JP2019081707A

JP2019081707A - ガラス組成物およびガラス組成物から作製された繊維

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Publication number: JP2019081707A
Application number: JP2019034581A
Authority: JP
Inventors: リーホン; Hong Li; シー．ワトソンジェイムズ; C Watson James
Original assignee: PPG Industries Ohio Inc
Current assignee: PPG Industries Ohio Inc
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2019-05-30
Also published as: WO2011017343A3; US20180127306A1; MX2012001462A; US20110028606A1; CN102471132B; US20170113964A1; MX370955B; JP2017154970A; WO2011017343A2; CN108821567A; JP6210681B2; RU2563009C2; JP2013500938A; JP2015098436A; RU2012108100A; US9862638B2; AU2010279583A1; EP2462068A2; US9556059B2; AU2010279583B2

Abstract

【課題】パーライトおよび／または軽石を含む、顕著な量の１つ以上のガラス状鉱物を含むバッチ組成物から形成される繊維化可能なガラス組成物を提供すること【解決手段】本発明の実施態様は、パーライトおよび／または軽石を含む、顕著な量の１つ以上のガラス状鉱物を含むバッチ組成物から形成される繊維化可能なガラス組成物を提供する。一実施態様において、本発明は、少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物を提供し、該ガラス状鉱物は、少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３との組み合わせを含む。【選択図】図１

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２００９年８月３日に出願された通常出願第１２／５３４，４９０号に対する優先権を主張し、この出願の全開示は参照として援用される。

発明の技術
本発明は、ガラス組成物、詳しくは繊維を形成するためのガラス組成物に関する。

発明の背景
ガラス連続繊維（Ｅ−ガラス型およびＣ−ガラス型）の大規模な商業生産は、結晶または実質的に結晶の性質の鉱物から主としてなるバッチ材料を溶融させることを含む。これらの結晶性原料をガラス状態に変換するには溶融プロセスにおいてかなりのエネルギーを投入する必要がある。結晶性材料に付随するかなりのエネルギー投資を考慮して、ガラス組成物の製造においてガラス状鉱物または非晶質鉱物が時に用いられてきた。ガラス構造または非晶質構造は、溶融プロセスにおいて消費されるエネルギーの量を低減することができる。例えば、ミネラルウールの製造のための原料のかなりの部分として、玄武岩および黒曜石などのガラス状鉱物が用いられてきた。

しかし、ある種のガラス状鉱物に関する欠点は、そのような鉱物の高い鉄含有率である。玄武岩および黒曜石はともに比較的大量の鉄を含み、そのため、得られるそれらの溶融物はエネルギーを非常に吸収するようになる。その結果、これらの鉱物の溶融加工のために従来のガス燃焼炉を用いることは、通常、非現実的となる。高い鉄含有率のガラス状鉱物を加工するために電気溶融法を用いることができるが、これは、多くの場合に、従来のガス燃焼炉技術と比較して高容量ガラス繊維製造における制約となる。一般的に、Ｅ−ガラス繊維およびＣ−ガラス繊維の製造において用いられる原料は鉄含有率が低く、そのため、大規模ガス燃焼炉を用いることが可能になる。

パーライト（およびその発泡形の軽石）は、ガラス形で天然に存在する鉱物である。パーライトは、ガラス製造における原料として広く用いられたことはない。その理由の一部はその組成パラメータである。パーライトの主な成分は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３およびアルカリ酸化物（Ｒ_２Ｏ）である。ＳｉＯ_２は、通常、パーライト中に約７０から約７５重量パーセントの間の量で存在する。Ａｌ_２Ｏ_３は、通常、パーライト中に約１２から約１５重量パーセントの間の量で存在する。アルカリ酸化物は、通常、パーライト中に約３から約９重量パーセントの間の量で存在する。これらのパラメータは、例えばＥ−ガラスおよびＣ−ガラスのガラス組成物を含むいくつかの広く用いられているガラス組成物の組成要件と相容れない。

例えば、Ｅ−ガラス組成物はガラス繊維を形成するのに適している。その結果、ポリマー強化用途などの強化用途において用いられているガラス繊維の大部分はＥ−ガラス組成物から形成される。Ｅ−ガラス組成物では、一般的にアルカリ酸化物の量は２パーセント以下に限定される。パーライトの高いアルカリ酸化物含有率はこの制約と相容れず、そのためパーライトはＥ−ガラス組成物の製造のためのバッチ組成物に用いるには概して不適当である。

さらに、酸性環境中で腐食に抵抗する繊維を形成するためにＣ−ガラス組成物も用いられてきた。酸性腐食に耐えるために、Ｃ−ガラス組成物は高いＳｉＯ_２含有量と低いＡｌ
_２Ｏ_３含有量（＜８重量％）とを含む。パーライトの高いＡｌ_２Ｏ_３含有量は、一般的にＣ−ガラス組成物の製造のためのバッチ組成物におけるパーライトの使用を阻む。

要旨
一局面において、本発明は、パーライトおよび／または軽石を含む、顕著な量の１つ以上のガラス状鉱物を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物を提供する。別の局面において、本発明は、本明細書に記載されているガラス組成物から形成されるガラス繊維を提供する。

一実施態様において、本発明は、少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物を提供し、該ガラス状鉱物は、少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。一部の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６５重量パーセントのガラス状鉱物を含み、該ガラス状鉱物は、少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。一部の実施態様において、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含むガラス状鉱物は、パーライト、軽石、またはそれらの混合物である。

さらに、一部の実施態様において、バッチは少なくとも１０重量パーセントのナトリウム源を含む。ナトリウム源は、一部の実施態様において、炭酸ナトリウム（ソーダ）を含む。

別の実施態様において、本発明は、５３〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、８〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、８．５〜１８重量パーセントのアルカリ酸化物（Ｒ_２Ｏ）成分および金属酸化物（ＲＯ）成分を含むガラス組成物を提供し、該金属酸化物成分は、約０．１５から約１．５の範囲のＲ_２Ｏ／ＲＯの質量比を提供する量で存在する。

一部の実施態様において、Ｒ_２Ｏ成分はＮａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯもしくはＬｉ_２Ｏ、またはそれらの混合物を含む。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は６．５重量パーセントから約１６重量パーセントの範囲の量のＮａ_２Ｏを含む。ガラス組成物は、ある実施態様において２重量パーセントから４重量パーセントの範囲の量のＫ_２Ｏを含む。一部の実施態様において、ガラス組成物は、最大２重量パーセントの量のＬｉ_２Ｏを含む。

一部の実施態様において、ＲＯ成分はＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯもしくはＺｎＯ、またはそれらの混合物を含む。ＲＯ成分は、一部の実施態様において本発明のガラス組成物中に７重量パーセントから３１重量パーセントの範囲の量で存在する。一実施態様において、ガラス組成物は最大約５重量パーセントの量のＭｇＯを含む。ガラス組成物は、一部の実施態様において７重量パーセントから２６重量パーセントの範囲の量のＣａＯを含む。一部の実施態様において、ガラス組成物は最大３重量パーセントの量のＺｎＯを含む。

