(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
紡出方向に垂直な横断面形状が扁平状をなす異形断面ガラス繊維であって、
前記横断面形状が、その横断面の重心を通る最長寸法軸に対して非対称性を有し、
前記最長寸法軸によって２つに区分される前記横断面形状の部分輪郭の一方側のみに突起部を有し、前記突起部が前記最長寸法軸方向の両端部にそれぞれ形成されており、
前記一方側の部分輪郭のうち、前記突起部の間に形成される非突起部が、略直線状をなし、且つ、前記非突起部の形成領域が、前記突起部の形成領域よりも前記最長寸法軸方向に幅広で、
前記横断面形状の扁平比が、１．５以上１０．０以下であり、前記横断面形状の円相当直径が、５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする異形断面ガラス繊維。
【請求項２】
前記一方側の部分輪郭において、前記非突出部の前記最長寸法軸方向の中間部に、更に突起部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の異形断面ガラス繊維。
【請求項３】
紡出方向に垂直な横断面形状が扁平状をなす異形断面ガラス繊維であって、
前記横断面形状が、その横断面の重心を通る最長寸法軸に対して非対称性を有し、
前記最長寸法軸によって２つに区分される前記横断面形状の部分輪郭の一方側のみに、前記最長寸法軸方向の中間部に突起部が形成されており、
前記一方側の部分輪郭のうち、前記突起部の両側に形成される非突起部が、略直線状をなし、且つ、前記非突起部の形成領域が、前記突起部の形成領域よりも前記最長寸法軸方向に幅広で、
前記横断面形状の扁平比が、１．５以上１０．０以下であり、前記横断面形状の円相当直径が、５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする異形断面ガラス繊維。
【請求項４】
前記突起部は、前記一方側の部分輪郭上における２つの突起開始点を結ぶ線分を底辺とした場合に、前記底辺を基準とする最大高さが、前記横断面の重心を通る最長寸法の１／５以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の異形断面ガラス繊維。
【請求項５】
前記突起部は、前記一方側の部分輪郭上における２つの突起開始点を結ぶ線分を底辺とした場合に、前記底辺に平行で且つ前記底辺を基準とする最大高さの半分の高さに位置する突起部の横断線分の長さが、前記横断面の重心を通る最長寸法の１／５以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の異形断面ガラス繊維。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紡出方向に垂直な横断面形状が、扁平状をなす異形断面ガラス繊維およびその異形断面ガラス繊維の製造方法の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
無機ガラスよりなる多くのガラス繊維が、様々な有機樹脂材を補強する目的で使用されているが、近年高い強度を求められる構造材として利用される樹脂材の多様化と広範囲な用途での利用に伴って、複合化樹脂材に求められる性能も一段と高度かつ困難なものとなっている。このため、従来にはなかった種々の要求を満足する数多くの新規な複合材料が発明されてきた。
【０００３】
このような状況において複合材料を構成するガラス繊維についても、樹脂材と同様に、多様な性能が新たに求められようになっており、それに係わる発明も数多く行われている。例えば、特許文献１には、ガラス繊維を補強材として用いた場合にガラス繊維の充填量が増加するにつれて、曲げ強度、曲げ弾性率、あるいはアイゾッド衝撃強度等の機械的物性や収縮率が向上する反面、材料の異方性が大きくなるという問題が記載されており、この問題を改善するために、オリフィス出口を囲み、オリフィスプレート底面よりも下方に延びる凸状縁を設けたオリフィスプレートを使用することによって、複数の直線と複数の曲線により囲まれた横断面を有する非円形断面のガラス繊維に係る発明が開示されている。
【０００４】
