JP2005029465A - 低ホウ素ｅ−ガラス組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスの溶融に必要なエネルギーを著しく上昇させることなく、繊維化効率を低下させることなく、あるいは新しいブッシング技術の開発を必要とすることなく、より低いバッチ・コストおよび汚染低減要求に伴うコストの節減を実現することができるガラス組成物を提供すること。
【解決手段】５２〜６２重量％の量のＳｉＯ_２と、３．５〜５．５重量％の量のＢ_２Ｏ_３と、１８〜２５重量％の量のＣａＯと、０．５〜４重量％の量のＭｇＯと、１０〜１５重量％の量のＡｌ_２Ｏ_３と、０．２５〜２重量％の量のＮａ_２Ｏとを含有する、ガラス繊維の製造に有用なガラス組成物が提供される。このガラス組成物は、２３００°Ｆ以下のＨＴＶと、このＨＴＶ温度より少なくとも１５０°Ｆ低い液相線温度とを有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、低ホウ素含有Ｅ−ガラス組成物に関する。より具体的には、本発明は、ホウ素の含有量は少ないが、依然として繊維化能を維持しているガラス組成物に関する。

産業界では長年にわたって、「Ｅ−ガラス」タイプの基本ガラス組成物でガラス繊維およびガラス繊維製品を製造してきた。「Ｅ」ガラスは、特許文献１に一般的に記載されており、記載されているガラスは、下記の組成によって類型化される（成分は重量パーセントである）。
ＳｉＯ_２ ５２〜５６％
Ａｌ_２Ｏ_３ １２〜１６％
ＣａＯ １６〜１９％
ＭｇＯ ３〜６％
Ｂ_２Ｏ_３ ９〜１１％

特許文献２は、「変性Ｅ」ガラスを記載している。このガラスは、通常ＭｇＯが無く、ＣａＯ含有量が、代表的な「Ｅ」ガラスと比べて高い。一般に、このガラスは、以下に示す組成を有する（百分率は重量パーセントである）。
ＳｉＯ_２ ５２〜５６％
Ａｌ_２Ｏ_３ １２〜１６％
ＣａＯ １９〜２５％
Ｂ_２Ｏ_３ ８〜１３％

特許文献３は、バッチ・コストの低下を実現するために、ガラス繊維の製造に使用されるガラス中のＢ_２Ｏ_３含有量を低下させることを試みたＥガラスを記載している。その代わりに、使用されたガラス組成物には、少量のＭｇＯだけが加えられている。一般に、このガラスは、以下に示す組成を有する（百分率は重量パーセントである）。
ＳｉＯ_２ ５４〜５５％、より好ましくは５４．２〜５５％
Ａｌ_２Ｏ_３ １３〜１４％
ＣａＯ ２２〜２４％、より好ましくは２２．１〜２３．２％
ＭｇＯ ０．２〜０．５％、より好ましくは０．３〜０．４％
Ｂ_２Ｏ_３ ５．５〜６．８％、より好ましくは６．５〜６．８％

このように、工業的に使用される代表的なＥ−ガラス組成は、一般に約６％以上のＢ_２Ｏ_３を含んでいた。この水準のＢ_２Ｏ_３の結果として、Ｅ−ガラス炉の汚染低減が、自然環境への粒子状放出物を減らすために、必要がある。興味のある経済的側面と環境問題の結果として、Ｂ_２Ｏ_３をほとんどまたはまったく含まないＥ−ガラス型の繊維が提案されている。すなわち、例えば、特許文献４、特許文献５、特許文献６および特許文献７を参照されたい。これらは、ホウ素の無い基本ガラス処方による、より低い汚染低減コストおよびより低いバッチ・コストに関連する利益を主張している。

