(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的にホウ素を含有しない組成を有し、実質的に５９．０〜６２．０重量％のＳｉＯ2、２０．０〜２４．０重量％のＣａＯ、１２．０〜１５．０重量％のＡｌ2Ｏ3、１．０〜４．０重量％のＭｇＯ、０．０〜０．５重量％のＦ2、０．１〜２．０重量％のＮａ2Ｏ、０．０〜０．９重量％のＴｉＯ2、０．０〜０．５重量％のＦｅ2Ｏ3、０．０〜２．０重量％のＫ2Ｏ、及び０．０〜０．５重量％のＳＯ3からなる連続ガラス繊維であって、組成物が、（ｉ）2100°Ｆ（1149℃）〜2500°Ｆ（1371℃）の成形温度において1000ポアズの粘度、及び（ii）成形温度よりも１００°Ｆ（５５℃）以上低温の液相線温度を有する、前記連続ガラス繊維。
【請求項２】
ＭｇＯ含量が２．０〜３．５重量％である、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項３】
ＳｉＯ2含量が５９．０〜６１．０重量％、ＣａＯ含量が２１．５〜２２．５重量％、Ａｌ2Ｏ3含量が１２．７〜１４．０重量％、ＭｇＯ含量が２．５〜３．３重量％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの総含量が０．１〜２．０重量％、ＴｉＯ2含量が０．０〜０．６重量％であって、成形温度が2200°Ｆ（1204℃）〜2400°Ｆ（1316℃）であり、成形温度と液相線温度との差が１２５°Ｆ（６９℃）以上である、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項４】
ＳｉＯ2含量が５９．５〜６０．５重量％、ＣａＯ含量が２１．７〜２２．３重量％、Ａｌ2Ｏ3含量が１３．０〜１３．５重量％、ＭｇＯ含量が２．７〜３．３重量％であって、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの総含量が０．５〜１．０重量％である、請求項３記載の連続ガラス繊維。
【請求項５】
ＳｉＯ2含量が６０．１重量％、ＣａＯ含量が２２．１重量％、Ａｌ2Ｏ3含量が１３．２重量％、ＭｇＯ含量が３．０重量％であって、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの総含量が０．８重量％である、請求項３記載の連続ガラス繊維。
【請求項６】
ＴｉＯ2含量が０．６重量％以下である、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項７】
ＴｉＯ2含量が０．００〜０．０４重量％である、請求項６記載の連続ガラス繊維。
【請求項８】
Ｆ2含量が０．００〜０．０４重量％である、請求項７記載の連続ガラス繊維。
【請求項９】
組成が実質的にＴｉＯ2を含有しない、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項１０】
組成が実質的にＦ2を含有しない、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項１１】
組成が実質的にＳＯ3を含有しない、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項１２】
ＳＯ3、Ｆ2及びＴｉＯ2含量が、各々０．０５重量％以下である、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項１３】
成形温度と液相線温度との差が１５０°Ｆ（８３℃）以上である、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項１４】