また特許文献２には、ガラス繊維を含有する樹脂材料の成型品のバラツキを小さくし、寸法安定性が流動方向と直角方向ともに優れたものとすることを目的として、ガラス繊維の横断面形状を複数の曲率半径を有する曲線であって、且つ、複数の曲率半径を有する曲線の内の最小の曲率半径を有する曲線の曲率半径に対し、複数の曲率半径を有する曲線の内の最大の曲率半径を有する曲線の曲率半径の比が３以上の複数の曲率半径からなる曲線により囲まれている形状とすることによって実現できるとする発明が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、扁平比が２．０以上の安定した品質の扁平ガラス繊維を１５００ｍ／ｍｉｎ以上の高速で紡糸する場合に糸切れしやすくなるという問題を改善することを目的として、ノズルチップ底面に設けた短径と長径の比が１：２．５以上のオリフィス孔の上部に熔融ガラスの溜まり部を設けたノズルチップを使用し、扁平比（長径／短径）が２．５以上で、得られた扁平ガラス繊維断面が内接する長方形の面積に対して、その扁平ガラスの断面積が８５％以上となる扁平ガラス繊維を成形する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１２６０３３号公報
【特許文献２】特開平７−１３３１３２号公報
【特許文献３】特開２０００−１０３６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これまで行われてきた発明だけでは、厳しい寸法精度が要求される精密形状の電子部品の複合材料として使用されるガラス繊維としては十分ではない。また従来発明された特許文献１から特許文献３のガラス繊維は、いずれも複合化された状態におけるガラス繊維の充填率が上がった時に、縦方向と横方向の収縮率の異方性を改善するために行われたものであり、ある程度は異方性が改善できるものではあるが、それでも、要求を十分に満足するものとはなっていない。すなわち、従来のガラス繊維を使用するとガラス繊維束が配向した方向に垂直な面において、その配向方向と垂直な応力が作用した場合の強度が、他の方向と異方性を有する結果となる場合があり、強度の等方性が損なわれやすいものとなっている。
【０００８】
このような強度の異方性を改善する方法として、複数のガラス繊維を混合使用するものやミルドファイバを使用する方法もあるが、いずれも強度の低下が認められる等の理由からその用途が限定される制約があり、より多様な要望を満足するものとはなっていない。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑み、樹脂材と混合して複合材料を形成した場合に、当該複合材料の収縮率及び機械的強度の異方性を可及的に小さくし、しかも高い機械的強度を実現し得るガラス繊維を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために創案された本発明に係るガラス繊維は、紡出方向に垂直な横断面形状が扁平状をなす異形断面ガラス繊維であって、前記横断面形状が、その横断面の重心を通る最長寸法軸に対して非対称性を有することを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、ガラス繊維の横断面形状が、その横断面の重心を通る最長寸法軸に対して非対称性を有することから、当該非対称性に起因して、横断面の重心が、最長寸法軸と直交する最短寸法軸方向に偏在することになる。そのため、ＦＲＰやＦＲＴＰ等の複合材料を構成するために樹脂材中に充填される時に、ガラス繊維の流動方向が不規則となりやすくなり、樹脂材中に充填された後のガラス繊維の配向度が低くなるように調整することができる。したがって、成形された複合材料の強度の異方性を緩和でき、より強度に等方性のある複合材料を構成することができる。なお、扁平状をなす横断面形状が、その横断面の最長寸法軸に対して対称性を有するときの重心位置を基点とした場合に、横断面形状の非対称性によって、その基点から重心位置が最短寸法軸方向に移動する大きさ（シフト量）が大きい程、樹脂材中に充填したガラス繊維が配向し難くすることができる。
【００１２】
上記の構成において、前記横断面形状の輪郭に１以上の突起部が形成されていることが好ましい。
【００１３】
このようにすれば、樹脂材と混合した場合に、ガラス繊維と樹脂材との界面での化学的な結合に加えて、ガラス繊維の突起部が樹脂材と噛み合うように機械的に結合することになる。したがって、化学的結合と機械的結合の相乗効果により、ガラス繊維と樹脂材との間の結合力が増すことから、ガラス繊維の横断面の最長寸法軸方向の補強効果を高め、複合材料の機械的強度を向上させることが可能となると同時に、ガラス繊維の配向度を低く調整することで、強度の異方性をさらに緩和でき、強度についてより等方性ある複合材料を構成することができる。すなわち、紡出方向に垂直な横断面形状に突起部を伴う場合には、複合化されて固結した後に強度の弱くなる方向においても補強性を具備した構成となる。
【００１４】
上記の構成において、前記横断面形状の扁平比が、１．５以上１０．０以下の範囲内にあることが好ましい。
【００１５】
