Hydroxylgruppen in Quarzrohren

 

In Quarzglas gelöstes Hydroxyl wird als Hydroxyl bezeichnet. Hydroxyl ist die Hauptverunreinigung in Quarzglas, und die Hauptfaktoren, die seinen Gehalt beeinflussen, sind Rohstoffe, Prozesse und Herstellungsverfahren. Mit dem Hydroxylgehalt in Quarzglas ändert sich auch die Leistung des Glases. Ein zunehmender Hydroxylgehalt führt zu einer Verringerung der Viskosität, Dichte und des Brechungsindex sowie zu einer Erhöhung der Infrarotabsorption und des Ausdehnungskoeffizienten.

Basierend auf dem Verhalten von Hydroxyl in Quarzglas kann es in zwei Kategorien unterteilt werden: Quarzglas, das in einer oxidierenden Atmosphäre hergestellt wird, und Quarzglas, das in einer reduzierenden Atmosphäre geschmolzen wird. Das Hydroxyl im ersteren lässt sich durch Erhitzen nur schwer entfernen, während es im letzteren leichter zu entfernen ist.

Zu den in oxidierender Atmosphäre hergestellten Quarzgläsern zählen:

1. Synthetisches Quarzglas: Siliziumtetrachlorid wird in einer Sauerstoffflamme thermisch zersetzt, der Hydroxylgehalt liegt bei etwa 1000–2000 ppm.
2. Gasraffiniertes Quarzglas: In einer Sauerstoffflamme geschmolzenes Quarzpulver mit einem Hydroxylgehalt von 100–200 ppm.
3. Plasma-Quarzglas: In einer Plasmaflamme geschmolzenes Quarzpulver mit einem Hydroxylgehalt von 20–30 ppm.
4. Quarzglas: In einer Luftatmosphäre geschmolzenes Quarzpulver mit einem Hydroxylgehalt von 300–500 ppm.

Bei diesem Quarzglastyp lässt sich die Hydroxylgruppe nur schwer durch Wärmebehandlung entfernen und dehydroxyliert erst oberhalb der Kristallisationstemperatur bei etwa 1350 Grad Celsius sichtbar.

In einer Wasserstoffatmosphäre beträgt der Hydroxylgehalt 100-200 ppm; Erhitzen über 900 Grad Celsius kann den größten Teil des Hydroxyls entfernen. Unter Helium- oder Vakuumbedingungen ist der Hydroxylgehalt sehr niedrig (unter 5 ppm).

Die Hydroxylgruppe in in Wasserstoffatmosphäre geschmolzenem Quarzglas hängt mit folgenden Faktoren zusammen:

1. Im Zusammenhang mit den Rohstoffeigenschaften

a. Gelöstes Wasser; b. Kristallines Wasser; c. Interstitielles Wasser; b. An der Oberfläche adsorbiertes Wasser; e. Gas-Flüssigkeits-Einschlüsse;

2. In Bezug auf den Gehalt und die Art der Verunreinigung des Rohmaterials

a. Alkalimetalloxide; b. Erdalkalimetalloxide; c. Seltenerdoxide;

3. Ähnlich wie bei Melting Condition

Temperatur; Zeit; Atmosphäre;

4. Im Zusammenhang mit Dehydroxylierungsbedingungen

Umgebung, Vakuumniveau; Zeit; Temperatur;

Beim erneuten Schmelzen von Quarzglas, das in einer oxidierenden Atmosphäre in einer Wasserstoffatmosphäre hergestellt wurde, zeigt sich keine Änderung des Hydroxylabsorptionspeaks bei 2,73 Mikrometer. Dies deutet darauf hin, dass die Schmelztemperatur nicht die Ursache für den Unterschied in der Dehydroxylierungsleistung zwischen den beiden Glasarten ist.

Pulverförmiges Quarzglas, das in einer oxidierenden Atmosphäre geschmolzen wurde (Partikelgröße 0,2–0,05 mm), zeigt nach dem erneuten Schmelzen in einer Wasserstoffatmosphäre eine signifikante Änderung des Hydroxyl-Peaks bei 2,73 Mikrometern, wodurch sich Hydroxyl leichter entfernen lässt und seine Leistung mit der von in einer Wasserstoffatmosphäre geschmolzenem Quarzglas vergleichbar ist. Dies zeigt, dass die Partikelgröße ein wichtiger Faktor für Unterschiede bei der Dehydroxylierung ist.

Quarzglaspulver mit niedrigem Hydroxylgehalt Das erneute Schmelzen in einer Wasserstoffatmosphäre erhöht den Hydroxylgehalt von 3 ppm auf 100 ppm, was darauf hindeutet, dass eine Wasserstoffatmosphäre den Hydroxylgehalt in Quarzglas erhöhen kann. Quarzglasblöcke mit niedrigem Hydroxylgehalt, die in einer Wasserstoffatmosphäre erneut geschmolzen werden, zeigen praktisch keine Veränderung des Hydroxylgehalts (3 ppm), was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkung zwischen Wasserstoff und Quarzglas an der Oberfläche beginnt (Schmelzzeit etwa 30 Minuten).

Eine Formel von GE: C = 910/T * LOG10(Ta/Tb) mm-1

• C: Hydroxylgehalt (C, ppm)
• T: Dicke (mm)
• Ta: Transmission bei 2600 Nanometer Wellenlänge
• Tb: Transmission bei 2730 Nanometer Wellenlänge

Chinesische nationale Standardformel: C = 96,5/d * LG10(Ia/I) mm-1

• C: Hydroxylgehalt (ppm)
• d: Dicke (cm)
• Ia: Abstand von der 2730 nm-Basislinie zur Nulllinie (mm)
• I: Abstand vom Absorptionsmaximum bei 2730 nm zur Nulllinie (mm)

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