本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、ＲＯに加えて、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｎＯ_２もしくはＬａ_２Ｏ_３、またはそれらの混合物を含むがこれに限定されるものではない金属酸化物を含む。

別の実施態様において、本発明は、５６〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１２〜１７重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１２〜１４重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ
、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２、および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス組成物を提供する。

別の実施態様において、本発明は、６０〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、７〜１５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１３〜１５．５重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２、および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス組成物を提供する。

別の実施態様において、本発明は、５５〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１４重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１１〜１６．５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１４〜１７重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２、および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス組成物を提供する。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は１重量パーセント未満のＦｅ_２Ｏ_３含有率を有する。ガラス組成物は、他の実施態様において０．７重量パーセント未満のＦｅ_２Ｏ_３を含んでよい。

本発明の一部の実施態様によれば、ガラス組成物は繊維化可能である。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は、１１２０℃から約１３００℃の範囲の形成温度（Ｔ_Ｆ）を有する。本明細書において用いられている用語「形成温度」は、ガラス組成物が１０００ポアズの粘度を有する温度（または「Ｌｏｇ３温度」）を意味する。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は形成温度において繊維化可能である。さらに、一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は約１０２０℃から約１２４０℃の範囲の液相線温度（Ｔ_Ｌ）を有する。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物の形成温度と液相線温度との間の差は約４５℃から約１６５℃の範囲である。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物の形成温度と液相線温度との間の差は少なくとも６５℃である。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は２．３５ｇ／ｃｍ^２から２．４０ｇ／ｃｍ^２の範囲の形成温度における溶融密度を有する。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は２．３６ｇ／ｃｍ^２から２．３８ｇ／ｃｍ^２の範囲の溶融密度を有する。

本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、約３９０Ｅ^−３Ｎ／ｍから４００Ｅ^−３Ｎ／ｍの範囲の形成温度における溶融表面張力を有する。

本明細書に提示されているようにガラス繊維は、本発明のガラス組成物の一部の実施態様から形成することができる。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は、約５３ＧＰａから約６５ＧＰａの範囲のモジュラス（Ｅ）を有する。さらに、一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は、１．３０〜１．３５Ｅ^５ｍの範囲の比強度を有する。

本発明のガラス組成物から形成される繊維は、一部の実施態様において、酸およびアルカリ腐食抵抗性も示す。例えば、一実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は、１００℃において１ＮのＨ_２ＳＯ_４（ｐＨ０）に１時間曝露されると約０．
５５から約０．６０の範囲の重量減少（重量％）がある。別の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は、１００℃において０．１ＮのＮａＯＨ（ｐＨ１２）に１時間曝露されると、約０．２５から０．３０の範囲の重量減少（重量％）がある。

本発明のガラス組成物から形成されるガラス繊維は、さまざまな強化用途において用いることができる。一部の実施態様において、本発明のガラス繊維は、熱可塑性ポリマーおよび熱硬化性ポリマーを含むポリマーの強化において用いられる。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成されるガラス繊維は、セメントおよび屋根板などの屋根システムを含むがこれに限定されるものではない建材の強化において用いられる。

別の局面において、本発明は、パーライトおよび／または軽石を含む、顕著な量の１つ以上のガラス状鉱物を含むバッチ組成物からガラス組成物を作る方法を提供する。

一実施態様において、本発明のガラス組成物を作る方法は、少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含むバッチ組成物であって、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含むバッチ組成物を提供するステップ、およびガラス組成物を形成するのに十分な温度にバッチ組成物を加熱するステップを含む。一部の実施態様において、バッチ組成物は、約１４００℃から約１４５０℃の温度に加熱される。

これらの実施態様および他の実施態様は、以下の発明を実施するための形態において、より詳細に示される。

図１は、本発明の一実施態様による、微粒パーライトと粗粒パーライトとの固体から液体への変換を比較する高温示差熱分析（ＤＴＡ）の結果を提示している。図２は、本発明の実施態様によるガラス組成物の溶融粘度の測定において用いられる装置を例示している。図３は、本発明の実施態様によるガラス組成物の液相線温度（Ｔ_Ｌ）の測定において用いられる炉の熱電対の位置および加熱コイルの巻き数を例示している。図４は、本発明の一実施態様によるガラス組成物、２つの市販Ｅ−ガラス組成物、およびＣ−ガラス組成物について温度−粘度曲線を提示している。図５は、本発明の一実施態様によるガラス組成物、および２つの市販Ｅ−ガラス組成物について溶融ガラス表面張力を温度の関数として提示している。図６は、本発明の一実施態様によるガラス組成物、および２つの市販Ｅ−ガラス組成物についての温度の関数としての融解または溶融ガラス密度のプロットである。図７は、本発明の一実施態様によるガラス組成物、ならびにＥ−ガラスおよびＣ−ガラス組成物についての温度の関数としての電気伝導率のプロットである。図８は、いくつかのバッチ組成物から本発明の一実施態様によるガラス溶融組成物への変換のためのエネルギー所要量を提示している。図９は、本発明の一部の実施態様によるさまざまなガラス組成物の繊維強度のワイブル統計解析を要約している。

特に明記されない限り、以下の明細書中に示されている数値パラメータは近似値であり、本発明によって得られるべく求められる所望の特性に応じて変化し得る。少なくとも、かつ均等物の原理の適用を特許請求の範囲に限定しようとするものではなく、各数値パラメータは、少なくとも、報告されている有意な桁数を考慮するとともに通常の丸め技法を適用することによって解釈するべきである。

本発明の広義の範囲を示す数値範囲およびパラメータは近似値であるが、特定の実施例に示されている数値は、可能な限り正確に報告されている。しかし、いずれの数値もそれらのそれぞれの試験測定において見いだされる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を固有に含んでいる。さらに、本明細書に開示されているすべての範囲は、その中に包含されるありとあらゆる部分範囲を包含すると理解するべきである。例えば、「１から１０」の提示範囲は、最小値１と最大値１０との間の（１および１０を含む）ありとあらゆる部分範囲、すなわち１以上の最小値、例えば１から６．１で始まるものと、１０以下の最大値、例えば５．５から１０で終るものとのすべての部分範囲を含むとみなすべきである。さらに、「本明細書に組み込まれる」として参照されるいずれの参考文献も、その全体として組み込まれると理解するべきである。

さらに、本明細書において用いられる単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、明示的にかつ疑念の余地なく１つの指示対象に限定されない限り、複数の指示対象を含む点に注意すること。

