JP4445857B2 - 耐燃性グレージング生産用の水ガラスに基づく清澄で安定な水性溶液 - Google Patents

Description

本発明は、耐燃性(耐火性)グレージング(板ガラス)に関し、アルミン酸アルカリ金属及びケイ酸水ガラスを含む耐燃性グレージングの生産において有用な新しい溶液、それらの溶液を調製するための方法及び耐燃性グレージング中に組み込むことができるそれらの溶液からの膨張性中間層の生産に関連する。

2種の対向する窓のガラスの間で挟まれる膨張性無機ケイ酸塩中間層が組み込まれているガラス積層物は、商標PYROSTOP(ピロストップ)及びPYRODUR(ピロデュア)の下でピルキントングループの会社によって販売されている。かかる積層物が火に曝されるとき、無機中間層は膨張し、及び拡がって、気泡を形成する。気泡は火炎から離れる窓のガラスを保護する熱的な絶縁層を提供し、火炎の伝播を防ぐ障壁として働くガラス単位の構造的な完全性を長期間維持する。かかる膨張性中間層が組み込まれるガラス積層物は、耐燃性ガラス構造として首尾よく用いられている。これらの積層物は、1種よりも多い種類の膨張性中間層を挟む2種よりも多い種類の窓のガラスを含むことができる。8種までの膨張性中間層を含む積層物が採用されている。これらの多重層状積層物は比較的厚く、及びそれ相応に高価である。

膨張性無機層は、通常、ケイ酸ナトリウム水ガラスか、又はそのケイ酸カリウム水ガラスとの混合物から形成される。層は、一般に、水ガラス(又は水ガラス群)の溶液を調製し、その溶液をガラスの表面上に広げ、及び膨張性無機層が形成されるように溶液から過剰な水を乾燥させることによって形成される。

USP(米国特許)第4190698号明細書は、水ガラス溶液を乾燥させることによって得られる膨張性無機層からなる耐燃性グレージングを開示する。その著者は、水ガラス溶液への、尿素、多価アルコール、単糖類、多糖類、リン酸ナトリウム、アルミン酸ナトリウム、ホウ砂、ホウ酸及びコロイドシリカを含む種々の添加材の添加を提案する。アルミン酸塩の水ガラス溶液への添加の特定の開示はない。

本発明者は、USP 4190698で提案されるような水ガラス溶液へのアルミン酸ナトリウムの添加が耐燃性グレージングの生産において有用な溶液を生産しないことを発見した。溶液は、不安定で、及び直ちにか、又は静置により沈殿を形成する。乾燥した中間層がグレージングの1部分として用いられるので、それは光学的に清澄でなければならない。この沈殿のような微粒子物質の存在は許容可能でない。

本発明者は、耐燃性グレージングの生産において用いることができるアルミン酸塩及びケイ酸水ガラスを含む清澄で安定な溶液を、アルミン酸塩を、水ガラスと混合するのに先立ち、それをヒドロキシカルボン酸を用いて部分的に中和することによって生産することができることを発見した。したがって、1種の局面からは、本発明は、ケイ酸アルカリ金属水ガラス及びヒドロキシカルボン酸を用いて部分的に中和した水溶性アルミン酸塩を含有する、耐燃性グレージングの生産において有用な、清澄で安定な溶液を提供する。

水溶性アルミン酸塩は、好ましくは、アルミン酸リチウム、アルミン酸カリウム、アルミン酸セシウム、及び最も好ましくは、アルミン酸ナトリウムのようなアルミン酸アルカリ金属である。他の水溶性アルミン酸塩、とりわけ、アルミン酸アンモニウム及びアルミン酸アルキルアンモニウムを、また、用いることができる。

カルボン酸は、好ましくは、ヒドロキシカルボン酸、及び更に好ましくは、α‐ヒドロキシカルボン酸である。好ましいカルボン酸の例には、酒石酸、リンゴ酸、グルコン酸、乳酸、糖酸、及び最も好ましくは、クエン酸が包含される。