すなわち、横断面形状の扁平比が１．５未満である場合には、複合材料に用いた場合に十分な収縮率の異方性改善効果が実現できなくなる場合があるため好ましくない。また、横断面形状の扁平比が１０．０を超える場合には、製造条件などが過酷なものとなり、成形される異形断面ガラス繊維外形の管理が困難となる場合があるので好ましくない。
【００１６】
したがって、上記数値範囲内の扁平比とすれば、樹脂材と混合して複合材料を形成した場合に、高い形状安定性を実現することが可能となり、用途に応じて様々な断面形状寸法のガラス繊維を得ることができるので好適である。そして、このような作用効果を享受するという観点からは、横断面形状の扁平比は、２．１以上９．０以下の範囲内であることがより好ましく、２．３以上８．０以下の範囲内であることがさらに好ましく、２．５以上７．０以下の範囲内であることが一層好ましく、２．７以上６．０以下の範囲内であることが最も好ましい。
【００１７】
上記の構成において、前記横断面形状の円相当径が、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。なお、ここで円相当径とは、ガラス繊維の横断面の面積が等しい円の直径を意味している。円相当径の算出には、例えば、紡出方向に垂直なガラス繊維の横断面について、その画像を撮影して解析する手法を使用し、面積の等しい真円に相当する円の直径を導けばよい。
【００１８】
すなわち、断面形状の円相当直径が５μｍ未満である場合には、安定した形状を保持するのが困難であり、実現するための生産コストが高騰するので現実的ではない。一方、断面形状の円相当直径が３０μｍを超える場合には、ガラス繊維の急速冷却が行い難い場合があり、その場合には意図した横断面形状が実現し難くなるといった問題が発生する。
【００１９】
このようにすれば、様々な用途に用いられる各種複合材料に適用することができるものとなるので、多様な複合材の製品寸法を従前よりも精密に調整することが可能となる。なお、このような作用効果を享受するという観点からは、横断面形状の円相当直径が、６μｍ以上２４μｍ以下の範囲内であることがより好ましく、９μｍ以上１８μｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。
【００２０】
また、上記課題を解決するために創案された本発明に係るガラス繊維の製造方法は、扁平状のノズル孔を有し且つ先端部の一部に紡出方向に突出する突出部を有するノズルから熔融ガラスを下方に引き出すことにより、以上の構成を適宜備えた異形断面ガラス繊維を成形することを特徴とする。
【００２１】
このような方法によれば、ノズルの突出部で熔融ガラスの一部を保持した状態で、ノズルの突出部が形成されていない側に面する熔融ガラスを外気に開放して早期に冷却することができる。すなわち、ノズルの突出部によって熔融ガラスの大幅な形状変化を規制しつつ、熔融ガラスの早期に冷却を行いたい箇所の冷却効率を高めることができるので、上述した形状を有するガラス繊維を高い成形精度で製造することが可能となる。また、扁平性のある横断面形状を得る際に、冷却条件や引き出し速度等の制約が小さくなるので、温度や引き出し速度等の紡糸条件の許容範囲を一層広くとることができ、安定した成形条件を採用することが可能で、ガラス繊維の成形管理が行い易くなる。
【００２２】
なお、上記の製造方法で使用されるノズルとしては、例えば、次のような構成を備えたものが好ましい。すなわち、ノズルとしては、扁平状をなすノズル孔の重心を通るノズル孔の最長寸法軸を含み、且つ、溶融ガラスの紡出方向と平行となる平面を基準とした場合に、その基準平面を境界として、ノズル先端からの鉛直方向長さが非対称となるように構成されているものが好ましい。このようなノズルを使用すれば、冷却固化されたガラス繊維の横断面形状が上述のような非対称性を有するように、ノズルから引き出された熔融ガラスの表面を部分的に強く冷却することが可能となる。
【００２３】
このようなノズルの形状の具体例としては、次のようなものがある。例えば熔融ガラスの紡出方向に垂直な横断面において、一方向に長いノズル孔の長手方向に沿った部分の一方側の壁面のみが紡出方向に突出した形状を有するものとしたり、或いは紡出方向に凹凸な形状を有するものとすることによって、ノズル先端部の一部が相対的に窪んだ形状となり、非対称な外形を持つものとなる。
【００２４】
このようなノズル外形の紡出方向寸法の非対称性は、成形されるガラス繊維の扁平性を確保するために重要であるが、ノズル開口部の紡出方向に平行な縦断面形状を対称性の比較面（例えば、上述の基準平面）の両側で極端に異なる形状とするのは、ノズルの耐用寿命を短くする場合もあり、またノズルの製作が困難なものとなり、実現できたとしても経済的にも高価な設備となるため好ましいことではない。このような観点から例えば熔融ガラスの紡出方向に垂直な横断面において、ノズル孔の長手方向の一方側の壁面のみが突出した形状を有するノズルを採用した場合に、その突出部の長さは、短い側の長さの５倍以上長くすべきではない。
