(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
300 ℃より低い転移温度と、400 ℃より低い作業温度とを有し、水および緩アルカリ水溶液による攻撃に対して優れた抵抗性を示すガラスであって、
酸化物基準のモルパーセントで表して、15％から35％までのＰ２  Ｏ５  ；１％から25％までのＳＯ３  ；30％から55％までのＺｎＯ；０から25％までのＲ２  Ｏ；および０から10％までのＡｌ２  Ｏ３  と、０から10％までのＭｇＯと、０から10％までのＣａＯと、０から10％までのＳｒＯと、０から10％までのＢａＯと、０から10％までのＭｎＯと、０から10％までの遷移金属酸化物と、重量％で分析した０から15％までのＣｌ＋Ｆとからなる群より選択される表示した比率で必要に応じて添加できる成分の合計が15％までの成分から実質的になり、
ここでＲ２  Ｏが、０から25％までのＬｉ２  Ｏ、０−25％までのＮａ２  Ｏ、および０から25％までのＫ２  Ｏからなる群より選択されることを特徴とするガラス。
【請求項２】
前記ＳＯ3 の量が７％から20％までの範囲であることを特徴とする請求項１記載のガラス。
【請求項３】
前記ＳＯ3 の量が15％以下であることを特徴とする請求項１記載のガラス。
【請求項４】
21％から33％までのＰ2 Ｏ5 、９％から17％までのＳＯ3 、35％から51％までのＺｎＯ、および10から20％までのＲ2 Ｏから実質的になり、ここでＲ2 Ｏが、０から10％までのＬｉ2 Ｏ、０−15％までのＮａ2 Ｏ、および０から10％までのＫ2 Ｏからなる群より選択されることを特徴とする請求項１記載のガラス。
【請求項５】
24.8％のＰ2 Ｏ5 、12.5％のＳＯ3 、40.7％のＺｎＯ、5.3 ％のＬｉ2 Ｏ、8.0 ％のＮａ2 Ｏ、5.8 ％のＫ2 Ｏ、1.5 ％のＡｌ2 Ｏ3 、0.7 ％のＣａＯ、および0.7 ％のＳｒＯから実質的になることを特徴とする請求項１記載のガラス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、約300 ℃未満の非常に低い軟化点および優れた耐湿性を有する亜鉛スルホホスフェートガラスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低い転移温度（Ｔｇ）を有し、それにより、溶融作業と成形作業を低温で行なって、結果としてエネルギーコストを節約できる無機ガラスを開発する重要な研究が昔から行なわれている。従来から定義されているように、ガラスの転移温度とは、比熱（Ｃｐ）の変化を伴って熱膨脹係数が著しく増加する温度を意味する。最近、低い転移温度を有するガラスは、低温シーリングガラスおよびガラスと有機高分子との複合体を含む用途の母体にとって潜在的に有用な材料であることが分かった。ごく最近発行された米国特許第5,043,369 号（バーン等）には、ガラスと有機高分子とのアロイを製造することが開示されている。これらのアロイは、作業温度（working temperature ）に相容性のあるガラスと熱可塑性または熱硬化性高分子とから調製される。そのため、均質混合物（すなわち、ガラスと高分子とが、混合成形される（co-formed together）のに十分な流動状態にあって、望ましくは少なくとも部分的な混和性および／またはガラスと高分子との間の接着と結合を高めるそれら間の反応が存在する、実質的に均一な微粒子ミクロ構造を示すボディを形成するような混合物）を形成する作業温度でガラスと高分子とが組み合わされる。その組合物から物品が造型され、室温まで冷却される。そのような物品は、特定のガラスと高分子が示す化学的特性と物理的特性の相補的な混合特性からなる特性を有している。例えば、アロイはしばしば、大きな表面硬度値、大きな剛性値、および大きな靭性値の組み合わされた特性を示す。アロイは、ガラスと有機高分子との複合体には存在しないガラスと有機高分子との間の反応および／または少なくとも部分的な混和性が存在するという点で、ガラスと有機高分子との複合体とは区別される。
【０００３】
一般的な亜鉛ホスフェート系内にある基礎的組成を有するガラスは、米国特許第4,940,677 号および同第5,071,795 号に記載されているガラスと高分子とのアロイにおけるガラス成分に特に適していることが分かった。
【０００４】
これらの亜鉛ホスフェートガラスは、他のホスフェートをベースとするガラスと比較した場合、化学的攻撃に対して比較的良好な抵抗性を有する。言うまでもなく、化学的耐久性を高めつつ低い転移温度を有する新しいガラス組成を発見する研究は続けられている。これらのガラス組成における転移温度が低ければ、ガラス形成に要するエネルギーコストが小さくなり、ガラスと高分子とのアロイおよび複合体の形成に要するコストも小さくなる。さらに、低温耐久性ガラスの転移温度が低いと、ガラスとともに処理されてガラスと高分子との複合体を形成し、ガラスとともに熱的に共変形されて（co-deformed ）ガラスと高分子とのアロイを形成するのに利用できる相容性のある高分子の数が増加する。これらの要因や小さくなった形成コストおよび潜在的な高分子選択性の増加により、潜在的な商業的用途の数が増加すると思われる。
