Inleiding tot grondstoffen en zuiverheidsvereisten
De belangrijkste grondstoffen bij de productie van glasvezel zijn SiCl en GeCl, die beide een zuiverheid van 99,9999% of hoger vereisen. Microdisk-onzuiverheden in de grondstoffen zullen aanzienlijke verliezen in de vervaardigde vezels veroorzaken. Daarom moeten SiC en GeCl worden gezuiverd om de vereiste zuiverheid te bereiken voordat ze als grondstoffen in het voorvormproces worden gebruikt.
Onzuiverheidsgehalte in ruw SiCl
Hier bespreken we het zuiveringsproces met SiC als voorbeeld; een soortgelijk proces is van toepassing op GeCl. In het epitaxiale stadium van SiCl is de belangrijkste onzuiverheid in de grondstof trichloorsilaan (SiHC), met een gehalte van ongeveer 7000 ppm; er zijn ook onzuiverheden zoals C-H-bindingsverbindingen (koolwaterstoffen, vooral chloorhydrinen), met een gehalte van ongeveer 300 ppm; silanolen zijn aanwezig in een hoeveelheid van ongeveer 40 ppm; en ijzerverontreinigingen zijn aanwezig bij ongeveer 200 ppb.
Overzicht zuiveringsmethoden
Als trichloorsilaan in de vervaardigde vezel achterblijft, zal dit aanzienlijke verliezen veroorzaken in het golflengtebereik van 0,9–2,5 μm. SiHClO en andere verschillende onzuiverheden in SiCl kunnen worden verwijderd met behulp van conventionele destillatiemethoden. In dit gedeelte wordt het gebruik van fotochlorering in combinatie met destillatie beschreven om trifluorsilanen en andere onzuiverheden uit SiCl te verwijderen, waardoor een hoge mate van SiCl-zuivering wordt bereikt.
Het fotochloreringsproces
De grondstof, SiC, komt via een filter de fotochlorinator binnen. Het principe van fotochlorering is het benutten van de sterke reactiviteit van de Si-H-binding met halogeenelementen, waarbij de Si-H-binding wordt omgezet in een Si-Cl-binding. In de fotochlorinator wordt gas geïntroduceerd en onder ultraviolette bestraling met een golflengte van 240-400 nm worden atomen gegenereerd, wat resulteert in de volgende reactie: SiHCl₄ + Cl₂ → SiCl + HCl.
Operatie van de scrubber
Het in de fotochlorinator geproduceerde SiCl en HCl komen een wasser binnen, waar gas{0}}vloeistofextractie ervoor zorgt dat HCl of achtergebleven Cl₄ door N₂ wordt afgevoerd en via de bovenkant van de wasser wordt afgevoerd. Vervolgens stroomt SiCl vanuit de bodem van de wasser terug naar de destillatiekolom voor verdere zuivering.
Zuivering van de destillatiekolom
In de destillatiekolom kunnen, naast de voortdurende verwijdering van achtergebleven HCl en Ch2 van de bovenkant, SiCl en andere onzuiverheden worden gescheiden door hun verschillende kookpunten onder verwarming van de onderste elektrisch verwarmde kookkolf. SiC heeft het laagste kookpunt (57 graden), waardoor het gemakkelijk van onzuiverheden wordt gescheiden. In het bijzonder kunnen hydroxylwaterstoffen en soortgelijke hydroxylverontreinigingen in silanolen gemakkelijk uit SiCl worden verwijderd door gefractioneerde destillatie in omgevingen met een laag HCl-gehalte. De scrubber vóór de destillatiekolom verwijdert een grote hoeveelheid HCl, waardoor de noodzakelijke omstandigheden worden gecreëerd.
Passivering en conversie van onzuiverheden
In dit systeem vindt naast SiCl-zuivering (verwijdering van onzuiverheden) ook passivering plaats, waarbij bijvoorbeeld schadelijke silanolverontreinigingen worden omgezet in onschadelijke siloxaanverontreinigingen. Deze laatste, die in de optische vezel achterblijven, zullen geen lichtabsorptie in de werkband veroorzaken.
Secundaire destillatie en aanvullende verwijdering van onzuiverheden
Het uit destillatiekolom I afgescheiden SiCl komt destillatiekolom II binnen voor verdere gefractioneerde zuivering. Het systeem dat destillatiekolommen I en II combineert, kan ook niet-vluchtige C-Cl-onzuiverheden verwijderen. Deze onzuiverheden worden geproduceerd door onzuiverheden met meerdere-H-bindingen tijdens fotochlorering, omdat verbindingen die meerdere C-H-bindingen bevatten slechts gedeeltelijk foto-geoxideerd kunnen worden, waardoor C-C-bindingsverbindingen overblijven. Tegelijkertijd worden ook ijzer-dat onzuiverheden bevat (waaronder oplosbaar ijzer en vluchtig ijzer) verwijderd.
Herstel- en koelsystemen
Aan de bovenkant van zowel de destillatiekolom als de wasser bevinden zich koelers (5 graden) om de SiCl-voeding terug te winnen en de terugwinningssnelheid te verbeteren. Het systeem bereikt een SiCl-terugwinningspercentage van 99%, terwijl een GeCl-terugwinningspercentage van 99,99% vereist is. Dit laatste is duur en corrosief, waardoor het niet geschikt is voor lozing. SiCl dat uit destillatiekolom II wordt afgevoerd, wordt gekoeld door een warmtewisselaar en vervolgens opgeslagen voor later gebruik.
Definitieve zuiverheidsspecificaties
Een infraroodspectrometer wordt gebruikt om de zuiverheid van SiCl te bepalen. Het gehalte aan onzuiverheden in het door dit systeem gezuiverde SiCl is als volgt:
C-Onzuiverheden uit de H-groep<20 ppm, optimally up to 5 ppm
Onzuiverheden uit de OH-groep<20 ppm, optimally up to 5 ppm
IJzeronzuiverheden<20 ppb, optimally up to 2 ppb
