(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスファイバー組成物であって、該組成物が以下：
ＳｉＯ２      ５２〜６２重量％；
Ａｌ２Ｏ３      ８〜１６重量％；
ＣａＯ        １６〜２５重量％；
ＭｇＯ        １〜５重量％；
ＴｉＯ２      ０〜２重量％；
Ｌｉ２Ｏ      ０．６〜１．０重量％；
Ｎａ２Ｏ      ０〜２重量％；
Ｋ２Ｏ        ０〜２重量％；および
Ｆｅ２Ｏ３      ０．０５〜０．８０重量％；
を含有し、
ここで、該ガラス組成物が、本質的にホウ素を含まず、ＮＩＳＴ  ７１４参照標準に基づいて、１２３０℃以下のｌｏｇ３形成温度を有し、該ｌｏｇ３形成温度と液相線温度との間の差異が少なくとも５０℃であり、および２．４２以下のＳｉＯ２／（ＣａＯ＋ＭｇＯ）比を有する、
ガラス組成物。
【請求項２】
前記ガラスが、本質的にフッ素を含有しない、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項３】
前記ＳｉＯ２／（ＣａＯ＋ＭｇＯ）比が２．４０以下である、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項４】
前記ＳｉＯ２／（ＣａＯ＋ＭｇＯ）比が２．１５〜２．３５である、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項５】
前記ｌｏｇ３形成温度が、ＮＩＳＴ  ７１４参照標準に基づいて、１２２０℃以下である、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項６】
前記ｌｏｇ３形成温度と液相線温度との間の差異が少なくとも６０℃である、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項７】
前記ｌｏｇ３形成温度と液相線温度との間の差異が少なくとも６０℃である、請求項５に記載のガラス組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連特許出願の引用）
本出願は、２０００年９月６日出願の米国仮特許出願第６０／２３０４７４号および２０００年５月２３日出願のＰＣＴ出願ＵＳ００／１４１５５の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、ガラスファイバーを作製するためのガラス組成物、およびより詳細には、低下した液相線温度および形成温度を有するガラス組成物に関する。
【０００３】
最も一般的な、テキスタイルおよびガラスファイバー強化のための連続ガラスファイバーのより糸を作製するためのガラス組成物は、「Ｅ」ガラスである。どの型の組成物がＥガラス組成物を構成するかに関する要件は、ＡＳＴＭＤ５７８−９８に含まれる。Ｅガラスを用いる利点は、その液相線温度が、その形成温度より十分に低いことである。すなわち、５６℃（１００Ｆ°）より高く、そして一般には、８３〜１１１℃（１５０〜２００Ｆ°）の間である。本明細書中で用いられる場合、用語「形成温度」、「ＴFORM」および「ｌｏｇ３形成温度」は、ガラスの粘性が、ｌｏｇ３、すなわち１０００ポアズであるガラスの温度を意味し、そして用語「液相線温度」および「ＴLIQ」は、固相（結晶）および液相（溶融）が平衡状態にある温度を意味する。ＴFORMとＴLIQとの間の差異（本明細書中、デルタＴまたはΔＴといわれる）は、所定の溶融組成物の一般的な結晶化能の尺度である。ガラスファイバー形成工業において、ΔＴは、代表的には、ガラスファイバー形成操作の間に、および特にブッシング領域において溶融ガラスが不透明になることを防止するために、少なくとも５０℃（９０Ｆ°）の温度に維持される。
【０００４】
ホウ素およびフッ素を含有するガラスは、これらの操作条件を満たすために開発された。より具体的には、ホウ素およびフッ素は、ガラス溶融操作の間に溶剤として作用するように、ガラスバッチ材料の中に含められた。特に、Ｅガラスは、１０重量％までのＢ2Ｏ3、および１．０までのフッ素を含有し得る（ＡＳＴＭ  Ｄ  ５７８−００の第４．２節を参照のこと）。しかし、これらの物質は、溶融の間に揮発し、そしてホウ素およびフッ素の放出物は、大気中に放出される。ホウ素およびフッ素は汚染物質であるとみなされるので、これらの放出物は、環境規制により厳密に制御されている。続いて、この環境規制は、溶鉱炉操作の慎重な制御および高価な汚染制御装置の使用を求めている。このことに対応して、低ホウ素および／または低フッ素のＥガラスが開発された。本明細書中で用いられる場合、「低ホウ素」は、ガラス組成物が５重量％以下のホウ素であり、そしてホウ素を含有しないガラスを含むことを意味し、そして「低フッ素」は、ガラス組成物が０．３０重量％以下のフッ素であり、そしてフッ素を含まないガラスを含むことを意味する。
