DE10331103A1

DE10331103A1 - Doppeltiegel für Glas-Ziehverfahren und Verfahren zum Herstellen von Glasfasern oder zugehörigen Preformen mit dem Doppeltiegel

Info

Publication number: DE10331103A1
Application number: DE10331103A
Authority: DE
Inventors: F. Dr. Büllesfeld; P. Kissl; U. Dr. Kolberg; Volker Ohmstede
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-07-05
Also published as: US20060236723A1; US7185517B2; US20040060325A1; DE10331103B4

Abstract

Derartige Doppeltiegel bestehen typischerweise aus einem beheizten Außentiegel (1) und einem vom Außentiegel (1) umgebenen Innentiegel (2), der separat vom Außentiegel (1) beheizbar ausgebildet ist, wobei beide Tiegel (1, 2) eine Austrittsdüse (1a, 2a) für das zu ziehende Glas haben. DOLLAR A Um insbesondere Glasfasern aus Schwermetall-Oxidgläsern (HMO-Glas) mit hoher Qualität und relativ einfachen Mitteln herstellen zu können, sieht die Erfindung vor, daß die Austrittsdüse (2a) des Innentiegels (2) gegenüber der Austrittsdüse (1a) des Außentiegels (1) um ein vorgegebenes Maß hervorragt und die mit dem Glas in Kontakt stehenden Oberflächen des Doppeltiegels feuerpoliert sind sowie aus einem Material bestehen, die auf Schwermetalloxidgläser in der Schmelze allenfalls gering reduzierend einwirken.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppeltiegel für Glas-Ziehverfahren mit einem beheizten Außentiegel und einem vom Außentiegel umgebenen Innentiegel, der separat vom Außentiegel beheizbar ausgebildet ist, wobei beide Tiegel eine Austrittsdüse für das zu ziehende Glas haben.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen von Glasfasern oder zugehörigen Preformen mit dem Doppeltiegel.
Glasfasern in Form von Kern-Mantel-Gläsern, d.h. Glasfasern, die einen inneren Kern aus einem ersten Glas und mindestens einen äußeren Mantel aus einem zweiten Glas besitzen, werden typischerweise aus einem koaxialen Doppeltiegel gezogen.
In dem äußeren Tiegel befindet sich dabei das Mantelglas, und in dem inneren Tiegel befindet sich das Kernglas.
Bei den bekannten Herstellungsverfahren werden typischerweise Doppeltiegel verwendet, bei denen der Außentiegel beheizbar ist.
Soll jedoch eine Glasfaser unter Verwendung eines Glaspaares, dessen Mantelglas, das sich im äußeren Tiegel befindet, eine niedrigere Viskosität als das Kernglas im Innentiegel aufweist, hergestellt werden, dann erweist sich die Kontrolle des Ziehprozesses als schwierig oder nicht möglich. Um eine vorgegebene Viskosität des Kernglases zu erreichen, müßte der äußere Tiegel so erwärmt werden, daß die Viskosität des Mantelglases zu gering sein würde.
Außerdem kann eine schlechte Wärmeleitung bzw. schlechte Transparenz bei Strahlungsbeheizung der Gläser im Außentiegel eine gute Durchwärmung des Inhaltes des Innentiegels erschweren.
Durch die DE 26 29 658 A ist auch ein Doppeltiegel mit einem beheizten Außentiegel und einem vom Außentiegel umgebenen Innentiegel bekannt geworden, bei dem der Innentiegel separat vom Außentiegel beheizbar ausgebildet ist. Durch die separate Beheizung des Innentiegels läßt sich das in ihm befindliche Kernglas unabhängig von der Beheizung des Mantelglases im Außentiegel auf eine höhere Temperatur bringen und so eine niedrigere Viskosität des Kernglases, angepaßt an die Viskosität des Mantelglases, einstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs bezeichneten Doppeltiegel diesen so auszubilden bzw. das eingangs bezeichnete Verfahren so zu führen, daß Glasfasern aus insbesondere Schwermetalloxidgläsern (sog. HMO-Gläser) mit hoher Qualität und relativ einfachen Mitteln herstellbar sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den HMO-Gläsern um Gläser, welche Oxide von Bi, Sb, Te, Pb, As, Se, Cd und/oder Ga umfassen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch einen Doppeltiegel für Glasziehverfahren mit einem beheizten Außentiegel und einem vom Außentiegel umgebenen Innentiegel, der separat vom Außentiegel beheizbar ist, wobei beide Tiegel eine Austrittsdüse für das zu ziehende Glas haben, der gemäß der Erfindung so ausgebildet ist, daß die Austrittsdüse des Innentiegels gegenüber der Austrittsdüse des Außentiegels um ein vorgegebenes Maß hervorragt.
