JP2014519459A5

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Publication number: JP2014519459A5
Application number: JP2013546091A
Authority: JP
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2030-12-22

Description

高強度ガラスの組成物および繊維

本開示は、一般的に、高強度ガラス繊維の連続的な製造に使用されるのに適したガラス組成物を対象とし、かつ特には、上記の組成物およびその複合材から形成される繊維を対象とする。

現在のところ、少なくとも繊維を形成することが可能なほどに高い強度および高い弾性を有するように設計された複数のガラス類が存在している。例えば、ＲガラスおよびＳガラスはそのようなガラス類の例であり、両方とも、ホウ素を含有するＥガラスより高い強度を有している。Ｒガラスは、繊維に形成でき、かつ、航空宇宙用複合材用途に有用な、高強度、高弾性ガラスであるとみなされている。Ｒガラスは、通常は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムから構成される。

Ｓガラスは、通常は、酸化ケイ素、酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウムから構成される（ＡＳＴＭインターナショナル（Ｄ５７８−０５））。Ｓガラス繊維は、Ｒガラス繊維に比べて、部分的には、シリカ含量が多く、かつ酸化カルシウム含量が少ないことのゆえに、いくらか高い機械的強度を有する。Ｓガラス類の化学組成によって、防弾服等の高強度用途において有用な高強度ガラス繊維もまた提供される。ドイツ規格協会（ＤＩＮ）は、Ｓガラスを、アルミノケイ酸ガラス（例えば、大部分が三酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素）であり、かつＣａＯの添加なしにＭｇＯを約１０重量％（ＤＩＮ１２５９−１）有するものとして分類している。

ＲガラスならびにＳガラス類の１つの欠点は、繊維形成の際に、それらが、Ｅガラスに比べて、高い溶融温度および加工温度を必要とし、そのため、ＲガラスおよびＳガラスは、一般的に、組成物の構成要素を、白金ライニング溶融炉等の、特殊な溶融炉内で溶融させて製造することを必要とし、それによって、ＲガラスならびにＳガラス繊維を形成する製造コストが、Ｅガラス繊維に比べて上昇することである。さらに、加工温度が高いために、交換に費用のかかる繊維用ブッシングの寿命が短くなる。

理想的には、耐火物ライニング溶融炉および低い繊維用ブッシング温度を利用する連続的な繊維化工程を、高強度ガラス組成物と組み合わせることが望ましいであろう。

高強度用途での使用に適しており、かつ、低コストの直接溶融炉を使用して、経済的にガラス繊維に形成できる、連続ガラス繊維形成用のガラス組成物が提供される。本ガラス組成物は、耐火物ライニング炉に適した、低い溶融温度および繊維化温度を呈する。本ガラス組成物は、ＳガラスおよびＲガラス等の、より高価で、より工程制限的なガラス繊維の強度特性とともに、上記の加工上の利点を兼ね備える。

したがって、１つの実施形態では、約５６〜約６１重量パーセントのＳｉＯ_２、約１６〜約２３重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３（ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が約２〜約４）、約８．５〜約１１．５重量パーセントのＭｇＯ、約６〜約１０重量パーセントのＣａＯ（ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が約０．７〜約１．５）、約０〜約２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、約１重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および、約２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物を含む組成物が提供される。上記の組成物から形成するガラス繊維もまた提供される。

１つの態様では、ガラス組成物は、約５７．５〜約６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、約１７．３〜約２１．５重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３（ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が約２．７〜約３．５）、約９．０〜約１１．３重量パーセントのＭｇＯ、約７．５〜約９．７重量パーセントのＣａＯ（ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が約１．０〜約１．２）、約０〜約２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、約０．５重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および、約２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物を含む。上記の組成物から形成するガラス繊維もまた提供される。