【０００５】
ガラス組成物およびガラス組成物をファイバーにする方法に関するさらなる情報については、Ｋ．Ｌｏｅｗｅｎｓｔｅｉｎ，Ｔｈｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｅｒｓ（第３版、１９９３）の３０〜４０頁、４７〜６０頁、１１５〜１２２頁および１２６〜１３５頁、およびＦ．Ｔ．Ｗａｌｌｅｎｂｅｒｇｅｒ（編者），Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｆｉｂｅｒｓ：Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，（２０００）の８１〜１０２頁および１２９〜１６８頁（これらは、本明細書中に参考として援用される）を参照のこと。
【０００６】
実際のガラスファイバー形成操作は高温で行われるので、その生成と関連して、高エネルギー使用とともに、関連した高エネルギー費用が存在する。さらに、高温により、ガラスを溶融する溶鉱炉で用いられる耐火性物質（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）ならびにファイバーを形成するため用いられるブッシングの劣化が促進される。このブッシングは、貴金属を含有し、この貴金属は、ブッシングが腐食した場合にガラスから回収することはできない。このことは、確実に連続したガラスファイバー形成操作に必要なΔＴを同時に提供しつつ、エネルギー使用および費用、ならびに溶鉱炉の耐火性物質およびブッシングに対する熱負荷を低下させるように、最も低い可能な形成温度および液相線温度でガラスファイバーを生成するために有利である。ガラス組成物の形成温度および液相線温度を低下させることはまた、環境的な利益（例えば、ファイバー形成操作に必要なエネルギーを発生させるために必要な燃料量の減少および燃料気体温度の低下が挙げられるが、これらに限定されない）を生じ得る。さらに、このことは、ガラス組成物が、フッ素およびホウ素に関連した環境汚染物質を減少または排除するように、低フッ素および／または低ホウ素の組成物である場合に有利である。
【０００７】
本発明は、低ホウ素含有量のガラスファイバー形成組成物を提供し、この組成物は、１２４０℃（２２６２Ｆ°）以下の形成温度、少なくとも５０℃（９０Ｆ°）のΔＴ、および２．３５以下のＳｉＯ2  対  ＲＯ（すなわち、ＣａＯ＋ＭｇＯ）の比を有する。本発明の１つの非限定的実施形態において、このガラス組成物は、５９重量％以下のシリカ含有量を有する。別の非限定的実施形態において、このガラス組成物は、ホウ素を含まない。
【０００８】
前述の要旨、ならびに以下の本発明の実施形態の詳細な説明は、添付の図面とともに読めば、よりよく理解される。
【０００９】
テキスタイルおよびガラスファイバー強化のために適切な本発明の低ホウ素ガラスファイバーのためのベース組成物は、最終ガラス組成物の総重量に基づいて、以下の主成分を重量％で含有する。
【００１０】
0004580141.tif 000002
【００１１】
他に示されなければ、本明細書中で議論される全ての数値（例えば、物質の重量％または温度が挙げられるが、これらに限定されない）は、近似値であり、そして当業者に周知の種々の因子（例えば、測定標準、装置および技術が挙げられるが、これらに限定されない）に起因して、変化が仮定されることを理解すべきである。結果として、このような値は、用語「約」により全ての例において変更されると理解すべきである。従って、反対の指示がなければ、本明細書中以下および添付の特許請求の範囲に示される数値パラメーターは、本発明により得られることが想定される所望の特性に依存して変化し得る近似値である。少なくとも、各数値パラメーターは、報告された有効ディジットの数字を鑑み、そして通常の四捨五入の手法を適用することにより少なくとも解釈されるべきである。例えば、本出願でＳｉＯ2の範囲が５２〜６２重量％であると述べる場合、この範囲は、約５２〜約６２重量％であり、そしてガラス組成物の形成温度が１２４９℃（２２８０Ｆ°）以下であるべきであると述べる場合、この温度は約１２４９℃である。
【００１２】
本発明の広い範囲で記載された数値範囲およびパラメーターが近似値であるにもかかわらず、特定の例において記載された数値は、可能な限り正確に報告される。しかし、任意の数値は、本質的に、それらそれぞれの試験測定値において見出される標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を含んでいる。