【０００５】
米国特許第4,544,695 号（メイヤース）は、４％から18％までのＫ２  ＳＯ４  、８％から36％までのＺｎＳＯ４  、４％から18％までのＮａ２  ＳＯ４  、および19％から56％までのＰ２  Ｏ５  を含有するホスフェート−スルフェートガラス組成物を含む難燃性および／または防煙性（smoke retardant ）の高分子組成物を開示している。さらに、そのガラスは、０から25％までのＺｎＯ、０から４％までのＢ２  Ｏ３  、０から25％までのＮａ２  Ｏ、０から12％までのＢａＯおよび０から４％までのＴｉＯ２  からなる群より選択される成分を必要に応じて含有していてもよい。本発明のガラスは、メイヤースの特許に用いられている組成の形態で表すと、そこに開示されている特許の組成範囲から外れ、特にメイヤース特許に記載の３つのガラスの実施例全てにおいて、ＺｎＯの合計量（ＺｎＳＯ４  とＺｎＯの供給源からのものを組み合わせた量）は、本発明の組成に必要な合計量よりも著しく少ない。メイヤース特許において、記載されている最大のＺｎＯ量は18.5％である。その特許にクレームされている酸化亜鉛のレベルを本発明のガラスに必要なレベルに入るように高くしたとしても、メイヤースの特許に記載されている組成範囲では、スルフェートが多すぎて良好な耐久性を示さないガラスか、またはアルカリが少なすぎて十分に低いガラス転移温度を有することのできないガラスができ上がってしまう。メイヤースの特許のガラスは、非常に乏しい耐久性かまたは高すぎる転移温度を有するので、それらのガラスはガラスと高分子とのアロイおよび複合体に使用するのには適していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に鑑みて、本発明は、転移温度と作業温度が低く、耐久性の優れたガラスを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した研究により、通常約300 ℃より低い転移温度と、約400 ℃より低い作業温度とを有し、同時に水による攻撃に対して優れた抵抗性を有する本発明のガラスの発見に至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、酸化物基準のモルパーセントで表して、15％から35％までのＰ2 Ｏ5 、１％から25％までのＳＯ3 、30％から55％までのＺｎＯ、および０から25％までのＲ2 Ｏから実質的になり、ここでＲ2 Ｏが、０から25％までのＬｉ2 Ｏ、０から25％までのＮａ2 Ｏ、および０から25％までのＫ2 Ｏからなる群より選択されるガラスを提供する。さらに、以下に表示した量で合計が15％までの成分を、０から10％までのＡｌ2 Ｏ3 、０から10％までのＭｇＯ、０から10％までのＣａＯ、０から10％までのＳｒＯ、０から10％までのＢａＯ、０から10％までのＭｎＯ、０から10％までの遷移金属酸化物および重量％で分析した０から15％までのＣｌ＋Ｆからなる群より選択して含有してもよい。
【０００９】
モルパーセントで表した本発明の上記組成範囲を重量パーセントで表した組成範囲に完全に変換することは数学的に不可能であるが、重量パーセントで近似して表した本発明の組成を次に示す：25％から50％までのＰ2 Ｏ5 、１％から20％までのＳＯ3 、26％から45％までのＺｎＯ、および０から20％までのＲ2 Ｏから実質的になり、ここでＲ2 Ｏが、０から８％までのＬｉ2 Ｏ、０−20％までのＮａ2 Ｏ、および０から20％までのＫ2 Ｏからなる群より選択される。必要に応じて加えることのできる成分は次のような群からが選択される：重量パーセントで近似して、０から10％までのＡｌ2 Ｏ3 、０から５％までのＭｇＯ、０から５％までのＣａＯ、０から10％までのＳｒＯ、０から15％までのＢａＯ、０から10％までのＭｎＯ、０から15％までの遷移金属酸化物および分析により求めた０から15％までのＣｌ＋Ｆからなる。
【００１０】
【実施例】
以下、実施例を参照して本発明をより詳細に説明する。
【００１１】