別の態様では、ガラス組成物または繊維中に最も多く存在する４つの酸化物の重量パーセントは、以下のように表される。５７≦ＳｉＯ_２≦６０、１７≦Ａｌ_２Ｏ_３≦２２、７≦ＭｇＯ≦１２、７≦ＣａＯ≦１１．５、１≦Ｎａ_２Ｏ≦２。ただし、ガラス組成物または繊維は、以下の酸化物比を有する。存在する重量パーセントで、２．７≦ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３≦３．５、かつ、重量パーセントで、０．８≦ＭｇＯ／ＣａＯ≦１．２。

別の実施形態では、ガラス溶融炉中において、連続的で製造可能な高弾性ガラス繊維を得る方法が提供される。上記の方法は、約５６〜約６１重量パーセントのＳｉＯ_２、約１６〜約２３重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３（ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が約２〜約４）、約８〜約１２重量パーセントのＭｇＯ、約６〜約１０重量パーセントのＣａＯ（ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が約０．７〜約１．５）、約０〜約２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、約１重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および、約２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物を含む組成物を、ガラス溶融炉の溶融ゾーンに供給するステップ、ならびに、上記組成物を、得られたガラスの液相線温度を超える形成温度に加熱して、繊維化可能な溶融ガラスを形成するステップ、ならびに、製造可能な高弾性ガラスの繊維化工程を持続させながら、前記溶融ガラスを連続的に繊維化するステップを含む。

別の実施形態では、ガラス繊維強化品が提供される。上記の強化品には、上述した組成物のガラス繊維、および有機、無機または有機−無機マトリックス材料が含まれる。

本明細書に開示され、かつ記載されるガラスは、ガラス強化繊維の製造に幅広く使用されている、通常の市販の、耐火物ライニングガラス炉で溶融させるのに適している。ガラス繊維の機械的性能、特に繊維のヤング弾性率を改善させることによって、複合材の一部の機械的特性および有効性が強化される。

本明細書で使用する場合、「液相線」という用語には、一般的に、水ガラスとその一次結晶相との間に平衡が存在する最も高い温度を含む、その一般的かつ慣習的な意味が与えられているが、実際には、液相線より高い全ての温度においては、ガラス溶融物にはその一次相の結晶が存在せず、液相線より低い温度においては、溶融物中で結晶が形成し得る。

本明細書で使用する場合、「デルタＴ（ΔＴ）」という用語には、一般的に、繊維化温度と液相線との差、したがってガラス組成物の繊維化特性を含む、その一般的かつ慣習的な意味が与えられている。デルタＴが大きければ大きいほど、ガラス繊維を形成する際の工程柔軟性の度合いが大きくなり、溶融および繊維化の際にガラス溶融物の失透（溶融物中での結晶の形成）が起こりづらくなろう。通常は、デルタＴが大きければ大きいほど、部分的には、ブッシングの寿命が延びること、および、繊維形成のプロセスウィンドウが広く与えられることによって、ガラス繊維の製造コストが低くなる。

本明細書で使用する場合、「本質的にリチウムを含まない」という語句は、リチウム酸化物および、またはその前駆物質が組成物に意図的に添加されていない組成物を指すが、好ましくは１重量パーセント未満、より好ましくは０．７５パーセント未満、さらにより好ましくは０．５パーセント未満の、微量のリチウムは許容され得る。１つの態様では、微量のリチウムは０．２５重量パーセント未満である。

本明細書で使用する場合、「本質的にカリウムを含まない」という語句は、カリウム酸化物が組成物に意図的に添加されていない組成物を指すが、好ましくは１重量パーセント未満、より好ましくは０．７５パーセント未満、さらにより好ましくは０．５パーセント未満の、微量のカリウムは許容され得る。１つの態様では、微量のカリウムは０．２５重量パーセント未満である。他の酸化物または物質に関する「本質的に含まない」という語句には、同様の意味が与えられるべきである。

１つの態様では、繊維を形成するための組成物中の二酸化ケイ素が５６重量パーセント未満である場合、組成物の他の成分を考慮に入れると、ガラスの粘度がきわめて低くなり、繊維化の際の失透の危険性が上昇する。６１％より多いと、ガラスの粘度がより高くなり、溶融および繊維化がより困難になる。好ましくは、シリカ含量は約５６〜約６１重量パーセントである。