【００２５】
また本発明のガラス繊維の製造方法は、非対称性を有するノズル孔が、溝の形成によって非対称性を有する形状とされたものであるならば、成形条件によって寸法変動や形状変動の少ない整った異形断面形状を有するガラス繊維を得ることが容易になる。
【００２６】
ノズル孔に施された溝は、その形状として円弧状、Ｖ字、Ｕ字、あるいは凹状の形状のものを適宜採用してよい。
【００２７】
また本発明のガラス繊維の製造方法では、ノズル形状の特定位置の定点観測や成形されるガラスの形状をセンサー等によって管理し、その結果を反映させてノズル温度や紡出速度などを微調整できる構成とすれば、より安定した成形形状が得られることに繋がり、安定生産を行う上でさらに好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
以上のような本発明に係る異形断面ガラス繊維は、横断面の重心を通る最長寸法軸に対して横断面形状が非対称性を有するものであるため、種々の樹脂材と共に複合材料を構成した場合に、複合材料の収縮率の異方性が認められることがなく、しかも高い機械的強度を有し、その強度の等方性をも実現することができる。
【００２９】
また本発明に係る異形断面ガラス繊維の製造方法は、扁平状のノズル孔を有し且つ先端部の一部に紡出方向に突出する突出部を有するノズルから熔融ガラスを下方に引き出すことにより、本発明の異形断面ガラス繊維を成形するものであるため、冷却効率を高めつつ精密な横断面寸法を有するガラス繊維を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１に係る異形断面ガラス繊維の横断面形状を概念的に示す横断面図である。
【図２】図１に示す異形断面ガラス繊維の製造設備に関する説明図であり、（Ａ）は部分全体図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ部の拡大縦断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＹ−Ｙ断面図を表している。
【図３】本発明の実施例２に係る異形断面ガラス繊維の横断面形状を概念的に示す横断面図である。
【図４】製造された異形断面ガラス繊維の横断面形状の写真である。
【図５】製造された他の異形断面ガラス繊維の横断面形状の写真である。
【図６】本発明の実施例３に係る異形断面ガラス繊維の横断面形状を概念的に示す横断面図である。
【図７】図６に示す他の異形断面ガラス繊維の製造設備に関する説明図であり、（Ａ）は部分全体図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ部の拡大縦断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＹ−Ｙ断面図を表している。
【図８】製造された他の異形断面ガラス繊維の横断面形状の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明に係る実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１は、本発明の実施例１に係る異形断面ガラス繊維の横断面図である。このガラス繊維１０は、例えば電子部品用途の構造材として利用されるものであるが、その外形的な特徴は次のようなものである。
【００３３】
すなわち、このガラス繊維１０の外形的な特徴は、紡出方向と垂直な横断面の重心Ｐを通る最長寸法軸Ｌを境界としてガラス繊維１０を２分割した場合に、その最長寸法軸Ｌによって分割されるガラス繊維１０の輪郭の一方側の輪郭部１１ａと、他方側の輪郭部１１ｂとが、最長寸法軸Ｌに対して非対称性を有している点にある。具体的には、この非対称性は、一方側の輪郭部１１ａのコーナー部の曲率半径Ｒ１と、他方側の輪郭部１１ｂのコーナー部の曲率半径Ｒ２とが異なる値となることによって生じている。このようにすれば、横断面の重心Ｐを通る最長寸法軸Ｌに対する横断面形状の非対称性に起因して、かかるガラス繊維１０を用いて種々の樹脂材と共に複合材料を構成した場合に、複合材料の収縮率の異方性が認められることがなく、しかも高い機械的強度を有し、その強度の等方性をも実現することができる。なお、このような横断面形状の非対称性は、もちろん意図的に得られる形態である。すなわち、この横断面形状を有するガラス繊維１０は、意図せぬ製造条件の変動によって一時的に形成されるものではなく、またガラス繊維１０中に混入した意図しない泡や異物の作用によって生じた外径の非対称性を示すものでもない。付言すれば、これらの製造欠陥品には起因することなく紡糸に係わる製造条件を固定した状態で連続して得られる形状である。
【００３４】