【００１３】
さらに、本明細書中で議論される特定の物質の量または物質の組み合わせが「パーセント」または「％」によって表される場合、これは「重量％」または「ｗｔ％」を意味することが理解されるべきである。
【００１４】
さらなる物質がガラス組成物に添加されて、ガラスの溶融特性を改変し得る。例えば（そして本明細書中で議論されるガラス組成物を限定しない）Ｌｉ2Ｏ、ＺｎＯ、ＭｎＯおよび／またはＭｎＯ2は、ＴFORMおよび／またはＴLIQを低下させるために、このガラスファイバー組成物に添加され得る。本発明の１つの非限定的実施形態において、このガラス組成物は、０〜１．５重量％のＬｉ2Ｏおよび／または０〜１．５重量％のＺｎＯおよび／または０〜３重量％のＭｎＯおよび／または０〜３重量％のＭｎＯ2を含有し得る。０．０５重量％より少ないこれらの物質のレベルは、不定量（ｔｒａｍｐ  ａｍｏｕｎｔ）または非常に少量のいずれかとみなされるので、ガラス溶融特性に著しく影響を与えないと考えられる。結果として、別の非限定的実施形態において、０．０５〜１．５重量％のＬｉ2Ｏおよび／または０．０５〜１．５重量％のＺｎＯおよび／または０．０５〜３重量％のＭｎＯおよび／または０．０５〜３重量％のＭｎＯ2がガラス組成物中に含有される。本発明のなお別の非限定的実施形態において、ガラス組成物は、０．２〜１重量％のＬｉ2Ｏおよび／または０．２〜１重量％のＺｎＯおよび／または１重量％までのＭｎＯおよび／または１重量％までのＭｎＯ2を含有する。
【００１５】
ＭｇＯは、ガラスファイバー形成組成物に代表的に含有さる別の物質である。ガラスファイバー組成物の加熱プロフィールおよび溶融プロフィール、および特に液相温度が制御され得、そして特に、ＭｇＯの量を制御することにより最適化され得ることが見出される。さらに、共融点（ｅｕｔｅｃｔｉｃ）（最低液相線温度）は、一般的な４要素からなるＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＭｇＯにおいて、約２．５重量％のＭｇＯにおいて存在し得ることが決定された（本明細書中に参考として援用されるＰＣＴ出願番号ＵＳ００／１４１５５を参照のこと）。本発明を限定することなく、１つの実施形態において、このガラスファイバー組成物は、１〜５重量％のＭｇＯ（例えば、１〜４重量％、または１．７〜２．９重量％、または１．９〜２．６５重量％のＭｇＯ）を含有し得る。
【００１６】
ホウ素は、ＴFORMまたはＴLIQを低下させるためにガラスファイバー組成物に添加され得る別の物質である。しかし、先に議論されたように、ホウ素を含めることは、粒子状放出物の生成を生じ、このことは、粒子レベルに依存して、環境中に放出される前に、溶融溶鉱炉の排気蒸気から除去されていなければならないかもしれない。ガラスファイバー組成物中のＢ2Ｏ3の量は、本発明において１０重量％程度の多さであり得るが、このガラス組成物は、低ホウ素含有量を有し、すなわち、５重量％以下のＢ2Ｏ3含有量を有する。本発明の他の非限定的実施形態において、このガラスファイバー組成物は、４重量％以下、または３重量％以下、または２重量％以下のＢ2Ｏ3を有する。ガラスファイバー形成組成物の別の非限定的実施形態において、この低ホウ素含有量ガラス組成物は、本質的にはホウ素を含有しない、すなわち、微量のＢ2Ｏ3を含有するに過ぎない。なお別の非限定的実施形態において、この低ホウ素含有量ガラス組成物は、Ｂ2Ｏ3を全く含まない。
【００１７】
ガラスファイバー組成物は、他の成分を含有し得、そして本発明は、このガラスファイバー組成物中に他の物質（例えば、各０〜２重量％のＴｉＯ2、ＢａＯ、ＺｒＯ2およびＳｒＯが挙げられるが、これらに限定されない）を含める（例えば、これらの物質の各々が、１．５重量％までまたは１重量％まで）ことを意図することが理解されるべきである。
【００１８】
さらに、先に議論された環境に関する懸念のために、本発明の１つの非限定的実施形態において、このガラス組成物は、低フッ素含有量を有する。別の非限定的実施形態において、このガラス組成物は、フッ素を含まない、すなわち、微量のフッ素（本明細書中では０．０５重量％までのフッ素であるとみなされる）を含有するに過ぎない。なお別の非限定的実施形態において、このガラス組成物は、フッ素をまったく含まない。他に示される場合を除いて、本明細書中で開示され、かつ議論されるガラスファイバー形成組成物は、フッ素を含まない。
【００１９】