本発明の特定の実施態様は、ガラス状鉱物によって提供されるさまざまな熱力学上および加工上の利点を使用して望ましい特性を有するガラス組成物を提供することができる。一局面において、本発明は、パーライトおよび／または軽石を含む、顕著な量の１つ以上のガラス状鉱物を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物を提供する。本ガラス組成物は、一部の実施態様において、繊維化可能なガラス組成物とすることができる。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成されるガラス繊維は、Ｅ−ガラスおよびＣ−ガラス組成物などの従来の組成物から形成されるガラス繊維以上の機械特性および腐食抵抗特性を含むがこれに限定されるものではない、有利な特性を示すことができる。

本発明のさまざまな実施態様は、繊維化可能なガラス組成物を含むがこれに限定されるものではないガラス組成物を提供する。一実施態様において、本発明は、少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物を提供し、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。一部の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６５重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。別の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６８重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。

一部の実施態様において、少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含むガラス状鉱物は、パーライト、軽石、またはそれらの混合物である。

さらに、一部の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも１０重量パーセントのナトリウム源を含む。別の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも１２重量パーセントのナトリウム源を含む。本発明のバッチ組成物において用いられる適当なナトリウム源は、一部の実施態様において、炭酸ナトリウム（ソーダ）を含む。

別の実施態様において、本発明は、５３〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、８〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、８．５〜１８重量パーセントのアルカリ酸化物（Ｒ_２Ｏ）成分、および金属酸化物（ＲＯ）成分を含むガラス組成物を提供し、金属酸化物成分は、約０．１５から約１．５の範囲のＲ_２Ｏ／ＲＯの質量比を提供する量で存在する。

一部の実施態様において、Ｒ_２Ｏ成分は単一の化合物に限定されず、いくつかの化合物を含んでよい。一部の実施態様において、Ｒ_２Ｏ成分はＮａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯもしくはＬｉ_２Ｏ、またはそれらの混合物を含む。さらに、一部の実施態様において、Ｒ_２Ｏ成分は、Ｎａ_２Ｏだけ、Ｋ_２Ｏだけ、Ｌｉ_２Ｏだけ、Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとの組み合わせ、Ｋ_２ＯとＬｉ_２Ｏとの組み合わせ、Ｎａ_２ＯとＬｉ_２Ｏとの組み合わせ、またはＮａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯおよびＬｉ_２Ｏの組み合わせを意味してよいがこれに限定されるものではない。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は６．５重量パーセントから約１６重量パーセントの範囲の量のＮａ_２Ｏを含む。別の実施態様において、ガラス組成物は９重量パーセントから１３重量パーセントの範囲の量のＮａ_２Ｏを含む。一部の実施態様において、ガラス組成物は１０重量パーセントから１２．５重量パーセントの範囲の量のＮａ_２Ｏを含む。

本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、２重量パーセントから４重量パーセントの範囲の量のＫ_２Ｏを含む。一部の実施態様において、ガラス組成物は２．５重量パーセントから３．５重量パーセントの範囲の量のＫ_２Ｏを含む。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は、最大２重量パーセントの量のＬｉ_２Ｏを含む。ガラス組成物は、別の実施態様において、０．５重量パーセントから１．５重量パーセントの範囲の量のＬｉ_２Ｏを含む。

一部の実施態様において、ＲＯ成分はＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯもしくはＺｎＯ、またはそれらの混合物を含む。一部の実施態様において、ＲＯ成分はＭｇＯだけ、ＣａＯだけ、ＳｒＯだけ、ＢａＯだけまたはＺｎＯだけを含んでよい。一部の実施態様において、ＲＯ成分は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯおよびＺｎＯの２つ以上の金属酸化物のいずれの組み合わせも含んでよい。ＲＯ成分は、一部の実施態様において、本発明のガラス組成物中に７重量パーセントから３１重量パーセントの範囲の量で存在する。

一実施態様において、本発明のガラス組成物は最大５重量パーセントの量のＭｇＯを含む。ガラス組成物は、別の実施態様において、１重量パーセントから４重量パーセントの範囲の量のＭｇＯを含む。一部の実施態様において、ガラス組成物は２重量パーセントから３重量パーセントの範囲の量のＭｇＯを含む。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は７重量パーセントから２６重量パーセントの範囲の量のＣａＯを含む。ガラス組成物は、別の実施態様において、８重量パーセントから２０重量パーセントの範囲の量のＣａＯを含む。一部の実施態様において、ガラス組成物は１０重量パーセントから１４重量パーセントの範囲の量のＣａＯを含む。

一部の実施態様において、ガラス組成物は最大３重量パーセントの量のＺｎＯを含む。

本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、ＲＯに加えて、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｎＯ_２もしくはＬａ_２Ｏ_３、またはそれらの混合物を含むがこれに限定されるものではない金属酸化物を含む。一部の実施態様において、ガラス組成物は最大３重量パーセントの量のＺｒＯ_２、最大３重量パーセントの量のＴｉＯ_２、最大３重量パーセントの量のＭｎＯ_２および／または最大３重量パーセントの量のＬａ_２Ｏ_３を含んでよい。

別の実施態様において、本発明は５６〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１２〜１７重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１２〜１４重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセン
トのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス組成物を提供する。

別の実施態様において、本発明は６０〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、７〜１５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１３〜１５．５重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス組成物を提供する。

別の実施態様において、本発明は５５〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１４重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１１〜１６．５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１４〜１７重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス組成物を提供する。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は１重量パーセント未満のＦｅ_２Ｏ_３含有率を有する。ガラス組成物は、他の実施態様において、０．７重量パーセント未満のＦｅ_２Ｏ_３を含んでよい。

本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、約１１２０℃から約１３００℃の範囲の形成温度（Ｔ_Ｆ）を有する。別の実施態様において、本発明のガラス組成物は約１１５０℃から約１２５０℃の範囲の形成温度を有する。一部の実施態様において、ガラス組成物は約１２００℃から約１２２５℃の範囲の形成温度を有する。

本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、約１０２０℃から約１２４０℃の範囲の液相線温度を有する。別の実施態様において、本発明のガラス組成物は約１０７０℃から約１２００℃の範囲の液相線温度を有する。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は約１１１０℃から約１１４０℃の範囲の液相線温度を有する。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物の形成温度と液相線温度との間の差は約４５℃から約１６５℃の範囲である。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物の形成温度と液相線温度との間の差は少なくとも６５℃である。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は２．３５ｇ／ｃｍ^２から２．４０ｇ／ｃｍ^２の範囲の形成温度における溶融密度を有する。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物は２．３６ｇ／ｃｍ^２から２．３８ｇ／ｃｍ^２の範囲の溶融密度を有する。本明細書においてさらに考察されるように、一部の実施態様において、本発明の一部のガラス組成物の溶融密度は、一部のＥ−ガラス組成物の溶融密度より５％から７％低い。その結果、本発明の一部のガラス組成物から形成されるガラス繊維は、一部のＥ−ガラス繊維と比較して単位体積あたりで軽い。より軽いガラス繊維は、多くの用途、特にポリマー強化用途などの、多くの場合に軽量化が非常に望ましい材料強化用途において利点とすることができる。さらに、より低い密度の結果として、本発明の一部のガラス組成物から形成されるガラス繊維は、同じ重量の一部のＥ−ガラス繊維と比較してより大きな直径を有し、それにより、向上した機械特性を提供することができる。