１つの態様では、繊維を形成するための組成物中の酸化アルミニウムのパーセント濃度を１７重量パーセントより少なくなるまで減少させることによって、組成物の他の成分を考慮に入れると、弾性が減少し、その一方で、酸化アルミニウムのパーセント濃度を、例えば２２重量パーセントより多くまで、きわめて大きく上昇させることによって、失透および溶融粘度の上昇が引き起こされ得る。したがって、好ましくは、本組成物のアルミナ含量は約１６〜約２３重量パーセントである。

有利なことには、繊維を形成するための組成物中のシリカとアルミナ酸化物の重量パーセント比（ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３）は約２〜約４であり、好ましくは約２．７〜３．５であり、これによって、組成物の他の成分を考慮に入れると、高弾性繊維の実現が可能となる。

本組成物中にはマグネシアまたは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が存在し、これによって、ガラスの弾性を向上させることとともに、粘度減少効果がもたらされる。繊維を形成するための組成物中のＭｇＯの好ましい重量パーセントは、組成物の他の成分を考慮に入れると、約８〜約１２であり、より好ましくは約９〜約１１．３重量パーセントである。

本組成物中には酸化カルシウム（ＣａＯ）もまた存在し、とりわけ、粘度を調整するため、および、加工の際のガラス組成物の失透を制御するために使用される。繊維を形成するための組成物中のＣａＯの好ましい重量パーセントは、酸化マグネシウムの量等の、組成物の他の成分を考慮に入れると、約７〜約１０重量パーセントであり、好ましくは約７．８〜約９．７である。ＣａＯ／ＭｇＯ重量比はガラスの弾性および液相線温度に影響を及ぼし、それゆえに、ＭｇＯ／ＣａＯ比は、所定のアルミナ含量に対して、好ましくは約０．７〜約１．５の範囲であり、より好ましくは約１〜約１．２の範囲である。

それゆえに、高弾性繊維を提供するためのガラス組成物は、少なくとも部分的には、重量パーセントでのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３とＭｇＯ／ＣａＯの関係に基づいている。１つの態様では、上記のパラメータの組み合わせによって、例えば、良好な繊維化性を有したままで、約９０ＧＰａ以上といった高いヤング弾性率の値、および約８５ＧＰａより大きい含浸ストランド引張弾性率を得ることができる。ある態様では、上記のパラメータの組み合わせによって、約９２ＧＰａ以上といったヤング弾性率の値、および約９０ＧＰａの含浸ストランド引張弾性率を得ることができる。

例えばＢａＯおよびＳｒＯといった他のアルカリ土類金属酸化物が、微量不純物としてガラス組成物中に存在してもよい。すなわち、それらは意図的に添加されるのではなく、したがって、上記の酸化物の総含量は、比ヤング弾性率を低下させる効果を有すると見込まれるガラス密度の上昇が起こらないように、２重量パーセントより少なく、好ましくは１重量パーセントより少なく維持される。好ましくは、組成物は本質的にＢａＯおよびＳｒＯを含まない。

酸化リチウム（Ｌｉ_２Ｏ）は一般的に、高い比ヤング弾性率のガラス繊維を得るために不可欠であると信じられており、３重量パーセントより多い量では、作業温度の著しい低下をもたらすが、１重量パーセントより少ない量では、作業温度の低下が繊維化には不十分であると報告されている。しかし、高弾性ガラスをもたらす本組成物および繊維は、ケイ素、アルミニウム、マグネシウム、カルシウムおよびナトリウムの酸化物を適切に選択することによって、本質的に酸化リチウムを添加せずに得られることが、出願人によって見出された。したがって、本組成物およびガラス繊維は、好ましくは、本質的にリチウムを含まない。