Die gegenüber dem Außentiegel hervorragende Düse des Innentiegels stabilisiert mit Vorteil das Glas mit steiler Viskositätskurve, sogenannte „kurze Gläser".
Unter „kurzen Gläsern" werden Gläser verstanden, bei welchen die Viskosität des Glases innerhalb eines nur kleinen Temperaturintervalls ΔT von einem Wert von 10³ auf einen Wert von 10⁷ dPa × s absinkt, die also eine relativ steile Kurve im Temperatur-Viskositäts-Diagramm aufweisen. Ein kurzes Glas weist beispielsweise ein solches Temperaturintervall ΔT von höchstens 150°C, mehr bevorzugt ein Temperaturintervall ΔT von höchstens 120°C, auf. „Lange Gläser" weisen dagegen ein Temperaturintervall ΔT von beispielsweise mindestens 300°C auf.
Bei der Herstellung von Preformen für Glasfasern ist es wünschenswert, eine Preform mit einem möglichst großen Durchmesser zu ziehen. Je größer der Durchmesser der Preform, desto länger kann die eine aus der Preform gezogene Glasfaser sein und umso wirtschaftlicher ist das Ziehen einer Glasfaser aus einer solchen Preform. Sofern jedoch Preformen für Glasfasern aus eher kurzen Gläsern herstellt werden sollen, ist die Herstellung von Preforms mit größerem Durchmesser problematisch. Das Glas weist beim Ausströmen aus dem Doppeltiegel eine relativ niedrigere Viskosität auf und wird daher durch die Schwerkraft stärker in die Länge gezogen. Dadurch entsteht eine dünnere Preform.
Auch bei Gläsern mit einer hohen Dichte kann dieses Problem auftreten. Unter einer hohen Dichte versteht man gemäß der Erfindung eine Dichte von vorzugsweise mindestens 4,0 g/cm³, vorzugsweise mindestens 4,5 g/cm³, mehr bevorzugt mindestens 5,0 g/cm³.
Selbstverständlich sind insbesondere kurze Gläser, welche weiter noch eine hohe Dichte haben, schwer in Preformen mit einem großen Durchmesser auszuziehen. Als extremes Beispiel eines Schwermetalloxid-haltigen Glases weist das Bismutoxid-haltige Glas gemäß der Beispiele eine Dichte von 6,5 g/cm³ und ein Temperaturintervall ΔT von nur 560°C auf.
Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, dass auch kurze Gläser und/oder Gläser mit einer hohen Dichte sich zu Preformen für Glasfasern mit einem großen Durchmesser verarbeiten lassen, wenn ein Doppeltiegel gemäß der Erfindung verwendet wird. Es wird angenommen, dass die gegenüber der Austrittsdüse des Außentiegels hervorragende Austrittsdüse des Innentiegels das herausfließende Glas des Mantels stabilisiert, bis es sich durch den Kontakt mit der Luft etwas abgekühlt hat und dadurch die Viskosität etwas geringer geworden ist.
Bezogen auf den Durchmesser D_A der Austrittsdüse des Außentiegels steht die Austrittsdüse des Innentiegels vorzugsweise um eine Länge Δl von mindestens 1/3, mehr bevorzugt mindestens 1/2, am meisten bevorzugt mindestens 2/3, des Betrages des Durchmessers D_A vor. D.h. vorzugsweise ist Δl ≥ D_A/3, mehr bevorzugt Δl ≥ D_A/2, am meisten bevorzugt Δl ≥ 2D_A/3.
Die vorzugsweise polierten Oberflächen des Doppeltiegels sowie der gezogenen Preform führen zu guter mechanischer Stabilität der Glasfaser und geringer Rückstreuung des Kern-Lichtes bzw. von Licht des ersten Mantels, wenn dieser mittels eines feuerpolierten Rohres mit einem zweiten Mantel umgeben wird. Auch ein Polieren durch Schleifen ist denkbar.
Das spezielle Material, aus dem die Doppeltiegel, zumindest ihre Kontaktflächen mit der Glasschmelze, vorzugsweise bestehen, erlauben es, daß auch die eingangs erwähnten HMO-Gläser für die Glasfaser-Herstellung verwendet werden können. Dies deshalb, weil das Material auf Schwermetalloxidgläser in der Schmelze allenfalls gering reduzierend einwirken und eine ausreichende mechanische Festigkeit und chemische Inertheit gegenüber Schwermetalloxidgläsern haben.
