專利名稱：溶膠－凝膠方法和使用該方法制備光學(xué)晶體纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備光學(xué)纖維預(yù)制棒(preform)和光學(xué)晶體纖維的方法。本發(fā)明尤其涉及一種使用溶膠-凝膠方法制備光學(xué)纖維預(yù)制棒和光學(xué)晶體纖維的方法。
背景技術(shù)：
通常，石英玻璃是透明的和無(wú)化學(xué)活性的。其具有極好的物理或者化學(xué)性質(zhì)，例如熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度。另外，石英玻璃具有低的熱膨脹系數(shù)，被廣泛應(yīng)用于制備光學(xué)設(shè)備例如光學(xué)纖維和透鏡。
制備石英玻璃的方法包括蒸汽軸向沉積方法和溶膠-凝膠方法。溶膠-凝膠方法是在液態(tài)下進(jìn)行的，溶膠-凝膠方法能夠根據(jù)需要調(diào)整產(chǎn)品組成。溶膠-凝膠方法也可以在低于蒸汽軸向沉積方法的溫度下實(shí)施。另外，溶膠-凝膠方法是更為經(jīng)濟(jì)有利的，能夠制造復(fù)雜成分的組合物。
常規(guī)的溶膠-凝膠制備方法包括分散步驟；形成步驟；干燥步驟；熱處理步驟；氯處理步驟；和高溫?zé)崽幚聿襟E。
在分散步驟，熱解法二氧化硅例如烷氧基硅烷、分散劑、增塑劑和有機(jī)粘接劑互相混合在諸如酒精或者去離子水之類的溶液中，以形成溶膠。形成的溶膠被老化(condition)一段時(shí)間。
混合的溶膠由于小孔而在凝膠化和干燥過(guò)程中經(jīng)受很大的應(yīng)力。應(yīng)力大大增加了干燥后的收縮率。為了解決烷氧基硅烷引起的問(wèn)題，添加了有機(jī)粘接劑，并且，具有C骨架結(jié)構(gòu)的聚合有機(jī)化合物可以用作有機(jī)粘接劑。聚合有機(jī)化合物改善構(gòu)成溶膠的粒子之間的偶合力。
在形成步驟中，膠凝劑被添加到溶膠中，然后溶膠被注入到模具中進(jìn)行凝膠化作用。在被從模具里分離出來(lái)之后，凝膠在干燥步驟中被干燥。
在熱處理步驟中，干燥的凝膠被加熱到預(yù)定的溫度，以除去包含在凝膠中的有機(jī)物質(zhì)。在氯處理階段，在有機(jī)物質(zhì)被除去之后，殘留在凝膠中的金屬雜質(zhì)和OH自由基(OH radical)被除去。在高溫?zé)崽幚聿襟E中，凝膠經(jīng)受高溫?zé)崽幚硪怨探Y(jié)凝膠。
然而，常規(guī)的溶膠-凝膠方法具有這樣一個(gè)問(wèn)題，即具有C骨架結(jié)構(gòu)的聚合有機(jī)物質(zhì)降低了通過(guò)溶膠-凝膠過(guò)程制備的石英玻璃例如光學(xué)纖維預(yù)制棒或者光學(xué)晶體纖維的純度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種溶膠-凝膠過(guò)程，其能夠使得殘留有機(jī)物質(zhì)引起的溶膠-凝膠的污染最小化，同時(shí)防止溶膠-凝膠的粒子之間的偶合力減小。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例針對(duì)一種溶膠-凝膠方法，該方法包括分散步驟，其中，具有分散到去離子水中的熱解法二氧化硅的溶膠和包括具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘接劑的水解物質(zhì)相混合；形成步驟，其中，將溶膠注入到模具中，以形成凝膠；干燥凝膠的干燥步驟；低溫?zé)崽幚聿襟E，其中，除去凝膠中殘留的有機(jī)物質(zhì)；氯處理步驟，其中，除去凝膠中殘留的雜質(zhì)和OH自由基；以及高溫?zé)崽幚聿襟E，其中，在高溫下加熱凝膠，以改善凝膠的固結(jié)。


通過(guò)以下結(jié)合附圖的具體描述，本發(fā)明的上述和其它方面、特點(diǎn)和實(shí)施例將變得更加明顯，其中圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的溶膠-凝膠方法的步驟的流程圖；圖2是說(shuō)明圖1中所示的分散步驟的子步驟的流程圖；和圖3是說(shuō)明圖1中所示的形成步驟的子步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
此后，將參考附圖，詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。為了清楚和簡(jiǎn)化的目的，當(dāng)文中包括的已知功能和構(gòu)造可能使本發(fā)明的主題模糊不清時(shí)，對(duì)它們的詳細(xì)描述將被省略。
圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的溶膠-凝膠方法的步驟的流程圖。本方法包括制造溶膠的分散步驟100；通過(guò)將分散的溶膠注入模具以形成凝膠的形成步驟200；干燥步驟300；低溫?zé)崽幚聿襟E400；氯處理步驟500；和高溫?zé)崽幚聿襟E600。
圖2是說(shuō)明圖1中所示的分散步驟100的子步驟的流程圖。分散步驟100包括通過(guò)添加熱解法二氧化硅112、分散劑113和增塑劑到例如去離子水111之類的溶液中以制備分散的溶膠的溶膠形成步驟110；形成包括有機(jī)粘接劑121和堿性催化劑122的水解物質(zhì)的水解物質(zhì)形成步驟120；和混合步驟130。
在溶膠形成步驟110中，熱解法二氧化硅112和分散劑113一起被添加到去離子水111中，以形成溶膠。在水解物質(zhì)形成步驟120中，形成包括具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘接劑121和添加到其中的堿性催化劑122的水解物質(zhì)。除了去離子水111，酒精也可以作為溶液使用。
有機(jī)粘接劑121包括作為聚合物材料的具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷。在一個(gè)實(shí)施例中，有機(jī)粘接劑的添加量是整個(gè)溶膠的0.5～3％。具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘接劑121，是由與通過(guò)溶膠-凝膠方法制備的光學(xué)纖維或石英玻璃相同的元素組成，能夠抑制所制備的光學(xué)纖維或者石英玻璃的純度的下降。
在混合步驟130中，溶膠和水解物質(zhì)被混合以制造最終溶膠。
圖3是說(shuō)明圖1中所示的形成步驟200的子步驟的流程圖。參考圖3，在形成步驟200中，混合的溶膠被注入到具有預(yù)定形狀的模具中以形成凝膠。根據(jù)模具的類型，形成用于制備光學(xué)纖維預(yù)制棒的次級(jí)(secondary)預(yù)制棒，或者光學(xué)晶體纖維。形成步驟包括模塑步驟210，用于注入混合后的溶膠到模具中以進(jìn)行凝膠化作用；脫模步驟220，用于將在模塑步驟210中制造的凝膠從模具中分離出來(lái)。
在干燥步驟300中，從模具里分離出來(lái)的凝膠在具有恒定溫度和濕度的容器中被干燥。
在低溫?zé)崽幚聿襟E400中，干燥的凝膠經(jīng)受熱處理，同時(shí)供給氯、氫、氧等以除去殘留于凝膠里的有機(jī)物質(zhì)。在氯處理步驟500中，殘留于凝膠中的雜質(zhì)和OH自由基被除去。
在低溫?zé)崽幚聿襟E400和氯處理步驟500中，也被稱之為凈化步驟，干燥的凝膠中的雜質(zhì)被除去。
在高溫?zé)崽幚聿襟E600中，已經(jīng)經(jīng)歷低溫?zé)崽幚聿襟E400和氯處理步驟500的凝膠在1200-1600℃的高溫下被燒結(jié)和固化，以使之變成玻璃體。結(jié)果，得到了用于制備光學(xué)纖維預(yù)制棒的次級(jí)預(yù)制棒、光學(xué)晶體纖維或者標(biāo)準(zhǔn)石英玻璃。高溫?zé)崽幚聿襟E600在垂直移動(dòng)凝膠的爐子中進(jìn)行，所述凝膠已在高溫?zé)Y(jié)熔爐中、在氦氣氣氛下經(jīng)受了有機(jī)物質(zhì)處理。
具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷可以被作為有機(jī)粘接劑添加。它起到了構(gòu)成溶膠-凝膠的顆粒之間的粘接劑的作用，而不會(huì)降低石英玻璃或者光學(xué)纖維的純度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制備的光學(xué)纖維預(yù)制棒能夠被用作構(gòu)成光學(xué)纖維預(yù)制棒的芯部的初級(jí)預(yù)制棒。本發(fā)明的實(shí)施例也能夠被用于制備要求高純度的光學(xué)晶體纖維。
這種溶膠-凝膠過(guò)程，使得在不需要另外的加上外夾套(over-jacketing)步驟的情況下制備光學(xué)纖維預(yù)制棒成為可能。這大大減少了整個(gè)過(guò)程，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
盡管已經(jīng)參考了一些優(yōu)選的實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種各樣的改變，而不會(huì)背離由所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種溶膠-凝膠方法，包括使具有被分散到去離子水中的熱解法二氧化硅的溶膠和包括具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘接劑的水解物質(zhì)相混合；將溶膠注入模具，以形成凝膠；干燥凝膠；通過(guò)第一熱處理除去凝膠中殘留的有機(jī)物質(zhì)；通過(guò)氯處理除去凝膠中殘留的雜質(zhì)和OH自由基；和將凝膠加熱到高于第一熱處理溫度的第二溫度，以改善凝膠的固結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于第二溫度等于或者高于1200℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于第二溫度低于或者等于1600℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于混合溶膠的步驟包括將熱解法二氧化硅和分散劑一起添加到去離子水中，以形成溶膠；形成包括具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘接劑和添加到粘接劑中的堿性催化劑的水解物質(zhì)；和添加該水解物質(zhì)到溶膠中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于有機(jī)粘接劑包括具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷聚合物材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于有機(jī)粘接劑以0.5-3％的比例添加到去離子水中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于有機(jī)粘接劑包括分子量為10,000-100,000的聚二甲基硅氧烷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于注入溶膠的步驟包括將已在分散步驟混合的溶膠注入模具，以進(jìn)行凝膠化作用；和從模具中分離在模塑步驟中制造的凝膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的溶膠-凝膠方法，其特征在于在加熱步驟中，凝膠在1200-1600℃的溫度下經(jīng)受熱處理。
10.一種使用溶膠-凝膠方法制備光學(xué)晶體纖維的方法，包括通過(guò)將具有Si-O骨架結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘接劑和熱解法二氧化硅一起分散到去離子水中，以制造溶膠；將分散的溶膠注入模具中，以形成凝膠；干燥凝膠；通過(guò)第一熱處理除去凝膠中殘留的有機(jī)物質(zhì)；通過(guò)氯處理除去凝膠中殘留的雜質(zhì)和OH自由基；將凝膠加熱到高于第一熱處理溫度的第二溫度，以改善凝膠的固結(jié)；和由固結(jié)的凝膠拉伸光學(xué)晶體纖維。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的使用溶膠-凝膠方法制備光學(xué)晶體纖維的方法，其特征在于已經(jīng)經(jīng)受了第二熱處理的凝膠在拉伸步驟中在2000-2200℃的溫度下被拉伸成光學(xué)晶體纖維。
全文摘要
本文公開(kāi)了一種溶膠－凝膠過(guò)程。該過(guò)程包括以下步驟將具有Si－O骨架結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘接劑與熱解法二氧化硅一起分散到去離子水中，以制備溶膠；將溶膠注入模具，以形成凝膠；干燥凝膠；除去凝膠中殘留的有機(jī)物質(zhì)；除去凝膠中殘留的雜質(zhì)和OH自由基；和在某一溫度下加熱凝膠，以改善凝膠的凝固性。
文檔編號(hào)C03B37/02GK1762803SQ20051010635
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月18日
發(fā)明者樸根德, 金淳載, 金鎮(zhèn)漢 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社