本明細書中で開示されるガラス組成物はまた、少量の他の物質（例えば、溶融補助物質（ａｉｄ）または精錬補助物質）、不定物質または不純物質を含有し得ることが理解されるべきである。例えば（そして本発明を限定しない）、溶融補助物質および清澄補助物質（例えば、ＳＯ3）は、ガラスの生成の間に有用であるが、ガラス中のそれらの残留量は変化し得、そしてあるとすれば、ガラス生成物の特性に対して最小の物質的効果を有し得る。さらに、上記で議論された少量の添加物が、主成分の原料中に含まれる不定物質または不純物質としてガラス組成物に入り得る。
【００２０】
本発明の商業用ガラスファイバーは、当該分野で周知の従来の様式で、ファイバーの組成物を形成する特定の酸化物を供給するために用いられる原料をブレンドすることにより調製され得る。例えば、代表的には、ＳｉＯ2については砂が、Ａｌ2Ｏ3については粘土が、ＣａＯについては石灰または石灰岩が、そしてＭｇＯおよびある種のＣａＯについては苦灰石が用いられる。先に議論されたように、このガラスは、ガラス特性を改変するために添加され得る他の添加物、ならびに少量の溶融補助物質および精錬補助物質、不定物質または不純物質を含有し得る。
【００２１】
所望のガラスのために、所望の重量の各成分を提供する適切な割合で全ての成分が混合された後、このバッチは、当業者に周知のように、従来のガラスファイバー溶融溶鉱炉中で溶融され、そして得られた溶融ガラスを、従来の前炉に沿って、そして前炉の底部に沿って位置したガラスファイバー形成ブッシングへと通過させる。ガラス溶融段階の間に、このガラスバッチ材料は、代表的には、少なくとも１４００℃（２５５０Ｆ°）の温度に加熱される。次いで、この溶融ガラスは、ブッシングの底部にある複数の孔を通して引き出されるか、または引っ張り出される。溶融ガラスの流れは、複数の繊維を一箇所に集めて、より糸を形成し、そして巻上げ機（ｗｉｎｄｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ）の回転コレット（ｒｏｔａｔａｂｌｅ  ｃｏｌｌｅｔ）に取り付けられた形成管上により糸を巻き上げることにより、繊維を形成するように弱められる。あるいは、このファイバー形成装置は、例えば、合成テキスタイルのファイバーまたはより糸のための形成デバイスであり得る。この装置において、ファイバーは、ノズル（例えば、紡糸口金）から引き出され、ここで、ファイバーは、当業者に公知のように、プレートにおけるの孔を通して引き出される。代表的な前炉およびガラスファイバー形成配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、Ｋ．Ｌｏｅｗｅｎｓｔｅｉｎ，Ｔｈｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｅｒｓ（第３版、１９９３）の８５〜１０７頁および１１５〜１３５頁（本明細書中に参考として援用される）に示される。
【００２２】
異なる型の低ホウ素ガラスファイバー組成物のいくつかのシリーズを作製して、低下した形成温度および所望のΔＴを有するガラス組成物を同定するために、選択されたガラス成分の量と、対応する形成温度および液相線温度との間の特定の関係を調べた。試験の間、異なるシリーズの実験サンプルのためのガラス組成物を、以下の主要組成分類および下位分類に分けた：
Ｉ型−高ＴFORM（ＴFORM＞１２４０℃）、低ホウ素含有量
Ｉ−１型  ホウ素非含有
Ｉ−２型  ２．５重量％までのＢ2Ｏ3
ＩＩ型−低ＴFORM（ＴFORM≦１２４０℃）、低ホウ素含有量、２．５重量％のＭｇＯ
ＩＩ−１型  ホウ素非含有
ＩＩ−２型  ５重量％までのＢ2Ｏ3
ＩＩＩ型−低ＴFORM（ＴFORM≦１２４０℃）、低ホウ素含有量、２．５重量％のＭｇＯ、リチウムおよび／または亜鉛
ＩＩＩ−１型  ホウ素非含有、リチウム含有
ＩＩＩ−２型  ホウ素非含有、リチウムおよび亜鉛含有
ＩＩＩ−３型  ホウ素非含有、亜鉛含有
ＩＩＩ−４型  ５重量％までのＢ2Ｏ3、リチウム含有。
Ｉ−１型ガラスは、Ｆｒｅｎｃｈ特許２，７６８，１４４号（本明細書中以降、’１４４特許）の実施例１、米国特許出願第４，５４２，１０６号および同第５，７８９，３２９号（本明細書中以降、それぞれ、’１０６特許および’３２９特許）に開示されたガラス、ならびにＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）ガラス（Ｏｗｅｎｓ  Ｃｏｍｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓから市販される）のような先行技術のガラスを含み、そしてこれらのガラスは、代表的には、約６０重量％のＳｉＯ2、２５重量％のＣａＯ＋ＭｇＯ（本明細書中以降「ＲＯ」）、および１２〜１４重量％のＡｌ2Ｏ3を含有し、かつホウ素を含まない。Ｉ−２型ガラスは、’１４４特許の実施例２に開示されるガラスのような先行技術のガラスを含み、これは、１．８重量％のＢ2Ｏ3および６０．８２重量％のＳｉＯ2を含有する。