しかし、基本ガラス組成物中のＢ_２Ｏ_３を取り除いた結果、Ｂ_２Ｏ_３を６％以上含有している標準Ｅ−ガラスに対して、高温粘度（ＨＴＶ）および液相線温度が上昇した。ＨＴＶは、ガラス溶融物の粘度が１０００ポイズになる温度である。ガラス繊維の製造においては、繊維化効率を最適にするために、通常ブッシング内のガラス溶融物はＨＴＶより５０〜１００°Ｆ高く保持される。ＨＴＶが高いガラス組成物は、この粘度に到達するのにより大きなエネルギーを必要とし、したがって、より高いエネルギー・コストを招くことになる。液相線温度は、ガラス溶融物の失透（結晶化）が起こる最も高い温度である。ガラス繊維の製造においては、結晶化の問題の発生、およびその結果繊維化効率が低下するのを避けるために、ガラス溶融物を液相線温度から少なくとも１５０°Ｆ高い温度に保持することが非常に好ましい。Ｅ−ガラス繊維の商業的生産においては、ＨＴＶと液相線温度の差（「デルタ」と呼ぶ）が約１５０°Ｆを下回ると、繊維化効率が著しく低下することが分かった。

したがって、低ホウ素Ｅ−ガラス処方に伴うコストの利益をうまく利用するが、結晶化および繊維化の問題の不利益を避けることが望ましい。そのような組成物を生み出す試みによって、より少ない量のホウ素を利用しながら、適当なＨＴＶを有するガラスを生産し、かつ少なくとも１５０°Ｆのデルタを保持する酸化物の正しい組み合わせが開発されつつある。このようなガラス組成物を提供することは、産業界にとって格別の価値がある筈である。
米国特許第２，３４４，９６１号 米国特許第２，５７１，０７４号 米国特許第４，１６６，７４７号 国際公開第００／７３２３１号 国際公開第０１／３２５７６号 米国特許第６，１３６，７３５号 米国特許第５，７８９，３２９号

したがって、本発明の目的は、製造上より経済的でありながら、ガラスの結晶化に伴う大きな製造上の問題を回避したプロセスで、有用な連続ガラス繊維ストランドを製造するのに使用することができるガラス組成物を提供することである。
本発明の上記および他の目的は、以下の説明および頭記の特許請求の範囲を検討すれば、当業者にとって明白になるはずである。

上記の目的に従って、本発明は、連続ガラス繊維ストランドの製造に有用な、削減された量のホウ素を有するガラス組成物を提供する。この組成物は、最少量のホウ素を使用しながら、適当なＨＴＶと、液相線温度より少なくとも１５０°Ｆ高いデルタを有し、結晶化の問題を回避したガラスを提供することを可能にする。したがって、この組成物は、コスト効率が良く、かつＥガラス連続ストランドの製造に実用的である。
このガラス組成物は、２３００°Ｆ以下のＨＴＶと、このＨＴＶ温度より少なくとも１５０°Ｆ低い液相線温度とを有する。この組成物は、下記の成分を含む。
ＳｉＯ_２ ５２〜６２重量％
Ｂ_２Ｏ_３ ３．５〜５．５重量％
ＣａＯ １８〜２５重量％
ＭｇＯ ０．５〜４重量％
Ａｌ_２Ｏ_３ １０〜１５重量％
Ｎａ_２Ｏ ０．２５〜２重量％

上記の百分率を使用したガラス組成物は、２３００°Ｆ未満の適当なＨＴＶを実現することができ、その結果、プロセスはエネルギー効率が良いままであり、より高い繊維化温度に耐えることができる特別のブッシングを必要としないことが分かった。さらに、上記百分率内のガラス組成物は、少なくとも１５０°ＦのＨＴＶと液相線温度の差を可能にするので繊維化効率が良くなる。また、この組成物は、上記のメリットを享受しつつ、ガラス組成物に含まれるより少ない量のＢ_２Ｏ_３のために、バッチ材料コストをかなり削減すると共に、汚染低減要求を緩和させる。

本発明のガラス組成物は、工業用Ｅガラス組成物において一般に使用される量より少ないが、実質上ホウ素を含有しない進化した組成物に含有されている量より多いＢ_２Ｏ_３を含有することを特徴とする。したがって、本発明のガラス組成物は、繊維化効率の問題と、使用されたブッシングを損傷する恐れのある実質的により高い繊維化温度を使用する必要性とを回避することができる。この少量のＢ_２Ｏ_３を使用した、優れた連続ガラス繊維ストランドを実現し、かつ２３００°Ｆ未満の適当なＨＴＶと、このＨＴＶ温度より少なくとも１５０°Ｆ低い液相線温度とを有するためには、ガラス組成物は、下記の重量百分率範囲内のＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３およびＮａ_２Ｏを使用しなければならないことが分かった。
ＳｉＯ_２ ５２〜６２重量％
Ｂ_２Ｏ_３ ３．５〜５．５重量％
ＣａＯ １８〜２５重量％
ＭｇＯ ０．５〜４重量％
Ａｌ_２Ｏ_３ １０〜１５重量％
Ｎａ_２Ｏ ０．２５〜２重量％