ＳｉＯ2含量が６０．２重量％、ＣａＯ含量が２２．０重量％、Ａｌ2Ｏ3含量が１３．２重量％、ＭｇＯ含量が３．０重量％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの総含量が０．８重量％であって、成形温度が2200°Ｆ（1204℃）〜2400°Ｆ（1316℃）であり、成形温度と液相線温度との差が１２５°Ｆ（６９℃）以上である、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【請求項１５】
ＳｉＯ2含量が６０．１重量％、ＣａＯ含量が２２．１重量％、Ａｌ2Ｏ3含量が１３．２重量％、ＭｇＯ含量が３．０重量％、Ｋ2Ｏ含量が０．２重量％、Ｎａ2Ｏ含量が０．６重量％、Ｆｅ2Ｏ3含量が０．２重量％、ＳＯ3及びＦ2の総含量が０．１重量％、ＴｉＯ2含量が０．５重量％であって、成形温度が2200°Ｆ（1204℃）〜2400°Ｆ（1316℃）であり、成形温度と液相線温度との差が１５０°Ｆ（８３℃）以上である、請求項１記載の連続ガラス繊維。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ホウ素フリーのガラス組成を有する、即ち、実質的にホウ素を含有しない、連続ガラス繊維に関する。該ガラス繊維は、強化用及びテキスタイル用ガラス繊維として有用である。
背景技術
連続ガラス繊維ストランドの製造用の標準的なガラス組成物は“Ｅ”ガラスであって、1940年代に遡る。５０年が経過したにもかかわらず、米国特許第2,334,961号明細書に一般的に開示されているＥガラスは、なおテキスタイル用及び強化用ガラス繊維製造用の最も一般的なガラスである。Ｅガラスの重要な長所は、その液相線温度が、ガラスの粘度が通常1000ポアズ程度となる温度である成形温度よりも２００°Ｆ（１１１℃）低いことにある。
Ｅガラスは、比較的低温で溶融し、清澄化する。Ｅガラスは、比較的低温の広い範囲で作業可能な粘度を有し、低い液相線温度範囲、及び低い失透速度を有する。一般に、このようなガラス組成物のガラス繊維製造についての作業温度は1900°Ｆ〜2400°Ｆ（1038℃〜1316℃）であって、液相線温度は約2100°Ｆ（l149℃）又はそれ以下である。工業的には、ガラス繊維製造の場合、通常、繊維形成温度を液相線温度よりも１００°Ｆ（５５℃）程度高温とすることにより、ガラス搬送システム及びブッシングにおける失透を回避している。
1970年代の中頃に、上記の作業条件に合致するホウ素及びフッ素含有ガラスが開発された。米国特許第4,026,715号明細書参照。しかしながら、ガラス溶融物中のホウ素及びフッ素は、ガラス溶融作業中に発生する総放出に著しく寄与する揮発性成分である。
ホウ素又はフッ素を含有しないガラス組成物は公知であり、例えば英国特許第520,247号明細書に開示されている。しかしながら、公知のホウ素又はフッ素を含有しないガラス組成物には問題がある。
英国特許第520,247号明細書に開示されているようなテキスタイル用ガラスは、高温で溶融し、成形されるため、現実的に合致しない作業条件を要求する。ブッシング又は成形の間に失透（結晶化）が起こることが多い。例えば、英国特許第520,247号明細書は、実質的にアルカリを含有せず、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、及びＳｉＯ2を含むガラス組成物であって、Ｂ2Ｏ3、ＣａＦ2、Ｐ2Ｏ5、あるいは少量のＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、又はリシア等のアルカリを添加することにより改質してもよいものを開示している。しかしながら、これらのうち繊維化するものは僅かであり、問題なく連続繊維工程において繊維化するのはホウ素含有ガラスのみである。該英国特許明細書第２頁に記載のガラスＮｏ．