【００２３】
表Ａ〜Ｆは、各シリーズのガラスファイバー組成物の例を含み、そして以下でより詳細に議論するように、それぞれ、対応する図１〜６を作成するために用いた。表Ａにおいて、実施例１〜８はＩＩ−１型ガラスであり、一方、実施例９〜３４はＩ−１型ガラスである。表Ｂにおいて、実施例３５〜７７はＩＩ−２型ガラスであり、一方、実施例７８〜８３はＩ−２型ガラスである。表Ｃにおいて、実施例８４〜１４３および１５２〜１５６はＩＩＩ−１型ガラスであり、一方、実施例１４４〜１５１は、類似のガラスであるが、１２４０℃を超えるｌｏｇ３形成温度を有する。表Ｄにおいて、実施例１５７〜１７１はＩＩＩ−２型ガラスであり、一方、実施例１７２〜１８３は、類似のガラスであるが、１２４０℃を超えるｌｏｇ３形成温度を有する。表Ｅにおいて、実施例１９４〜１９７はＩＩＩ−３型ガラスであり、一方、実施例１８４〜１９３は、類似のガラスであるが、１２４０℃を超えるｌｏｇ３形成温度を有する。表Ｆにおいて、実施例１９８〜２９６はＩＩＩ−４型ガラスであり、一方、実施例２９７および２９８は、類似のガラスであるが、１２４０℃を超えるｌｏｇ３形成温度を有する。
【００２４】
【化１】
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サンプルは、実験室で生成した実験サンプルであった。この実験サンプルを、試薬等級の酸化物（例えば、純粋シリカまたは酸化カルシウム（ｃａｌｃｉａ））から調製した。各サンプルのバッチサイズは１０００ｇであった。個々のバッチ成分を秤量し、調合し、そしてきつく密閉したガラスジャーまたはプラスチック容器に入れた。次いで、この密閉したジャーまたは容器を、塗料撹拌機（ｐａｉｎｔ  ｓｈａｋｅｒ）に１５分間入れるか、または管状のミキサーに２５分間入れて、これらの成分を効率的に混合した。次いで、このバッチの一部を、白金るつぼにいれ、その容積の３／４以下になるように満たした。次いで、このるつぼを溶鉱炉に入れ、そして１４２７℃（２６００Ｆ°）に１５分間加熱した。次いで、残りのバッチを、熱いるつぼに添加し、そして１４２７℃（２６００Ｆ°）に１５〜３０分間加熱した。次いで、この溶鉱炉温度を１４８２℃に上昇させ、そしてその温度で２時間保持した。次いで、この溶融ガラスを水中でフリットにし、そして乾燥させた。このフリットにしたサンプルを、１４８２℃（２７００Ｆ°）で再び溶融し、そしてその温度で２時間保持した。次いで、この溶融ガラスを、水中で再びフリットにし、そして乾燥させた。形成温度（すなわち、１０００ポアズの粘性でのガラス温度）を、ＡＳＴＭ法Ｃ９６５−８１により測定し、そして液相線温度を、ＡＳＴＭ法Ｃ８２９−８１により測定した。
【００２５】
表Ａ〜Ｆに示される組成物の成分の重量％は、バッチ中の各成分の重量％に基づく。このバッチ重量％は、溶融の間に揮発するガラスバッチ物質（例えば、ホウ素およびフッ素）を除いて、概して溶融サンプルの重量％とほぼ同じであると考えられる。ホウ素に関しては、実験室サンプル中のＢ2Ｏ3の重量％が、バッチ組成物中のＢ2Ｏ3の重量％未満の５〜１５％である（組成および溶融状態に依存した正確な喪失）と考えられる。フッ素に関しては、実験室試験サンプル中のフッ素の重量％が、バッチ組成物中のフッ素の重量％未満の約５０％である（組成および溶融状態に依存した正確な喪失）と考えられる。商業用グレードの物質で作製し、そして従来の操作条件で溶融したガラスファイバー組成物は、上記で議論したように同様のバッチおよび溶融重量％を有する（溶鉱炉操作温度、スループットおよび商業用バッチ物質の品質に一部依存した正確な喪失）と考えられる。表において報告したホウ素およびフッ素の量は、これらの物質の予測した喪失を考慮に入れ、そしてガラス組成物中の物質の予測した量をあらわす。
【００２６】
ｌｏｇ３形成温度の測定は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ（ＮＩＳＴ）により与えられた物理標準に対して比較されているガラスサンプルに基づいた。表Ａ〜Ｆにおいて報告されたｌｏｇ３形成温度は、ＮＩＳＴ  ７１０ＡまたはＮＩＳＴ  ７１４（これらの両方とも、ソーダ石灰シリカガラス標準である）のいずれかに対する比較に基づいている。両方の標準は、この両方がソーダ石灰シリカ標準に基づいているので、匹敵する結果を提供すると予測される。ＴLIQは、ＮＩＳＴ標準とは関連しなかった。他に示されなければ、本明細書中で報告されるｌｏｇ３形成温度は、ＮＩＳＴ  ７１４標準に基づく。
【００２７】
