JP2024048532A - 化学強化ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】安定した防火性能を有する化学強化ガラスを提供する。【解決手段】表面圧縮応力ＣＳが３４０ＭＰａ以上であり、圧縮応力層の深さＤＯＬが２０μｍ以上５０μｍ以下であり、板厚が２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、徐冷点以上に加熱し、１℃／分で徐冷した際の密度変化が０．００５０ｇ／ｃｍ3以下であり、ソーダライムガラスである、化学強化ガラス。【選択図】図１

Description

化学強化ガラスであって、特に、防火性能を有する化学強化ガラスに関する。

従来、延焼防止等の目的のため、遮炎性能が求められる防火ガラスとして、火災発生時にガラスが割れ、脱落することによる開口が生じないようにした網入りガラスが用いられている。また、風冷強化法によりガラス表面に表面圧縮応力を形成し、火災によって発生するガラス面内とサッシで覆われたエッジ部分との温度差により発生する引張応力（熱応力）に耐えることで割れにくくした耐熱強化ガラス（特許文献１参照）、又は透明結晶化ガラス等も防火ガラスとして用いられている。

特開２０２１－１７５７０４号公報

防火ガラスとして用いられる上記の網入りガラス及び耐熱強化ガラスは、適当な防火性能を有するものの、その性質上厚さが厚くなることから取り扱い性に問題がある。また、透明結晶化ガラスは、クラックにより強度が低下することなどの問題がある。

かかる問題に対して、取り扱い性を容易化し且つ適当な強度を得るために、防火ガラスとして化学強化ガラスを適用することが考えられる。しかしながら、防火ガラスの分野では、安定した防火性能を有する化学強化ガラスが提案されておらず、よって、安定した防火性能を有する化学強化ガラスの開発が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、安定した防火性能を有する化学強化ガラスを提供することを目的とする。

本発明の一態様の化学強化ガラスは、表面圧縮応力ＣＳが３４０ＭＰａ以上であり、圧縮応力層の深さＤＯＬが２０μｍ以上５０μｍ以下であり、板厚が２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、徐冷点以上に加熱し、１℃／分で徐冷した際の密度変化が０．００５０ｇ／ｃｍ³以下であり、ソーダライムガラスである。

上記の化学強化ガラスは、ＪＩＳ Ｒ３２０６（２００３）で規定される反りが０．２５％以下であってもよい。

上記いずれかの化学強化ガラスのエッジ強度は、対数０．１％破壊確率の応力で１９０ＭＰａ以上であってもよい。

上記いずれかの化学強化ガラスは、エッジ強度の破壊応力の最小値が２３０ＭＰａ以上であってもよい。

上記いずれかの化学強化ガラスは、エッジ強度の破壊応力の平均値が２９０ＭＰａ以上であってもよい。

上記いずれかの化学強化ガラスは、端面の潜傷深さが４５μｍ以下であってもよい。

上記いずれかの化学強化ガラスは、圧縮応力層の深さＤＯＬに対し、潜傷深さの割合が９５％以下であってもよい。

本発明の化学強化ガラスによれば、防火性能を安定化できる。

実施形態に係る化学強化ガラスの斜視図である。 化学強化ガラスの反りの測定位置を説明するための図である。 グリッドボード法評価で用いるグリッドボードを示す図である。 グリッドボード法による評価事例を示す図である。 エッジ強度を測定するための試験治具の一例を示す概略図である。 化学強化後のガラスから４枚のガラス板を切断する方法を説明した図である。 各ガラス板の密度変化を比較したグラフである。 ３点曲げ試験機の概略説明である。 ビームベンディング粘度計の装置構成図である。 ビームベンディング法により６枚の試験体の変位量を測定したグラフである。 ５８０℃付近まで加熱された耐熱強化ガラスを熱画像で示した説明図である。 ５８０℃付近まで加熱された化学強化ガラスを熱画像で示した説明図である。

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明は、以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用できる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

ここで、図中、同一の記号で示す部分は、同様の機能を有する同様の要素である。また、本明細書中で、数値範囲を“ ～ ”を用いて表す場合は、“ ～ ”で示す上限、下限の数値も数値範囲に含むものとする。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳説する。図１は、実施形態にかかる化学強化ガラス１０の外観を示した斜視図である。

〔化学処理について〕
図１に示す本例の化学強化ガラス１０は、化学処理により、ガラス表面に圧縮応力層及びガラス内部に引張り応力層を生じさせたガラスであり、ガラスの表面に圧縮応力層を形成させて強度を高めたガラスである。化学処理としては、例えば、イオン交換法等がある。イオン交換法は、ガラス板の表面及び裏面をイオン交換し、ガラスに含まれる小さなイオン半径のイオン（例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン）を大きなイオン半径のイオン（例えば、カリウムイオン）に置換するものである。これにより、ガラス板の表面層及び裏面層に表面圧縮応力ＣＳ（Compressive Stress）が生じる。表面圧縮応力ＣＳはガラスの表面全体に生じ、ガラスの表面全体に均一な厚みの圧縮応力層が形成される。イオン交換法では、ガラス板を高温の処理液（例えば、硝酸カリウム溶融塩）に浸漬してイオン交換を行う。なお、イオン交換時には、ガラス板のすべての端面においてもイオン交換を行い、エッジ強度を向上させることが好ましい。