さらに、本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、約３９０Ｅ^−３Ｎ／ｍから４００Ｅ^−３Ｎ／ｍの範囲の形成温度における溶融表面張力を有する。

本明細書に提示されているように、本発明のガラス組成物は、パーライトおよび／また
は軽石を含む、顕著な量の１つ以上のガラス状鉱物を含むバッチ組成物から製造することができる。顕著な量のガラス状鉱物を含むバッチ組成物から製造される際に、本発明のガラス組成物は、一部の実施態様においてかなり大きな省エネルギーを実現することができる。本明細書においてさらに考察されるように、一部の実施態様において、本発明のガラス組成物の溶融物の製造に必要なエネルギーは、一部のＥ−ガラス組成物の溶融物を製造するために必要なエネルギーと比較して最大３３％少ない。

本発明のガラス組成物は、いくつかの方法によって製造することができる。一実施態様において、ガラス組成物を製造する方法は、少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含むバッチ組成物を提供するステップ、およびガラス組成物の溶融物を形成するのに十分な温度にバッチ組成物を加熱するステップを含む。一部の実施態様において、バッチ組成物は約１４００℃から約１４５０℃の温度に加熱される。

一部の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６５重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。別の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６８重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。

一部の実施態様において、少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含むガラス状鉱物は、パーライト、軽石、またはそれらの混合物である。本発明のガラス組成物の製造において用いられるパーライトおよび／または軽石は、一部の実施態様において、微粒子または粉体の形で提供される。一部の実施態様において、微細な粒子サイズを有するパーライトおよび／または軽石組成物を用いることによって、より粗い粒子サイズと対比して追加の省エネルギーを実現することができる。図１は、微粒パーライト（約２００メッシュ）と粗粒パーライト（約４５メッシュ）との固体から液体への変換を比較する高温示差熱分析（ＤＴＡ）の結果を例示している。図１に例示されているように、微粒パーライトと粗粒パーライトとはともに室温でガラス状または非晶質であるが、微粒パーライトは粗粒パーライトと比べて固体から液体への変換時に必要なエネルギーが少ない。さらに、微粒パーライトは、粗粒パーライトより低い温度で液体形成を始める。

さらに、一部の実施態様において、本発明のバッチ組成物は少なくとも１０重量パーセントのナトリウム源を含む。一部の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも１２重量パーセントのナトリウム源を含む。本発明のバッチ組成物に用いられる適当なナトリウム源は、一部の実施態様において、炭酸ナトリウム（ソーダ）を含む。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物を製造するために用いられるバッチ組成物は、石灰岩、ドロマイト、またはそれらの混合物を含むがこれに限定されるものではない他の鉱物をさらに含む。例えば、一実施態様において、バッチ組成物は最大１７重量パーセントの石灰岩をさらに含む。別の実施態様において、バッチ組成物は最大１３重量パーセントのドロマイトをさらに含む。

本明細書に提示されているように、ガラス繊維は、本発明のガラス組成物のいずれからも形成することができる。本発明のさまざまな実施態様によるガラス繊維は、ガラス繊維を形成するために当分野において知られているいずれのプロセス、より望ましくは基本的にガラス連続繊維を形成するために当分野において知られているいずれのプロセスを用いても形成することができる。例えば、本明細書において限定するものではないが、本発明
の非限定的な実施態様によるガラス繊維は、直接溶融または間接溶融繊維形成方法を用いて形成することができる。これらの方法は当分野において周知であり、それについてのこれ以上の考察は、本開示を考慮すると必要とは思われない。例えば、Ｋ．Ｌ．Ｌｏｅｗｅｎｓｔｅｉｎの「ＴｈｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｌａｓｓＦｉｂｅｒｓ」の第３版、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ｎ．Ｙ．、１９９３年の４７〜４８頁および１１７〜２３４頁を参照すること。

一実施態様において、本発明は、少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物を含むガラス繊維を提供し、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。一部の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６５重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。別の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６８重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。

別の実施態様において、本発明は、５３〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、８〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、８．５〜１８重量パーセントのアルカリ酸化物（Ｒ_２Ｏ）成分および金属酸化物（ＲＯ）成分を含み、金属酸化物成分は、約０．１５から約１．５の範囲のＲ_２Ｏ／ＲＯの質量比を提供する量で存在するガラス繊維を提供する。

別の実施態様において、本発明は５６〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１２〜１７重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１２〜１４重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス繊維を提供する。

別の実施態様において、本発明は６０〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、７〜１５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１３〜１５．５重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス繊維を提供する。

別の実施態様において、本発明は５５〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１４重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１１〜１６．５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１４〜１７重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含むガラス繊維を提供する。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は約５３．０ＧＰａから約６５．０ＧＰａの範囲のモジュラス（Ｅ）を有する。別の実施態様において、本発明のガラス組成物から（ｆｏｒｍ）形成される繊維は約５６ＧＰａから約６２ＧＰａの範囲のモジュラス（Ｅ）を有する。さらに、一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は１．３０〜１．３５Ｅ^５ｍの範囲の比強度を有する。

一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は酸およびアルカリ腐食抵抗性も示す。例えば、一実施態様において、本発明のガラス組成物から形成されるガラス繊維は１００℃において１ＮのＨ_２ＳＯ_４（ｐＨ０）に１時間曝露されると０．５５から０．６０の範囲の重量減少（重量％）を有する。別の実施態様において、本発明
のガラス組成物から形成されるガラス繊維は１００℃において１ＮのＨ_２ＳＯ_４（ｐＨ０）に１時間曝露されると０．６０から１．７０の範囲の重量減少（重量％）を有する。

別の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成される繊維は１００℃において０．１ＮのＮａＯＨ（ｐＨ１２）に１時間曝露されると約０．２５から約０．３０の範囲の重量減少（重量％）を有する。本発明のガラス組成物から形成される繊維は、一部の実施態様において、１００℃において０．１ＮのＮａＯＨ（ｐＨ１２）に１時間曝露されると０．３５から０．８５の範囲の重量減少（重量％）を有する。

本明細書において限定するものではないが、本発明の一部の実施態様によるガラス繊維は、構造強化用途において有用なものとすることができる。一部の実施態様において、本発明のガラス繊維は熱可塑性ポリマーおよび熱硬化性ポリマーを含むポリマーの強化において用いられる。一部の実施態様において、本発明のガラス組成物から形成されるガラス繊維はセメントおよび屋根板などの屋根システムを含むがこれに限定されるものではない建材の強化において用いられる。

