Effects of Sintering Temperature and Atmosphere on Transparency for Fabrication of Pyrex Glass

Abstract

Transparent pyrex glasses were obtained by sintering a green compact, which was fabricated by using CIP method for pyrex glass powder, in diverse atmosphere (air, Ar, He and vacuum (10-2 Pa)) at 973-1173K. Effects of sintering conditions (temperature and atmosphere) on transmittance of sintered glasses were investigated. Devit-rification resulting from crystallization of cristobalite arose in all atmosphere at temperatures over 1023K. Optimum sintering condition for fabricating transparent sintered pyrex glass was at 1003 K for 1hour in a vacuum (10-2 Pa) or He atmosphere in this work. The transparency was 15 ～ 20% in visible region and was about 60% in infrared region. The relationship between transparency and condition of the sintered glasses was discussed in terms of permeation constant of gas species during sintering. : wt%) は，化学的耐久性，耐熱性に優れ，熱膨張係数が小さいこ とから実験用のビーカーから，大型化学プラントの容器などに広 く利用されている。パイレックスガラスの製造法は電気炉を用い て約 1773K 以上の高温で溶融する手法である。更に複雑形状品を 作製する際は板やパイプ状で得られたガラスを再度，酸水素ガス バーナーを用いて 1473K 以上で加熱し，軟化させて所望の形状に 成形する。あるいは，個々に作製されたパイレックス同士を火炎 溶接する手法が用いられている。しかしながら近年，パイレック スガラスの廃材が多量に排出され，そのリサイクルプロセスが望 まれていることを考慮すると，溶融法と比べて低温で一体焼成が 可能な粉末焼結法を検討することは興味深い。 粉末焼結技術は古くは陶器，磁器の製造から高温構造用，電気， 磁気，光学等の多岐の分野において数多くのセラミックス材料を 製造する際に用いられている。セラミックスの焼結法は，(1) 粉末 の作製および粒度調整 (2) 成形 (3) 焼成の主に三段階の過程からな る。しかしながら，ガラス粉末を用いた焼結法に関する研究報告 は極めて少ない。その中でも例えば，Sujirote ら 1) は，結晶化ガ ラスの機械的性質を向上させるため，ケイ酸塩ガラス (56SiO 2-7Al 2 O 3-32CaO-5Na 2 O : wt%) にフッ素を 4.8wt% 添加することによ り，ガラスの焼結に及ぼすフッ素の影響について議論している。 この研究では，フッ素は粘度や結晶化温度を下げる働きがあるこ とを実験的に示しており，1173K で 3 時間焼結することで，微細 球状結晶 (wollastonite : CaO・SiO 2) が析出し，焼結体の強度が向上 することを報告している。また Pascual ら 2) は シーリングガラス 等に用いられる組成のひとつである，ホウケイ酸塩ガラス (SiO 2-B 2 O 3-Na 2 O) を粉砕することで，粉体の粒径サイズを 20µ m 以下， 20 ～ 40µ m ，40 ～ 60µ m に調整し，粒径サイズ，焼結温度 (粘度)， wt%) でも 同様な検討を行った結果，平均粒径 11µ m の粉末を用いた成形体 を 1023K で 24 時間焼結することで相対密度が 99% の焼結体が得 られたことを報告している。しかし，透明ガラス焼結体は得られ ておらず，この研究で得られた相対密度が 99% の焼結体は，クリ ストバライトや β-石英等の結晶相が析出し，見かけ上密度の向 上に反映したものに過ぎない。以上の二つの報告例はガラスの焼 結性を向上させる目的で，粘性流動および結晶化の観点から議論 しており，透明焼結体の作製を目的とした研究ではない。 これまでに著者らは粉末焼結法による透明シリカガラスの作製 に成功している 3) 。本来，石英ガラスの焼結，緻密化温度は約 1673K である。しかし大気中で焼結を行うと，焼結と同時にクリ ストバライトや β-石英の結晶相が析出するため，透明で均一な 石英ガラス焼結体は得られない。すなわち，透明石英ガラスの作 ＊ 2003 年 8 月 8 日受付 2004 年 6 月 25 日受理 平成 15 年度資源・素材学会九 州支部春季例会において一部発表