〔表面圧縮応力ＣＳ及び圧縮応力層の深さＤＯＬについて〕
ガラス表面の表面圧縮応力ＣＳの大きさ、ガラス表面に形成される圧縮応力層の深さ（ＤＯＬ：Depth of Layer）は、それぞれ、化学処理時間、及び化学処理温度により調整できる。例えば、化学処理温度が同じ場合、化学処理時間が長いほど、圧縮応力層の深さＤＯＬが深くなる。また、化学処理温度が同じ場合、化学処理時間が長いほど、最初は表面圧縮応力ＣＳの大きさが大きくなる。なお、途中から表面圧縮応力ＣＳの大きさが小さくなる。また、化学処理時間と化学処理温度が異なるとき、圧縮応力層の深さＤＯＬと、表面圧縮応力ＣＳの大きさとは、一対一で対応しない場合がある。

化学強化ガラスは、表面圧縮応力ＣＳが大きいほど強度が高められて割れにくくなり、防火ガラスとして好ましいものとなる。このような観点から、本例の化学強化ガラス１０は、表面圧縮応力ＣＳが３４０ＭＰａ以上であり、好ましくは３６０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは３８０ＭＰａ以上である。これにより、本例の化学強化ガラス１０は、防火ガラスとして好適な強度を有する。なお、化学強化ガラス１０の表面圧縮応力ＣＳは、製造コストを削減し、圧縮応力層の深さＤＯＬの深さを確保して機械的強度を得るために、６５０ＭＰａ以下であってもよい。

化学強化ガラスは、圧縮応力層の深さＤＯＬが深いほど外力に対して割れにくくなり、防火ガラスとして好ましいものとなる。このような観点から、本例の化学強化ガラス１０は、圧縮応力層の深さＤＯＬが２０μｍ以上であり、好ましくは２４μｍ以上であり、更に好ましくは２８μｍ以上である。これにより、本例の化学強化ガラス１０は、防火ガラスとして外力に耐え得る好適な強度を有する。なお、化学強化ガラス１０の圧縮応力層の深さＤＯＬは、表面圧縮応力ＣＳの大きさを確保し、溶融塩への浸漬を短時間であってもよくするために、５０μｍ以下であってもよい。

〔板厚について〕
本例の化学強化ガラス１０は、防火ガラスに適用するために、板厚が２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、好ましくは２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、より好ましくは２ｍｍ以上８ｍｍ以下であり、更に好ましくは２ｍｍ以上６ｍｍ以下である。化学強化ガラス１０は、板厚が２ｍｍ以上であれば窓ガラスとして使用した際に化学強化ガラス１０のたわみを少なくできる。また、化学強化ガラス１０は、板厚が１２ｍｍ以下であれば、重量は大きすぎず、従来の耐熱強化ガラス及び網入りガラスと比較して、取り扱いは困難にならない。

〔ソーダライムガラスについて〕
また、化学強化ガラス１０は、ソーダライムガラスで構成される。ソーダライムガラスは、例えば、酸化物基準のモル百分率表示でＳｉＯ₂を６５～７６％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．２～３％、Ｎａ₂Ｏを１０～１６％、Ｋ₂Ｏを０～２％、ＭｇＯを２～１２％、ＣａＯを５～１５％含有することが好ましい。以降、百分率表示は、特に断らない限り、酸化物基準のモル百分率表示含有量を示す。

ＳｉＯ₂は、ガラス微細構造の中で網目構造を形成する成分として知られており、ガラスを構成する主要成分である。ＳｉＯ₂の含有量は、６５％以上であり、好ましくは６７％以上、より好ましくは６９％以上である。また、ＳｉＯ₂の含有量は、７６％以下であり、好ましくは７４％以下、より好ましくは７２％以下である。ＳｉＯ₂の含有量が６５％以上であるとガラスとしての安定性や耐候性の点で優位である。一方、ＳｉＯ₂の含有量が７６％以下であると熔解性及び成形性の点で優位である。

Ａｌ₂Ｏ₃はガラスの耐候性を向上させる成分であり、化学強化におけるイオン交換性能を向上させる作用がある。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量は、０．２％以上であり、好ましくは０．４％以上、より好ましくは０．６％以上である。また、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量は、３％以下であり、好ましくは２％以下、より好ましくは１．５％以下である。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が０．２％以上であると、ガラスを屋外に面して使用しても十分な耐候性が得られる。一方、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が３％以下であると、ガラスの熔解時の粘性を低く保つことができ、かつ成型時に失透が発生することがなく、ソーダライムガラス生産ラインでの熔解、成形の点で優位である。

Ｎａ₂Ｏはガラスの高温粘性と失透温度を下げ、ガラスの熔解性、成形性を向上させる成分である。また、イオン交換により圧縮応力を形成させる成分であり、圧縮応力層の深さＤＯＬを大きくする作用がある。Ｎａ₂Ｏの含有量は、１０％以上であり、好ましくは１１％以上、より好ましくは１２％以上である。また、Ｎａ₂Ｏの含有量は、１６％以下であり、好ましくは１５％以下、より好ましくは１４％以下である。Ｎａ₂Ｏの含有量が１０％以上であると、イオン交換により所望の圧縮応力を形成できる。一方、Ｎａ₂Ｏの含有量が１６％以下であると、充分な耐候性が得られる。

Ｋ₂Ｏは必須ではないが、ガラスの熔解性を向上するため、化学耐久性を向上するため、イオン交換速度を増大するため含有してもよい。一方、Ｋ₂Ｏが多くなりすぎるとガラスの熱膨張係数が大きくなり、熱割れし易く、防火性が低下する。Ｋ₂Ｏを含有する場合は２％以下が好ましく、好ましくは１％以下、より好ましくは０．５％以下である。Ｋ₂Ｏの含有量が２％以下であると、熱割れしにくく、防火ガラスに適している。