本発明において、目的の組成変数は、ＳｉＯ2の重量％およびＲＯの重量％であり、そして目的の関係は、ＳｉＯ2  対  ＲＯの比（すなわち、ＳｉＯ2／ＲＯ）である。目的の溶融特性は、形成温度および液相線温度である。なぜなら、本発明における１つの目的は、ガラスファイバー形成操作の間にブッシング領域において溶融ガラスを不透明にする可能性を低下させると同時に、低下した温度で組成物が加工され得るように、低下した形成温度および所望のΔＴを有する低ホウ素含有量ガラス組成物を提供することであるからである。本発明を限定するのではなく、１つの非限定的実施形態において、このガラス組成物は、少なくとも５０℃（９０Ｆ°）のΔＴ（例えば、少なくとも５５℃（１００Ｆ°））を有する。他の非限定的実施形態において、このガラス組成物は、５０〜１００℃（９０〜１８０Ｆ°）、５０〜８３℃（９０〜１５０Ｆ°）、または５０〜７２℃（９０〜１３０Ｆ°）のΔＴを有する。
【００２８】
図１〜６を参照すると、ＳｉＯ2／ＲＯ比の間の関係は、サンプルの形成温度および液相線温度の両方に対してプロットされる。この温度について最も適切な傾向線（ｔｒｅｎｄｌｉｎｅ）は、二次回帰分析プロトコルに基づいており、そして特に、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ｅｘｅｌ９７  ＳＲ−２（ｆ）を用いて作製した二次多項式曲線に基づいている。推論によって、両方の傾向線はまた、液相線温度と形成温度との間で得られたΔＴの変化を示す。
【００２９】
図１〜６を見ると、ＳｉＯ2／ＲＯ比が減少するにつれて、形成温度は概して低下するが、液相線温度の傾向はガラスの型に依存して異なることが理解され得る。さらに、ＳｉＯ2／ＲＯ比が減少するにつれて、ΔＴもまた減少することが理解され得る。結果として、ＳｉＯ2／ＲＯ比は、所望のΔＴを提供しつつ、ガラスファイバー形成組成物の形成温度を低下させるために用いられ得る。より具体的には、ΔＴが少なくとも５０℃である本発明において、５０℃のΔＴを有する組成物は、最小の許容可能形成温度（すなわち、形成温度と液相線温度との間の所望の範囲をなお維持する、成分の特定の組み合わせについての最も低い形成温度）を提供する材料の組み合わせおよび量を有する組成物の指標である。このことから、ΔＴの範囲が狭くなるほど、ガラス形成温度が、成分の特定の組み合わせについての最小の許容可能形成温度により近くなることが推論され得る。ガラス組成物のΔＴが最小の許容可能ΔＴから離れるほど、最小の許容可能ΔＴと同様のΔＴを維持しつつ、ＴFORMを減少させる様式でガラス組成物を改変する機会がより増大することもまた推論され得る。この目的のために、ＳｉＯ2／ＲＯ比は、ＳｉＯ2および／またはＲＯの量を変化させて、最小の所望されるΔＴに可能な限り近いΔＴを有するガラス組成物を作製することにより維持され得る。ＳｉＯ2／ＲＯ比が低くなりすぎると、ΔＴは受容可能でないレベルにまで低下し得ることが理解されるべきである。必要ではないが、本発明の１つの非限定的実施形態において、ＳｉＯ2／ＲＯは、２．３５以下である。他の非限定的な実施形態において、ＳｉＯ2／ＲＯは、２．３０以下、または２．２５以下、または２．２０以下である。本発明のなお別の非限定的実施形態において、ＳｉＯ2／ＲＯは、１．９〜２．３（例えば、２．０５〜２．２９）の範囲である。
【００３０】
表Ａ〜Ｆおよび対応する図１〜６は、どの程度のＳｉＯ2  対  ＲＯの重量％の比がこのガラスの溶融特性、特に液相線温度、形成温度およびΔＴをもたらすかを示すが、さらなるガラスサンプル組成、ならびにガラス成分間のさらなる関係（例えば、ＳｉＯ2およびＲＯの量の差異（すなわち、ＳｉＯ2の重量％−ＲＯの重量％）、Ａｌ2Ｏ3の重量％、およびＳｉＯ2  対  Ａｌ2Ｏ3の比およびＲＯ  対  Ａｌ2Ｏ3の比）は、それらが液相線温度および形成温度およびΔＴに関するので、米国仮特許出願第６０／２３０４７４号（本明細書中に参考として援用される）に開示される。
【００３１】
純粋シリカは、以前から最高の溶融ガラスであることが公知である。純粋シリカは、十分に規定された融点を有さないが、ガラスが室温に冷却され、そしてその粘性が、２５００℃（１３７１Ｆ°）でのｌｏｇ４（１０，０００）を超えるポアズから低下にするにつれて、徐々に凝固し、そしてガラスを形成する。純粋酸化カルシウム、酸化マグネシウムおよびアルミナは、これらそれぞれの融点で０．５〜２ポアズという非常に低い粘性を有することが公知である。これらの物質はガラスに凝固するのではなく、むしろそれらのはっきりと規定された融点ですぐに結晶化する。代表的な４成分からなるＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＭｇＯガラス組成物（６０％のＳｉＯ2および２１％のＣａＯを含有する）において、各酸化物は、溶融特性のその平衡に対して、その独特の特性に寄与する。