さらに、このガラス繊維１０の他の外形的な特徴は、重心Ｐを通る最短寸法軸Ｓを境界としてガラス繊維１０を２分割した場合に、その最短寸法軸Ｓによって分割されるガラス繊維１０の輪郭の一方側の輪郭部１１ｃと、他方側の輪郭部１１ｄとが、最短寸法軸Ｓに対して対称性を有している点にある。このようにすれば、ＦＲＰ等として成形された複合材料の強度の等方性を実現することに加えて、樹脂材の適度な充填性を得ることができ、ガラス繊維１０と樹脂材とが馴染み易くなるので、ガラス繊維１０の表面に起因する欠陥が発生し難くなる。
【００３５】
また、このガラス繊維１０は、その横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａが３３．３μｍであり、これに平行で横断面の輪郭１１と接する２本の平行直線間の距離Ｂが９．４μｍである。そのため、重心Ｐを通る最長寸法Ａをこれに平行で横断面の輪郭と接する２本の平行直線間の距離Ｂで割った値である横断面形状の扁平比は３．５４であり、扁平比が１．５以上１０．０以下の範囲内となっている。
【００３６】
なお、扁平比の測定は、例えば、ガラス繊維１０を樹脂材等に埋入した状態で研磨して、ガラス繊維１０の紡出方向に垂直な横断面を露出させ、実体顕微鏡や電子顕微鏡によりその研磨面に認められるガラス繊維の横断面の重心を通る最長寸法Ａと、これに平行で横断面の輪郭と接する２本の平行線間の距離Ｂとの計測を行い、Ａ／Ｂを算出することにより行う。具体的には、実体顕微鏡や電子顕微鏡により得られた画像を用いて、画像解析を行って重心位置や扁平比を導けばよい。
【００３７】
さらに、このガラス繊維１０は、円相当直径が１８．１μｍであって、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内となっている。
【００３８】
次に、以上のように構成されたガラス繊維１０の製造手順を図２（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。
【００３９】
まず、図２（Ａ）に示すように、各種ガラス原料を高温状態となるように熔融して得られたＥガラス材質の熔融ガラスＧを撹拌などの混合均質化操作を行って均質な状態とした後、白金合金製の耐熱ブッシング２０内に供給する。次に、このブッシング２０の底部に垂下するように取り付けられた複数の白金合金製の耐熱ノズル２１から、熔融ガラスＧを下方に引き出しながら冷却固化することにより、ガラス繊維１０を製造する。なお、製造されたガラス繊維１０は、下方に配した巻き取り装置３０に装着された紙管上に巻き取られる。
【００４０】
そして、上述の製造手順において、使用されるノズル２１は、図２（Ｂ）に示すように、その先端部の一部に下方に突出した突出部２１ａを有する。そのため、ノズル２１の先端部の突出部２１ａを除く領域は、切欠部２１ｂとされている。また、ノズル２１のノズル孔２２は、図２（Ｃ）に示すように、その横断面の重心Ｐ１を通る長軸（最長寸法軸）Ｔを有する扁平状（長円形）をなしている。なお、この実施形態では、ノズル２１の先端部に形成される突出部２１ａは、ノズル孔２２の長軸Ｔを境界とするノズル孔２２の半周に亘って形成されている。
【００４１】
このように構成されたノズル２１から熔融ガラスＧを紡出させると、ノズル２１の突出部２１ａに面する熔融ガラスＧの一方側の表面が、突出部２１ａに沿って案内されながら流下すると共に、ノズル２１の切欠部２１ｂに面する熔融ガラスＧの他方側の表面が、切欠部２１ｂを通じて急速に冷却される。したがって、ノズル孔２２から紡出した熔融ガラスＧの横断面の輪郭が表面張力によって丸くなるのを抑止しながら冷却することが可能となるので、扁平状の横断面形状を有するガラス繊維１０を確実に製造することができる。
【００４２】
ここで、熔融ガラスＧが流出して冷却するまでの過程について詳述すると、耐熱性ノズル２１の突出部２１ａに面する熔融ガラスＧの一方側の表面は、突出部２１ａと接する非自由表面であり、且つ、耐熱性ノズル２１の突出部２１ａに案内されながら下方に引き伸ばされて、その過程で温度が低下して冷却される。そのため、突出部２１ａに面する熔融ガラスＧの一方側の表面によって、図１に示すガラス繊維１０の輪郭のうち、相対的に小さな曲率を示し且つ直線状の部分を有する輪郭部１１ｂが形成される。それに対して、耐熱性ノズル２１の切欠部２１ｂに面する熔融ガラスＧの他方側の表面は、自由表面であり、且つ、切欠部２１ｂを通じて突出部２１ａ側よりも先に大気に開放されて表面張力により丸くなろうとする。そのため、切欠部２１ｂに面する熔融ガラスＧの他方側の表面によって、輪郭部１１ｂよりも相対的に大きな曲率を有する一方側の輪郭部１１ａが形成される。
【００４３】