ＭｇＯは、ガラスを安定化させる成分である。ＭｇＯの含有量は、２％以上、好ましくは３％以上、より好ましくは４％以上である。また、ＭｇＯの含有量は、１２％以下であり、好ましくは１０％以下、より好ましくは９％以下である。ＭｇＯの含有量が２％以上であると、ガラスの耐候性が良好になる。高温での熔解性が良好になる。一方、ＭｇＯの含有量が１２％以下であると、ガラス製造時に失透が起こりにくい。

ＣａＯは、ガラスを安定化させる成分である。耐水性、耐薬品性を向上させるために、ＣａＯの含有量は、５％以上、好ましくは６％以上、より好ましくは７％以上である。また、ＣａＯの含有量は、１５％以下であり、好ましくは１３％以下、より好ましくは１１％以下である。ＣａＯの含有量が５％以上であるとガラスの耐水性、耐薬品性が良好になる。一方、ＣａＯの含有量が１５％以下であると、ガラス製造時に失透が起こりにくく、イオン交換で所望の圧縮応力が得られる。

以上述べた成分以外に、硫酸塩等の清澄剤、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＳｎＯ₂等の微量成分を、合計で１％以下含有してもよい。

〔反りについて〕
また、化学強化ガラス１０の、ＪＩＳ Ｒ３２０６（２００３）で規定される反りは、好ましくは０．２５％以下であり、より好ましくは０．２０％以下であり、更に好ましくは０．１５％以下である。反りが０．２５％以下であると、防火ガラス（窓ガラス）としての反射映像の歪みを防止できる。化学強化ガラス１０の反りは、化学強化工程中のガラスのチルト角度を±１．０度で管理、つまり鉛直方向からの傾きを±１．０度以下に維持し、ガラスのたわみを抑えることで小さくできる。なお、本例の化学強化ガラス１０を、周知構成の複層ガラスに適用した場合、反りが０．２５％以下であると、火災発生時にシール剤の隙間が開きにくくなり、炎が漏れにくくなる利点がる。

図２は、ガラス板の反りの測定位置を説明するための図である。図２に示すように、ガラス板の頂点を結ぶ辺（長辺Ａ及びＢ、短辺Ｃ及びＤ、対角線Ｅ及びＦ）に沿う位置の反りを、ＪＩＳ Ｒ３２０６（２００３）に規定されている方法に従い測定した。測定した反り（単位：ｍｍ）を、測定した辺の長さ（ｍｍ）で割ることにより、反り（＝反り量/各辺の長さ）（単位：％）を求めた。表（１）は、反りを測定した結果を示す。

表（１）に示す品種について説明すると、ＣＴ３は３ｍｍの板厚の化学強化ガラスであり、ＣＴ５は５ｍｍの板厚の化学強化ガラスである。ＦＲ３．３は３．３ｍｍの板厚の耐熱強化ガラスであり、ＦＲ３は３ｍｍの板厚の耐熱強化ガラスであり、ＦＲ５は５ｍｍの板厚の耐熱強化ガラスである。化学強化ガラスは、化学強化工程中のガラスのチルト角度を±１．０度で管理、つまり鉛直方向からの傾きを±１．０度以下に維持し、ガラスのたわみを抑えるように製造されたものである。耐熱強化ガラスは、化学強化ガラスと異なり、ガラスの軟化温度近くの６５０～７００℃まで加熱し、ガラス両面に空気を一様に吹き付けて急冷することにより製造されたものである。測定に使用した化学強化ガラスの大きさは、２０００ｍｍ×９００ｍｍであった。

表（１）に示すように、ＣＴ３及びＣＴ５は０．１５％以下を満たし、ＦＲ３．３、ＦＲ３は０．２５％以下、ＦＲ５は０．１５％以下を満たしていない辺があった。ＣＴ３及びＣＴ５は、反りを小さくできることが理解できる。

次に、ガラス板の反りと反射映像との関係について説明する。上述のＣＴ３、ＣＴ５、ＦＲ３及びＦＲ５について、グリッドボード法により反射映像の評価を実施した。図３はグリッド評価法で用いるグリッドボードである。図４はグリッドボード法による評価事例を示す図である。

図３に示すように、等間隔の平行線群が直交に配置された、格子状のグリッドボードを準備する。このグリッドボードを評価対象のガラス板から１０ｍ離れた延長線上に配置し、グリッドボードの０．５ｍ手前からガラス板を観察する。その結果、図４に示すように、ガラス板にはグリッドボードの格子で囲まれた複数のコマが反射映像として視認される。反射映像の複数のコマの中から矢印Ａで示す丸印で囲まれた最小面積のコマと、矢印Ｂで示す丸印で囲まれた最大面積のコマを抽出し、以下の式（１）から横（縦）伸縮コマ比を求めた。表２は、品種と伸縮コマ比の値を示しており、図４の長辺を横、短辺を縦としている（ガラスサイズ：２０００ｍｍ×９００ｍｍ）。

式（１）に示す伸縮コマ比の値が小さいほど、反射映像が良好になる。

表（２）に示すように、ＣＴ３及びＣＴ５の伸縮コマ比の値は、ＦＲ３及びＦＲ５の伸縮コマ比の値と比較して小さい。表（１）及び表（２）から、化学強化ガラス１０を化学強化ガラスにすることにより、ガラス板の反りを小さくでき、その結果、歪みが小さい、良好な反射映像が得られることが理解できる。

次に、エッジ強度について説明する。ガラスの防火試験において、熱を受けたガラス板の中央部に発生した熱膨張によって、ガラス板は端部に引っ張り応力が付与されると、その引っ張り応力が、ガラス板に備わった端面の強度（エッジ強度）を超えることによってガラス板端面の微細なクラック又は切断時の傷等を起点として亀裂が生じ、その亀裂がガラス板内へ伝播して破壊へ至る。