Vorzugsweise besteht das Tiegelmaterial aus einer Platin/Iridium-Legierung oder aus Gold bzw. einer Gold enthaltenden Legierung. Beide Materialien üben einen sehr geringen, reduzierenden Einfluß auf HMO-Gläser aus. Gerade die Verwendung von goldhaltigem Tiegelmaterial, insbesondere Pt5Au, in Verbindung mit dem Ziehen von Glasfasern aus HMO-Glas, vorzugsweise Te-, Sb- oder Bismutoxid-haltigem Glas, bewirkt mit Vorteil eine niedrigere Dämpfung der Faser und eine ausreichende mechanische Stabilität des Faseraufbaues.
Der erfindungsgemäße Doppeltiegel kann dabei sowohl zur Herstellung von Vorformlingen von Glasfasern als auch zum direkten Ziehen der fertigen Glasfasern dienen. Unter einem Vorformling bzw. einer "Preform" versteht man eine Roh-Glasfaser, bestehend aus einem Kern und einem oder mehreren Mänteln, welche schon den Schichtaufbau der späteren Glasfaser aufweist und zu einer typischen Glasfaser ausgezogen werden kann.
Ein besonders einfacher Aufbau sowie eine einfache, wirksame Beheizung des Doppeltiegels ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung gegeben, wenn der Außentiegel aus einem elektrisch isolierenden Material und der Innentiegel aus einem elektrisch leitfähigen, durch elektromagnetische Felder aufheizbaren Material besteht.
Mittels einer einfachen Spulenanordnung läßt sich dann die Tiegelwandung des Innentiegels mit einem MF/HF-Feld aufheizen, die auf der Innenseite den Inhalt des Innentiegels und auf der nach außen gewandten Seite den Inhalt des Außentiegels erwärmt.
Das isolierende Material des Außentiegels ist vorzugsweise ein keramisches Material, z.B. Al₂O₃, ZrO₂ oder Quarzal bzw. ein gesintertes Quarzglaspulver. Das elektrisch leitfähige Material des Innentiegels ist vorzugsweise eine Platin/Iridium- oder Platin/Gold-Legierung.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Doppeltiegels kann dieser gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung so aufgebaut sein, daß der Außentiegel zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material und der Innentiegel ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Auch bei einer derartigen Anordnung ist eine einfache und wirksame Beheizung des Innentiegels mittels eines MF/HF-Feldes möglich, wobei das Feld auch in dem Außentiegel, wenn auch im geringeren Umfang, Wirbelströme und damit eine zusätzliche Erwärmung des Außentiegels bewirkt.
Bei der vorgenannten, alternativen Ausführungsform sind verschiedene Ausgestaltungen des Außentiegels denkbar, die bewirken sollen, daß das MF/HF-Feld die Wandung des Außentiegels möglichst durchdringt und überwiegend in der Wandung des Innentiegels Wirbelströme erzeugt. So ist denkbar, daß der Außentiegel durch einen geschlitzten Edelmetalltiegel gebildet ist. Die Ausführung kann auch so getroffen sein, daß der Außentiegel durch einen Quarzglastiegel mit dünner Edelmetallschicht gebildet ist.
Der Doppeltiegel kann dabei auch so aufgebaut sein, daß der Außentiegel durch einen gekühlten Skull-Tiegel mit einer Palisade von Edelmetall-Rohren gebildet ist.
Bei all diesen Alternativen des Außentiegels ist das Edelmetall vorzugsweise eines der vorgenannten Metalle bzw. Metalllegierungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein vorteilhafter Aufbau der vorgenannten, alternativen Ausführungsform des Doppeltiegels, bei der der Außentiegel zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material und der Innentiegel ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, gegeben mit einem Außentiegel mit geschlossenem Mantel aus elektrisch leitfähigem Material, dem eine MF/HF-Spule zur Beheizung zugeordnet ist, und mit einem koaxial doppelwandigen Innentiegel, der an eine Stromquelle anschließbar ist.
Bei dieser Weiterbildung ist der Außentiegel separat beheizbar, und der Innentiegel kann über Joule'sche Wärme durch Stromfluß in den beiden Wandteilen separat zum Außentiegel erwärmt werden. Dadurch ist eine besonders wirksame Abstimmung der Beheizung der beiden Tiegel im Hinblick auf die Viskosität der Gläser möglich.