【００３２】
これらの物質の特性に基づくと、重量％に関して、このガラス組成物の最多の酸化物成分であるＳｉＯ2が、この型の所定の組成物において減少されるにつれて、溶融粘性および得られたｌｏｇ３形成温度が低下することが推論され得る。重量％に関して、このガラス組成物の２番目に多い成分であるＣａＯは、このような組成物において増加される場合、このガラス特性に対するＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）の効果は二倍になる。より具体的には、得られた溶融物の流動性が増加する（すなわち、その粘性が低下する）だけでなく、得られた溶融物の結晶化能もまた増加し（すなわち、その液相線温度が上昇する）、そのためにΔＴを低下させる。
【００３３】
結果として、必要ではないが、本発明の１つの非限定的実施形態において、このガラス組成物は、（１）最も低いｌｏｇ３形成温度を生じる最も低いＳｉＯ2含有量とともに、（２）加工に必要なΔＴ（本発明においては、少なくとも５０℃である）を生じるＳｉＯ2  対  ＲＯ（ＲＯ＝ＣａＯ＋ＭｇＯ）の比を有する。
【００３４】
上記に基づくと、必要ではないが、本発明の１つの非限定的実施形態において、より低いｌｏｇ３形成温度を促進するために、シリカレベルが低く保たれる（すなわち、５９重量％以下のＳｉＯ2）。本発明の他の非限定的実施形態において、このガラス組成物は、５８重量％以下のＳｉＯ2、または５７重量％以下のＳｉＯ2を有する。
【００３５】
表Ｇは、（ｉ）１２４０℃（２２６４Ｆ°）以下のＴFORM、（ｉｉ）５０〜８３℃（９０〜１５０Ｆ°）の範囲にあるΔＴ、および（ｉｉｉ）５９重量％以下のＳｉＯ2を有する、表Ａ〜Ｆに開示された、選択された低ホウ素ガラス組成物の特徴をまとめる。１２４０℃以下の形成温度は、ガラスファイバーブッシングにおける貴金属喪失を促進し得ることが見出された。本発明の他の非限定的実施形態において、形成温度は１２３０℃以下、または１２２０℃以下、または１２１０℃以下、または１２００℃以下である。
【００３６】
比較目的で、表Ｇはまた、選択されたＩ−１型およびＩ−２型ガラス、２つの商業用ホウ素含有Ｅガラス組成物、および２つの商業用ＡＤＶＡＮＴＥＸガラス組成物の類似の特徴を含む。これらの特定の例のいずれも、表Ｇに示された本発明のガラスに関する選択基準を満たさないことに注意すべきである。
【００３７】
【化２】
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表Ｇを参照すると、選択されたホウ素非含有ＩＩ−１型、ＩＩＩ−１型、ＩＩＩ−２型およびＩＩＩ−３型のガラスは、概して、Ｉ−１型ガラスより、より少ないＳｉＯ2、より低いＳｉＯ2／ＲＯ比、より低い形成温度、およびより狭いΔＴ範囲を有する。同様に、選択されたホウ素含有ＩＩ−２型およびＩＩＩ−４型のガラスは、概して、サンプルのホウ素含有Ｉ−２型ガラスより、より少ないＳｉＯ2、より低いＳｉＯ2／ＲＯ比、より低い形成温度、およびより狭いΔＴ範囲を有する。さらに、選択されたＩＩ型およびＩＩＩ型のガラスは、概して、２つの商業用高ホウ素含有量サンプルより、より高いＳｉＯ2含有量、より低いＳｉＯ2／ＲＯ比、およびより狭いΔＴ範囲を有する。
【００３８】
表Ｈ、Ｉ、ＪおよびＫは、本発明に従うさらなるガラス組成物を示す。
【００３９】
【化３】
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より具体的には、表Ｈにおける組成物は、ＩＩ−２型ガラス組成物（すなわち、１．２〜１．４重量％のＢ2Ｏ3を有する低ホウ素含有量ガラス）である。この組成物は、５５．４〜５７．７５重量％の範囲の低ＳｉＯ2含有量、２．０２〜２．２０の範囲のＳｉＯ2／ＲＯ比、１２１０〜１２２１℃の範囲の形成温度および５４〜７２℃の範囲のΔＴを有する。表Ｉの組成物はまた、低ホウ素ＩＩ−２型組成物であり、この組成物は、３重量％のＢ2Ｏ3を含有する。これらの組成物は、５４．１２〜５５．７５重量％の範囲の低ＳｉＯ2含有量、１．９６〜２．１３の範囲のＳｉＯ2／ＲＯ比、１１９３〜１２０１℃の範囲の形成温度および６４〜８２℃の範囲のΔＴを有する。表Ｊは、約５重量％のＢ2Ｏ3を有する、さらなるＩＩ−２型組成物を含む。具体的には、表Ｊにおける組成物は、低ＳｉＯ2含有量（５３．００〜５３．５０重量％）、ＳｉＯ2／ＲＯ比（１．９７〜２．１０）、形成温度（１１６７〜１１７７℃）およびΔＴの範囲（５７〜６９℃）である。表Ｋは、ＩＩＩ−４型組成物であり、この組成物は、５４．６０〜５７．８５重量％の範囲の低ＳｉＯ2含有量、２．１９〜２．３５の範囲のＳｉＯ2／ＲＯ比、１１８７〜１２０８℃の範囲の形成温度および５４℃のΔＴを有する。