１は、液相線温度と成形温度との差が１００°Ｆ（５５℃）であることにより、連続繊維工程において繊維化しうるホウ素を含有しないガラスの一つであるが、その成形温度（2350°Ｆ（1288℃））は、従前に知られていた方法により成形するには高すぎるものである。該英国特許明細書に記載のガラスＮｏ．２の粘度は、液相線温度よりも僅か８７°Ｆ（４８℃）高い温度で1000ポアズである。その結果、連続ガラス繊維製造における成形の間に失透が起こると考えられる。英国特許第520,247号明細書は、このガラスが断熱ウールガラスに好適であると教示しているが、断熱ウールガラスは連続繊維に比べて液相線温度と成形温度との差が小さい場合でも成形可能である。ガラスＮｏ．３も断熱ウールガラスに好適であるとされている。該英国特許明細書に記載のガラスＮｏ．３の液相線温度は成形温度よりも５２°Ｆ（２８℃）高い温度であり、連続繊維作業中のブッシングにおいて結晶化すると考えられる。
スプロウルの米国特許第4,542,106号明細書は、ホウ素及びフッ素を含有しないガラス繊維組成物を開示している。一般に、該組成物は、５８〜６０％のＳｉＯ2、ｌｌ〜１３％のＡｌ2Ｏ3、２１〜２３％のＣａＯ、２〜４％のＭｇＯ、及び１〜５％のＴｉＯ2を含有している。該ガラス繊維組成物は、更にアルカリ金属酸化物及び痕跡量のＦｅ2Ｏ3を含んでいてよいとされている。該ガラスは、ホウ素及びフッ素を含有せず、多量のＳｉＯ2が存在することに加えて、漏電特性を有することから、標準Ｅ及び“６２１”ガラスの代わりに使用することが可能である（６２１ガラスについては米国特許第2,571,074号明細書に一般的な記載がある）。エリクソンらの米国特許第3,847,627号明細書も、ホウ素及びフッ素を含有せず、多量のＳｉＯ2を含有する、繊維化可能なガラス組成物を開示している。エリクソンらの組成物は、実質的に、54.5〜６０重量％のＳｉＯ2、９〜14.5重量％のＡｌ2Ｏ3、１７〜２４重量％のＣａＯ、２〜４重量％のＴｉＯ2、1.5〜４重量％のＭｇＯ、及び１〜5.5重量％のＺｎＯ、ＳｒＯ、又ＢａＯからなる。しかしながら、多量のチタニア（ＴｉＯ2）を使用することには欠点がある。例えば、多量のＴｉＯ2により、ガラスに望ましくない色を付与することとなる。
ガラス繊維製造のコストを削減し、かつ製造コストを上昇させることなく環境汚染を低減するため、改良されたガラス組成物であって、実質的にホウ素及びフッ素を含有しないが、不要な着色が回避されており、なおＥガラスに類似した望ましい特性は維持されており、かつ連続繊維作業において容易に繊維化することができるものに対する要求が、当業界には依然として存在する。
発明の開示
従って、本発明の目的は、優れた特性を有する経済的、環境的に望ましいガラス繊維を得ることにある。他の目的は、ホウ素及びフッ素レベルが低いか又はゼロである組成を有し、著しい困難を伴うことなく繊維化することができるガラス繊維を製造することにある。これらの、又はその他の目的及び利点は、本発明のガラス繊維により達成される。
全体として英国特許第520,247号明細書に記載されているものに類似する組成を有するガラスを有効に溶融し、成形するためには、バッチ中のスルフェートレベルを低減させる必要があることが見出された。本発明のガラス組成物は、驚くべきことに、成形温度と液相線温度との差が更に大きい（即ちデルタＴ値が更に広い）ものである。優れた特性を有するガラスを都合よく繊維化することを可能とする方法を用いて、該ガラス組成物を更に改良した。
本発明のガラス繊維は、テキスタイル及び材料強化ガラス繊維に好適であって、一般に、実質的に次のものからなるガラス組成を有する：
0003909862.tif 000002
任意の痕跡量の不純物を含み、組成中の全ての成分の合計は、もちろん１００重量％である。該ガラスは2100°Ｆ〜2500°Ｆ（l149℃〜1371℃）の温度範囲で1000ポアズの粘度を有し、該ガラスの液相線温度は繊維が形成される温度よりも１００°Ｆ（５５℃）以上低い。作業条件が高温であるにもかかわらず、該ガラスは、ブッシング中又は成形時に失透することなく繊維化することができる。