一実施態様において、本発明は、ポリマー材料とポリマー材料中にある少なくとも１つのガラス繊維とを含むポリマー複合材料を提供し、少なくとも１つのガラス繊維は、少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。一部の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６５重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。別の実施態様において、バッチ組成物は少なくとも６８重量パーセントのガラス状鉱物を含み、ガラス状鉱物は少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含む。

別の実施態様において、本発明は、ポリマー材料とポリマー材料中にある少なくとも１つのガラス繊維とを含むポリマー複合材料を提供し、少なくとも１つのガラス繊維は５３〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、８〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、８．５〜１８重量パーセントのアルカリ酸化物（Ｒ_２Ｏ）成分および金属酸化物（ＲＯ）成分を含み、金属酸化物成分は約０．１５から約１．５の範囲のＲ_２Ｏ／ＲＯの質量比を提供する量で存在する。

別の実施態様において、本発明は、ポリマー材料とポリマー材料中にある少なくとも１つのガラス繊維とを含むポリマー複合材料を提供し、少なくとも１つのガラス繊維は５６〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１２〜１７重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１２〜１４重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含む。

別の実施態様において、本発明は、ポリマー材料とポリマー材料中にある少なくとも１つのガラス繊維とを含むポリマー複合材料を提供し、少なくとも１つのガラス繊維は６０〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、７〜１５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１３〜１５．５重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含む。

別の実施態様において、本発明は、ポリマー材料とポリマー材料中にある少なくとも１つのガラス繊維とを含むポリマー複合材料を提供し、少なくとも１つのガラス繊維は５５〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、９〜１４重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、１１〜１６．５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、１４〜１７重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、０〜３重量パーセントのＺｎＯ、０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２および０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３を含む。

本発明のさまざまな実施態様によるポリマー複合体は、ポリマー複合体を作るために当分野において知られているいずれの方法によっても作ることができる。例えば、一実施態様において、本発明によるポリマー複合体は、ガラス繊維の織布または不織布またはマットにポリマー材料を含浸させ、次にポリマー材料を硬化させることによって作ることができる。別の実施態様において、本発明のガラス組成物を含むガラス連続繊維および／またはガラスチョップド繊維は、ポリマー材料中に配置することができる。ポリマー材料の素性に応じて、ポリマー材料はガラス連続繊維またはチョップド繊維を受け入れた後に硬化させることができる。

次に、以下の非限定的な実施例において、本発明のさまざまな非限定的な実施態様が例示される。

表Ｉに提示されている本発明のガラス組成物の実施例１から６を、６５〜７２重量パーセントのパーライト、０〜２２重量パーセントのドロマイト、６〜３５重量パーセントの石灰岩および０〜８重量パーセントのソーダを含む成分の混合物を提供することによって調製した。実施例１から６を製造するために用いられたパーライト、ドロマイト、石灰岩および／またはソーダの特定の量を、各ガラス組成物の所望の組成パラメータに関して各鉱物の組成パラメータを参照して決定した。続いて、鉱物の混合物を約１４００℃の温度に加熱して溶融ガラス組成物を得た。溶融ガラス組成物を冷却して実施例１から６のガラス組成物を提供した。

表ＩＩに提示されている本発明のガラス組成物の実施例７から１３を、６９〜７１重量パーセントのパーライト、６〜２０重量パーセントの石灰岩および７〜１０重量パーセントのソーダを含む成分の混合物を提供することによって調製した。実施例７から１３を製造するために用いられたパーライト、石灰岩およびソーダの特定の量を、各ガラス組成物の所望の組成パラメータに関して各鉱物の組成パラメータを参照して決定した。続いて、鉱物の混合物を約１４００℃の温度に加熱して溶融ガラス組成物を得た。溶融ガラス組成物を冷却して実施例７から１３のガラス組成物を提供した。

^＊ガラス組成物を製造するために用いられたバッチ組成物にＺｒＯ_２およびＴｉＯ_２を加えた。

表ＩＩＩに提示されている本発明のガラス組成物の実施例１４から１９を、６９〜７２重量パーセントのパーライト、０〜１３重量パーセントのドロマイト、３〜１７重量パーセントの石灰岩および７〜１０重量パーセントのソーダを含む成分の混合物を提供することによって調製した。実施例１４から１９を製造するために用いられたパーライト、石灰岩、ソーダおよび／またはドロマイトの特定の量を、各ガラス組成物の所望の組成パラメータに関して各鉱物の組成パラメータを参照して決定した。続いて、鉱物の混合物を約１４００℃の温度に加熱して溶融ガラス組成物を得た。溶融ガラス組成物を冷却して実施例１４から１９のガラス組成物を提供した。

^＃１重量％Ｎａ_２Ｏの代りに１重量％Ｌｉ_２Ｏ、精製に用いられたＳｂ_２Ｏ_３を除去した^＊精製にＳｂ_２Ｏ_３を用いた
表ＩＶに提示されている本発明のガラス組成物の実施例２０から３７を、６８〜７３重量パーセントのパーライト、０〜１３重量パーセントのドロマイト、４〜１６重量パーセントの石灰岩および１２〜１７重量パーセントのソーダを含む成分の混合物を提供することによって調製した。実施例２０から３７を製造するために用いられたパーライト、石灰岩、ソーダおよび／またはドロマイトの特定の量を、各ガラス組成物の所望の組成パラメータに関して各鉱物の組成パラメータを参照して決定した。続いて、鉱物の混合物を約１４００℃の温度に加熱して溶融ガラス組成物を得た。溶融ガラス組成物を冷却して実施例２０から３７のガラス組成物を提供した。

^＊添加剤としてＢ_２Ｏ_３を用いられた
^＊＊１重量％Ｎａ_２Ｏおよび１重量％ＣａＯの代りにＺｎＯを使用し、Ｓｂ_２Ｏ_３を除去した
表Ｖに提示されている実施例３８のガラス組成物を、１重量％のＮａ_２Ｏの代わりに１重量％のＬｉ_２Ｏを用いたことおよび精製時に用いられたＳｂ_２Ｏ_３をすべて除去したことを除き、上記の実施例１２のガラス組成物に従って調製した。表Ｖの実施例３９のガラス組成物を、１重量％のＮａ_２Ｏおよび１重量％のＣａＯの代わりにＺｎＯを用いたことおよび精製時に用いられたＳｂ_２Ｏ_３をすべて除去したことを除き、上記の実施例１２のガラス組成物に従って調製した。