本ガラス組成物中の酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）は、重量パーセントで１％未満、好ましくは０．５％未満存在する。ホウ素は本組成物に意図的には添加されない。最終のガラス繊維中に存在するホウ素は全て、原材料の不純物に由来するものであろう。したがって、１つの態様では、本組成物およびガラス繊維は、好ましくは、本質的にホウ素を含まない。

酸化チタンは粘度減少剤として作用し、比ヤング弾性率の増加に寄与する。酸化チタンは、不純物として存在してもよく（その場合、組成物中の含量は０〜約１％）、または意図的に添加してもよい。ＴｉＯ_２は、それが存在する場合、通常は、標準的な耐火炉向けに好ましい原材料である慣用の原材料中の不純物として現れる。ＴｉＯ_２の意図的な添加には、より高価な、慣用でない原材料を使用することが必要となる。好ましくは、ＴｉＯ_２含量は１重量パーセント未満である。

１つの態様では、失透を制限するため、およびガラスの粘度を低下させるために、本明細書に開示されるガラス組成物にＮａ_２Ｏが添加される。好ましくは、Ｎａ_２Ｏの重量パーセントは０〜約２％であり、好ましくは約０．７〜約１．２である。１つの態様では、本ガラス組成物は、相当量の単一のアルカリ金属酸化物のみからなる（例えば、例えばＮａ_２ＯとＫ_２Ｏの両方が存在する等、混合されたアルカリ金属酸化物が本質的に含まれない）。好ましくは、組成物に含まれる「混合されたアルカリ金属酸化物」の混合物は０．２重量パーセント未満であり、これは特にはＮａ_２ＯとＫ_２Ｏの混合物である。

フッ素（Ｆ_２）は、ガラスの溶融および繊維化に寄与するために、組成物中に存在してもよい。しかし、フッ素の含量は約０〜約１重量パーセントに限定される。好ましくは、本組成物は本質的にフッ素を含まない。

遷移金属酸化物（例えばＦｅ_２Ｏ_３、酸化ジルコニウムおよび酸化クロムの形態）は、一般的には、本組成物中に不純物として存在するか、または加工助剤として少量添加される。１つの態様では、本組成物に添加される遷移金属酸化物の重量パーセントの合計は、好ましくは２より少なく、好ましくは約１未満である。上記の遷移金属酸化物は、少量存在してもよいが、本組成物に意図的には添加されない、原材料中の不純物である。

１つの態様では、ガラスは、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムおよび酸化ナトリウム以外の任意の追加成分を本質的に含まず、ＴｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３およびＭｎＯの合計量は２重量パーセント未満であり、存在する任意の他の材料の量は、製造可能性ならびに高い強度および弾性等といった本組成物の新規な特性に実質的に影響しないような量である。
製造
開示され、かつ記載される方法は、抵抗加熱または他の手段で加熱される、ブッシングの基底部に位置する口から流れ出る溶融ガラス流を、機械的に細くすることによって得られる、ガラス繊維に関する。上記のガラス繊維は、特に、有機ならびに／または無機マトリックスを有する複合材中に使用される網および繊維製品の製造向けである。

本明細書に開示され、かつ記載されるガラスは、一般に直接溶融法と呼ばれるガラス強化繊維の製造に幅広く使用されている、通常の市販の、耐火物ライニングガラス溶融炉で溶融させるのに適している。従来技術の配合物は、通常は、直接溶融法に適合する特性を有していないので、上記のことは、白金ライニング溶融容器内で溶融させていた従来技術の配合物とは対照的である。

本明細書に開示され、かつ記載されるガラスバッチは、場合により、アルミナ、酸化クロム、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコン、ジルコニア−アルミナ−シリカ、または同様の酸化物ベースの耐火材料等の適切な耐火材料から作られるガラス溶融炉を使用して、溶融させる。多くの場合、上記のガラス溶融炉には、発泡機および／または電気ブースト電極もまた含まれる。発泡機および／または電気ブースト電極は、大量のガラスの温度を上昇させ、かつ、バッチカバー下の溶融ガラスの循環を増加させる。