好ましい態様において、ＭｇＯの重量％は2.0〜3.5の範囲である。
他の好ましい態様において、組成物中のＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、及びＲ2Ｏ（Ｒ2Ｏ＝Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）の量は、次の通りである：
0003909862.tif 000003
該組成物の粘度は、2200°Ｆ〜2400°Ｆ（1204℃〜1316℃）で1000ポアズであり、該組成物の液相線温度は粘度が1000ポアズとなる温度よりも１２５°Ｆ（６９℃）以上低い。
更に好ましくは、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、及びＲ2Ｏの量は、次の通りである：
0003909862.tif 000004
特に好ましい態様においては、ＴｉＯ2含量は0.6重量％以下であり、更に好ましくは0.04重量％以下である。更に好ましい態様においては、ＴｉＯ2含量が0.6重量％以下であって、Ｆ2含量が実質的に０である。他の好ましい態様においては、スルフェート、フッ素、及びチタニア含量は、各々実質的に０である。
特に好ましい態様においては、ほぼ次のようなガラス組成を有する連続繊維を製造する：60.1％ＳｉＯ2、22.1％ＣａＯ、13.2％Ａｌ2Ｏ3、3.0％ＭｇＯ、0.2％Ｋ2Ｏ、0.2％Ｆｅ2Ｏ3、0.1％Ｆ2、0.5％ＴｉＯ2、及び0.6％Ｎａ2Ｏ。該ガラスは、約2300°Ｆ（1260℃）のｌｏｇ３のオーダー、約2200°Ｆ（1204℃）の液相線温度、及び、約１５０°Ｆ（８３℃）のデルタＴの温度特性を有する。該ガラスはまた、ほぼ次のような特性を有する：密度（繊維の、ASTM D1505による）約2.62ｇ／ml、２３℃での引張強度（未処理の、研究室で製造したサイジングしていない単一繊維、ASTM D2101）約3100〜3800MPa（450〜550kpsi）、弾性率（音速法）約８０〜８１MPa（11.6〜11.7Mpsi）、破断点伸び（未処理の、研究室で製造したサイジングしていない単一繊維、ASTM D2101）約4.6％、屈折率（未処理の、研究室で製造したサイジングしていない単一繊維、油中浸漬）約1.560〜1.562、０〜３００℃での熱線膨張率（バルク徐冷ガラス、ASTM D696）約6.0ppm／℃、軟化点（ASTM C338）約９１６℃、徐冷点（ASTM C336）約７３６℃、歪点（ASTM C336）約６９１℃、２３℃で１MHzでの誘電率（バルク徐冷ガラス、ASTM D150）約7.0、２３℃で１MHzでの誘電正接（バルク徐冷ガラス、ASTM D150）約0.001、体積抵抗率（バルク徐冷ガラス、ASTM D257、１２０〜５００℃に昇温しての測定から外挿、ｌｏｇ抵抗率＝Ａ／温度＋Ｂに基づく）約8.1×1026、厚さ4.8mmでの誘電強度（バルク徐冷ガラス、ASTM D149）約８ｋＶ／ｍｍ、２３℃で２８日間５％ＮａＯＨに曝した後の原靱性の百分率（未処理の、研究室で製造したサイジングしていない単一繊維）約３０。
発明を実施するための最良の形態
本発明のガラス繊維は、実質的にホウ素を含有しない。本明細書において、「実質的に含有しない」とは、組成物が、特定の成分を、原材料中の不純物由来の場合のように、最大でも痕跡量に過ぎない量だけ含むことを意味する。好ましい態様において、該ガラス繊維はまた実質的にフッ素を含有しない。他の好ましい態様において、該ガラス繊維はまた実質的にチタニアを含有しない。
