Come vengono prodotti i tubi capillari in quarzo

La produzione di tubi capillari di quarzo è un processo altamente tecnico che richiede una purezza estremamente elevata, un controllo dimensionale preciso e prestazioni eccezionali del materiale. Il flusso di lavoro della produzione può essere riassunto in diverse fasi fondamentali.

Panoramica del processo di produzione principale

La produzione di tubi capillari al quarzo si basa fondamentalmente sulla preparazione di due tipi di tubi al quarzo di base: il tubo di rivestimento interno e il tubo di rivestimento esterno. Il prodotto finale è formato dall'inserimento del tubo di rivestimento interno nel tubo di rivestimento esterno, seguito da disegno ad alta temperatura.

L'intero processo viene generalmente eseguito in un ambiente ultra-pulito per evitare la contaminazione.

Fasi di produzione dettagliate

Fase 1: Preparazione della materia prima e fusione

Sabbia di quarzo di elevata purezza:
Come materia prima si utilizza il cristallo naturale o il quarzo sintetico (prodotto tramite deposizione di vapore di tetracloruro di silicio). Il quarzo sintetico offre una purezza estremamente elevata (fino al 99,9999%), che lo rende la scelta preferita per i capillari ad alte prestazioni.

Fusione:
La materia prima quarzo viene fusa in un forno elettrico ad alta temperatura a circa 2000°C per formare un vetro fuso viscoso e trasparente.

Fase 2: Formare i tubi di quarzo di base

Questa fase produce i tubi di base necessari per la produzione di tubi capillari. Vengono utilizzate due tecniche principali:

Metodo di trafilatura del tubo continuo

Principio:
Il quarzo fuso passa attraverso uno stampo resistente alle alte temperature (come la grafite o il tungsteno) mentre il gas viene soffiato attraverso il centro dello stampo per formare un tubo cavo.

Processo:
Il quarzo fuso fluisce dal fondo del forno attraverso uno stampo ad anello concentrico con gas che soffia continuamente al centro. Sotto trazione meccanica, la massa fusa viene trafilata in un tubo di quarzo continuo. Controllando con precisione la temperatura, la velocità di avanzamento, la velocità di trazione e la pressione del gas, è possibile determinare con precisione il diametro esterno e lo spessore della parete.

Caratteristiche:
Alta efficienza; adatto alla produzione di massa di tubi di quarzo di dimensioni standard.

Metodo di colata centrifuga

Principio:
Una quantità misurata di quarzo fuso viene versata in uno stampo rotante ad alta velocità. La forza centrifuga distribuisce uniformemente la massa fusa lungo la parete interna, formando un tubo.

Processo:
Lo stampo ruota ad alta velocità, facendo aderire uniformemente il quarzo fuso alla superficie interna sotto la forza centrifuga, prima di raffreddarsi in un tubo.

Caratteristiche:
Adatto alla produzione di tubi di grande diametro e a parete spessa, anche se l'uniformità dimensionale è generalmente inferiore rispetto al metodo di trafilatura continua.

Dopo questi metodi, una dimensione precisa tubo di rivestimento interno (asta o tubo sottile) e tubo di rivestimento esterno (provetta più grande) sono preparati.

Fase 3: Disegno del tubo capillare di quarzo (fase centrale)

Questo è il processo chiave in cui i due tubi di base vengono fusi in un unico tubo capillare.

Pulizia e montaggio:
Sia il tubo di rivestimento interno che quello esterno vengono puliti a fondo con metodi chimici e a ultrasuoni per rimuovere i contaminanti. In un ambiente di camera bianca, il tubo di rivestimento viene inserito con precisione nel tubo della camicia.

Riscaldamento ad alta temperatura:
Il "tubo composito" assemblato viene introdotto in un forno di trafilatura (con fiamma ossidrica o forno elettrico) con temperature controllate con precisione vicino al punto di rammollimento del quarzo (circa 1700-1900°C).

Ammorbidimento e allungamento:
Ad alta temperatura, entrambi i tubi si ammorbidiscono contemporaneamente. Un sistema di trazione di precisione applica una forza di trazione controllata per allungare e assottigliare la struttura.

Fusione e modellazione:
Durante l'allungamento, la superficie esterna del tubo interno e quella interna del tubo esterno si fondono completamente sotto l'effetto del calore e della tensione superficiale, formando una struttura unificata che si solidifica al momento del raffreddamento.

Controllo dimensionale:
Le dimensioni finali (OD, ID, spessore della parete) sono controllate da:

• Dimensioni iniziali del tubo
• Temperatura di prelievo
• Velocità di disegno
• Velocità di avanzamento nella zona calda

Fase 4: post-elaborazione e ispezione

Ricottura:
Le tensioni interne generate durante la trafilatura vengono eliminate mediante ricottura a temperature specifiche, migliorando la stabilità dimensionale e la resistenza meccanica.

Taglio e lavorazione della superficie finale:
Il lungo tubo capillare continuo viene tagliato nella lunghezza desiderata. Le facce terminali sono rettificate e lucidate per garantire la planarità e prevenire le scheggiature.

Ispezione rigorosa:

• Precisione dimensionale: Micrometri e microscopi laser controllano l'uniformità OD/ID.
• Prestazioni ottiche: Vengono valutate la trasmissione della luce e l'uniformità di rifrazione.
• Geometria: Vengono misurate la rotondità e la rettilineità.
• Pulizia: Assicura l'assenza di contaminazione da particelle all'interno della provetta.

Due tipi speciali di tubi capillari in quarzo

Tubi capillari aperti

Sono più facili da produrre: un tubo di quarzo viene trafilato direttamente alla dimensione del capillare richiesto senza inserire un tubo di rivestimento interno.

Fibra di cristallo fotonico / Tubi capillari a nucleo cavo

Sono caratterizzati da complesse strutture periodiche di fori d'aria. La loro produzione è altamente sofisticata e spesso comporta la metodo stack-and-draw:

1. Decine o centinaia di microtubi e aste solide vengono preparati come "sottoelementi".
2. Questi vengono impilati con precisione secondo la microstruttura desiderata per formare una grande "preforma".
3. La preforma viene quindi introdotta in una torre di trafilatura e trafilata in dimensioni capillari, con la sua microstruttura proporzionalmente ridotta e preservata.

Conclusione

La produzione di tubi capillari al quarzo rappresenta una tecnologia di lavorazione del vetro di quarzo di alto livello. La qualità del prodotto influisce direttamente sulle prestazioni e sulla precisione degli strumenti e dei dispositivi a valle.