Quarzglas und Quarzgut

Quarzgut und Quarzglas gehören zu den wertvollsten Werkstoffen, über die Industrie und Wissenschaft verfügen. Ausgangsstoffe für deren Herstellung auf schmelztechnischem Wege sind kristalliner Quarz (für Quarzglas) und weißer Quarzitsand (für Quarzgut). Beide Rohstoffe finden sich in der Natur, sie bestehen aus reinstem Siliciumdioxid. Aus ihnen werden durch spezielle Verfahren der Chemie auch die höchstreinen Siliciumchloride gewonnen, die als Ausgangsstoffe für unsere synthetischen Quarzgläser dienen.

Kristalliner Quarz und Quarzglas, obgleich von derselben chemischen Zusammensetzung, unterscheiden sich strukturell sehr stark voneinander; der eine liegt im kristallinen Zustand, das andere als glasig erstarrte Schmelze vor. Während z. B. der kristalline Quarz kein schockartiges Erwärmen auf hohe Temperaturen und kein plötzliches Abkühlen verträgt, weil er beim Übergang in andere Kristallmodifikationen zerspringt, hält die glasige Modifikation, eben das Quarzglas, infolge seines äußerst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sehr großen Temperaturschwankungen stand.

Quarzglas und Quarzgut besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die in keinem anderen Werkstoff gleichzeitig so vollkommen vereinigt sind: Extrem niedrige thermische Ausdehnung, hervorragende Elastizität und Temperaturwechsel-Beständigkeit, hohe Transformations- und Erweichungstemperatur, geringe Wärmeleitfähigkeit, niedrige dielektrische Verluste, gute optische Durchlässigkeit vom ultravioletten bis zum infraroten Spektralbereich, Reinheit, Korrosionsbeständigkeit und Diffusions-Sperrwirkung gegen die meisten Stoffe.

Schweißtechnik und Warm-Umformung sind hoch entwickelt, ebenso die traditionelle Kaltbearbeitung und das Schneiden mit dem Laser.

Herstellung / Qualitätssicherung / Applikation

Rohstoffe

Quarzglas wird aus hochwertigen natürlichen Rohstoffen hergestellt. Trotz hoher Ursprungs-Reinheit sind aufwendige Aufbereitungsverfahren erforderlich, damit das spätere Glas die gestellten Anforderungen erfüllt, vor allem auch die notwendige Anwendungssicherheit bietet.

Bergkristall und pegmatitischer Quarz werden nach jeweils spezifischen physikalischen Methoden selektiert.

Chemische Reinigungsschritte, teils nass, teils bei sehr hohen Temperaturen, können zwischengeschaltet werden, um zu dem gewünschten Ziele zu kommen: einem Granulat von genau definierter Zusammensetzung, Kristallform und Größe, frei von vermeidbaren Spurenverunreinigungen.

Analytik und Verfahren

Analytik

Bei Spurenelementen im Quarzglas sollte unterschieden werden zwischen solchen, die bei Anwendungstemperatur eine nennenswerte Diffusionsrate besitzen und solchen, die praktisch unbeweglich sind. Zu den ersten gehören hauptsächlich die Alkali-Elemente und Kupfer. Durch Weiterentwicklung der Aufbereitungsverfahren ist es gelungen, deren Gehalte auf sehr wenige ppm, meist auf Bruchteile von ppm zurückzuführen.

Unser Material unterliegt ständigen Eingangs- und Produktionskontrollen auf Fremdverunreinigungen, die standardmäßig mit Hilfe von AAS/NAA untersucht werden.

Verfahren

Rohre, Stäbe und Platten entstehen in einer Folge von Hochtemperaturschritten. Der erste und wichtigste ist das Einschmelzen der kristallinen Körnung zu amorphem Quarzglas, das schon auf dieser Stufe möglichst blasenfrei, isotrop, homogen und frei von Störstellen sein soll.

Großtechnisch gibt es zwei kontinuierliche Schmelzverfahren:

• Aufbau von Quarzglas-Rohkörpern in der Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme;
• Elektrisch beheizte Tiegel-Schmelze, aus der ein Glas-Rohkörper abgezogen wird.

Beide Verfahren besitzen die Eignung für Rohre und Blockmaterial in sehr großen Abmessungen, sie sind gut kontrollierbar, auch bei hohem Durchsatz.

Kennzeichnend für die tiegelfreie Flammenschmelze ist die höchst intensive Läuterung des Glases im Zeitpunkt der Gefügeumwandlung: bei gezielter Optimierung entsteht ein blasenfreies und sehr homogenes Quarzglas.

Beim elektrischen Schmelzen kann der OH-Gehalt der Kristalle eliminiert werden: ein Aspekt, der für die Anwendung des Quarzglases bei höchsten Temperaturen und bei Anforderungen an die optische Transmission im Infrarotbereich bedeutsam ist.