一般に、本発明による繊維を、次のように製造することができる。好適な成分又は原材料（例えば、ＳｉＯ2の場合砂、ＣａＯの場合焼成石灰、ＭｇＯの場合ドロマイト）から得ることのできる成分であって、場合により痕跡量の他の成分を含んでいてよいものを、通常の方法により好適な量で混合又はブレンドすることにより、最終的な組成物の所望の重量％を得る。次いで混合バッチを炉又は溶融器中で溶融し、得られた溶融ガラスを前床に沿って、前床の底部に沿って配置された繊維形成ブッシングに搬送する。ブッシングの底部又は先端のプレート中の孔又はオリフィスを通して溶融したガラスを引出し又は延伸して、ガラス繊維を形成する。巻取り機の回転コレット上にマウントされた形成管上にフィラメントのストランドを巻き取ることにより、ブッシングのオリフィスを通過して流れる溶融ガラス流を繊細化してフィラメントにする。該繊維を、所望の用途に好適な通常の方法により、更に加工してもよい。
炉、前床、及びブッシングにおけるガラスの温度を選択することにより、ガラスの粘度が妥当なものとなるよう調整する。制御装置等の好適な手段を用いて、作業温度を維持してよい。失透を回避するのを補助するため、溶融器の前端の温度を自動的に制御するのが好ましい。
炉作業においてスルフェートを使用すると、ガラスのシード形成及びバブル形成の問題を回避するのに役立つ。大規模な溶融物を製造する場合、カーボンをバッチに添加することにより、炉中の発泡レベルを制御することが重要であることが見出された。好ましくは、バッチ中のスルフェート：カーボン比（ＳＯ3／Ｃ）は約0.6〜約1.7であり、通常ＳＯ3／Ｃ＝3.0〜10.0で作業するのが最良であるとされるＥガラスとは対照的である。炉中のスルフェート：カーボン比を制御して、発泡を取扱い可能なレベルに維持することにより、熱をガスバーナーからガラス内へ浸透させるのが好ましい。しかしながら、スルフェートは、カーボンと同様に、溶融の間にガラスからほぼ完全にあるいは実質的に全て除去されるため、組成物は実質的にスルフェートを含有しないのが好ましいことは理解されるべきである。
更に、少量のアルカリを添加すると、バッチ中の溶融速度の改良に役立つ。例えば、約0.70重量％のＮａ2Ｏを添加して、溶融を促進してよい。
前床のデザインは、前床を通じてガラスが液相線温度以上に保持されるようなものである必要がある。前床は、均一な加熱をガラスに付与することにより、失透の原因となるコールドスポットを回避するような構造であるべきである。
改良されたガラス組成物は、ブッシング技術の最近の改良により、容易に繊維化することが可能である。米国特許第5,055,l19号、第4,846,865号及び第5,312,470号明細書参照。これらの明細書中の開示は、本明細書中に含まれるものとする。そのような改良されたブッシング技術により、成形温度と液相線温度との差が比較的小さい場合に、高温で繊維を形成することができる。一般に、ブッシングは長寿命及びサッジング耐性を付与するような構造である必要があるが、これらは先端プレート上のガラスの圧力及び温度に依存する。例えば、ブッシングは、約２２〜２５％のロジウム及び白金を含有するもの等の、硬い合金組成物からなるものであってよい。先端プレートの硬度を、Ｔ−ガセット等の構造的又は力学的強化材を用いて強化してよい。ブッシングスクリーンは高い腐食耐性を有する必要があるが、これはプレートスクリーンを白金で形成することにより達成可能である。
パラメーター及び装置に関する上記の内容は、本発明のガラス繊維の製造方法を説明するためのものである。当業者は、製造すべき具体的なガラス繊維及び通常の設計事項に基づいて、これらの製法パラメーター及び装置を好適に改良し、又は最適化してよいことは理解されるべきである。
次に、以下の実施例により、本発明を説明する。
実施例
実施例Ｉ