Bei dieser Weiterbildung ist die Anordnung vorteilhafterweise so getroffen, daß der Zwischenraum zwischen der leitenden Innenwand und der leitenden Außenwand mit isolierendem Material ausgefüllt ist.
Dieses Material verhindert Kurzschlüsse zwischen den Wandteilen und trennt die beiden Gläser thermisch.
Ein weiterer, besonderer Vorteil dieser Weiterbildung liegt darin, daß die Heizleistung der Innen- bzw. Außenwand durch unterschiedliche Wandstärken variierbar ist. Durch eine geeignete Wahl der Wandstärken der leitenden Innen- bzw. Außenwand läßt sich daher auf einfache Weise die Heizleistung im Innen- bzw. Außentiegel einstellen. Außerdem läßt sich über eine unterschiedlich starke Innenwand ein Temperaturverlauf im Innentiegel einstellen, der für das Ziehen vorteilhaft ist.
Dabei kann die Leistung, d.h. der Stromfluß der Stromquelle auch hinsichtlich der Vorgabe einer bestimmten Temperatur im Innentiegel geregelt werden. Dazu ist die Anordnung zweckmäßig so getroffen, daß in dem Zwischenraum zwischen der leitenden Innenwand und der leitenden Außenwand ein Temperatur-Sensor angeordnet ist. Das Ausgangssignal dieses Temperatur-Sensors, der insbesondere durch ein Thermoelement gebildet wird, dient dann als Istwert-Temperatursignal für den vorgenannten Regler.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen von Glasfasern oder Preformen von Glasformen, bestehend aus einem Kern und mindestens einem Mantel mit erfindungsgemäßem Doppeltiegel, wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den Schritten:

– Erschmelzen von Schwermetalloxid-Glas, vorzugsweise TeO-, Sb₂O₃ oder Bismutoxid-Glas für das Kernglas der Glasfaser und das Mantelglas in separaten Goldtiegeln aus einem Gemenge in einem Vorschmelzschritt,
– Bubbeln der Schmelze mit Sauerstoff,
– Umgießen der Schmelzen in den vorgeheizten Doppeltiegel, mit der Schmelze des Kernglases in den Innentiegel und der Schmelze des Mantelglases in den Außentiegel,
– Halten der Schmelzen für eine vorgegebene Zeit auf einer vorgegebenen Temperatur unter Sauerstoff-Bubbling,
– Erhöhen der Temperatur und Läutern der Schmelze, vorzugsweise mit übergeleitetem Sauerstoff,
– Abtempern der Schmelzen auf die Glas-Ziehtemperatur und
– Ziehen der Glasfaser oder der Preform.

Anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei werden auch weitere Ausgestaltungen der Erfindung deutlich.
1 in einer schematischen Längsschnitt-Darstellung den Aufbau eines Doppeltiegels mit einem Außentiegel aus isolierendem Material und einem Innentiegel aus leitfähigem Material, das durch ein MF/HF-Feld beheizbar ist,
2 eine Variante des Doppeltiegels nach 1 mit einem Außentiegel in Form eines Skull-Tiegels, mit einer Draufsicht-Darstellung im Figurenteil A und einem Längsschnitt im Figurenteil B,
3 eine Ausführungsform des Doppeltiegels mit einem Außentiegel aus leitfähigem Material, der mittels eines MF/HF-Feldes beheizbar ist und einem doppelwandigen, leitfähigen Innentiegel, der mittels direktem Stromfluß beheizbar ist,
4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 unter näherer Darstellung der Doppelwandung des Innentiegels, und
5 die zeitliche Temperaturführung im Doppeltiegel beim Ziehen von Glasfasern.
Die 1 zeigt in einer schematischen Längsschnitt-Darstellung eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem Außentiegel 1 aus elektrisch isolierendem Träger-Material, beispielsweise aus einem keramischen Material, wie Al₂O₃, ZrO₂ oder Quarzal bzw. gesintertem Quarzglaspulver, und einem koaxial darin angeordneten Innentiegel 2 aus leitfähigem Material.
In dem Außentiegel 1 befindet sich beispielsweise im Fall des Ziehens von Glasfasern in Pfeilrichtung das Mantelglas, wogegen sich im Innentiegel 2 das Kernglas befindet.