Die Quarzglas-Rohkörper, aus beiden Schmelzverfahren gleichermaßen, werden durch Warmumformung und damit verbundene Veredelungsschritte in Halbzeuge umgewandelt, die jetzt schon auf sehr produktspezifische Eigenschaften ausgerichtet sind:

• Geringe Spurengehalte
• Niedriger Blasengehalt
• Homogenität
• OH-Gehalt
• Optische Transmission

Chemisches Verhalten von Quarzglas

Quarzglas ist außergewöhnlich beständig gegenüber Wasser, Salzlösungen und Säuren. In der Klasseneinteilung der Deutschen Normen für die chemische Haltbarkeit der Gläser steht es daher stets in der ersten, der besten Haltbarkeitsklasse; dies gilt selbst für die Laugenbeständigkeit.

Im Gegensatz zu gewöhnlichem Glas ist Quarzglas nicht hygroskopisch, verwittert also nicht. Es wird nur von Flusssäure angegriffen. Oxidfreie Metalle mit Ausnahme der Alkali- und Erdalkali-Metalle reagieren nicht mit Quarzglas, sie können deshalb in Quarzglasgefäßen destilliert und geschmolzen werden.

Empfindlich ist Quarzglas gegen alle Alkali- und Erdalkaliverbindungen, weil schon Spuren davon das Entglasen bei hohen Temperaturen beschleunigen. Es ist stets ratsam, Fingerabdrücke (Alkalispuren) von Quarzglasgeräten mit Alkohol abzuwischen, bevor sie auf über 900°C erhitzt werden.

Das ungefähre Verhalten der verschiedenen Elemente und Verbindungen gegenüber Quarzglas und Quarzgut beschreibt die nachfolgende Tabelle, deren Angaben der einschlägigen Literatur entnommen wurden und deshalb nur als Richtwerte zu betrachten sind.

Hydrolytische Beständigkeit nach DIN 12111

• 1. Hydrolyseklasse: Basenabgabe < 0,01 mg Na₂O (2g Grieß)

Säurebeständigkeit nach DIN 12116

• 1. Säureklasse: Gewichtsverlust < 0,1 mg/dm² (Oberfläche)

Laugenbeständigkeit nach DIN 52322

• 1. Laugenklasse: Gewichtsverlust ca. 50 mg/dm² (Oberfläche)

Eigenschaften des Werkstoffes

Besonderheiten

• Reinheit: Behälter und Anlagen im Reinstoffbereich unter Berücksichtigung der hydrolytischen Beständigkeit von < 0,01mg Na2O nach DIN 12111 für Medizin, Analytik und Chemie.
• Chemische Resistenz: gegenüber den meisten Medien ganz gleich ob fest, flüssig oder gasförmig. Zur Herstellung von Reagenzien und den hierfür erforderlichen Anlagen.
• Hohe Temperaturwechselbeständigkeit: wird durch den Ausdehnungskoeffizienten von α 0...900°C, K⁻¹ 0,48 x 10⁻⁶ gewährleistet und ist bei sehr vielen chemisch-physikalischen Prozessen erforderlich.
• UV- und IR-Durchlässigkeit: im Bereich von 200 bis 3500 nm macht das Material sehr nützlich, wenn es um Erhitzen oder Bestrahlen von Stoffen aller Aggregatzustände geht.
• Elektrische Isolationseigenschaften: von 10¹⁸ Ω cm bei 20°C bieten ein breites Einsatzfeld an Isolatoren in Elektrik und Elektronik.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Einheit	Elektrisch-geschmolzen (HSQ 100/300)	Flammen-geschmolzen (HSQ 351)	Opak (OM 100)	Quarzgut (Rotosil)
Dichte	kg/dm³	2.203	2.203	~ 2.18	~ 2,02
E-Modul (20°C)	N/mm²	7.25E04	7.25E04		~ 6E04
E-Modul (1100°C)	N/mm²	8.2E04	8.2E04
Zugfestigkeit	N/mm²	50	50		~ 40
Druckfestigkeit	N/mm²	1150	1150		~ 500
Biegefestigkeit	N/mm²	67	67	115	~ 67
Torsionsfestigkeit	N/mm²	30	30
Knoop-Härte 1N	N/mm²	5800-6100	5800-6100
Mohs-Härte	-	5.5 – 6.5	5.5 – 6.5
Mikrohärte	N/mm²	8600-9800	8600-9800
Poissonsche Zahl	-	0.17	0.17
Schallgeschw. (Longitudinal 20°C)	m/s	5720	5720
Diffusionskoeff. Na (1100°C)	cm²/S	1E-05	1E-05
Mittl. lin. Ausdehnungskoeff. (0-100°C)	°C⁻¹	0.51E-06	0.51E-06	0.53E-06	0,51E-06
Wärmeleitfähigkeit (20°C)	W/(km)	1.38	1.38		1,1
Erweichungstemperatur	°C	-	1730	1230