かくして、本明細書に開示される溶融ガラス組成物は、前床からブッシングアセンブリへ搬送される。ブッシングには複数のノズルを有するチップ板が含まれ、各ノズルは溶融ガラス流を吐出し、これが機械的に吸引されて連続的なフィラメントが形成される。

したがって、本開示によるガラス繊維は、１つまたは複数のブッシングの基底部に位置する多数の口から流れ出る多数の溶融ガラス流が供給され、これが１つまたは複数の群の連続的なフィラメントの形態に細くさせられ、次いでそれらの素線が１本または複数の繊維として組み合わせられ、移動する支持体の上に回収されるようにして、上述した組成のガラスから得ることができる。繊維が、巻き包装の形態で、または平行移動する支持体の形態で回収される場合、繊維を吸引するためにも用いられる器具によって繊維が細断される場合、あるいは繊維を吸引するために用いられる器具によって繊維が噴霧される場合、マットを形成するために、上記の支持体は回転する支持体でもよい。

本開示について一般的に記載したが、以下に例示するいくつかの具体的な実施例を参照することによって、さらなる理解を得ることが可能であり、その実施例は、例示の目的のみのために提供されるものであって、別段の明示がない限り、包括的または限定的であることを意図していない。

表１〜２に列挙した例示的なガラスは、白金るつぼまたは耐火溶融炉の中で溶融させて調製した。製造したガラスおよび繊維の機械的ならびに物理的特性を測定した。物理的特性の測定の単位は、液相線温度（℃）およびデルタＴ（℃）である。代表的なガラスサンプルの密度（ｇ／ｃｍ^３）およびヤング弾性率（ＧＰａ）を測定し、一部の例では初期状態の繊維の引張強さ（ＭＰａ）もまた測定した。

繊維化温度は、回転円筒式粘度計を使用して、繊維化粘度１０００ポアズにおいて測定し、これをＴ_３と表記した。ガラス粘度が１００ポアズとなる温度（Ｔ_２）もまた同様に測定した。通常は、溶融炉中のガラス温度はＴ_２とＴ_３の間である。ガラスを満たした白金容器を温度勾配炉内に約２４時間置いて、液相線温度を測定した。結晶が存在した最も高い温度を液相線温度と見なし、これをＴ_{ｌｉｑｕｉｄｕｓ}と表記した。焼きなました大量のガラスサンプルに対して音波法を使用して、ヤング弾性率を測定した。初期状態の単繊維の引張強さを測定した。

以下の実施例によって、限定することなく、例示的な繊維を例示する。

表１〜２に示される、重量パーセントまたは重量パーセントの比によって表される組成を有する溶融ガラスを細くすることによって、直径約１０ミクロンのガラスフィラメントからなるガラス繊維を得た。実施例１１および１２は、ＭｇＯの量がＣａＯの量未満である（ＭｇＯ／ＣａＯ＜１）組成を有し、これによって、本組成物の中で最も低いデルタＴの値および最も高い液相線温度がもたらされた。

本実施例では、溶融および繊維化特性と機械的特性の間に優れたバランスが呈されることが、表１〜２から示される。この繊維化特性は、少なくとも部分的には、Ｒガラス（比較例１）およびＳガラスの液相線温度より低い液相線温度（約１２４０℃〜１２７０℃）を考慮すると、繊維を加工するうえで特に有利である。全実施例の繊維化ウィンドウ（ΔＴ）は正であり、かつ相当なものであって、６０℃以上（実施例９）、７０℃以上（実施例５〜８、１０）、または８０℃（実施例３）、または１００℃超（実施例１〜２）である。