Zur Beheizung des Innentiegels 2 ist eine den Doppeltiegel koaxial umschließende Spulenanordnung 3 vorgesehen, die, angeschlossen an einen Mittelfrequenz-Generator, ein Mittelfrequenzfeld erzeugt, das wiederum im Material des Innentiegels 2 Wirbelströme induziert und dabei mit der Innenseite den Tiegelinhalt und mit der äußeren Seite zugleich den Inhalt des Außentiegels erwärmt. Das Mittelfrequenzfeld durchdringt dabei das nichtleitende Material des Außentiegels 2.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Doppeltiegels nach 1 kann dieser so aufgebaut sein, daß auch der Außentiegel zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Auch bei einer derartigen Anordnung ist eine einfache und wirksame Beheizung des Innentiegels mittels eines MF/HF-Feldes möglich, wobei das Feld auch in dem Außentiegel, wenn auch im geringeren Umfang, Wirbelströme und damit eine zusätzliche Erwärmung des Außentiegels bewirkt.
Bei der vorgenannten, alternativen Ausführungsform sind verschiedene Ausgestaltungen des Außentiegels denkbar, die bewirken sollen, daß das MF/HF-Feld die Wandung des Außentiegels möglichst durchdringt und überwiegend in der Wandung des Innentiegels Wirbelströme erzeugt. So ist denkbar, daß der Außentiegel durch einen geschlitzten Edelmetalltiegel gebildet ist. Die Ausführung kann auch so getroffen sein, daß der Außentiegel durch einen Quarzglastiegel mit dünner Edelmetallschicht gebildet ist.
Zur Steuerung des Prozesses des Ziehens von Glasfasern mit einem inneren Kern und einem äußeren Mantel ist es dabei vorteilhaft, den Innentiegel in den drei Achsen X, Y, Z verstellen zu können. Die Bezugsziffer 4 kennzeichnet den schematisch angedeuteten Verschiebemechanismus.
Durch die separate Beheizbarkeit des Innentiegels 2 kann das in ihm befindliche Glas auf eine höhere Temperatur und damit auf eine niedrigere Viskosität gegenüber einem Doppeltiegel gemäß dem Stand der Technik, bei dem nur der Außentiegel beheizbar ist, gebracht werden.
Die 2 zeigt in einer Draufsicht-Darstellung im Figurenteil A und einer Schnittdarstellung im Figurenteil B analog 1 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppeltiegels. Diese Ausführungsform weist zum einen einen Außentiegel in Form eines sogenannten Skulltiegels 1', der aus einzelnen wassergekühlten, elektrisch leitfähigen Rohren 5 in Form einer Palisade (s. 2A) besteht, und zum anderen, wie bei der Ausführungsform nach 1, einen Innentiegel 2 aus leitfähigem Material auf. Die Erwärmung des Innentiegels 2 erfolgt ebenfalls über im Material des Innentiegels erzeugte Wirbelströme. Das dazu notwendige elektromagnetische Feld wird, wie bei der Ausführung nach 1, durch die Spulenanordnung 3 bereitgestellt und durchdringt dabei die Rohr-Palisaden des Außentiegels 1. Die heiße Innentiegelwand erwärmt zugleich den Außentiegel-Inhalt.
Die 3 in Verbindung mit einer Ausschnitt-Vergrößerung nach 4 zeigt eine dritte, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppeltiegels. Diese Ausführungsform besitzt einen Außentiegel 1" aus leitfähigem Material mit einem Innentiegel 2 aus leitfähigem Material, bestehend aus einem Innenleiter 2" und einem Außenleiter 2', die koaxial zueinander angeordnet sind und die an eine Stromquelle 6 angeschlossen sind. Die Erwärmung des Innentiegels 2 erfolgt somit über direkten Stromfluß. Zur Erwärmung des Außentiegels 1" dient die Mittelfrequenz-Spule 3, die in dem leitenden Material des Außentiegels Wirbelströme erzeugt.
Zur Regelung der Temperatur im Innentiegel 2 ist ein Temperatur-Regler 7 vorgesehen, der eingangsseitig ein Temperatur-Istwertsignal eines Thermoelements 8, das im Raum zwischen den Leitern 2', 2", der vorzugsweise mit einem nichtleitenden Material ausgefüllt ist, angeordnet ist, erhält, und der ausgangsseitig auf die Stromquelle 6 geschaltet ist.
Durch geeignete Wahl der Wandstärken des Innenleiters 2" bzw. des Außenleiters 2' läßt sich die Heizleistung im Innentiegel und auch im Außentiegel einstellen.
Allen Ausführungsformen ist das Merkmal gemeinsam, daß die Austrittsdüse des Innentiegels gegenüber dem Außentiegel hervorragt. Dadurch wird beim Ziehen des Glases erreicht, daß sich das Glas mit steiler Viskositätskurve stabilisiert.