なお、図２（Ｂ）に示すように、ノズル２１の形状は、ノズル孔２２の長軸Ｔを含み且つ熔融ガラスＧの紡出方向と平行な平面Ｕを基準とした場合、その基準平面Ｕに対して、非対称性を有している。また、図２（Ｃ）に示すように、ノズル２１は、その輪郭の平面形状がその重心Ｐ１を通る長軸Ｔに対して鏡面対称性を有する形状となっている。
【実施例２】
【００４４】
図３は、本発明の実施例２に係る異形断面ガラス繊維の横断面図である。実施例２に係るガラス繊維１０が、実施例１に係るガラス繊維１０と相違するところは、横断面形状の輪郭１１に、外方に突出した１以上（図示例では２つ）の突起部１２が形成されている点にある。このようにすれば、樹脂材と混合した場合に、ガラス繊維１０と樹脂材との界面での化学的な結合に加えて、ガラス繊維１０の突起部１２が樹脂材と噛み合うように機械的に結合することになる。したがって、ガラス繊維１０と樹脂材との結合力が増すことから、ガラス繊維１０による樹脂材の補強効果を高めることができ、複合材料の機械的強度を更に向上させることが可能となる。なお、突起部１２は、横断面形状の輪郭線上における２つの突起開始点を結ぶ線分を底辺とした場合の最大高さが、横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａの１／５以下であることが好ましい。さらに、突起部１２は、２つの突起開始点を結ぶ線分を底辺とした場合に、その底辺に平行で且つ前記最大高さの半分に位置する突起部１２の横断線分の長さが、横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａの１／５以下であることが好ましい。
【００４５】
このような突起部１２は、上述した実施例１で説明したガラス繊維１０の製造方法に従ってガラス繊維１０を製造する際に、紡糸速度や、ブッシング温度を変更調整することによって形成することができる。すなわち、紡糸速度等を変更することで、異なる横断面の大きさ、異なる横断面外郭の形状のガラス繊維を意図的に得ることができる。
【００４６】
具体的には、実施例１では、熔融ガラスＧの粘度が十分に高く、紡出過程でノズル孔２２の形状をほぼ維持して、ガラス繊維１０に突起は認められないが、実施例２では、熔融ガラスＧの粘度が相対的に低く、そのため紡出過程で、ノズル孔２２の形状を維持せずに、軟らかい熔融ガラスＧの端部側が、ノズル２１の突出部２１ａ側へと回り込んで膨出し、その結果、当該熔融ガラスＧを冷却固化したガラス繊維１０に突起部１２が形成される。
【００４７】
そして、このように突起部１２が形成されたガラス繊維１０の製造条件の一例としては、紡糸速度を６００ｍ／分とし、ブッシング温度を１１００℃とすることが挙げられる。この条件で、ガラス繊維１０を製造すると、横断面の輪郭において、曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２とが異なる大きさを示し、且つ、最長寸法軸Ｌで区分される輪郭部１１ａと輪郭部１１ｂのうち、ノズルの突出部２１ａ側で形成される輪郭部１１ｂの両端部に、約１μｍ突出した突起部１２が表れることが確認できている。実際に以上の紡糸条件によって得られたガラス繊維１０の横断面写真を図４に示す。同図において、白色で表示されている部分がガラス繊維１０を示すものある。なお、同図に示す画像は、ガラス繊維１０を埋入した樹脂を鏡面研磨した後に、その研磨面を実体顕微鏡下で撮影したものである。
【００４８】
図３に示すような突起部１２が２箇所に表れる断面形状を有するガラス繊維１０については、その横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａが４３．５μｍであり、これに平行で横断面の突起部１２を除いた輪郭１１と接する二本の平行線間の距離Ｂが１０．２μｍである。そのため、重心Ｐを通る最長寸法Ａをこれに平行で横断面の突起部１２を除いた輪郭と接する二本の平行線間の距離Ｂで割った扁平比は４．３であって、１．５以上１０．０以下の範囲内にある。また、このガラス繊維１０の円相当直径は２３．３μｍであって、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にある。
【００４９】
また図示はしていないが、さらに他の条件を採用することによって、外形寸法などの異なる実施例２に係るガラス繊維１０を得ることができる。例えば、紡糸速度を４００ｍ／分とし、ブッシング温度を１１００℃とすると、次のようなガラス繊維１０を得ることができる。すなわち、かかるガラス繊維１０は、その横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａが５３．４μｍ、これに平行で横断面の突起部１２を除いた輪郭と接する二本の平行線間の距離Ｂが１３．５μｍとなる。そのため、扁平比（Ａ／Ｂ）は４．０で１．５以上１０．０以下の範囲内の値となる。また、円相当直径については２８．９μｍとなり、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内の値となる。さらに、このガラス繊維１０の横断面についても、前記したと同様に横断面形状が扁平状を有するもので、横断面形状が、横断面の重心Ｐを通る最長寸法軸Ｌに対して非対称性を有しており、横断面形状が、横断面の重心Ｐを通る最短寸法軸Ｓに対して対称性を有する。また、横断面形状の輪郭に、２つの突起部１２を有する。