【００４０】
上記に基づくと、本発明の非限定的実施形態において、このガラスファイバー組成物は、５２〜６２重量％のＳｉＯ2、０〜２重量％のＮａ2Ｏ、１６〜２５重量％のＣａＯ、８〜１６重量％のＡｌ2Ｏ3、０．０５〜０．０８重量％のＦｅ2Ｏ3、０〜２重量％のＫ2Ｏ、１〜５重量％のＭｇＯ、０〜５重量％のＢ2Ｏ3、０〜２重量％のＴｉＯ2、および０〜１重量％のＦを含有し、ここで、このガラス組成物は、ＮＩＳＴ  ７１４参照標準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｔａｎｄａｒｄ）に基づいて１２４０℃以下のｌｏｇ３形成温度、少なくとも５０℃のΔＴ、および２．３５以下のＳｉＯ2／ＲＯ比を有する。別の非限定的実施形態において、このガラス組成物のＳｉＯ2含有量は、５９重量％以下であり、ΔＴは５０〜８３℃の範囲にあり、そしてＳｉＯ2／ＲＯ比は１．９〜２．３の範囲にあり、そしてさらに、ｌｏｇ３形成温度はＮＩＳＴ  ７１４参照標準に基づいて１２３０℃以下である。なお別の非限定的実施形態において、このガラス組成物は、ホウ素を含まない。
【００４１】
本発明の別の非限定的実施形態において、このガラスファイバー組成物は、５３〜５９重量％のＳｉＯ2、０〜２重量％のＮａ2Ｏ、１６〜２５重量％のＣａＯ、８〜１６重量％のＡｌ2Ｏ3、０．０５〜０．８０重量％のＦｅ2Ｏ3、０〜２重量％のＫ2Ｏ、１〜４重量％のＭｇＯ、０〜５重量％のＢ2Ｏ3、０〜２重量％のＴｉＯ2、および０〜１重量％のＦを含有し、ここで、このガラス組成物は、ＮＩＳＴ  ７１４参照標準に基づいて１２４０℃以下のｌｏｇ３形成温度、５０〜１００℃の範囲にあるΔＴ、および１．９〜２．３の範囲にあるＳｉＯ2／ＲＯ比を有する。
【００４２】
表および図面を見ると、このサンプル組成物の多くは、特定の加工のために必要な最小のΔＴより大きなΔＴを有するが、これらの組成物はまた、一部はそれらの高シリカレベルおよび／またはＳｉＯ2／ＲＯ比に起因して、本発明の組成物の形成温度より高い形成温度を有する。結果として、このような組成物は、少なくともエネルギー費用に関して、工業的に生成するためにはより高価である。このような組成物は、本明細書中で議論されたＩ型組成物を含む。さらに表および図面は、５０℃（９０Ｆ°）という最小の所望のΔＴより低いΔＴを含む多くのサンプル組成物を含む。これらの型の組成物は、各図面において構成されたスペクトルにわたって見出され得るが、特に低シリカおよびＳｉＯ2／ＲＯレベルで見出され得る。より狭いΔＴ範囲のために、ガラスファイバー形成操作の間にブッシング領域で溶融ガラスが凝固する危険性は、受容可能でないレベルまで増加する。
【００４３】
本発明の明白な進歩的概念から逸脱することなく、上記の実施形態に対して変更が行われ得ることが当業者により理解される。従って、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の趣旨および範囲内にある改変を含むことを意図することが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、それぞれ、対応する表Ａ〜Ｆに示されるデータに基づいて、種々のガラスファイバー形成組成物と、ＳｉＯ2  対  ＲＯの比組成物の形成温度および液相線温度との間の関係を示す曲線である。
【図２】  図２は、それぞれ、対応する表Ａ〜Ｆに示されるデータに基づいて、種々のガラスファイバー形成組成物と、ＳｉＯ2  対  ＲＯの比組成物の形成温度および液相線温度との間の関係を示す曲線である。
【図３】  図３は、それぞれ、対応する表Ａ〜Ｆに示されるデータに基づいて、種々のガラスファイバー形成組成物と、ＳｉＯ2  対  ＲＯの比組成物の形成温度および液相線温度との間の関係を示す曲線である。
【図４】  図４は、それぞれ、対応する表Ａ〜Ｆに示されるデータに基づいて、種々のガラスファイバー形成組成物と、ＳｉＯ2  対  ＲＯの比組成物の形成温度および液相線温度との間の関係を示す曲線である。
【図５】  図５は、それぞれ、対応する表Ａ〜Ｆに示されるデータに基づいて、種々のガラスファイバー形成組成物と、ＳｉＯ2  対  ＲＯの比組成物の形成温度および液相線温度との間の関係を示す曲線である。
【図６】  図６は、それぞれ、対応する表Ａ〜Ｆに示されるデータに基づいて、種々のガラスファイバー形成組成物と、ＳｉＯ2  対  ＲＯの比組成物の形成温度および液相線温度との間の関係を示す曲線である。
【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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