ガラス強化繊維の特性（以下に述べる）は、主にそれらの構成要素であるガラスの組成によって決定される。本ガラス組成物によって、繊維化温度がはっきり低下させられる一方で、Ｒガラスに実質的に匹敵する機械的特性、特にヤング弾性率を有する繊維がもたらされる。本明細書に開示され、かつ記載される繊維は、優れた弾性および強度特性を有し、これらの特性は複合材に付与される。表１および２の本ガラス繊維の実施例１〜１２は、測定により約９２〜約９５ＧＰａの弾性率を有している。例示的な本ガラス繊維（実施例５）の強度は、測定により約６５７ＫＰｓｉ（４５３６ＭＰａ）と判明した。例えば、本ガラス繊維は、Ｒガラス（比較例１）と比較して、Ｔ_３はより低いが、優れた弾性および強度を有している。

上記の実施例から明らかな通り、本開示のガラス繊維組成物は、繊維化温度が低いこと、および、液相線温度と繊維化温度の差が大きい（デルタＴの値が大きい）こと等の、有利な特性を有している。本開示の他の利点および明白な変形例は、上記の説明から、およびさらには本開示の実施を通して、技術者には明らかとなろう。本明細書に開示され、かつ記載される高性能ガラスは、比較的低い温度で溶融し、かつ精製され、広範囲にわたる比較的低い温度において、および低い液相線温度の範囲において、使用可能な粘度を有する。

上記の、例示的な発明の組成物は、統計的な慣行（概数化および平均化等）、ならびに、いくつかの組成物は列挙されていない不純物を含み得るという事実のゆえに、列挙した成分の合計が必ずしも１００％ではない。もちろん、組成物中の、任意の不純物を含む、全成分の実際の量は、合計が必ず１００％である。さらに、組成物中の少量（例えば約１重量パーセント以下程度の量）の成分が明示される場合、それらの成分は、意図的に添加されるのではなく、原材料中に存在する微量不純物の形態で存在し得ると理解されたい。

さらに、成分をバッチ組成物に添加して、例えば加工を促進してよく、これは後に除去され、それによって上述の成分を本質的に含まないガラス組成物が形成される。したがって、例えば、本開示の工業的実施において、フッ素ならびに硫黄等の微量成分は、シリカ、カルシア、アルミナおよびマグネシア成分を供給する原材料中の微量不純物として存在してもよく、または製造の際に本質的に除去される加工助剤でもよい。
複合材
本開示は、上記した通り、本組成物から形成される前述のガラス繊維を含む複合材をもまた含む。したがって、硬化性マトリックス材料と組み合わせて上記のガラス繊維を含む複合材が提供される。１つの態様では、本複合材は、高い強度と剛直性、および軽量性が望まれるならびに／または必要とされる用途向けに構成される。有機、無機または有機−無機マトリックス材料と組み合わせて上記のガラス繊維を含む本複合材に適した用途には、例えば、民間輸送ならびに軍用輸送（例えば航空宇宙航行体、戦闘機および戦闘用車両、文官用および公的輸送用車両等、風力エネルギー（風力タービン翼等）、建設業向けの補強剤（セメント板）、窓スクリーン等）等が含まれる。他の態様では、有機、無機または有機−無機マトリックス材料と組み合わせる上記のガラス繊維は、軽量で、硬く、かつ高強度の複合品が望まれるような任意の用途のために適用できる。

適切な硬化性マトリックス材料には、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂が含まれる。例として、適切な有機、無機または有機−無機マトリックス材料には、セメント、陶磁器、天然および合成ゴム、ビニルエステル、ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリウレタン、アクリル樹脂、ならびにそれらの組み合わせもしくはコポリマーが含まれる。有機マトリックスは、熱可塑性材料または熱硬化性材料でもよい。本発明を含む複合品は、例えば負圧を利用する樹脂注入、または予備含浸させた補強材の積層、樹脂トランスファー成型、圧縮成型、引き抜き成型等の、任意の適切な複合製作技術を使用して製造することができる。