Es kann vorgesehen sein, daß die Oberflächen der Düsen des Doppeltiegels, die mit dem Glas in Berührung stehen, poliert sind. Dies führt zu einer sehr guten Rundheit des Kernes und des Mantels. Dies ist für eine kleine Polarisations-Moden-Dispersion und gute Ankopplung der Faser wichtig. Die polierten Oberflächen des Doppeltiegels führen zudem zu guter mechanischer Stabilität der gezogenen Glasfaser und geringer Rückstreuung des Kernlichtes bzw. vom Licht des ersten Mantels, wenn dieser mittels eines innen feuerpolierten Rohres mit einem zweiten Mantel umgeben wird (nicht dargestellt).
Der erfindungsgemäße Doppeltiegel wird vorzugsweise zum Ziehen von Glasfasern aus Schwermetalloxidgläsern, sogenannten HMO-Gläsern (heavy metal oxid) eingesetzt, zu denen auch Bismutoxid-haltige Gläser gehören. Diese Gläser zeichnen sich gegenüber SiO₂-Gläsern durch eine deutlich breitbandigere Emission seltener Erden-Ionen aus, was zu höheren Übertragungsleistungen führt.
Auf der anderen Seite weisen z.B. die Bismutoxid-haltigen Gläser den Nachteil auf, daß Bismutoxid unter den drastischen Bedingungen der Schmelze durch andere Komponenten reduziert werden kann und das ausfallende, elementare Bismut die optischen Eigenschaften, insbesondere die Transparenz des Glases, nachteilig beeinträchtigen kann.
Es kommt daher dem Tiegelmaterial beim Faserziehen von HMO-Gläsern eine besondere Bedeutung bei.
Da Platin eine ungünstige Wechselwirkung mit beispielsweise dem Bismutoxid-haltigen Glas zeigt, ist es von Vorteil, anstelle eines Platintiegels bei relativ niedriger Schmelztemperatur von höchstens 1000°C, einen Goldtiegel zu verwenden. Da jedoch Gold bei dieser Temperatur aufgrund der Nähe zum Schmelzpunkt, verglichen mit Platin, zwar noch formstabil, jedoch weicher ist, können auch mit Gold beschichtete Platintiegel verwendet werden. Dadurch wird der direkte Kontakt der Schmelze mit dem Platin vermieden, gleichzeitig jedoch die Goldauflage mechanisch durch die darunterliegende Platinschicht gestützt. Eine solche Goldbeschichtung kann beispielsweise durch Aufwalzen einer Goldfolie auf Platin, elektrochemische Abscheidung oder andere im Stand der Technik bekannte Verfahren erfolgen. Weiterhin eignen sich als ein solches resistentes Tiegelmaterial überraschenderweise auch Pt/Au-Legierungen, wobei bereits ein Anteil von beispielsweise 5 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% Gold im Platin ausreicht, um eine Korrosion des Tiegelmaterials deutlich zu verringern bzw. sogar ganz zu verhindern. Beispielsweise enthält ein Tiegel mit einem Au/Pt-Verhältnis von 95/5 nur geringe Mengen an Platin, ist jedoch bis zu einer Temperatur von etwa 1200°C einsetzbar. Auch eine Pt/Ir-Legierung hat sich als vorteilhaftes Tiegelmaterial gezeigt.
Es hat sich weiterhin gezeigt, daß gerade die Verwendung von Pt5Au als Tiegelmaterial beim Ziehen von Glasfasern aus HMO-Glas eine niedrige Dämpfung der Glasfaser und eine ausreichende mechanische Stabilität des Aufbaues der Faser bewirkt.
Anhand von vier Ausführungsbeispielen soll nunmehr das Verfahren zum Herstellen von Glasfasern mit dem in 1 dargestellten Doppeltiegel näher beschrieben werden.
Ausführungsbeispiel 1
Der Außentiegel 1 hat eine Höhe von 250 mm und einen Durchmesser von 150 mm, die Düse 1a des Außentiegels hat eine Länge von 45 mm und einen Durchmesser von 30 mm. Der Innentiegel 2 hat eine Höhe von 500 mm und einen Durchmesser von 40 mm und ist so befestigt, daß seine Düse 2a aus der Düse 1a des Außentiegels 1 ca. 15 mm herausragt. Die Düse 2a hat eine Länge von 60 mm und einen Durchmesser von 4 mm. Beide Tiegel bestehen aus Pt/Ir oder Pt5Au.
