1.00〜1.50である非晶質球状シリカ粒子:80〜99.9質量部
(B)1個以上のSi−N結合および1個以上のSi−H基を有するシラザン化合物であるバインダー:0.1〜20質量部
を含むものであることを特徴とする透明シリカガラス用組成物。 The following components (A) and (B);
(A) Amorphous spherical silica particles having an average particle size of 0.01 to 150 μm and an aspect ratio of 1.00 to 1.50: 80 to 99.9 parts by mass (B) One or more Si A composition for transparent silica glass, which comprises 0.1 to 20 parts by mass of a binder, which is a silazane compound having an −N bond and one or more Si—H groups.
で示されるシラザンモノマーを含み、上記一般式(1)で表されるポリシラザン化合物と、上記一般式(2)で表されるシラザンモノマーとの割合が質量比で99:1〜99.9:0.1であることを特徴とする請求項2または3に記載の透明シリカガラス用組成物。 The following general formula (2) is added to the component (B).
The ratio of the polysilazane compound represented by the general formula (1) to the silazane monomer represented by the general formula (2) is 99: 1 to 99.9: 0 in terms of mass ratio. The composition for transparent silica glass according to claim 2 or 3, wherein the composition is 1.
(A)平均粒径が0.01〜150μmであり、かつアスペクト比が1.00〜1.50である非晶質球状シリカ粒子:80〜99.9質量部
(B)1個以上のSi−N結合および1個以上のSi−H基を有するシラザン化合物であるバインダー:0.1〜20質量部
を含む組成物を調製する工程の後に、該組成物を成形して成形体を形成する工程、次いで、該成形体を400〜1,200℃で10分間〜12時間加熱して脱脂する工程、さらに、該脱脂した成形体を1,400〜1,900℃で1〜60分間加熱して焼結する工程を有することを特徴とする透明シリカガラスの製造方法。 The following components (A) and (B);
(A) Amorphous spherical silica particles having an average particle size of 0.01 to 150 μm and an aspect ratio of 1.00 to 1.50: 80 to 99.9 parts by mass (B) One or more Si Binder, which is a silican compound having an −N bond and one or more Si—H groups: After the step of preparing a composition containing 0.1 to 20 parts by mass, the composition is molded to form a molded product. Step, then the step of heating the molded product at 400 to 1,200 ° C. for 10 minutes to 12 hours to degrease, and further heating the degreased molded product at 1,400 to 1,900 ° C. for 1 to 60 minutes. A method for producing transparent silica glass, which comprises a step of sintering.
で示されるシラザンモノマーを含み、上記一般式(1)で表されるポリシラザン化合物と、上記一般式(2)で表されるシラザンモノマーとの割合が質量比で99:1〜99.9:0.1であることを特徴とする請求項6または7に記載の透明シリカガラスの製造方法。 The following general formula (2) is added to the component (B).
The ratio of the polysilazane compound represented by the general formula (1) to the silazane monomer represented by the general formula (2) is 99: 1 to 99.9: 0 in terms of mass ratio. The method for producing a transparent silica glass according to claim 6 or 7 , characterized in that the present invention is 1.
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