実質的に次の成分（重量による）からなると分析された平均ガラス組成を有する４種類の強化用ガラス繊維の製造サンプルを製造した：60.01％ＳｉＯ2、22.13％ＣａＯ、12.99％Ａｌ2Ｏ3、3.11％ＭｇＯ、0.04％Ｆ2、0.63％Ｎａ2Ｏ、0.55％ＴｉＯ2、0.25％Ｆｅ2Ｏ3、0.14％Ｋ2Ｏ、及び0.02％ＳＯ3。平均で、粘度が1000ポアズとなる成形温度（“ｌｏｇ３”）は2298°Ｆ（1259℃）であり、液相線温度は2146°Ｆ（1174℃）であって、成形温度−液相線温度差（“デルタＴ”）は１３５°Ｆ（７５℃）であった。
実施例II
実験室用溶融器を使用して、次のバッチ組成を付与する試薬からガラス繊維を製造した：60.08％ＳｉＯ2、22.07％ＣａＯ、13.21％Ａｌ2Ｏ3、3.01％ＭｇＯ、0.16％Ｋ2Ｏ、0.23％Ｆｅ2Ｏ3、0.05％ＳＯ3、0.06％Ｆ2、0.52％ＴｉＯ2、及び0.60％Ｎａ2Ｏ。得られたガラスは、次の温度特性を有していた：ｌｏｇ３＝2309°Ｆ（1265℃）、液相線温度＝2156°Ｆ（1180℃）、及びデルタＴ＝１５３°Ｆ（８５℃）。
ガラス繊維を次のように製造した。白金るつぼ中で上記の組成に対応する試薬グレードの化学品を溶融することにより製造した約３０ｇのガラスカレットを、直径１インチ（2.54ｃｍ）の、抵抗により加熱したブッシングに充填した。成形温度よりも１００℃高い温度で、ガラスを１時間加熱した。次いで、ブッシングの温度を成形温度まで降下させ、巻取り機上のブッシング中の単一のオリフィスを通してガラスを引き出すことにより、繊維を形成した。微少量のスルフェートを添加して、ガラスのシード形成及びバブル形成の問題を回避するのを補助したが、ガラスバッチを加熱する間に、実質的に全てのスルフェートをバブルとともに除去したことに留意すべきである。
実施例III〜VIII
実施例IIにおいて記載したのと同様の方法により、次の表に示すバッチ組成物（％は重量による）からガラス繊維を製造した。
0003909862.tif 000005
実施例IX
次の組成を有し、フッ素、スルフェート及びチタニアのレベルが実質的にゼロであるガラス繊維を製造した：61.00％ＳｉＯ2、22.24％ＣａＯ、12.00％Ａｌ2Ｏ3、3.25％ＭｇＯ、0.52％Ｋ2Ｏ、0.30％Ｆｅ2Ｏ3、0.00％ＳＯ3、0.00％Ｆ2、0.00％ＴｉＯ2、及び0.69％Ｎａ2Ｏ。ガラスは、次の温度特性を有していた：ｌｏｇ３＝2304°Ｆ（1262℃）、液相線温度＝2203°Ｆ（1206℃）、及びデルタＴ＝１０１°Ｆ（５５℃）。
当業界では了解されているいるように、統計学的な約束事項（丸め及び平均等）により、上記例示組成物について、列挙されている成分を合計しても、必ずしも正確に１００％になるとは限らない。言うまでもなく、具体的な組成物において、いかなる不純物をも含む全ての成分の実際の量を合計すれば、常に１００％になる。
更に、組成において、例えば約0.05重量％又はそれ以下のオーダーの量のような少量の成分が特定されている場合には、該成分は、意図的に添加されたものというよりは、むしろ原材料中に存在する痕跡量の不純物の形態で存在すると考えられることも、理解されるべきである。更に、後に除去される成分であって、ガラス組成物が実質的に該成分を含有しないこととなるような成分を、加工を容易にすること等を目的として、バッチ組成物に添加してもよい。従って、例えば、フッ素及びスルフェート等の微少量の成分が、様々なサンプルにおいて列挙されているが、得られるガラス組成物は該成分を実質的に含有しない。例えば、該成分は、本発明を工業的に実施した場合のシリカ、酸化カルシウム、アルミナ、及びマグネシア成分についての原材料中の痕跡量の不純物に過ぎない場合もあり、あるいは、製造の間に実質的に除去される加工用助剤である場合もある。上記実施例から明らかなように、本発明のガラス繊維は、低い粘度及び広い（高い）デルタＴ値等の有利な特性を有する。本発明のその他の利点及び明白な改良は、上記記載及び本発明の更なる実施から、当業者には自明なものであると考えられる。