[发明专利]使用加热器燃烧液体反应物制备二氧化硅的方法和设备

说明书

发明领域

本发明涉及制备二氧化硅和二氧化硅预制品，具体而言，涉及由液态含硅化合物制备二氧化硅和二氧化硅预制品的方法和设备。

发明背景

硅、锗、锆和钛的金属卤化物常用作形成金属氧化物玻璃的气态反应物。例如，SiCl₄的水解一直是生产高纯度二氧化硅的工业首选方法。然而，通过热解和水解氧化SiCl₄有产生氯或强酸副产物即氢氯酸(HCl)的缺点。氢氯酸不仅会损害许多沉积基底和反应设备，而且对环境也有害。由于HCl腐蚀造成的设备损耗和维修，减少排放物的系统的费用已经表明是非常高的。

另一种方法是通过硅烷热分解和氧化制备高纯度石英或二氧化硅。然而，这要求在处理中采取安全措施，因为当将空气引入硅烷密闭容器中时会引起剧烈反应。硅烷与二氧化碳、氧化亚氮、氧或水反应产生高纯度的物质，这些物质可用于生产半导体器件。然而现已证明，除了需要极高纯度的小规模用途外，对工业用途而言，硅烷成本和反应活性太高。

美国专利5,043,002(Dobbins等)(在此引用作为参考)提出另一种二氧化硅前驱材料。此专利揭示了将载气鼓泡通过含硅反应化合物，较好是不含卤素的化合物，如聚甲基硅氧烷，具体是聚甲基环硅氧烷，如六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷(“OMCTS”)和十甲基环五硅氧烷。将气态反应化合物和氮气的混合物输入燃烧器的反应部位，反应物与气态燃料/氧的混合物化合并燃烧。美国专利5,152,819(Blackwell等)(揭示内容在此引用作为参考)描述了另外一些不含卤素的硅化合物，具体是具有Si-N-Si基体结构的有机硅-氮化合物、具有Si-N-Si-O-Si结构的硅氧硅氮烷(siloxsilazone)、以及它们的混合物，这些化合物可用于制造高纯度二氧化硅玻璃，而不会产生腐蚀性污染副产物。

虽然不含卤素的硅化合物用作制造二氧化硅玻璃的原料可以避免生成HCl，但仍存在一些问题，特别是当该玻璃用于制造高纯度块状熔凝二氧化硅和高纯度光导纤维，如光波导时。例如，标题为“聚烷基硅氧烷纯化方法和所得产品”的待批美国专利申请08/574,961(在此引用作为参考)揭示，例如在聚烷基硅氧烷原料中存在高沸点杂质时，会导致生成凝胶，淀积在将气态反应物输送到燃烧器的气化和输送系统中或燃烧器内。硅烷原料发生这种聚合和胶凝现象，会影响二氧化硅制造过程中的可控制性和一致性。当氧化性载气包含在反应气流中时，这一问题更为普遍，因为氧化剂会催化硅氧烷原料的聚合。这样的聚合和胶凝会降低二氧化硅烟尘或烟尘预制件的淀积速率，它们随后是固结成制造光波导的坯料的。

使用硅氧烷原料形成二氧化硅烟尘或二氧化硅预制件时所遇到的另一个问题，是高分子量、高沸点杂质的颗粒会淀积在作为主要物质的二氧化硅烟尘或光波导纤维坯料中，产生“缺陷”或“聚集缺陷”。这些缺陷或聚集缺陷会损害用二氧化硅烟尘形成的波导的光学质量和结构质量。

在待批专利申请08/767,653(其内容在此引用作为参考)中，揭示了通过在转化部位输入液态硅氧烷原料、雾化该原料并将雾化了的原料转变为二氧化硅，可减少聚集缺陷。在转化部位将原料雾化的一种方式是将液态原料与惰性气体一起输送到转化部位，靠气动即鼓风的方式使液态硅氧烷原料雾化。

尽管在靠近转化部位令液态硅氧烷原料雾化可减少聚集缺陷，这样的液体输送系统仍有一定问题。例如，要求提高雾化气体速产生较小的液滴，因为这样的液滴更易于在燃烧器火焰中蒸发和燃烧。较小的液滴是要求的，因为较大的液滴在烟尘形成的坯料表面会引起疣状缺陷(“疣”)。另外，较小的液滴可以更容易地被周围气体流所聚集，产生聚集得更好的淀积气流。但是提高雾化气体速度会增加燃烧器火焰的湍动，这会降低聚烟尘的捕集速率，是产生被称作“蜥蜴皮肤”的烟尘物理缺陷的一个原因。蜥蜴皮肤是指烟尘坯料表面粗糙的术语。

因此，希望提供一种方法，其液体传递系统可产生含细小液滴聚集良好的淀积气流，但无需采用高的气体速度，因而燃烧器火焰中的湍动程度很低。

发明概述

因此，本发明一般地提供了制造二氧化硅和二氧化硅坯料或预制件的方法和设备，所用的系统将液态原料输送到转化部位，该转化部位通常是燃烧器火焰，在其中液态原料转化为二氧化硅颗粒。本申请人已经发现，使用靠近转化部位的燃烧器，可以使较大液滴燃烧，因此可降低对充分蒸发液滴的高气体速度的需要。由下面说明书以及附图能理解本发明的另一些特征和优点。