このような破壊のメカニズムのため、ガラス板の防火性能を向上させる為には、エッジ強度が重要である。そこで、実施例に示すように、防火性能を安定化させるエッジ強度の範囲を検証した。

実施例では、ＪＩＳ Ｒ３２２３（２０１７）に規定される試験方法に基づき、図５に示す試験治具を使用し、化学強化ガラス１０のエッジ強度について、対数０．１％破壊確率の応力、エッジ強度の破壊応力の最小値及びエッジ強度の破壊応力の平均値を求めた。ここで対数０．１％破壊確率の応力は、ガラスに該応力が印加された際に、１０００枚中１枚破損する可能性があることを意味する。エッジ強度の評価のためのＮ数は１０体以上が好ましく、より好ましくは２０体以上である。

図５に示すように、評価する試験片のガラスエッジが下方、すなわち支持棒側となるように試験治具に設置し、板厚ｔ（ｍｍ）、１００（ｍｍ）の高さＨ、１０００（ｍｍ）の幅Ｗ、の試験片を、９００（ｍｍ）の支持スパンｌ₁で支持し、３００（ｍｍ）の荷重スパンｌ₂、１ｍｍ／分の荷重点速度として、エッジ強度を測定した。これらの条件の曲げ変形試験によってエッジの強度評価を行った。破壊荷重Ｆを式（２）に代入して破壊強度σ_feを計算し、対数正規分布による統計処理からエッジの０．１％破壊確率強度を求めた。このエッジ強度評価試験において、曲げ変形でガラスが破壊した時の最大荷重を破壊荷重Ｆとした。なお、破壊起点が荷重スパン内にあり、かつ破壊起点がガラス板の端面にあるデータのみを統計処理した。

〔エッジ強度、エッジ強度の破壊応力の最小値及び平均値について〕
さらに、破壊強度σ_feからエッジ強度の破壊応力の最小値及びエッジ強度の破壊応力の平均値を求めた。防火ガラスとしての化学強化ガラス１０のエッジ強度は、好ましくは対数０．１％破壊確率の応力で１９０ＭＰａ以上であり、より好ましくは２１０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは２３０ＭＰａ以上である。また、防火ガラスとしての化学強化ガラス１０のエッジ強度の破壊応力の最小値は、好ましくは２３０ＭＰａ以上であり、より好ましくは２５０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは２７０ＭＰａ以上である。また、防火ガラスとしての化学強化ガラス１０のエッジ強度の破壊応力の平均値は、好ましくは２９０ＭＰａ以上であり、より好ましくは３１０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは３３０ＭＰａ以上である。

エッジ強度の評価に供される化学強化ガラスは、２０００ｍｍ×９００ｍｍのガラスを面取した後、化学強化処理し、化学強化後のガラスから４枚のガラス板を切断し、試験体とした。図６は、化学強化後の化学強化ガラスから４枚のガラス板を切断する場合の図である。図６に示すように１枚のガラス板Ｇ（２０００ｍｍ×９００ｍｍ）から、ガラス板の周縁を含むように４枚のガラス板Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４（１０００ｍｍ×１００ｍｍ）が切断される。

エッジ強度（破壊応力）の大きさは、試験体の大きさに影響を受ける。２個の試験体の破壊強度をσ_fe1及びσ_fe2とし、エッジの有効表面積をＳ_e1及びＳ_e2とし、形状母数をｍとした場合、以下の式（３）の関係式を満たすことが知られている。形状母数ｍは、ＪＩＳ Ｒ１６２５（２０１０）に準拠したワイブルプロットから求められる。

本例の化学強化ガラス１０の場合、ガラス板の板厚が一定であれば、有効表面積は有効長さの比になる。大板サイズのガラス板と小板サイズのガラス板とが同じ板厚の場合、次のように算出できる。

大板サイズのガラス板の破壊強度がσ_fe2（ＭＰａ）、大きさが１０００ｍｍ（Ｗ）×１００ｍｍ（Ｈ）、有効評価長さ（荷重スパン）が３００ｍｍ（ｌ₂）で、小板サイズのガラス板の大きさが７０ｍｍ（Ｗ）×２０ｍｍ（Ｈ）、有効評価長さ（荷重スパン）が２０ｍｍ（ｌ₂）である場合、小板サイズのガラス板の破壊強度のσ_fe1（ＭＰａ）を推測する場合、式（３）に基づいて、式（４）により算出できる。

〔潜傷深さについて〕
防火ガラスとしての化学強化ガラス１０の潜傷深さに関し、安定したエッジ強度及び防火性能を実現できる面取り後の化学強化ガラスの端面の潜傷深さは、好ましくは４５μｍ以下であり、より好ましくは３５μｍ以下であり、更に好ましくは２０μｍ以下である。なお、化学強化ガラスの端面に処理される面取りは、Ｃ面取り、Ｒ面取り等、面取りの形状は、特に限定されない。ここで、潜傷とは、端面の形状付与、面取り、又は研削等の加工工程において、ガラスに生じる目に見えない微細な傷のことである。これらの潜傷は、エッチング処理を行うと傷の先端が開くため、顕微鏡による観察が可能となる。

〔圧縮応力層の深さＤＯＬに対する潜傷深さの割合について〕
防火ガラスとしての化学強化ガラス１０の圧縮応力層の深さＤＯＬに対する潜傷深さの割合は、好ましくは９５％以下であり、より好ましくは７０％以下であり、更に好ましくは５０％以下である。圧縮応力層の深さＤＯＬに対する潜傷深さの割合を上述の範囲とすることで、防火性能を向上できる。