表Ｉは、酸化物基準のモルパーセントで表した、本発明を実施できるいくつかのガラス組成を列記している。表ＩＡは、個々の成分の値を重量パーセントに変換した、同一の組成を列記している。表Ｉは、バッチ成分の相対量に加えて標準示差走査熱量測定技術を用いて測定した、℃で表した転移温度（Ｔｇ）、2.5 ｃｍ×４ｃｍ×１ｃｍ（約１インチ×1.5 インチ×0.375 インチ）の概略寸法のタブの損失重量の百分率（損失重量％）で表した溶解率（dissolution rate）、および作業温度（引張り温度；pull temperature）を列記している。さらに、表Ｉには成形後のガラスの外観も記載されている（ガラス外観）；成形したガラスの品質と外観は透明（透明）からややくもり（くもり）までに及んでいる。ガラスの実際のバッチ成分は、一緒に溶融すると、適切な比率の所望の酸化物に転化される、酸化物または他の化合物等のいかなる材料であってもよい。例えば、ＺｎＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏは、ＳＯ3 の供給源であると共にＺｎＯの部分的な供給源にもなる。
【００１２】
バッチ材料を配合して、均一な溶融物を確保するために自動的にタンブル混合し、シリカるつぼ内に配置した。ガラスバッチを溶融し、約３時間に亘り800 ℃から1000℃までの範囲の温度に維持した。約850 ℃より低い温度で、Ｐ2 Ｏ5 、ＳＯ3 または他の種がごくわずかに揮発したのが分かった。表Ｉは、ＳＯ3 の分析値（Ａ−ＳＯ3 ）は一般的にはバッチから計算した値（Ｂ−ＳＯ3 ）とほぼ等しかったことを示している。表Ｉではそれらの値を重量パーセントで示している。次いで溶融物をスチール型に注ぎ入れ、10ｃｍ×20ｃｍ×１ｃｍ（約４インチ×８インチ×0.375 インチ）の寸法を有する矩形のスラブを形成し、そのスラブを約250 ℃から約275 ℃までの範囲の温度で一晩アニーリングした。
【００１３】
約40グラムの重さの矩形のタブ形状の片をスラブから切り取り、350 ℃から450 ℃までの範囲内の温度まで加熱し、ガラス管（glass cane）を手で引いて、作業温度の近似値を得た。実施例１−１４のガラスについて、この値を「引張り温度」として表Ｉに示した。
【００１４】
耐湿性とその耐久性を試験するために、得られたガラススラブから試料を切り出した。その試験は、各々の試料を注意深く秤量し、それらの試料を沸水浴中に浸漬する各工程を含んでいる。６時間の浸漬時間の後、試料を浴から取り出して、周囲の環境で乾燥させ、再度秤量して試料の損失重量を測定した。各々のガラス試料についてのこの損失重量、すなわち、溶解率を表Ｉに示す（溶解率）。これは、元の試験前の重量または浸漬前の重量に対する試験後の重量の百分率として計算した値である。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
【表２】
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【００１７】
上記の記載は研究室規模での溶融と成形のプラクティスを表しているが、記載した組成物は、大規模な溶融装置で溶融し、ガラス製造業界に慣習的な成形技術を用いて所望の形状に造型することが可能であることは理解されよう。標準的なガラス製造のプラクティスと同様に、必要なことは、バッチ材料を十分に一緒に混合して、硫化物、酸化物、塩化物およびフッ化物を過剰に揮発させることなく均一な溶融を確実にする温度でそのバッチ材料を溶融し、その後溶融物を冷却して、所望の形状のガラス成形体（これは慣習的にアニールされる）に造型することを確実にすることのみである。
【００１８】
通常は約300 ℃より低い転移温度および約350 ℃以上の作業温度を有するこれらの本発明のガラスは、６時間に亘り沸水中に浸漬した場合、0.0 ％から0.15％までの範囲に亘る損失重量として表現される水分に対する耐久性と抵抗性の測定値を示す。これらの損失重量値は、本発明以前であれば、このような転移温度および作業温度（本発明の範囲内にある転移温度と作業温度）を有するガラスとしては例外的に低い値であると考えられるものである。これらの損失重量値は、本発明のガラスより100 ℃も高い転移温度と作業温度を有するガラス（例えば、米国特許第4,940,677 号（ビオール等）に開示されているホスフェートガラス）が有する耐久性の測定値に匹敵している。
【００１９】
物理的特性と化学的特性の全体的な釣合いに基づいて、実施例６のガラスが本発明のガラスの最も好ましい実施態様である。
【００２０】
表IIは、本発明のガラスが有する転移温度と同等な転移温度を有する典型的な３つのメタホスフェートガラスの組成を列記している。５％の損失重量値からガラスの完全な溶解にまでおよぶ、表IIに記載された耐久性データ（沸水中に１時間のみの浸漬）から、本発明のガラスは、本発明のガラスと同等な転移温度を有するこれらのメタホスフェートガラスより著しく優れた耐久性を有することが明らかである。
【００２１】