【００５０】
さらに外形寸法が小さく、扁平性のより大きい実施例２に係るガラス繊維１０としては、次のようなものもある。すなわち、紡糸速度を１５００ｍ／分とし、ブッシング温度を１１００℃とすることによって、その横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａが３４．３μｍ、これに平行で横断面の突起部１２を除いた輪郭と接する二本の平行線間の距離Ｂが６．０μｍとなり、扁平比（Ａ／Ｂ）が５．７で１．５以上１０．０以下の範囲内の値にあり、且つ、円相当直径が１５μｍで５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にある他の異形断面ガラス繊維１０が得られることも確認できた。得られたガラス繊維１０の横断面写真を図５に示す。この異形断面ガラス繊維１０は、円相当直径が小さく、扁平性が高いため、収縮率の異方性の改善効果がより大きくなるものである。
【実施例３】
【００５１】
図６は、本発明の実施例３に係る異形断面ガラス繊維の横断面図である。この実施例３に係るガラス繊維１０は、実施例１、あるいは実施例２と同様に、熔融ガラスＧを紡糸して得られたものである。この実施例３に係るガラス繊維１０は、横断面形状の輪郭１１に、外方に突出した１つの突起部１３がガラス繊維１０の最長寸法軸方向の略中心位置に形成されている。この実施例３についても、実施例２と同様に、樹脂材と複合化すると、ガラス繊維１０の突起部１３が樹脂材と噛み合うように機械的に結合することになるので、機械的強度の向上に繋がるものとなる。ここでも突起部１３の横断面形状の輪郭線上における２つの突起開始点を結ぶ線分を底辺とした場合の最大高さは、横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａの１／５以下である。
【００５２】
また、この異形断面ガラス繊維１０は、その横断面の重心Ｐを通る最長寸法Ａが３４．６μｍ、これに平行で横断面の突起部１２を除いた輪郭と接する二本の平行線間の距離Ｂが５．５μｍとなり、扁平比（Ａ／Ｂ）が６．３で１．５以上１０．０以下の範囲内の値にあり、且つ、円相当直径が１５．６μｍで５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にある。
【００５３】
本発明の実施例３に係るガラス繊維１０は、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ノズル孔２２の横断面の重心Ｐ１を通るノズル内径の横断面の長軸Ｔに対して非対称性を有するノズル孔２２を有するものである。すなわち、図７（Ｂ）、及び（Ｃ）に示すように、このノズル孔２２は、その輪郭の平面形状がその重心Ｐ１を通る長軸Ｔに対して鏡面対称性を有さない形状となるように、半円形の円弧形状の溝２３が形成されている。この溝２３から流出した熔融ガラスＧによって、図６に示すガラス繊維１０の突起部１３が形成される。
【００５４】
なお、図７（Ｂ）、及び（Ｃ）では、ノズル２１の紡出方向に垂直な平面について、１つの円弧状の溝２３が形成されているが、溝２３の形状としては、円弧状以外に、Ｖ字、Ｕ字、凹状等の形状であってもよい。またこの例では溝の本数は１つであるが、２つあるいは３つ等、より多数の溝を施してもよい。
【００５５】
また、ノズル孔２２に施した半円形の溝２３をノズル孔２２の中央位置からノズル孔２２の長軸方向の一方側に偏移させて形成してもよい。このようにすれば、ガラス繊維１０に形成される突起部１３の位置を中央位置から偏移させることができる。
【００５６】
さらに、このように溝２３によって突起部１３が形成されたガラス繊維１０についても、上述した実施例１に係るガラス繊維１０と、実施例２に係るガラス繊維１０との形状上の相違点を反映させた形状とすることができる。すなわち、ノズル２１から引き出される熔融ガラスＧの粘度を調整することによって、熔融ガラスＧの粘度を相対的に低くすれば、実施例２のような２つの突起部１２が形成された形状とすることができる。また逆に熔融ガラスＧの相対的に粘度を高くすると、２つの突起部１２が形成されない形状とすることができる。
【００５７】