次に、潜傷の深さを測定する方法について説明する。

まず、化学強化ガラスのエッジ端面を所定量研磨する。この際、評価に影響する新たな潜傷が発生しないように注意深く研磨する。その後エッチング処理して洗浄と乾燥を行い、光学顕微鏡で観察する。例えば、光学顕微鏡の対物レンズは２０倍を使用し、観察視野６３５μｍ×４８０μｍで観察を行う。この観察で潜傷が５つ以上の場合、別の新たなサンプルについて、研磨量を調整し、同様の操作を行う。潜傷が５つ未満の場合、残った潜傷深さをレーザー顕微鏡にて観察し、研磨後の潜傷深さを測定する。研磨後の潜傷深さと研磨量の和を、化学強化ガラスのオリジナルの潜傷深さとする。

「エッチング」は、化学強化ガラスの全体をエッチング液に浸漬して室温（２５℃）で行われる。エッチング液としては、４６質量％のフッ酸（ＨＦ）１３ｍＬとクエン酸１２ｇを混合し、純水を所定量混合して、ＨＦ３％溶液を作成する。エッチング液は化学強化ガラスの表面や内部に形成される潜傷に浸入し、潜傷を拡げて明瞭化するために実施される。

「エッチング量」は、浸漬時間で制御される。具体的には、あらかじめ同一組成のガラスを用いて所定時間エッチングを行ってエッチングレートを算出した後、所望のエッチング量となるように浸漬時間を調整してエッチングを行う。なお、ガラスの種類によっては、エッチングレートを調整するためにフッ酸濃度を変更してもよい。

潜傷深さの大きさは観察視野の大きさに影響を受ける。ここで、潜傷深さと観察視野の関係は、式（３）の関係式における破壊強度σ_feとエッジの有効表面積Ｓ_eの関係から推算する。ガラスの破壊強度σ_fe（σ_c）は式（５）に示すように傷の深さｃの平方根に反比例することが知られている。ここで、Ｋ_ICはガラスの破壊靭性値、Ｙは傷の形状で決まる係数である。観察視野６３５μｍ×４８０μｍで観察した場合に潜傷深さが４５μｍ以下であるという条件に対し、観察視野が変化した場合は適切な潜傷深さの上限値は、Ｋ_ICとＹの値を一定として、式（３）と式（５）から求める。

〔密度変化について〕
ガラスは、ガラス板に成形し、室温に冷却した後にガラスの仮想温度（構造温度Ｔｆともいう）が低くなっていることが好ましい。仮想温度とは、ガラス構造が、何度の過冷却液体の安定構造（（準）熱平衡状態）に対応しているかを示す温度であり、ガラスの徐冷点から２００℃付近までの冷却速度によって決定される。ガラスの冷却速度が早いと構造緩和する時間が不十分になるため、同じ組成のガラスでも密度は低くなり、仮想温度は高くなる。ガラスの仮想温度の変化は、ガラスの密度変化によって見積もることができる。成形したガラスの密度を室温で測定し、そのガラスを徐冷点以上に加熱してから１℃／分の速度で２００℃以下に徐冷して、再び室温でガラスの密度を測定する。再徐冷処理前後で測定される密度の差によって、成形されたガラスの仮想温度が、１℃／分の速度で徐冷したときの仮想温度に対してどの程度高い状態であったかを知ることができる。

防火ガラスとして防火性能を安定して発揮するための化学強化ガラス１０においては、密度変化（徐冷点以上に加熱し、１℃／分で２００℃以下に徐冷した際の密度変化。以下、同じ。）が、０．００５０ｇ／ｃｍ³以下であることがよい。また、後述するように、密度変化は、好ましくは０．００４０ｇ／ｃｍ³以下であり、より好ましくは０．００３０ｇ／ｃｍ³以下であり、更に好ましくは０．００２５ｇ／ｃｍ³以下である。密度変化が小さいことは、ガラスの密度が高いことを示している。本例の化学強化ガラス１０は、一例として、ガラスの徐冷点から２００℃付近までの徐冷時間を調整することで製造可能である。具体的には、ガラスを溶融塩から取り出し、４２５℃で２０分間保持した後、１０５℃／時以下の速度で徐冷することで、密度変化が小さいガラスを得ることができる。

後述するように、密度変化が小さいガラスほど、高温下におけるガラス板の熱だれ開始時間（曲がり始め時間とも言う。）が遅延し、且つ熱だれ量（熱変位量とも言う。）も抑制できる。つまり、防火ガラスとして化学強化ガラスを採用する場合、既述した各要素（表面圧縮応力ＣＳ、圧縮応力層の深さＤＯＬ、板厚、ソーダライムガラス）に加え、密度変化を規定することが重要な要素となる。以下、耐熱試験等を説明しつつ密度変化を規定した本例の化学強化ガラス１０について説明する。

［実施例］
〔密度変化〕
〔試験体〕
フロートガラス、第１化学強化ガラス、第２化学強化ガラス、倍強度ガラス、耐熱強化ガラスを準備した。なお、倍強化ガラスはＪＩＳ Ｒ３２２２で規定されるガラスであり、耐熱強化ガラスは社団法人カーテンウォール・防火開口部協会によって定められた「耐熱板ガラス品質規格」で規定されるガラスである。なお、第１化学強化ガラスは、ガラスを溶融塩から取り出し、４２５℃で２０分間保持した後、１０５℃／時以下の速度で徐冷することで製造した。第２化学強化ガラスは、第１化学強化ガラスと比較して密度変化が大きいことから、第１化学強化ガラスよりも短い徐冷時間で製造されたと推定される。