本開示の１つの態様では、ガラスフィラメントを引き抜いて細くした後に、従来技術を使用してサイズ剤を施用する。サイズ剤を施用した後、得られた繊維は粗紡にして回収され、次に、例えば慣用の巻き取り機を使用して、巻き取って包装にする。１つの態様では、サイズ剤組成物は特に高温ガラス繊維に適しており、加工の際に磨耗に対する保護をもたらし、かつ、繊維が強化要素として組み込まれる固体樹脂マトリックスを硬化または凝固して形成する、好ましくは硬化した樹脂マトリックスとガラス繊維の間の結合を強化する液体物質によって被覆された繊維の濡れを促進するのに寄与する。

本開示に従って作製した、繊維を含む粗紡を、独自のサイズ剤組成物で処理し、エポキシ樹脂（Ｈｅｘｉｏｎ，Ｉｎｃ．製のＨｅｘｉｏｎＬ１３５）に含浸させ、製造業者の指示に従ってＨｅｘｉｏｎＬＨ１３７で硬化させた。本明細書に開示され、かつ記載される組成物から製造したガラス繊維を含浸させることにより、約８５ＧＰａ、８７ＧＰａ超、８９ＧＰａ超、および９０ＧＰａ以上といった含浸ストランド引張弾性率を有するガラス繊維が提供される。１つの実施例では、例示的な含浸ストランド（実施例５）をＡＳＴＭＤ２３４３に明示されている通りに試験し、その引張強さおよび弾性率を求めた。表３のデータから、本明細書に開示されるガラス繊維組成物を使用した含浸ストランド複合材の強度および弾性が改善されていることが実証される。

上記は、一般的に、かつ特定の実施形態に関して、記載したものである。本開示は、好ましい実施形態であると信じられるものに規定されているが、一般的な開示の範囲内で、当業者に公知の、様々な代案が選択されてよい。本開示の他の利点および明白な変形例は、上記の説明から、およびさらには本開示の実施を通して、技術者には明らかとなろう。本開示は、以下に規定される請求項の記載を除き、他の方法で限定されるものではない。