In einem separaten Vorschmelzschritt werden in einem Au-Tiegel bei ca. 950°C ca. 4 l eines Bi-Oxid-Mantelglases und 1/2 l des ebenfalls Bi-Oxid-Kernglases werden aus dem Gemenge in einem Au-Tiegel erschmolzen. Dabei werden die Schmelzen mit getrocknetem Sauerstoff intensiv gebubbelt, um eine Reduktion des Bi zu verhindern. Zusätzlich verhindert das Bubbling ein gravitatives Entmischen der leichten und schweren Gemengebestandteile und sorgt für eine gute Durchmischung. Ferner kann ein Au-Rührer eingesetzt werden.
Die Schmelzen werden in den durch Einkoppeln von MF-Energie vorgeheizten Doppeltiegel umgegossen und dort bei einer Temperatur von ca. 650°C mit Sauerstoffbubbling über einige Stunden gehalten. Nun wird, wie in 5 dargestellt, die Temperatur auf 820°C erhöht und nach 1/2 h mit übergeleitetem Sauerstoff geläutert. Dem Läutern folgt das Abtempern auf die Ziehtemperatur von ca. 520°C, wie in 5 dargestellt.
Nun wird mit dem Ziehen der Preformen begonnen. Der genauen Temperaturkonstanz kommt dabei aufgrund der steilen Viskositätskurve eine besondere Bedeutung zu. Temperaturschwankungen von einigen °C machen sich in der Geometrie der gezogenen Preform bemerkbar.
Über die Position des Innentiegels läßt sich die Zentrizität des Kerns und das Kern/Mantelverhälntnis einstellen. Mit den o.a Geometrien ergibt sich ein Kern-Mantel-Verhältnis von 1:10 bei einem Außendurchmesser von 1,2 mm.
In einem separaten Schritt werden Mantelrohre aus Bi-Oxidglas für die im Doppeltiegel hergestellten Preformen nach der down-draw-Methode aus einem 4-l-Ablauftiegel gezogen. Das dazu benötigte Glas wird ebenfalls in einem separaten Schritt in einem Au-Tiegel mit intensivem Sauerstoffbubbling vorgeschmolzen und in den Ziehtiegel umgegossen. Dabei werden Rohre mit polierten Oberflächen einem Außendurchmesser von 6 mm und einer Wanddicke von 2,2 mm hergestellt, so daß sich eine Faser mit folgenden Abmessungen ergibt: Kern: 3 μm, Mantel 1: 30 μm bei einem Faseraußendurchmesser von 125 μm.
Ausführungsbeispiel 2
Wie 1: Durch die Verwendung von nanoskaligen Rohstoffen wird eine gute Auflösung der Komponenten in der Bi₂O₃-Matrix erreicht. Dadurch kann die Aufschmelztemperatur und so die Bildung von elementarem Bi reduziert werden.
Ausführungsbeispiel 3
Wie 1: Die Rohstoffe werden in geeigneter Zusammensetzung gemischt und in einem ersten Schritt bei 600°C gebrannt, daß eine Vorreaktion stattfindet. Dadurch kann die Aufschmelztemperatur und so die Bildung von elementarem Bi reduziert werden.
Ausführungsbeispiel 4
Wie 1 nur mit folgender Regelung: Messung des Durchmessers der Kern/Mantelpreform und Regelung der Ziehgeschwindigkeit mit kurzer Zeitkonstante in den Grenzen von 6 cm/min, jedoch Regelung der Tiegeltemperatur mit langer Zeitkonstante.

Claims

Doppeltiegel für Glas-Ziehverfahren mit einem beheizten Außentiegel (1) und einem vom Außentiegel (1) umgebenen Innentiegel (2), der separat vom Außentiegel (1) beheizbar ausgebildet ist, wobei beide Tiegel (1, 2) eine Austrittsdüse für das zu ziehende Glas haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (2a) des Innentiegels (2) gegenüber der Austrittsdüse (1a) des Außentiegels (1) um ein vorgegebenes Maß hervorragt.
Doppeltiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Glas in Kontakt stehenden Oberflächen der Düsen des Doppeltiegels poliert sind
Doppeltiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Glas in Kontakt stehenden Oberflächen aus einen Material bestehen, die auf Schwermetalloxidgläser in der Schmelze allenfalls gering reduzierend einwirken und die eine ausreichende mechanische Festigkeit und chemische Inertheit gegenüber Schwermetalloxidgläsern haben
Doppeltiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiegelmaterial aus einer Platin/Iridium-Legierung besteht.
Doppeltiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Glaskontaktflächen des Doppeltiegels aus Gold oder einer Gold enthaltenden Legierung bestehen.
Doppeltiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold enthaltende Legierung eine Platin/Gold-Legierung mit einem Goldanteil von ca. 5 Gew.-% ist.
Doppeltiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentiegel (1) aus einem elektrisch isolierenden Material und der Innentiegel (2) aus einem elektrisch leitfähigen, durch elektromagnetische Felder aufheizbaren Material besteht.
Doppeltiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Material ein keramisches Material ist.
Doppeltiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentiegel (1', 1") zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material und der Innentiegel (2) ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Doppeltiegel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentiegel durch einen geschlitzten Metalltiegel gebildet ist.
Doppeltiegel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentiegel durch einen Quarzglastiegel mit dünner metallischer Schicht gebildet ist.
Doppeltiegel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentiegel durch einen gekühlten Skull-Tiegel (1') mit einer Palisade von metallischen Rohren gebildet ist.
Doppeltiegel nach Anspruch 9 mit einem Außentiegel (1') mit geschlossenem Mantel aus elektrisch leitfähigem Material, dem eine MF/HF-Spule zur Beheizung zugeordnet ist, und mit einem koaxial doppelwandigen Innentiegel (2), der an eine Stromquelle (6) anschließbar ist.
Doppeltiegel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen der leitenden Innenwand (2") und der leitenden Außenwand (2') mit isolierendem Material ausgefüllt ist.
Doppeltiegel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung der Innen- bzw. Außenwand (2', 2") durch unterschiedliche Wandstärken variierbar ist.
Doppeltiegel nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenraum zwischen der leitenden Innenwand (2") und der leitenden Außenwand (2') ein Temperatur-Sensor angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen von Glasfasern oder Verformen (Preformen) für Glasfasern, bestehend aus einem Kern und mindestens einem Mantel, mit einem Doppeltiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den Schritten: – Erschmelzen von Schwermetalloxid-haltigem Glas für das Kernglas der Glasfaser und das Mantelglas in separaten Goldtiegeln aus einem Gemenge in einem Vorschmelzschritt, – Bubbeln der Schmelze mit Sauerstoff, – Umgießen der Schmelzen in den vorgeheizten Doppeltiegel, mit der Schmelze des Kernglases in den Innentiegel und der Schmelze des Mantelglases in den Außentiegel, – Halten der Schmelzen für eine vorgegebene Zeit auf einer vorgegebenen Temperatur unter Sauerstoff-Bubbling, – Erhöhen der Temperatur und Läutern der Schmelze vorzugsweise mit übergeleitetem Sauerstoff, – Abtempern der Schmelzen auf die Glas-Ziehtemperatur und – Ziehen der Glasfaser.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass HMO ausgewählt wird aus Oxiden von Bi, Sb, Te, Se, Ga, As, Cd und/oder Pb.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem zusätzlich in einem separaten Schritt Mantelrohre aus HMO-Glas für die aus dem Doppeltiegel gezogenen Glasfasern aus einem Ablauftiegel gezogen werden, wobei das Bismutoxidglas in einem separaten Schritt in einem Goldtiegel mit intensivem Sauerstoffbubbling aus einem Gemenge vorgeschmolzen und in den Ablauftiegel umgegossen wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 17 oder 19, gekennzeichnet durch die Verwendung von nanoskaligen Rohstoffen in dem Gemenge.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Rohstoffe des Gemenges in gleicher Zusammensetzung gemischt und im ersten Schritt unter Bildung einer Vorreaktion gebrannt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, mit einer Regelung beim Glasfaserziehen abhängig vom gemessenen Durchmesser der Glasfaser unter Regelung der Ziehgeschwindigkeit mit hoher Zeitkonstante und Regelung der Tiegeltemperatur mit langer Zeitkonstante.
Verwendung des Doppeltiegels nach einem der vorherigen Ansprüche zur Herstellung kurzer Gläser oder von Gläsern mit hoher Dichte.
Verfahren zur Herstellung von Glasfasern oder Vorformen von Glasfasern, wobei die Glasfaser oder Vorform unter Verwendung eines Doppeltiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei ein kurzes Glas und/oder ein Glas mit hoher Dichte für mindestens das Mantelglas geschmolzen und zu einer Glasfaser und/oder Vorform ausgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei eine Glasfaser oder Vorform einer Glasfaser, bestehend aus mindestens einem Kern und mindestens einem Mantel, hergestellt wird.