図７は、フロートガラス、第１化学強化ガラス、第２化学強化ガラス、倍強度ガラス、耐熱強化ガラスの各々の（精密徐冷前後の）密度変化を比較したグラフを示す。図７のグラフによれば、フロートガラスの密度変化は０．００７４ｇ／ｃｍ³であり、第１化学強化ガラスの密度変化は０．０００８ｇ／ｃｍ³であり、第２化学強化ガラスの密度変化は０．００４４ｇ／ｃｍ³であり、倍強度ガラスの密度変化は０．００９９ｇ／ｃｍ³であり、耐熱強化ガラスの密度変化は０．０１１２ｇ／ｃｍ³であった。

〔耐熱試験〕
〔試験体〕
次に、試験体１～６のガラスを準備した。試験体１、２、３は第１化学強化ガラスであり、試験体４、５、６は倍強度ガラスである。試験体１～６の形状は、平面視でそれぞれ７０ｍｍ(±１．０ｍｍ)×５ｍｍ(±０．０２５ｍｍ）の矩形状であり、厚さは、試験体１～３がそれぞれ３ｍｍ、試験体４～６がそれぞれ６ｍｍである。また、それぞれの試験体１～６は、端面を＃１０００の砥石で研磨仕上げしたものである。

［測定方法］
ビームベンディング法により試験体１～６の変位量を測定した。本試験では、ビームベンディング粘度計を用いて、図８に示すように一定荷重下にて３点曲げ試験を行い、試験体１～６の曲がり始めの温度を決定する。図８中、符号３０は試験体であり、符号３２は試験体３０が載置される一対のブロックであり、符号３４は押金具である。次に、図９に本試験で用いたビームベンディング粘度計の装置構成を示す。サーボモータ３６は物体の位置、方位、姿勢などを制御量として目標値に追従するように自動で作動する。ロードセル３８は力（質量、トルク）を検出するセンサーであり、それを電気信号に変換する。制御部４０はサーボモータ３６を制御し、サーボモータ３６はロードセル３８の状態を確認して制御部４０へフィードバックする。また、制御部４０は熱電対４２を制御し、熱電対４２は温度を制御部４０へフィードバックする。３点曲げ試験機は、熱電対４２によって加熱される電気炉４４内に設置されている。また、制御部４０によって測定されたデータはパーソナルコンピューター４６に記録される。ここで、試験体１～６を２点支持するためのスパン（ブロック３２、３２間の距離）を３０ｍｍに設定し、試験体１～６に付加する荷重を３０ｇｆに設定した。温度条件としては、室温から３０分かけて３６０℃に上昇させた後、＋５℃／分の加熱速度で６５０℃まで上昇させる温度環境に設定し、３７５℃に上昇したときに上記の荷重を試験体１～６に付加した。

〔試験結果〕
図１０に試験結果を示す。図１０に示すグラフの横軸は温度（℃）（経過時間に相当）を示し、縦軸は変位量（ｍｍ）を示している。

図１０では、試験体１の結果がライン１で示すグラフで示され、試験体２の結果がライン２で示すグラフで示され、試験体３の結果がライン３で示すグラフで示され、試験体４の結果がライン４で示すグラフで示され、試験体５の結果がライン５で示すグラフで示され、試験体６の結果がライン６で示すグラフで示されている。

図１０のグラフによれば、倍強度ガラスである試験体４～６は、ライン４～６のグラフに示すように、「曲がり始め温度（熱だれ開始時間）」が５８４℃付近である。これに対し、化学強化ガラスである試験体１～３は、ライン１～３のグラフに示すように、「曲がり始め温度（熱だれ開始時間）」が５９３℃付近である。したがって、本件の耐熱試験によれば、密度変化が小さい化学強化ガラスは、密度変化が大きい倍強度ガラスよりも、約１０℃高い高温環境化（５９３℃）で曲がり始めることから、防火ガラスとして優位性があることが理解できる。ここで、図１０に示した各グラフは、時間の経過とともにマイナス側に変位したものとなっているが、これは熱によって生じた試験体１～６の反り量を示しており、熱だれとは異なるものである。

なお、フロートガラス、第２化学強化ガラス、耐熱強化ガラスについては、以下の方法により「曲がり始め温度」を規定した。すなわち、曲がり始めの温度が密度変化（０．０１１ｇ／ｃｍ³）と線形関係にあると仮定した際の推定値を「曲がり始め温度」とみなした。

ここで、曲がり始めの温度と密度変化を線形関係にあると仮定できる理由を説明する。密度変化は、仮想温度と線形に近い関係にあることが示されている（原守久・末利志郎、旭硝子研究報告、Vol.5、P126(1995)、転移域におけるガラスの密度変化）。先述の通り、ガラスの冷却速度が早いと、同じ組成のガラスでも密度は低くなり、仮想温度は高くなる。また、仮想温度が高いほど、つまり構造緩和が不十分なガラスほど、より安定な状態へ変化しようとするため、曲がり始めの温度は低くなる。このように、仮想温度は密度変化と線形に近い関係にあり、仮想温度と曲がり始めの温度には一定の関係があることから、曲がり始めの温度と密度変化を線形関係にあると仮定した。

フロートガラス、第１化学強化ガラス、第２化学強化ガラス、倍強度ガラス、耐熱強化ガラスのそれぞれの密度変化と曲がり始め温度をまとめると以下の表（３）となる。なお、密度変化の値は、小数点第四位を四捨五入した値として示している。また、第２化学強化ガラス、耐熱強化ガラス、およびフロートガラスの「曲がり始め温度」は、先述した推定値である。

