Quarz – Allgemein

Was ist Quarz?

• Quarz ist ein Kristall, das reichlich in der Erdkruste vorhanden ist
• Chemische Zusammensetzung = SiO₂ (Siliziumdioxid)
• In geschmolzenem Zustand wird es amorph (nicht kristallin) und ist allgemein als Glas, oder wissenschaftlich als Quarzglas, bekannt
• Die Schmelztemperatur kann gesenkt und durch Zugabe bestimmter Zusätze bei niedrigeren Temperaturen verarbeitbar gemacht werden (zum Beispiel können Soda & Kalk zu SiO₂ Kristallen hinzugefügt werden, um Kalk-Natron-Glas herzustellen, was als eine der häufigsten Glasformen in unserem täglichen Leben verwendet wird)
• Geschmolzenes Quarzglas hat den höchsten Reinheitsgrad von Glas (keine Zusätze, um die Temperatur zu senken), das allgemeine Ziel ist, nur SiO₂ zu haben, ohne andere „Verunreinigungen“

Warum ist Reinheit bei Quarzglas wichtig?

• Hohe Temperaturbeständigkeit (wird üblicherweise über 1200°C verwendet), Thermoschockbeständigkeit (hält großen und schnellen Temperaturveränderungen stand), niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (dehnt oder schrumpft nicht stark bei großen Temperaturveränderungen)
• Gute UV- & Infrarot-Transmission, wird ausschließlich für UV (Ultraviolett) und IR (Infrarot) Lampen verwenden, bei denen Quarzglas als Schutzumgebung für die Lampen einsetzt wird, bei gleichzeitiger hoher Transmission von UV- oder IR-Licht (80 +%)
• Geringe Reaktivität mit anderen Elementen (geringeres Risiko einer Produktkontamination), was Quarzglas zu einer guten Lösung für sensible Anwendungen macht, bei denen eine Kreuzkontamination zwischen dem „Träger“-Material (in diesem Fall Quarzglas) und dem zu analysierenden Material, oder der zu verarbeitenden Teile, vernachlässigbar sein muss

Der Unterschied zwischen kristallinem Quarz und Quarzglas liegt in der Mikrostruktur. Kristallines Quarz hat eine sehr geordnete Struktur mit regelmäßigen Ringen, Quarzglas ist weniger geordnet. In Quarzglas sind die Ringe von unterschiedlicher Größe, können freie Bindungen haben und die Bindungen zwischen den entsprechenden Ionen können gespannt sein.

Die einzigartigen Eigenschaften von Quarzglas werden entweder durch die chemische Zusammensetzung (die Si-O-Bindung), oder durch die Mikrostruktur bestimmt:

• das breite Spektrum thermischer Stabilität, hohe optische Transmission und die hohe chemische Beständigkeit sind ein Ergebnis der starken Si-O Bindung;
• die amorphe Struktur ist der Grund für die geringe thermische Ausdehnung, den guten Wärmedurchgangswiderstand und die hohe Homogenität des Quarzglases

Was sind die wichtigsten Punkte in Bezug auf die hohe Temperaturbeständigkeit von Quarz?

• Quarz biegt sich unter seinem eigenen Gewicht in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur
• Erweichungspunkt: 1683°C, bei dem sich das Glas unter seinem eigenen Gewicht verformt
• Kühlpunkt: 1215°C, bei dem innere Spannung innerhalb von 15 Minuten deutlich gelöst wird
• Dehnungspunkt: 1120°C, bei dem innere Spannung innerhalb von 4 Stunden deutlich gelöst wird,
• Im Allgemeinen gibt es  unter 1000°C nur sehr wenig Veränderung im Material
• Quarzrohre biegen mit zunehmendem Rohrdurchmesser schneller durch
• Eine dickere Wand verländert die Lebensdauer eines Quarzrohrs (Wandstärke x 2 = Durchhang/3)

Was sind die wichtigsten Punkte in Bezug auf gute UV- und IR-Transmission von Quarz?

• Die UV- und IR-Transmission von Quarzglas (d.h. wie viel Licht geht durch das Material hindurch, anstatt davon absorbiert zu werden) wird unmittelbar von den Verunreinigungsgraden im Quarzglas beeinflusst
• Dies bedeutet auch, dass verschiedene Absorptionsmittel gezielt eingesetzt werden können, um bestimmte Wellenlängen zu blockieren
• Die Transmissions-Grafik unten zeigt die durchschnittlichen Transmissionsgrade für die Haupt-Quarzarten auf dem Markt:

GE012 = synthetisches Quarz, wird für tiefe UV-Anwendungen verwendet
GE214 = Elektrisch geschmolzenes Standardquarz für Rohre und Stangen
GE124 = Elektrisch geschmolzenes Standardquarz für festes Blockmaterial (für maschinelle Bearbeitung)
GE219 = Ti-dotiertes Quarz, um Ozonwert-Transmission zu blockieren
GE254 = Ce-dotiertes Quarz, um UV-Licht zu blockieren

• Bitte Beachten Sie, dass die Transmissionsgrade auch durch die Oberflächenbeschaffenheit des Quarzglases beeinflusst werden können.