Optische Eigenschaften

Berechnungsindex	Elektrisch-geschmolzen	Flammen-geschmolzen
n_d (He, 587.56 nm)	1,45857	1,45857
Abbé - Zahl	67,6 ± 0,5	67,6 ± 0,5

Elektrische Eigenschaften

Eigenschaft	Einheit	Elektrisch-geschmolzen	Flammen-geschmolzen	Rotosil
Spez. Elektr. Widerstand (20°C)	Ω cm	E20	E20	~ 3,2 E15
Spez. Elektr. Widerstand (1200°C)	Ω cm	1.3 E07	1.3 E07	E4
Elektr. Durchschlagsfeldstärke (20°C)	kV/m	2.5 - 4 E04	2.5 - 4 E04	1,5 E04
Dielektrizitätskonstante ε (20°C)	-	3.70	3.70	3,5

Dielektrische Verlustwinkel

Frequenz	Quarzglas	Quarzgut
1 kHz	< 5 x 10⁻⁴ (ca. 1,5 x 10⁻⁴)	6 ... 20 x 10⁻⁴
1 MHz	< 5 x 10⁻⁴	5 ... 15 x 10⁻⁴
3 x 10¹⁰ Hz	4 x 10⁻⁴	4 ... 12 x 10⁻⁴

Die dielektrische Verlustwirkung ist bei einer Frequenz von 1 MHz bis 200° C nahezu konstant, wird aber dann mit steigender Temperatur größer; bei 10¹⁰ Hz fällt die dielektrische Verlustwirkung mit steigender Temperatur bis 350° C langsam ab, um bei noch höheren Temperaturen wieder leicht anzusteigen.

Hinweis: Die Diagramme zu Elastizitätsmodul, innerer Dämpfung, Schallgeschwindigkeit, Zugfestigkeit, Viskosität, Ausdehnungskoeffizient und Längenänderung sind hier nicht als Grafiken dargestellt, sondern ihre Werte sind in den obigen Tabellen zusammengefasst.

Typische Fremdelemente

Element	Einheit	Elektrisch-geschmolzen	Flammen-geschmolzen	OM 100	Rotosil
Aluminium (Al)	ppm	10...22	10-45 (10-22)	15	ca. 180
Kalzium (Ca)	ppm	0.2...1	0.2...1.0	2.0	ca. 28
Eisen (Fe)	ppm	0.1...0.3	0.5...2.0	0.2	ca. 40
Kalium (K)	ppm	0.1...0.5	0.1...0.5	0,4	31
Natrium (Na)	ppm	0.1...0.2	0.5...2.0 (1.0)	0.2	24
Titan (Ti)	ppm		0.8	1.2	123
OH-Gehalt	ppm	5...30	130-180

Verhalten gegenüber Elementen und Verbindungen

Element / Verbindung	Symbol	Bemerkungen
Aluminium (Al)	●	Bei 700 bis 800°C schnelle Reaktion
Kohlenstoff (C)	◑	Oberhalb 1500°C
Calcium (Ca)	◑	Oberhalb 600°C
Fluor (F)	●	Nur in feuchtem Zustand
Magnesium (Mg)	●	Bei 700 bis 800°C schnelle Reaktion
Natrium (Na)	●	Reagiert nur in Dampfform
Schwefel (S)	◑	Oberhalb 1000°C sehr schwache Reaktion
Basische Oxide	●	Oberhalb 800°C Beschleunigung der Entglasung
Flusssäure (HF)	●	Schwächer als bei gewöhnlichem Glas
Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl)	●	Beschleunigt die Entglasung

Verhalten alkalischer Lösungen

Lösung	Konzentration	Temperatur	Auflösung in mg/cm²	Zeitraum (Stunden)
NH₄(OH)	10%	20°C	0,019	100
NaOH	1%	20°C	0,031	100
NaOH	10%	18°C	0,0095	100
KOH	1%	20°C	0,019	100
Na₂CO₃	5%	18°C	0,0015	100
NaOH	5%	100°C	1,50	10
Na₂CO₃	10%	100°C	0,37	10

Die erste Zeile dieser Tabelle sagt also aus, dass eine 10%ige NH₄(OH)-Lösung bei 20°C in 100 Stunden 0,019 mg Quarzglas oder Quarzgut von einer Oberfläche von 1 cm² ablöst. Außerdem besteht chemische Resistenz gegenüber den meisten Galvanobädern. Auf Anfrage erteilen wir Ihnen hierüber gerne Auskunft.

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