上記の表（３）に示すように、密度変化が小さいほど「曲がり始め温度」が高温になる。つまり、曲がり始めの時間が遅延する。よって、他のガラスよりも密度変化の小さい第１化学強化ガラスは、安定した防火性能を有することが理解できる。なお、密度変化が０．００４４ｇ／ｃｍ³である第２化学強化ガラスにおいても、曲がり始めの時間が、倍強度ガラス及び耐熱強化ガラスよりも遅延する。このような観点から、密度変化が０．００５０ｇ／ｃｍ³以下の化学強化ガラスであれば、安定した防火性能を有する。また、密度変化は、好ましくは０．００４０ｇ／ｃｍ³以下であり、より好ましくは０．００３０ｇ／ｃｍ³以下であり、更に好ましくは０．００２５ｇ／ｃｍ³以下である。

なお、密度変化が０．００５０ｇ／ｃｍ³以下を満たす化学強化ガラスであっても、例えば圧縮応力層の深さＤＯＬが２０μｍ以上を満たさない化学強化ガラスや、表面圧縮応力ＣＳが３４０ＭＰａ以上を満たさない化学強化ガラスは、防火ガラスとしての強度を有していないため防火ガラスとして安定した防火性能を発揮しない。

［実施例］
［防火試験］
＜試験体仕様＞
耐熱強化ガラス（Ｎｏ.７、Ｎｏ.８） 板厚：８ｍｍ
密度変化：０．０１１ｇ／ｃｍ³
耐熱強化ガラスの他の仕様は下記の表（４）を参照。

化学強化ガラス（Ｎｏ.９、Ｎｏ.１０、Ｎｏ.１１、Ｎｏ.１２） 板厚：８ｍｍ
密度変化：０．００２ｇ／ｃｍ³
化学強化ガラスの他の仕様は下記の表（５）を参照。

ガラスサイズ（共通）：（Ｗ）２０３０ｍｍ×（Ｈ）３０３０ｍｍ
試験枠開口：（Ｗ）２０００ｍｍ×（Ｈ）３０００ｍｍ(押縁の掛代１５ｍｍ)
試験枠：鉄枠（４辺嵌め殺し）

試験体の背面側から試験体を加熱して、試験体の熱だれ開始温度を測定し、両者を比較した。

図１１は、５８０℃付近まで加熱された、試験体Ｎｏ.８の耐熱強化ガラス２０を熱画像で示した説明図である。図１１に示すように、耐熱強化ガラス２０は、上辺部２０Ａの大部分（破線Ｃで示す部分）に熱だれが確認され、上辺部２０Ａの厚さが薄くなって上辺部２０Ａと上枠（不図示）との間に開口が確認された。また、左右の縦辺部２０Ｂ、２０Ｃの付近に皺２２が多く確認された。更に、下辺部２０Ｄ付近の厚さが他の部分の厚さよりも厚くなったことが確認された。

図１２は、５８０℃付近まで加熱された、試験体Ｎｏ.９の化学強化ガラス１０を熱画像で示した説明図である。図１２に示すように、化学強化ガラス１０は、左右の縦辺部１０Ｂ、１０Ｃの近傍に皺１２が確認されたものの、その皺１２の数は５８０℃での耐熱強化ガラス２０の皺２２（図１１参照）の数よりも少なかった。また、上辺部１０Ａには熱だれが確認されず、上辺部１０Ａと上枠（不図示）との間の開口も確認されなかった。

なお、図１２にて説明した化学強化ガラス１０は、５９５℃付近まで加熱した際に上辺部１０Ａの一部分に熱だれが若干確認されたが、上辺部１０Ａと上枠（不図示）との間の開口は確認されなかった。また、左右の縦辺部１０Ｂ、１０Ｃの付近の皺が増えたことが確認され、また、下辺部１０Ｄ付近の厚さが他の部分の厚さよりも若干厚くなったことが確認された。

化学強化ガラス１０は、密度変化が０．００５０ｇ／ｃｍ³以下（好ましくは０．００４０ｇ／ｃｍ³以下、より好ましくは０．００３０ｇ／ｃｍ³以下、更に好ましくは０．００２５ｇ／ｃｍ³以下）であり、耐熱強化ガラスよりも密度変化が小さい（換言すれば密度が高い）。これにより、曲がり始め温度が耐熱強化ガラスよりも高くなる。その結果、化学強化ガラス１０は、防火ガラスとして耐熱強化ガラスよりも優位性があり、安定した防火性能を有する。

また、図１１の耐熱強化ガラス２０と図１２の化学強化ガラス１０は、どちらもエッジ強度が１９０ＭＰａより大きく、ガラス板端面からの割れは生じなかった。化学強化ガラス１０のエッジ強度は、対数０．１％破壊確率が１９０ＭＰａ以上が好ましく、破壊応力の最小値が２３０ＭＰａ以上が好ましく、破壊応力の平均値が２９０ＭＰａ以上が好ましい。これにより、熱を受けたガラス板の熱膨張によって、ガラス板は端部に引っ張り応力が付与されても、ガラス板端面の微細なクラック又は切断時の傷等を起点として亀裂が生じ、その亀裂がガラス板内へ伝播して破壊へ至ることを抑制できる。

以上説明したように、本例の化学強化ガラス１０によれば、表面圧縮応力ＣＳが３４０ＭＰａ以上であり、圧縮応力層の深さＤＯＬが２０μｍ以上５０μｍ以下であり、板厚が２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、密度変化が０．００５０ｇ／ｃｍ³以下であり、ソーダライムガラスである構成を採用したので、安定した防火性能を有する。

［実施例］
［エッジ強度試験］
＜試験体仕様＞
化学強化ガラス（Ｎｏ.１３、Ｎｏ.１４） 板厚：８ｍｍ
化学強化ガラスの他の仕様は下記の表（６）を参照。

ＪＩＳ Ｒ３２２３（２０１７）に規定される試験方法に基づき、図５に示す試験治具を使用し、化学強化ガラス１０のエッジ強度を求めた。なお、破壊起点が荷重スパン内にあり、かつ破壊起点がガラス板の端面にあるデータのみを統計処理した。