Claims

５６〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１６〜２３重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただしＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２〜４、
８〜１２重量パーセントのＭｇＯ、
６〜１０重量パーセントのＣａＯ、ただしＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が０．７〜１．５、
０．７〜２重量パーセントで存在するＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ１重量パーセント未満で存在するＬｉ_２Ｏ、および
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物
を含むガラス組成物（但し、前記ガラス組成物はＰ _２Ｏ _５を本質的に含まない）。
５６〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ _２、
１６〜２３重量パーセントのＡｌ _２Ｏ _３、ただしＳｉＯ _２／Ａｌ _２Ｏ _３の重量パーセント比が２〜４、
８〜１２重量パーセントのＭｇＯ、
６〜１０重量パーセントのＣａＯ、ただしＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が０．７〜１．５、
０．７〜２重量パーセントで存在するＮａ _２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ１重量パーセント未満で存在するＬｉ _２Ｏ、および
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物
を含むガラス繊維用ガラス組成物。
ＳｉＯ_２の重量パーセントが５７．５〜６０．５である、請求項１又は２に記載のガラス組成物。
Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセントが１７．３〜２１．５である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラス組成物。
ＭｇＯの重量パーセントが９．０〜１１．３である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガラス組成物。
ＣａＯの重量パーセントが７．５〜９．７である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガラス組成物。
ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２．７〜３．５である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガラス組成物。
ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が１．０〜１．２である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガラス組成物。
本質的にリチウムを含まない、請求項１〜８のいずれか一項に記載のガラス組成物。
本質的にカリウムを含まない、請求項１〜９のいずれか一項に記載のガラス組成物。
５７．５〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１７．３〜２１．５重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２．７〜３．５、
９．０〜１１．３重量パーセントのＭｇＯ、
７．５〜９．７重量パーセントのＣａＯ、ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が１．０〜１．２、
０．７〜２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ０．５重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物
から本質的になる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガラス組成物。
１２４０℃〜１２７０℃の液相線温度、および１５５０℃未満のＴ_２を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガラス組成物。
５６〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１６〜２３重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２〜４、
８〜１２重量パーセントのＭｇＯ、
６〜１０重量パーセントのＣａＯ、ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が０．７〜１．５、
０．７〜２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ１重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物
から本質的になるガラス繊維。
本質的にカリウムを含まない、請求項１３に記載のガラス繊維。
本質的にリチウムを含まず、かつカリウムを含まない、請求項１３に記載のガラス繊維。
初期状態の繊維強度が少なくとも４４００ＭＰａである、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のガラス繊維。
ヤング弾性率が少なくとも９０ＧＰａである、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載のガラス繊維。
５７．５〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１７．３〜２１．５重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２．７〜３．５、
９．０〜１１．３重量パーセントのＭｇＯ、
７．５〜９．７重量パーセントのＣａＯ、ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が１．０〜１．２、
０．７〜２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ０．５重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および、
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物から本質的になる、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載のガラス繊維。
連続的で製造可能な高弾性ガラス繊維を、ガラス溶融炉中で得る方法であって、
５６〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１６〜２３重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２〜４、
８〜１２重量パーセントのＭｇＯ、
６〜１０重量パーセントのＣａＯ、ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が０．７〜１．５、
０．７〜２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ１重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物
を含む組成物をガラス溶融炉の溶融ゾーンに供給するステップ、
組成物を、得られるガラスの液相線温度を超える形成温度に加熱して、繊維化可能な溶融ガラスを形成するステップ、ならびに
製造可能な高弾性ガラスの繊維化工程を持続させながら、前記溶融ガラスを連続的に繊維化させるステップ
を含む方法。
組成物が、
５７．５〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１７．３〜２１．５重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２．７〜３．５、
９．０〜１１．３重量パーセントのＭｇＯ、
７．５〜９．７重量パーセントのＣａＯ、ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が１．０〜１．２、
０．７〜２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ０．５重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および、
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物を含む、請求項１９に記載の方法。
組成物が、１３７５℃未満の繊維化温度、および少なくとも７０℃のデルタＴ（ΔＴ）を有する、請求項１９又は２０に記載の方法。
前記組成物から製造されるガラス繊維の初期状態の繊維強度が少なくとも４４００ＭＰａである、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の方法。
前記組成物から製造されるガラス繊維を含浸させるステップをさらに含み、ガラス繊維が８５ＧＰａより大きい含浸ストランド引張弾性率を有する、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の方法。
前記組成物から製造されるガラス繊維を含浸させるステップをさらに含み、ガラス繊維が９０ＧＰａの含浸ストランド引張弾性率を有する、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の方法。
５６〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１６〜２３重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の質量パーセント比が２〜４、
８〜１２重量パーセントのＭｇＯ、
６〜１０重量パーセントのＣａＯ、ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が０．７〜１．５、
０．７〜２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ１重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および
２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物
を含むガラス繊維、
ならびに
マトリックス材料
を含む、ガラス繊維強化品。
ガラス繊維が、５７．５〜６０．５重量パーセントのＳｉＯ_２、
１７．３〜２１．５重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、ただし、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３の重量パーセント比が２．７〜３．５、
９．０〜１１．３重量パーセントのＭｇＯ、
７．５〜９．７重量パーセントのＣａＯ、ただし、ＭｇＯ／ＣａＯの重量パーセント比が１．０〜１．２、
０．７〜２重量パーセントのＮａ_２Ｏ、
０重量パーセント以上、かつ０．５重量パーセント未満のＬｉ_２Ｏ、および、２重量パーセント未満の残部合計の遷移金属酸化物を含む、請求項２５に記載のガラス繊維強化品。
風力タービン翼である、請求項２５又は２６に記載のガラス繊維強化品。
ガラス繊維が、８５ＧＰａより大きい含浸ストランド引張弾性率を有する、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載のガラス繊維強化品。
ガラス繊維が、９０ＧＰａの含浸ストランド引張弾性率を有する、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載のガラス繊維強化品。