表ＶＩに提示されている本発明のガラス組成物の実施例４０から７１を、ガラス組成物がＬｉ_２Ｏ、Ｌａ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、およびＺｒＯ_２のさまざまな組み合わせを含むように設計されたことを除き、上記の実施例１２のガラス組成物に従って調製した。さまざまな量のＬｉ_２ＣＯ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯおよびＺｒＯ_２を実施例１２のバッチ組成物に組み込み、実施例３９〜７０を製造した。さら
に、実施例３９〜７０のガラス組成物のそれぞれは０．０９重量％のＳＯ_３、０．２７〜０．２８重量％のＦおよび０．５３〜０．５５重量％のＦｅ_２Ｏ_３も含んでいた。

Ｉ．溶融特性
実施例１から７１のいくつかのガラス組成物の溶融特性を検討した。本発明のガラス組成物の溶融特性の検討は、さまざまな組成パラメータがガラス組成物の形成温度（Ｔ_Ｆ）
および液相線（Ｔ_Ｌ）温度を含む加工上考慮すべきことにどのように影響を及ぼすかを定める助けとなった。

本発明のさまざまなガラス組成物の形成温度を決定するための溶融粘度の測定を、１０^２〜１０^５ポアズの粘度範囲で釣り合いおもり法によって実行した。この方法を実行するために用いられた装置は、ＮＩＳＴ標準ガラスを用いて較正された。図２は、この装置の概略を示している。

溶融粘度を測定するための装置（１）は、１６ｍｍの直径を有する白金球（２）を備えていた。白金球（２）を、分析用天秤の右側秤量部に取り付けられた特別なブラケット／ホルダー（１１）の助けを借りて細い白金ワイヤー（６）で吊り下げた。最初に、白金ワイヤー（６）の第一の末端をＡ点においてブラケット／ホルダーに取り付けた。炉（９）を暖めた後、白金球をるつぼ（３）の内部の試料溶融物の中に置き、ワイヤーの第１の末端をＢ点においてブラケット／ホルダーに取り付けて、白金球（２）を溶融物の中央に配置した。白金球（２）とるつぼ（３）の壁との間の距離は１３〜１５ｍｍであった。この距離がこれより小さいと、測定の精度に影響が及ぶであろう。

ライダーの重量を変化させることによって溶融物の中の白金球（３）の運動を実行した。溶融物の中のこの球の運動の速度は、天秤秤量部で観測された天秤指針移動の相対数で定義された。天秤指針が零位置から１００ポイント両側に動いたとき、溶融物の中の球は中心位置から上下に１．７ｍｍ移動した。天秤の感度は１００ポイントあたり１０ｍｇであった。炉の中のるつぼ（３）の隣にＰｔ／ＰｔＲｈ熱電対を置き、炉の自動温度調節を提供した。Ａｌ_２Ｏ_３粉体で満たされたるつぼ（１０）の内部に別の熱電対（５）の高温側末端があった。この熱電対は電位差計と接続されて炉の温度を設定点に制御した。温度調節の精度は±１．５℃であった。

測定時、白金球（２）はその重力下で溶融物の中の定められた上位置から定められた下位置へ移動し、ストップウォッチを用いて０．１秒以内の精度で移動時間を記録した。溶融物の粘度に応じて２０〜６０秤量目盛りへの天秤秤量部の移動時間を測定した。白金球（２）運動の速度（秤量目盛りあたり／秒）は６回の測定の平均値として定められた。

検討した各ガラス組成物について速度（Ｖ）−重量（Ｇ）データを用いてＶ−Ｇのプロットを作成し、そのすべてがＶ−Ｇ座標の原点を通る直線を示した。各線の勾配ｋは、
ｌｏｇη＝ａ＊ｌｏｇ（ｔｇｋ）＋ｂ
の形で溶融粘度と相関し、ここで、ａ（１．０９）およびｂ（０．８７）は、ＮＩＳＴ標準ガラス（７１０Ａ）を用いるセル較正から求められた定数であった。粘度を定める際の相対誤差は、２．５＜ｌｏｇη＜３．５の粘度範囲で３％以内、ｌｏｇη＜２．５およびｌｏｇη＞３．５の範囲で４〜６％以内であった。

ガラス組成物液相線温度（Ｔ_Ｌ）の測定を、最大温度１２５０℃を有する管型傾斜炉の中で行った。炉室の寸法は、長さ４８０ｍｍおよび直径５０ｍｍであった。炉の幾何形状および寸法は、ＡＳＴＭＣ８２９−８１によって推薦されているものに近かった。図３は、熱電対の位置および加熱コイルの巻き数を例示している。コイルは、２ｍｍの直径を有するＮｉＣｒ抵抗合金ワイヤーでできていた。

表ＶＩＩは、実施例１〜２２のガラス組成物について、測定された液相線温度（Ｔ_Ｌ）と１０００ポアズの溶融粘度によって定められた基準形成温度（Ｔ_Ｆ）とをまとめたものである。実施例１〜６のガラス組成物は、傾斜温度炉の設定上限である１２４０℃より大きな液相線温度を示した。その結果、これらの組成物について形成温度の測定のための粘度測定は行われなかった。さらに、いくつかのガラス組成物は、少なくとも６５℃の液相
線温度と形成温度との差を維持しながら、より低い液相線温度および形成温度を有することにより、望ましい溶融特性を示した。実施例１８、２０および２１は、それぞれ少なくとも７５℃の液相線温度と形成温度との差を維持しながら１２２２℃未満の形成温度を示した。

表ＶＩＩＩは、実施例４０から７１のガラス組成物について、測定された液相線温度（Ｔ_Ｌ）と形成（Ｔ_Ｆ）温度とをガラス組成物中のＬｉ_２Ｏの重量パーセントの関数としてまとめたものである。表ＶＩＩＩに提示されているように、本発明のガラス組成物の液相線および形成温度を低くする上でＬｉ_２Ｏが重要な役割を演じ、形成温度および液相線温度の低下の最小値はそれぞれ３０℃および４３℃である。

図４は、実施例１８のガラス組成物、２つのＥ−ガラス組成物およびＣ−ガラス組成物について、温度−粘度曲線を提示している。図４から、実施例１８のガラス組成物の温度−粘度特性は、Ｃ−ガラス組成物のものと同様である点に注目する。さらに、実施例１８のガラス組成物についての粘度変化は、Ｅ−ガラス組成物について示されているものほど急激ではない。その結果、請求項１８のガラス組成物は「長い」ガラスであることを特徴とすることができ、一方、Ｅ−ガラス組成物は「短い」ガラスである。実施例１８などのより長いガラスは、原則として、繊維が形成チップから出た直後の形成温度範囲での溶融粘度の低下が遅くなる結果として形成張力が小さくなるために、細いフィラメントの製造形成に有利である。

図５は、実施例２２のガラス組成物について、温度の関数としての溶融ガラス表面張力を２つのＥ−ガラス組成物と比較して示すことにより、形成張力の低下をさらに例示している。図５に提示されているように、形成温度における実施例２２のガラス組成物の表面張力はＥ−ガラス組成物より９％および１４％低い。