化学強化ガラスは、表面圧縮応力ＣＳが３４０ＭＰａ以上であり、かつ圧縮応力層の深さＤＯＬが２０μｍ以上５０μｍ以下を満たしており、エッジ強度は、対数０．１％破壊確率の応力が１９０ＭＰａ以上を満たし、破壊応力の最小値が２３０ＭＰａ以上を満たし、破壊応力の平均値が２９０ＭＰａ以上を満たしていた。

〔変形例〕
本例の化学強化ガラス１０は、１枚の化学強化ガラス１０を防火ガラスとして用いることを前提としたものであるが、例えば、２枚以上のガラス板を有する周知構成の複層ガラスに本例の化学強化ガラス１０を適用した複層ガラスを防火ガラスとして用いてもよい。この場合、２枚以上の全てのガラス板に本例の化学強化ガラス１０を適用してもよく、また、少なくとも１枚のガラス板に本例の化学強化ガラス１０を適用してもよい。

化学強化ガラス１０と低放射膜付きガラスを有する複層ガラスを防火ガラスとして用いてもよい。このとき、低放射膜はガラスの内側（密閉された中空層側）主面に形成されており、Ｌｏｗ－Ｅ（Low Emissivity）膜とも称する。低放射膜の放射率は好ましくは０．１２以下であり、より好ましくは０．１０以下であり、更に好ましくは０．０４以下である。放射率は、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ３１０６（２０１９）により規定される垂直放射率の値である。低放射膜付きたガラス板の放射率は、赤外分光機Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ社製のＦＴ／ＩＲ「Ｆｒｏｎｔｉｅｒ Ｇｏｌｄにより測定できる。

低放射膜は、スパッタリング装置等を用いて成膜した銀（Ａｇ）を主体とした低放射膜でもよいし、化学蒸着装置やスパッタリング装置等を用いて成膜した酸化スズ（ＳｎＯ₂）を主体とした低放射膜であってもよい。銀（Ａｇ）を主体とした低放射膜は、銀膜を酸化物膜、窒化物膜等で積層化したタイプも含む。

低放射膜が形成されるガラスとしては、例えば、建築用のソーダライムガラスを適用できる。低放射膜が形成されるガラスは、ガラスの製造プロセスにより得られた平板状のガラス（切断されたガラスも含む）で、化学強化処理等が施されていないガラスであってもよいし、化学強化処理等が施されたガラスであってもよい。

複層ガラスの防火試験において、低放射膜付きガラスが非加熱側に配置され、化学強化ガラスが加熱側に配置されるように複層ガラスが配置された場合、低放射膜が熱を炉の内側に反射するので、化学強化ガラスの加熱ペースが単板の場合に比べて速くなる。

したがって、化学強化ガラス１０と低放射膜付きガラスを有する複層ガラスにおいて化学強化ガラス１０は、単板で使用する場合よりも高いエッジ強度が求められる。複層ガラスに用いる化学強化ガラス１０のエッジ強度は、好ましくは対数０．１％破壊確率の応力で２６０ＭＰａ以上であり、より好ましくは２８０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは３００ＭＰａ以上である。また、化学強化ガラス１０のエッジ強度の破壊応力の最小値は、好ましくは３００ＭＰａ以上であり、より好ましくは３３０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは３５０ＭＰａ以上である。また、化学強化ガラスのエッジ強度１０の破壊応力の平均値は、好ましくは３６０ＭＰａ以上であり、より好ましくは３７０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは３８０ＭＰａ以上である。また、複層ガラスに用いる化学強化ガラス１０の端面の潜傷深さは、好ましくは２０μｍ以下であり、より好ましくは１８μｍ以下であり、更に好ましくは１５μｍ以下である。

１０…化学強化ガラス、１０Ａ…上辺部、１０Ｂ…縦辺部、１０Ｃ…縦辺部、１０Ｄ…下辺部、１２…皺、２０…耐熱強化ガラス、２０Ａ…上辺部、２０Ｂ…縦辺部、２０Ｃ…縦辺部、２０Ｄ…下辺部、２２…皺、３０…試験体、３２…ブロック、３４…押金具、３６…サーボモータ、３８…ロードセル、４０…制御部、４２…熱電対、４４…電気炉、４６…パーソナルコンピューター

Claims (7)

1. 化学強化ガラスであって、
   表面圧縮応力ＣＳが３４０ＭＰａ以上であり、
   圧縮応力層の深さＤＯＬが２０μｍ以上５０μｍ以下であり、
   板厚が２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、
   徐冷点以上に加熱し、１℃／分で徐冷した際の密度変化が０．００５０ｇ／ｃｍ³以下であり、
   ソーダライムガラスである、化学強化ガラス。
2. 前記化学強化ガラスは、ＪＩＳ Ｒ３２０６（２００３）で規定される反りが０．２５％以下である、請求項１に記載の化学強化ガラス。
3. 前記化学強化ガラスのエッジ強度は、対数０．１％破壊確率の応力で１９０ＭＰａ以上である、請求項１又は２に記載の化学強化ガラス。
4. 前記化学強化ガラスのエッジ強度の破壊応力の最小値が２３０ＭＰａ以上である、請求項１又は２に記載の化学強化ガラス。
5. 前記化学強化ガラスのエッジ強度の破壊応力の平均値が２９０ＭＰａ以上である、請求項１又は２に記載の化学強化ガラス。
6. 前記化学強化ガラスの端面の潜傷深さが４５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の化学強化ガラス。
7. 前記化学強化ガラスは、前記圧縮応力層の深さＤＯＬに対し、潜傷深さの割合が９５％以下である、請求項１又は２に記載の化学強化ガラス。

Images