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表III は、前述したメイヤースの文献に用いられている形態で示した実施例１−１２の組成を列記している。本発明の実施例をこのような形態に変換する際、ＳＯ3 の第１の供給源はＫ2 ＳＯ4 であると推測され、ＳＯ3 がさらに必要とされる場合には、Ｎａ2 ＳＯ4 の添加によりＳＯ3 がさらに供給されると考えられ、最終的にＳＯ3 がまだ必要とされる場合には、その供給源はＺｎＳＯ4 であると考えられた。上記Ｋ2 ＳＯ4 、Ｎａ2 ＳＯ4 およびＺｎＳＯ4 というスルフェートの優先順位は、メイヤースの特許の実施例１および２から明らかである。実施例１においては、全てのアルカリ（Ｋ2 ＯおよびＮａ2 Ｏ）はスルフェートとして記載されている。比較のため、亜鉛はＺｎＳＯ4 およびＺｎＯの両方で記載されている。換言すれば、亜鉛は、望まれる合計のスルフェートレベルまではスルフェートとして表され、残りの亜鉛は酸化物として記載されている。このことは、ＺｎＳＯ4 を最大限用いて必要があれば残りをＮａとＫのスルフェートとして記載することにより容易に行なうことができるが、特許権所有者は明らかにスルフェートとしての亜鉛の前にアルカリを記載することを好んでいる。同様に実施例２から、全てのカリウムはＫ2 ＳＯ4 として記載されているが、ソーダ（soda）と亜鉛のどちらも、酸化物とスルフェートに分けられている。どのようにもできることは明らかであるが、特許権所有者は、組成を記載する優先順位としてＫ、Ｎａ、およびＺｎを好んでいる。表III は同一の形式（優先順位）を用いている。
【００２２】
この表に記載した組成から、本発明のガラスはメイヤース等の文献に開示されたガラスとは組成的に著しく異なることが明らかである。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
表IVは、本発明の範囲からは外れているが前述したメイヤースの文献に開示された組成範囲内に入る、酸化物基準のモルパーセントで表したいくつかのガラス組成を列記している。この表は、組成の明細とガラスの溶解率に加え、溶融温度、および沸水に浸漬する前後のガラスの外観を列記している。浸漬前のガラスは、外観と品質において、透明で安定なガラス（透明）から半透明の吸湿性ガラス（透明／吸湿性）までの範囲に亘っている。表Ｖはメイヤースの特許に使用した組成形式により表した同一の組成を列記している。これらの比較ガラス例１６から２２は、表IIに示したようなそれぞれの成分を変化させたことを除いて、本発明のガラスの実施例１−１２について記載した方法と同様な方法で調製した。しかしながら、比較例２０（非溶融と記載した）は溶融せず、ガラスはまったく形成されなかったことに注意されたい。この組成は、メイヤースの文献に詳細に記載された溶融指示を順守しても、ガラスを形成するようには溶融しなかった。
【００２５】
比較例２１を除いて、これらのガラスは乏しい耐久性を示す測定値を示し、大きな溶解率か吸湿性挙動のいずれかを示している。実際、これらの耐久性は、本発明のガラスの意図する用途には実質的に役に立たないほどに乏しいものである。これらの損失重量の百分率の数値は様々な浸漬時間についての値（比較例１６および１７は2.5 時間、比較例１９は２時間、比較例１８および２０−２３は６時間）であることに注目することが重要である。表IVに示されているように、比較例は沸水浸漬の結果として、６時間における0.3％の損失重量から、溶解したか（溶解）もしくは非圧密（unconsolicated）白色残留物に転化されたか（非圧密白色残留物）または表面が剥離した（表面剥離）程度までに亘る損失重量を示した。
【００２６】
比較例１６−１８は、小さい吸湿性挙動を示すものとしてメイヤースの特許に開示された特定の実施例である。しかしながら、測定した耐久性値から、これらの組成の中で、本発明の組成が有する程度の耐久性を示すかまたはそれに近付くものはないことが分かる。比較例１９から２３は、本発明のスルホホスフェート組成の耐久性のような耐久性を示すガラス組成をこの文献内に確認するために様々な組成を試したものである。例えば、比較例２１および２２は、請求項の組成範囲に許容される範囲内において最大量のＺｎ（最大量のＺｎＳＯ４  および残りの量のＺｎＯ）および最低量のＰ２  Ｏ５  を有しているものであるが、望ましいほど低い耐久性値を示してはいない。比較例２１は、本発明の小さな溶解率に近付いているが、言うまでもなく、転移温度（＞350 ℃）および作業温度（＞450 ℃）が高すぎて、本発明には有用ではない。一言で言えば、どの比較例も、並びにメイヤースの文献の組成範囲内に包含されるどの組成も、相当する優れた耐湿性とともに約300 ℃の転移温度を有するガラスを得るために必要な多量のＺｎＯおよび十分に少量のＳＯ３  を有さない。
【００２７】
【表４】
0004209474.tif 000006
【００２８】
【表５】
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