図６は、２つのＥ−ガラス組成物と比較した実施例２２のガラス組成物についての融解または溶融ガラス密度の温度の関数としてのプロットである。図６に提示されているように、実施例２２のガラス組成物は、Ｅ−ガラス組成物と同様な温度依存性（勾配）を示したが、Ｅ−ガラス組成物よりそれぞれ５％および７％低い溶融密度を有した。その結果、本発明の一部のガラス組成物から形成されたガラス繊維は、単位体積あたり一部のＥ−ガラス繊維と比較して軽くなる。より軽いガラス繊維は、軽量化が非常に望ましい多くの用途、特にポリマー強化用途などの材料強化用途において利点とすることができる。さらに、密度低下の結果として、本発明の一部のガラス組成物から形成されたガラス繊維は、同じ重量の一部のＥ−ガラス繊維と比較して直径を大きくすることができ、それにより、向
上した機械的特性を提供することができる。

図７は、Ｅ−ガラスおよびＣ−ガラス組成物と比較した実施例２５のガラス組成物についての温度の関数としての電気伝導率のプロットである。図７に提示されているように、実施例２５のガラス組成物およびＣ−ガラス組成物は、それらのアルカリ金属含有率が顕著に高くなっているため、Ｅ−ガラスよりはるかに高い電気伝導率を示している。無機ガラス組成物の溶融物伝導率は、一般的にナトリウムおよびカリウムの移動性イオンによって支配されている。Ｅ−ガラス組成物中のナトリウムおよびカリウムイオン含有率が低いことの結果として、電気融解技術はＥ−ガラス加工のための補助支援システムとして用いられているだけである。しかし、電気融解技術は、Ｃ−ガラス組成物の加工のための主エネルギーとして用いられてきた。本発明のガラス組成物が一部の実施態様において一部のＣ−ガラス組成物より高い溶融物伝導率を示すことを考えると、電気溶融技術は本発明のガラス組成物の加工に利用され得る。

さらに、パーライトおよび／または軽石を含むバッチ組成物から形成される本発明のガラス組成物は、一部の実施態様において、バッチ組成物をガラス融解組成物に変換するために必要なエネルギーが少なくなる。図８は、パーライトを含むバッチ組成物を実施例１２のガラス融解組成物に変換するために必要なエネルギーを提示している。図８は、Ｅ−ガラスバッチ組成物を関連するガラス溶融物に変換するために必要なエネルギーも示している。図８に示されているように、実施例１２のバッチ組成物をガラス融解組成物に変換するために必要なエネルギーは、Ｅ−ガラスバッチ組成物をガラス融解組成物に変換するために必要なエネルギーより２０％少なかった。第２のＥ−ガラスバッチ組成物をガラス融解組成物に変換するために必要なエネルギーも、実施例１２のバッチ組成物をガラス融解組成物に変換するために必要なエネルギーと比較された。実施例１２のバッチ組成物を変換するために必要なエネルギーは、第２のＥ−ガラスバッチ組成物をガラス融解組成物に変換するエネルギーより約３３パーセント（％ｐｅｒｃｅｎｔ）少なかった。
ＩＩ．酸およびアルカリ腐食抵抗性
実験室内において単一チップブッシング装置を用いて本発明のガラス組成物から形成される繊維が作られた。同じ試験条件下の市販ガラス繊維腐食抵抗性と比較するために、ＡＲ−、Ｃ−、ＥＣＲ−およびＥ−のガラス繊維もカレットを用いる同じ方法を用いて作られた。

浸出試験後の相対試料パーセント重量減少という観点からガラス繊維の腐食への抵抗性を評価した。試験を、さまざまなｐＨ条件で硫酸または水酸化ナトリウム溶液中１００℃で繊維の糸を１時間煮沸することによって行った。試験をすべて、試料質量または体積（５，０００ｍ^２）に対する溶液体積の比を一定に保つことによって実行した。各試験のために５０ｍｌの溶液および１．３７５グラム（フィラメント直径２２μｍ）のを用いられた。平均試料重量減少を決定するために３連の試料を試験した。酸およびアルカリ腐食抵抗性試験の結果は、表ＩＸに示されている。

^１平均は、３つの個別試験から求め、標準偏差は０．１％以下である。
^２Ｃ−ガラス（重量％）：６６ＳｉＯ_２、５．５Ａｌ_２Ｏ_３、１０．４ＣａＯ、３．６ＭｇＯ、０．３Ｆｅ_２Ｏ_３、０．２Ｋ_２Ｏ、１２．５Ｎａ_２Ｏ、０．５Ｆ、および０．２ＳＯ_３。
^３ＡＲ−ガラス（重量％）：５７ＳｉＯ_２、３．２Ａｌ_２Ｏ_３、１５ＺｒＯ_２、４．２ＣａＯ、０．１ＭｇＯ、０．１Ｆｅ_２Ｏ_３、０．１Ｋ_２Ｏ、１２Ｎａ_２Ｏ、０．５Ｆ、および０．２３ＳＯ_３。
ＩＩＩ．機械的試験
実験室において単一チップブッシングから１０μｍの直径の繊維を引くことによって、本発明の実施例３７のガラス組成物から形成された繊維の引張り強度を測定した。続いて、繊維を繊維形成の同じ日のうちに繊維に両端から引張り力を加えることによって試験した。図９は、５７の試料サイズの場合について、平均約３０５０ＭＰａおよび標準誤差２２．４ＭＰａを用いる繊維強度のワイブル統計解析のまとめである。テール部分を除くと、強度は単一ワイブル分布と適合し、単一破壊モードが繊維破壊（ｆｉｂｅｒｆａｉｌｕｒｅ）を支配していることを明らかに示唆した。

実験室において単一チップブッシングから本発明の実施例３７のガラス組成物を含む直径３０μｍの繊維を引くことによって、繊維音響引張りモジュラスを測定した。続いて、
繊維を両端から静荷重を加えて繊維の内部を移動する音の速度を測定することによって試験した。繊維密度も測定した。Ｅ＝ρＣ^２、ここでＥ、ρおよびＣはそれぞれモジュラス、密度および音速、を用いて引張りモジュラスを計算した。２つの異なる温度において２組の繊維を形成し、第１の組は１０００ポアズの溶融粘度（低Ｔ形成）、第２の組は第１の組より５０℃高い温度で形成した（高Ｔ形成）。表Ｘは、繊維モジュラスの統計解析のまとめであり、低形成温度の場合および高形成温度の場合について平均はそれぞれ約５６．８ＧＰａおよび６１．５ＧＰａである。

本発明の実施態様によって示すことができる望ましい特性は、ガラス状鉱物を利用する新しいガラス組成物の提供、パーライトを利用する新しいガラス組成物の提供、ガラス組成物の溶融物を形成するために必要なエネルギーが少なくなるバッチ組成物の提供、液相線温度と形成温度との顕著な差を示す新しいガラス組成物の提供、機械特性を低下させることなく重量を低下させたガラス繊維の提供、および望ましい酸およびアルカリ腐食抵抗性を示すガラス繊維の提供を含むことができるがこれに限定されるものではない。