Ｂ_２Ｏ_３含有量を低下させることにより、より低いバッチ・コストおよび汚染低減要求に伴うコストの節減を実現することができる。同時に、上記ガラス組成物を使用することにより、ガラスの溶融に必要なエネルギーを著しく上昇させることなく、繊維化効率を低下させることなく、あるいは新しいブッシング技術の開発を必要とすることなく、コストの節減を達成することもできる。

上記組成物は上記の成分を含有しなければならないが、この成分組成に他の成分が存在してもよい。そのような他の成分は、一般にＴｉＯ_２とＦｅ_２Ｏ_３である。一般に、ガラスは、不純物としてＴｉＯ_２を０．４〜０．６重量％の範囲で、かつ不純物としてＦｅ_２Ｏ_３を０．２〜０．３重量％の範囲で含有する。その上、少量のＫ_２Ｏも不純物として、例えば０．５重量％まで存在してもよい。一般に、本発明のガラスにはＬｉ_２ＯまたはＦ_２は検出されない。したがって、本明細書に記載のガラス組成物は本発明の目的を達成するための重要な成分に関するものであるが、当分野の技術者であれば、ＴｉＯ_２やＦｅ_２Ｏ_３など一般にガラスに検出される不純物がこのガラスにも限られた範囲内で存在することを理解するであろう。

好ましい実施形態では、本発明のガラス組成物は、約５３〜５７重量％の量のＳｉＯ_２と、約４〜５重量％の量のＢ_２Ｏ_３と、約２０〜２４重量％の量のＣａＯと、約１〜３．５重量％の量のＭｇＯと、約１２〜１５重量％の量のＡｌ_２Ｏ_３と、約０．５〜１．５重量％の量のＮａ_２Ｏとを含有することがより好ましい。したがって、好ましい組成物は、下記の量の成分を含有する。
ＳｉＯ_２ ５３〜５７重量％
Ｂ_２Ｏ_３ ３〜５重量％
ＣａＯ ２０〜２４重量％
ＭｇＯ １〜３．５重量％
Ａｌ_２Ｏ_３ １２〜１５重量％
Ｎａ_２Ｏ ０．５〜１．５重量％

ＳｉＯ_２の量が約５４〜５６重量％、Ｂ_２Ｏ_３の量が約４．５〜５．０重量％、ＣａＯの量が約２１〜２３．５重量％、ＭｇＯの量が約１．５〜３重量％、Ａｌ_２Ｏ_３の量が約１４〜１５重量％、Ｎａ_２Ｏの量が約１．０〜１．５重量％であることが特に好ましい。

これらの特定の成分を選択して上記範囲内のガラス組成物を構成すると、得られるＨＴＶは一般に２３００°Ｆ未満である。しかし、このガラス組成物は、２２５０°Ｆ未満、特に好ましくは２２００°Ｆ未満のＨＴＶが得られるように、容易に処方することができる。このガラス組成物の液相線温度は、ＨＴＶ温度より少なくとも１５０°Ｆ低く、これにより１５０°ＦのデルタＴが得られる。したがって、液相線温度は、一般に少なくとも２１５０°Ｆ未満、より好ましくは２１００°Ｆ未満、特に好ましくは２０００°Ｆ未満である。また、デルタＴが１６０°Ｆより大きいことも好ましい。

Ｂ_２Ｏ_３の含量の減少は、ガラス組成物中の他の酸化物の量を増加することによって単に補償することはできない。複数の酸化物を変化させる組み合わせは複雑であり、これは上記の範囲内でなければならない。この選択は、この組成物のＨＴＶと液相線温度に注目して行わなければならない。そうしないと、本発明の利点は失われてしまう。一般に、上記の範囲内で酸化物を選択し混ぜることにより、経済的かつ効率的に連続ガラス繊維ストランドを製造するための、ＨＴＶ、液相線温度およびデルタ要求を満足するガラス組成物が得られる。

本発明をさらに例証するためにいくつかの実験を行った。この実験でガラス組成物を実験的に溶融し、ＨＴＶ、液相線温度および化学組成について試験した。加えて、通常の市販Ｅガラスと比較して、１トン当たりのコスト節減を計算した。下記の表１に、ガラス組成物の具体的な実施例を示す。

ガラス処方のＢ_２Ｏ_３濃度を低下させるためには、単に一つの酸化物でこれを置換する（例えば、Ｂ_２Ｏ_３３％とＳｉＯ_２３％）ことはできないことが、これらの実験から明らかである。必要なＨＴＶおよび液相線温度を維持するためには、酸化物を組み合わせて組成物中のＢ_２Ｏ_３を置換しなければならない。また、実質上Ｂ_２Ｏ_３を含有していない従来技術の組成物では一般的であるが、そのＨＴＶは標準のＥ−ガラスより上昇しており、しかも繊維化に同一のブッシングを使用するので、ブッシングの寿命が低下するためコストが上昇してしまう。このコストは、表１に挙げたコスト節減には考慮していないが、本発明の組成物を用いてこのコスト節減を実現することができる。
適当なＨＴＶとデルタＴの利益を提供する、本発明の範囲内の適当な組成物の他の実施例を下記の表２に示した。

本発明を特定の好ましい実施形態について説明してきたが、本明細書に記載の本発明の精神および範囲を逸脱することなく、そこに多くの変更および修正を加えることができることを、当分野の技術者なら理解するであろう。

Claims (16)

1. ガラス繊維の製造に有用なガラス組成物であって、
   ＳｉＯ_２ ５２〜６２重量％
   Ｂ_２Ｏ_３ ３．５〜５．５重量％
   ＣａＯ １８〜２５重量％
   ＭｇＯ ０．５〜４重量％
   Ａｌ_２Ｏ_３ １０〜１５重量％
   Ｎａ_２Ｏ ０．２５〜２重量％
   を含み、
   ２３００°Ｆ以下のＨＴＶと、前記ＨＴＶ温度より少なくとも１５０°Ｆ低い液相線温度とを有するガラス組成物。
2. ＳｉＯ_２の量が５３〜５７重量％である、請求項１に記載のガラス組成物。
3. Ｂ_２Ｏ_３の量が４〜５重量％である、請求項２に記載のガラス組成物。
4. ＣａＯの量が２０〜２４重量％である、請求項１に記載のガラス組成物。
5. ＭｇＯの量が１〜３．５重量％である、請求項１に記載のガラス組成物。
6. Ａｌ_２Ｏ_３の量が１２〜１５重量％である、請求項１に記載のガラス組成物。
7. Ｎａ_２Ｏの量が０．５〜１．５重量％である、請求項１に記載のガラス組成物。
8. 前記組成物が下記の量の成分を含む、請求項１に記載のガラス組成物。
   ＳｉＯ_２ ５３〜５７重量％
   Ｂ_２Ｏ_３ ４〜５重量％
   ＣａＯ ２０〜２４重量％
   ＭｇＯ １〜３．５重量％
   Ａｌ_２Ｏ_３ １２〜１５重量％
   Ｎａ_２Ｏ ０．５〜１．５重量％
9. ＳｉＯ_２の量が５４〜５６重量％である、請求項８に記載のガラス組成物。
10. ＣａＯの量が２１〜２３．５重量％である、請求項８に記載のガラス組成物。
11. ＭｇＯの量が１．５〜３重量％である、請求項１０に記載のガラス組成物。
12. Ａｌ_２Ｏ_３の量が１４〜１５重量％である、請求項８に記載のガラス組成物。
13. ＨＴＶが２２５０°Ｆ未満である、請求項１に記載のガラス組成物。
14. ＨＴＶが２２００°Ｆ未満である、請求項１に記載のガラス組成物。
15. 液相線温度が、ＨＴＶ温度より少なくとも１６０°Ｆ低い、請求項１に記載のガラス組成物。
16. Ｂ_２Ｏ_３の量が４．５〜５．０重量％である、請求項１に記載のガラス組成物。