図８は、熔融ガラスＧの粘度を低くした場合に得られたガラス繊維１０の紡出方向に垂直な断面の写真である。ここでは３つの突起部１２，１３が形成されており、溝２３によって得られる中央の突起１３は、偏った位置に形成されている。また、両端部に形成された２つの突起部１２は、軟らかい熔融ガラスＧが回り込むことによって形成されたものである。
【００５８】
以上のような本発明の実施例１〜３に係る異形断面ガラス繊維１０によれば、その横断面の重心Ｐを通る最長寸法軸Ｌに対する横断面形状の非対称性に起因して、種々の樹脂材と共に複合材料を構成した場合に、複合材料の成形体の収縮率の異方性が認められることがなく、しかも高い機械的強度を有し、その強度の等方性をも実現することができる。すなわち、対称性を有する扁平形状における重心位置、つまり幾何学的な中心位置から、横断面形状の非対称性によって、重心位置が移動する大きさ（シフト量）が大きいため、ガラス繊維１０を有機樹脂材と共に使用すると、液体状の有機樹脂材中で分散させる際に樹脂材の流動に沿った配向を示さず、強度や収縮の異方性が緩和される構造になる。また、それに加えて紡出方向に垂直な横断面形状に突起部１２，１３を伴う場合には、複合化されて固結した後に強度の弱くなる方向においても補強性を具備した構成となる。
【００５９】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の形態において実施することができる。例えば、異形断面ガラス繊維１０の繊維表面に、用途に応じて様々な種類の集束剤を多様な方法によって所定量だけ塗布するようにしてもよい。
【００６０】
また、上記実施例に係るガラス繊維１０は、アプリケータを使用することによって集束剤を塗布した後に複数本を束ねてガラスストランドとして、筒状の紙管の表面に巻き取ってケーキやチーズとしてもよく、この状態で保管してもよく、さらに切断、乾燥、合糸、撚糸、分散、製織等の種々の加工を施してガラスチョップドストランドやガラスロービング、ヤーンあるいはマット、ガラスペーパー、ガラスクロス等の種々のガラス繊維製品を得てもよい。
【００６１】
さらに、上記の実施例に係るガラス繊維１０は、ＦＲＰばかりでなくコンクリートの強化用途など他のガラス繊維が使用される用途にも必要に応じてその用途を拡張してよい。また、この他にも光学性能を加味した所望の透過率や屈折率等を有するガラス組成を用いて透明樹脂材と併用して各種ディスプレイ基板等に成形される光部材として使用される用途や、耐熱性を有する遮蔽材や積層材等の様々な用途で使用することが可能であり、更には中空状ガラス繊維等の軽量材への適用もできる。
【００６２】
また、上記の実施例２，３では、ガラス繊維１０の突起部１２，１３の形状は、放物線状のなだらかな突起を例示したが、例えば、例えば、鋭角の角形状の突起であってもよい。また、突起部１２，１３は、突起の途中にさらに突起があるような多重突起であってもよい。
【００６３】
さらに、上記の実施例では、ガラス繊維１０の製造に使用するノズル２１として、ノズル２１の先端部の一部に突起部２１ａを設けて、ノズル２１の形状がノズル孔２２の長軸Ｔを含み且つ熔融ガラスＧの紡出方向に平行な平面Ｕに対して非対称性を有するものを説明したが、この平面Ｕに対して対称性を有するものであってもよい。
【００６４】
換言すれば、同一のノズル２１を使用した場合であっても、熔融ガラスＧの温度、熔融ガラスＧの流量、熔融ガラスＧの冷却速度等の種々の製造条件を変更調整することにより、種々の非対称性を有するガラス繊維１０を製造することができる。したがって、異形断面の形状が異なるガラス繊維を製造する場合であっても、ノズル２１の交換作業をなるべく行わずに、意図する形状を容易に成形することができる。そのため、異なる横断面形状をなすガラス繊維１０を製造する場合であっても、ノズル２１の交換に伴って生じる製造時のガラス繊維１０の成形時間のロスを最小限に抑えることができ、安定した稼動が可能となる。
【符号の説明】
【００６５】
１０        異形断面ガラス繊維
１１        横断面の輪郭
１１ａ      最長寸法軸に対する輪郭の一方側の輪郭部
１１ｂ      最長寸法軸に対する輪郭の他方側の輪郭部
１１ｃ      最短寸法軸に対する輪郭の一方側の輪郭部
１１ｄ      最短寸法軸に対する輪郭の他方側の輪郭部
１２、１３  突起部
２０        ブッシング
２１        耐熱性ノズル
２１ａ      突出部
２１ｂ      切欠部
２２        ノズル孔
２３        溝
３０        巻き取り装置
Ｇ          熔融ガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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