本記載は、本発明の明快な理解に関連する本発明の局面を例示していることが理解されるべきである。当業者に自明であろう、従って本発明のより良好な理解の助けとならない本発明の特定の局面は、本記載を単純にするために提示されなかった。特定の実施態様と結び付けられて本発明が記載されてきたが、本発明は開示されている特定の実施態様に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義されている本発明の技術思想および範囲内にある変更を包含するものとする。

本発明の好ましい実施形態は、例えば、以下を提供する：
（項目１）
５３〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、
８〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、
８．５〜１８重量パーセントのアルカリ酸化物成分（Ｒ_２Ｏ）、および
金属酸化物（ＲＯ）成分
を含むガラス組成物であって、前記金属酸化物成分は、約０．１５から約１．５の範囲のＲ_２Ｏ／ＲＯ比を提供する量で存在するガラス組成物。
（項目２）
前記ＲＯ成分は、７重量パーセントから３１重量パーセントの範囲の量で存在する、項目１に記載のガラス組成物。
（項目３）
前記ＲＯ成分は、金属酸化物の混合物を含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目４）
前記ＲＯ成分は、ＣａＯとＭｇＯとの混合物を含む、項目３に記載のガラス組成物。
（項目５）
前記ＲＯ成分は、７から２６重量パーセントの範囲の量のＣａＯを含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目６）
前記ＲＯ成分は、最大５重量パーセントの量のＭｇＯを含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目７）
前記Ｒ_２Ｏ成分は、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯもしくはＬｉ_２Ｏ、またはそれらの混合物を含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目８）
前記Ｒ_２Ｏは、６．５から１６重量パーセントの範囲の量のＮａ_２Ｏを含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目９）
Ｒ_２Ｏは、２から４重量パーセントの範囲の量のＫ_２Ｏを含む、項目１の項目に記載のガラス組成物。
（項目１０）
Ｒ_２Ｏは、最大２重量パーセントの量のＬｉ_２Ｏを含む、項目１の項目に記載のガラス組成物。
（項目１１）
最大８重量パーセントの量のＺｒＯ_２をさらに含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目１２）
前記ＲＯ成分は、最大３重量パーセントの量のＺｎＯを含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目１３）
最大３重量パーセントの量のＭｎＯ_２をさらに含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目１４）
最大３重量パーセントの量のＴｉＯ_２をさらに含む、項目１に記載のガラス組成物。
（項目１５）
最大３重量パーセントの量のＬａ_２Ｏ_３をさらに含む、項目１に記載のガラス組成物。（項目１６）
約１１２０℃から約１３００℃の範囲の繊維形成温度を有する、項目１に記載のガラス組成物。
（項目１７）
前記ガラス組成物の形成温度と液相線温度との間の差は、少なくとも約６５℃である、項目１に記載のガラス組成物。
（項目１８）
前記ガラス組成物の形成温度と液相線温度との間の差は、約４５℃から約１６５℃の範囲である、項目１に記載のガラス組成物。
（項目１９）
少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物であって、少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含むガラス状鉱物、および
少なくとも５重量パーセントのナトリウム源
を含むバッチ組成物から形成されるガラス組成物。
（項目２０）
前記バッチは、少なくとも６０重量パーセントの前記ガラス状鉱物を含む、項目１９に記載のガラス組成物。
（項目２１）
前記バッチは、少なくとも６５重量パーセントの前記ガラス状鉱物を含む、項目１９に記載のガラス組成物。
（項目２２）
前記バッチは、少なくとも１０重量パーセントの前記ナトリウム源を含む、項目１９に記載のガラス組成物。
（項目２３）
前記ガラス状鉱物は、パーライト、軽石、またはそれらの混合物を含む、項目１９に記載のガラス組成物。
（項目２４）
少なくとも５０重量パーセントのガラス状鉱物および少なくとも５重量パーセントのナトリウム源を含むバッチ組成物を提供するステップであって、前記ガラス状鉱物は、少なくとも８０重量パーセントの量のＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との組み合わせを含むステップ、および
前記バッチを加熱して前記ガラス組成物の溶融物を形成させるステップ
を含む、ガラス組成物を製造する方法。
（項目２５）
前記バッチ組成物は、約１１２０℃から約１３００℃の範囲の繊維形成温度に加熱される、項目２４に記載の方法。
（項目２６）
前記ガラス組成物を繊維化するステップをさらに含む、項目２５に記載の方法。
（項目２７）
５６〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、
９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、
１２〜１７重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、
１２〜１４重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、
０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、
０〜３重量パーセントのＺｎＯ、
０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、
０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２、および
０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３
を含むガラス組成物。
（項目２８）
６０〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、
９〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、
７〜１５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、および
１３〜１５．５重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、
０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、
０〜３重量パーセントのＺｎＯ、
０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、
０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２、および
０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３
を含むガラス組成物。
（項目２９）
５４〜６３重量パーセントのＳｉＯ_２、
９〜１４重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、
１１〜１６．５重量パーセントのＲＯ（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、および
１４〜１７重量パーセントのＲ_２Ｏ（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）、
０〜２重量パーセントのＬｉ_２Ｏ、
０〜３重量パーセントのＺｎＯ、
０〜３重量パーセントのＺｒＯ_２、
０〜３重量パーセントのＭｎＯ_２、および
０〜３重量パーセントのＬａ_２Ｏ_３
を含むガラス組成物。
（項目３０）
前記ガラス組成物は、０．７重量パーセント未満のＦｅ_２Ｏ_３を含む、項目２７から２９のいずれか１項に記載のガラス組成物。
（項目３１）
５３〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、
８〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、
８．５〜１８重量パーセントのアルカリ酸化物（Ｒ_２Ｏ）成分、および
金属酸化物（ＲＯ）成分
を含み、
前記金属酸化物成分は、約０．１５から約１．５の範囲のＲ_２Ｏ／ＲＯの質量比を提供する量で存在するガラス繊維。
（項目３２）
ポリマー材料、および
前記ポリマー材料の中にある少なくとも１つのガラス繊維であって、
５３〜６４重量パーセントのＳｉＯ_２、
８〜１２重量パーセントのＡｌ_２Ｏ_３、
８．５〜１８重量パーセントのアルカリ酸化物（Ｒ_２Ｏ）成分、および
金属酸化物（ＲＯ）成分
を含むガラス繊維
を含み、前記金属酸化物成分は、約０．１５から約１．５の範囲のＲ_２Ｏ／ＲＯの質量比を提供する量で存在するポリマー複合体。

Claims

ガラス組成物または該ガラス組成物から作製された繊維。