Was sind die wichtigsten Punkte in Bezug auf die geringe Reaktivität von Quarz?

• Quarzglas ist in der Regel nur über einer relativ hohen Temperatur mit anderen Elementen reaktiv
• Ein wesentliche Ausnahme stellt Na (Natrium) dar. Deshalb ist es wichtig, dass Quarz nicht mit bloßen Händen gehandhabt wird. Schutzhandschuhe sollten aufgrund des Salzgehalts, der von den Schweißdrüsen in unseren Körpern (einschließlich unserer Hände) ausgeschieden wird, getragen werden
• Eine gründliche Reinigung mit Alkohol (z.B. Isopropanol) wird vor Handhabung bei erhöhten Temperaturen empfohlen

Wie wird Quarz hergestellt?

• Schritt 1: Suchen Sie einen Berg mit sehr naturreinen Quarzkristallen – siehe Weblink: BBC Artikel über Unimin
• Schritt 2: Fördern Sie die Quarzbergkristalle und trennen Sie sie von anderen Gesteinen/Mineralien
• Schritt 3: Verarbeiten Sie die Bergkristalle zu Siliziumsand mit hohem Reinheitsgrad
• Schritt 4: Entfernen Sie Verunreinigungen so weit wie möglich durch verschiedene Raffinations- & Reinigungsverfahren
• Schritt 5: Säubern & backen Sie den Sand im Vakuum bei hoher Temperatur, um die Feuchtigkeit zu entfernen
• Schritt 6: Schmelzen Sie den Sand bei sehr hoher Temperatur und in einer hochkontrollierten Umgebung (verschiedene Verfahren: elektrische Erwärmung, Induktionserwärmung, Feuerschmelzung, Plasma)
• Schritt 7: Ziehen oder formen Sie den geschmolzenen Sand in die fertige Form (meist Rohre, Stäbe, Tiegel oder feste Blöcke)
• Schritt 8: Vertreiben Sie Rohre an tausende von Kunden auf der ganzen Welt (wie Verarbeiter wie Enterprise-Q zum Beispiel), die die Teile in fertige Produkte verwandeln

Die Komplexität des Verfahrens liegt 1) in der Erreichung der Reinheit des Ausgangs-SiO₂ Sands, und 2) in der Regelung der heißen Zone des Ziehturms, um kritische Parameter zu steuern und, um die Konsistenz und Qualität sicherzustellen.

Quarzglas wird durch seine Ausgangsmaterialien ausgezeichnet. Wenn natürliche Rohstoffe (z.B. Quarzsand oder Quarzkristalle) verwendet werden, wir dies Quarzglas genannt. Wenn chemischen Vorstufen (z.B. SiCl₄) eingesetzt werden, wird dies synthetisches Quarzglas genannt.

Zusätzlich zum Rohmaterial, wird Quarzglas durch das Herstellungsverfahren ausgezeichnet. Es gibt drei anerkannte Prozessgruppen, die die Eigenschaften von Quarzglas weiter definieren:

• Elektrisch geschmolzenes Quarz, am häufigsten verwendet, niedrigste Betriebskosten
• Feuergeschmolzenes Quarz, traditionelle Methode, bessere Solarisationseigenschaften und Homogenität
• Synthetisch geschmolzenes Quarz, außergewöhnlich hohe Reinheit, beste Transmissionseigenschaften

Zu guter Letzt, werden zur Herstellung von Quarzrohren zwei Methoden eingesetzt:

• Einstufig: enge Toleranzen, am wirtschaftlichsten, aber benötigt ein hohes Volumen, um einen Lauf zu rechtfertigen, und kann nur eine begrenzte Bandbreite von Durchmessern pro Lauf durchlaufen
• Mehrstufig: verwendet einen vorgeformter Zylinder, zur erneuten Ziehung zu fertigen Rohren, geringerer Blasengehalt, breite Verfügbarkeit von Fertigmaßen, kleinere Chargengrößen

Weitere Informationen zu den allgemeinen Eigenschaften von Quarz, weitere technische Details und einige nützliche Tools finden Sie auf den folgenden Internetseiten: