JP2013067519A - ガラス組成物、並びにこれを用いたポリカーボネート樹脂用ガラスフィラー及びポリカーボネート樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
質量%で表して、45≦SiO2≦65、0.5≦B2O3<2、5≦Al2O3≦15、5≦CaO≦25、0.1≦MgO≦10、7<TiO2≦12、0≦(Li2O+Na2O+K2O)<2、の成分を含有するガラス組成物を提供する。このガラス組成物は、1.575〜1.595の屈折率ndと、45〜49のアッベ数νdとを有することができる。
【選択図】図1
Description
質量%で表して、
45≦SiO2≦65、
0.5≦B2O3<2、
5≦Al2O3≦15、
5≦CaO≦25、
0.1≦MgO≦10、
7<TiO2≦12、
0≦(Li2O+Na2O+K2O)<2、
の成分を含有する、ガラス組成物、
を提供する。
本実施形態のガラス組成物は、必須成分として、二酸化ケイ素(SiO2)、酸化ホウ素(B2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)、及び酸化チタン(TiO2)を含有する。また、ガラス組成物は、必要に応じて、酸化リチウム(Li2O)、酸化ナトリウム(Na2O)及び酸化カリウム(K2O)から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。各成分の含有率は質量%で表して、
45≦SiO2≦65、
0.5≦B2O3<2、
5≦Al2O3≦15、
5≦CaO≦25、
0.1≦MgO≦10、
7<TiO2≦12、
0≦(Li2O+Na2O+K2O)<2、
に設定される。
二酸化ケイ素(SiO2)は、ガラスの骨格を形成する主成分である。本明細書において、主成分とは含有率が最も多い成分であることを意味する。二酸化ケイ素は、ガラスの失透温度及び粘度を調整する成分であり、耐水性を向上させる成分でもある。ガラス組成物における二酸化ケイ素の含有率が45質量%以上であれば、失透温度の上昇を抑制して、失透の少ないガラスを製造し易い(45質量%未満ではΔT(「作業温度−失透温度」、詳細は後述)が0℃より小さくなり易く、屈折率ndが1.595より高くなり易い)。また、ガラスの耐水性及び耐酸性も向上する。他方、二酸化ケイ素の含有率が65質量%以下であれば、ガラスの融点が低くなり、ガラスを均一に溶融し易くなる(65質量%を超えると作業温度が1300℃より高くなり易い)。
三酸化二ホウ素(B2O3)は、ガラスの骨格を形成する成分である。また、ガラスの失透温度及び粘度を調整する成分であり、さらには耐水性を向上させる成分でもある。ガラス組成物における三酸化二ホウ素の含有率が0.1質量%以上であれば、失透温度及び粘度の調整が容易になる。さらには、このようなガラスであれば、アルカリイオンの溶出を抑制できるので、フィラーとしてポリカーボネート樹脂に配合してもポリカーボネート樹脂の分子量を低下させ難い。三酸化二ホウ素の含有率が2質量%未満であれば、ガラスを溶融する際に溶融窯や蓄熱窯の炉壁を浸食して窯の寿命を著しく低下させることがない(2質量%以上の場合は、ΔTが0℃より小さくなり易くなることも考えられる)。
酸化アルミニウム(Al2O3)は、ガラスの骨格を形成する成分である。また、ガラスの失透温度及び粘度を調整する成分であり、さらには耐水性を向上させる成分でもある。ガラス組成物における酸化アルミニウムの含有率が5質量%以上であれば、失透温度及び粘度の調整が容易になる(5質量%未満の場合は、ΔTが0℃より小さくなり易く、屈折率ndが1.595より高くなり易い)。さらには、このようなガラスであれば、アルカリイオンの溶出を抑制できるので、フィラーとしてポリカーボネート樹脂に配合してもポリカーボネート樹脂の分子量を低下させ難い。酸化アルミニウムの含有率が15質量%以下であれば、ガラスの融点が低くなり、ガラスを均一に溶融し易くなる(15質量%を超えると、作業温度が1300℃より高くなり易い)。
酸化カルシウム(CaO)は、ガラスの失透温度及び粘度を調整する成分である。ガラス組成物における酸化カルシウムの含有率が5質量%以上であれば、失透温度及び粘度の調整が容易になる。酸化カルシウムの含有率がガラス組成物中に25質量%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し易く、失透の少ないガラスを容易に製造できる(5質量%未満もしくは25質量%を超えるとΔTが0℃より小さくなり易い)。
酸化マグネシウム(MgO)は、ガラスの失透温度及び粘度を調整する成分である。ガラス組成物における酸化マグネシウムの含有率が0.1質量%以上であれば、失透温度及び粘度の調整が容易になる。ガラス組成物における酸化マグネシウムの含有率が10質量%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し易く、失透の少ないガラスを容易に製造できる(0.1質量%未満もしくは10質量%を超えるとΔTが0℃より小さくなり易い)。
酸化チタン(TiO2)は、ガラスの屈折率nd及びアッベ数νdを調整する成分である。また、ガラスの失透温度及び粘度を調整する成分であり、さらには耐水性を向上させる成分でもある。ガラス組成物における酸化チタンの含有率が7質量%より大きければ、屈折率nd及びアッベ数νdの調整が容易になる(7質量%未満ではアッベ数νdが50以上となり易い)。さらには、このようなガラスであれば、アルカリイオンの溶出を抑制できるので、フィラーとしてポリカーボネート樹脂に配合してもポリカーボネート樹脂の分子量を低下させ難い。他方、酸化チタンの含有率が12質量%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し易く、失透の少ないガラスを容易に製造できる(12質量%を超えるとΔTが0℃より小さくなり易い)。
酸化ストロンチウム(SrO)は、ガラスの失透温度及び粘度を調整する成分である。酸化ストロンチウムは必須成分ではないが、ガラス組成物における含有率が20質量%以下であれば、失透温度及び粘度の調整が容易になる。
酸化バリウム(BaO)は比重が大きく、ポリカーボネート樹脂に配合されるガラスフィラーとして使用した場合に、ポリカーボネート樹脂に対する分散性が悪くなる。さらに、酸化バリウム(BaO)は、その原料の取扱いに配慮を要するとともに、高価である。従って、酸化バリウムは実質的に含有されないことが好ましい。
酸化亜鉛(ZnO)は、揮発しやすいため、ガラスの溶融時に飛散する可能性がある。従って、酸化亜鉛は実質的に含有されないことが好ましい。これにより、ガラスの溶融時におけるガラスの組成変動が抑制される。
アルカリ金属酸化物(Li2O、Na2O、K2O)は、ガラス形成時の失透温度及び粘度を調整する成分である。
酸化ジルコニウム(ZrO2)は、一般的にはガラスの失透温度及び粘度を調整する成分であるが、本実施形態のガラス組成物においては失透温度の上昇をまねき、ガラスの融点を高くする。これを考慮すると、酸化ジルコニウムの含有率の範囲は、0質量%以上1質量%以下であることが好ましい。また、酸化ジルコニウムは実質的に含有されないことがより好ましい。
通常、ガラス中に含まれる鉄(Fe)は、Fe3+又はFe2+の状態で存在する。Fe3+はガラスの紫外線吸収特性を向上させる成分であり、Fe2+はガラスの熱線吸収特性を向上させる成分である。鉄は、意図的に含ませなくとも、他の工業用原料から不可避的にガラス組成物に混入する場合がある。鉄の含有率が少なければ、ガラスの着色を抑制できる。このようなガラスをフィラーとして用いると、ポリカーボネート樹脂組成物の透明性が損なわれ難い。
三酸化硫黄(SO3)は必須成分ではないが、清澄剤として使用してもよい。硫酸塩の原料を使用すると、ガラス組成物中に三酸化硫黄が0.5質量%以下の量で含まれることがある。
フッ素(F)は、揮発し易いため、ガラスの溶融時に飛散し、ガラスの溶融時におけるガラスの組成変動の原因となる可能性があるとともに、ガラス中の含有率を管理し難いという問題もある。また、フッ素は、その原料の取扱いに配慮を要するとともに、高価である。従って、フッ素は実質的に含有されないことが好ましい。また、酸化亜鉛及びフッ素が実質的に含有されないことがより好ましく、酸化ジルコニウム、酸化バリウム、酸化亜鉛及びフッ素が実質的に含有されないことが特に好ましい。
次に、ガラス組成物の物性について説明する。
溶融ガラスの粘度が1000dPa・sec(1000poise)のときの温度は、当該ガラスの作業温度と呼ばれ、ガラスの成形に最も適した温度である。鱗片状ガラスやガラス繊維を製造する場合、ガラスの作業温度が1100℃以上であれば、鱗片状ガラスの厚みやガラス繊維径のばらつきを小さくできる。他方、作業温度が1300℃以下であれば、ガラスを溶融する際の燃料費を低減できる。また、ガラス製造装置が熱による腐食を受け難くなり、装置寿命が延びる。
ガラスフィラーとポリカーボネート樹脂の屈折率が等しければ、ガラスフィラーとポリカーボネート樹脂の界面における光の散乱がないため、ポリカーボネート樹脂の透明性を維持できる。このため、ガラス組成物の屈折率は、ポリカーボネート樹脂の屈折率に近いことが好ましい。黄色ヘリウムd線(光の波長587.6nm)で測定したポリカーボネート樹脂の屈折率ndは、通常1.585程度である。従って、ガラス組成物の屈折率ndは、1.575〜1.595が好ましく、1.580〜1.590がより好ましく、1.582〜1.588がさらに好ましく、1.583〜1.587が最も好ましい。ガラス組成物とポリカーボネート樹脂の屈折率ndの差は、0.010以下が好ましく、0.005以下がより好ましく、0.003以下がさらに好ましく、0.002以下が最も好ましい。
本実施形態のガラス組成物からなるガラスフィラーは、ポリカーボネート樹脂に配合するためのポリカーボネート樹脂用ガラスフィラーとしての使用に適している。ガラス組成物は、例えば、鱗片状ガラス、チョップドストランド、ミルドファイバー、ガラス粉末、ガラスビーズ等の所定形態に成形され、ガラスフィラーとして用いられる。
ガラス組成物から形成されるガラスフィラーはポリカーボネート樹脂に配合されることにより、ポリカーボネート樹脂組成物を構成する。ポリカーボネート樹脂組成物中におけるガラスフィラーの含有率は目的に応じて適宜設定されるが、例えば10〜50質量%が好ましい。ガラス組成物から形成されるガラスフィラーは、ポリカーボネート樹脂との屈折率の差が小さく、アルカリ成分の溶出が少なく、化学的耐久性に優れている。従って、得られるポリカーボネート樹脂組成物は、ポリカーボネート樹脂と同等の透明性と、ポリカーボネート樹脂よりも優れた機械的強度及び耐熱性を兼ね備えている。
表1〜表2に示した組成となるように、珪砂等の通常のガラス原料を調合し、実施例及び比較例毎にガラス原料のバッチを作製した。電気炉を用いて、各バッチを1400〜1600℃まで加熱して溶融させ、組成が均一になるまで約4時間そのまま維持した。その後、溶融したガラス(ガラス溶融物)を鉄板上に流し出し、電気炉中で室温まで徐冷してガラス組成物(バルク:板状物)を得た。
ここで、ndはd線(波長587.6nm)の屈折率であり、nFはF線(波長486.1nm)の屈折率であり、nCはC線(波長656.3nm)の屈折率である。
実施例10〜18では、それぞれ実施例1〜9で得られたガラス組成物(バルク)を用いて鱗片状ガラスを作製した(実施例10は実施例1に、実施例11は実施例2に・・・実施例18は実施例9に、それぞれ対応する)。すなわち、ガラス組成物(バルク)を電気炉で再溶融した後、冷却しながらペレットに成形した。このペレットを図2に示す製造装置に投入し、平均厚さが0.5〜1μmである鱗片状ガラスを作製した。鱗片状ガラスの平均厚さは、電子顕微鏡(株式会社キーエンス社製、リアルサーフェスビュー顕微鏡、VE−7800)を用い、100粒の鱗片状ガラスに対して鱗片状ガラスの断面から厚さを測定し、それらを平均することにより求めた。上述の方法により製造した鱗片状ガラスのアスペクト比は2〜1000の範囲にあるため、平均粒子径は1〜1000μmの範囲にあると考えられる。
実施例19〜27では、それぞれ実施例1〜9で得られたガラス組成物(バルク)を用いて、ガラスフィラーとして用いることのできるチョップドストランドを作製した。すなわち、ガラス組成物(バルク)を電気炉で再溶融した後、冷却しながらペレットに成形した。このガラスペレットを図3及び図4に示す製造装置に投入して、平均繊維径が10〜20μm、長さが3mmであるチョップドストランドを作製した。
11 ガラス素地
12 耐火窯槽
13 ブローノズル
14 中空状ガラス膜
15 押圧ロール
20 ブッシング
21 ガラスフィラメント
22 バインダアプリケータ
23 塗布ローラ
24 バインダ
25 補強パッド
26 ストランド
27 トラバースフィンガ
28 コレット
29 円筒チューブ
30 ケーキ
31 クリル
32 集束ガイド
33 ストランド束
34 噴霧装置
35 切断装置
36 回転刃
37 チョップドストランド
Claims (15)
- 質量%で表して、
45≦SiO2≦65、
0.5≦B2O3<2、
5≦Al2O3≦15、
5≦CaO≦25、
0.1≦MgO≦10、
7<TiO2≦12、
0≦(Li2O+Na2O+K2O)<2、
の成分を含有する、ガラス組成物。 - 前記ガラス組成物の屈折率ndが、1.575〜1.595であり、
前記ガラス組成物のアッベ数νdが、45〜49である、請求項1に記載のガラス組成物。 - 前記ガラス組成物の屈折率ndが、1.585〜1.592であり、
前記ガラス組成物のアッベ数νdが、47〜49である、請求項2に記載のガラス組成物。 - 質量%で表して、
0.5≦B2O3<1.8、
の成分を含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガラス組成物。 - 質量%で表して、
7<TiO2≦9、
の成分を含有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガラス組成物。 - 質量%で表して、
0≦ZrO2≦1、
の成分を含有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のガラス組成物。 - ZrO2を実質的に含有しない、請求項6に記載のガラス組成物。
- BaOを実質的に含有しない、請求項1〜7のいずれか一項に記載のガラス組成物。
- ZnO及びFを実質的に含有しない、請求項1〜8のいずれか一項に記載のガラス組成物。
- ZrO2、BaO、ZnO及びFを実質的に含有しない、請求項1〜9のいずれか一項に記載のガラス組成物。
- 前記ガラス組成物の作業温度が、1100〜1300℃である、請求項1〜10のいずれか一項に記載のガラス組成物。
- 前記ガラス組成物の作業温度から失透温度を差し引いた温度差ΔTが0〜150℃である、請求項1〜11のいずれか一項に記載のガラス組成物。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載のガラス組成物からなる、ポリカーボネート樹脂用ガラスフィラー。
- 鱗片状ガラス、チョップドストランド、ミルドファイバー、ガラス粉末及びガラスビーズから選ばれる少なくとも1種である、請求項13に記載のポリカーボネート樹脂用ガラスフィラー。
- ポリカーボネート樹脂と、請求項13又は14に記載のポリカーボネート樹脂用ガラスフィラーとを含有する、ポリカーボネート樹脂組成物。
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