本発明にかかる組成物において有用な水ガラスはケイ酸ナトリウム水ガラスである。好ましいケイ酸ナトリウム水ガラスは、SiO₂:Na₂Oの重量比が少なくとも1.6:1、例えば、2.0: 1、更に好ましくは、少なくとも2.5:1、及び最も好ましくは少なくとも2.85:1のものである。SiO₂:Na₂Oの重量比が2.0:1及び4.0:1の間で変動するケイ酸ナトリウム水ガラス溶液は、市販の商品として入手可能である。特に、この比率が2.0:1、2.5:1及び2.85:1、3.0:1及び3.3:1である溶液は、市販の商品として入手可能である。SiO₂:Na₂Oの任意の特定の重量比を持つ水ガラスは、これらの商業的に入手可能な水ガラス溶液をブレンドすることによって生産することができる。2.0:1、2.5:1及び2.85:1のSiO₂:Na₂Oの重量比を持つケイ酸ナトリウム水ガラスは、アルミン酸塩のより一層高い比率を組み込み、及び良好な耐燃性が良好な耐衝撃特性と組み合わせられるガラスを生産することができる。SiO₂のNa₂Oに対するより一層高い重量比、例えば、3.0:1;3.3:1又は3.9:1を持つケイ酸ナトリウム水ガラスは、より一層小さい比率のアルミン酸塩を組み込み、及び比較的優れた耐燃性特性及び比較的劣る耐衝撃特性を有する耐燃性ガラスを生産することが可能である。好適例においては、本発明にかかる耐燃性グレージングを、2.5:1から3.0:1までのSiO₂:Na₂Oの重量比を持つケイ酸ナトリウム水ガラスから生産する。

ケイ酸カリウム及びケイ酸リチウム水ガラスを、また、本発明にかかる組成物において用いることができる。好適例において、これらの水ガラスをケイ酸ナトリウム水ガラスのための部分的な代わりとして用いる。概して、水ガラス溶液におけるナトリウムのカリウム及び/又はリチウムに対するモル比は、少なくとも2:1である。

特定の好適例においては、本発明において用いる水ガラス溶液は、ケイ酸ナトリウム水ガラス及びケイ酸カリウム水ガラスの混合物を含む。これらの混合物において、ナトリウムイオンのカリウムイオンに対するモル比は、好ましくは、少なくとも4:1である。ケイ酸カリウム水ガラスが採用される場合、それは、好ましくは、重量比SiO₂:K₂Oが1.43:1から2.05:1までの範囲内のものである。

本発明の溶液は、更に、既存の膨張性中間層において有用であることが知られている1種又はそれよりも多い種類の多水酸基化合物を含むことができる。この使用のために提案される多水酸基化合物には、グリセロール、グリセリン又はグリセリンの誘導体又は糖が包含される。本使用のための最も一般的に用いられる多水酸基化合物及び好ましい多水酸基化合物はグリセロールである。

膨張性中間層の生産において有用になるように、本発明の溶液は、好ましくは、清澄であり、安定であり、及び乾燥して、有用な膨張性中間層を形成可能であるべきである。溶液の安定性は、溶液の調製において用いられるその組成及び方法によって影響を及ぼされる。任意の特定の溶液の実用性を実験によって定めることができる。溶液の安定性は存在するアルミン酸塩の量の増加に従い減少する。しかし、中間層の耐燃性は存在するアルミン酸塩の量に比例して増加する。溶液中に組み込まれるアルミン酸塩の量は、好ましくはこれらの2種の特性の間の妥協を表す。ケイ素のアルミニウムに対するモル比は100:1程度のものから20:1まで変動することができるが、好ましくは、20:1から35:1までの範囲内、及び更に好ましくは、25:1から32:1までの範囲内である。

本発明の溶液の実用性に影響を及ぼす第2の有意な因子はシリカの酸化アルカリ金属に対する重量比である。シリカの比率を高めることは、溶液の安定性を減少させ、及び望ましくない。ケイ素のアルカリ金属に対するより一層高い比は、これが、燃焼試験において、かかる中間層を組み込むグレージングの性能に影響を及ぼす重要な因子である乾燥した中間層の流動点(flow point)を増加させるので好ましい。概して、本発明者は、シリカの酸化アルカリ金属に対する重量比が2:1から4:1までの範囲内を好み;更に好ましくは2.5:1から4:1までである。

本発明の溶液は清澄でなければならない。それらは種々の成分を、清澄で安定な溶液を生産し、次いで乾燥させて清澄で安定な膨張性層を形成する様式において混合することによって調製される。

本発明者は、溶液が、第1工程として、アルミン酸塩を、ヒドロキシカルボン酸を用いて部分的に中和させることを含む処理を用いて調製されることを好む。この中和は、アルミン酸塩の水溶液へのヒドロキシカルボン酸溶液の添加によって実行することができる。余分な量の水の存在が本発明のケイ酸塩溶液を不安定にするかもしれないので、及び任意の事象において、過剰な水が膨張性中間層を形成するのに用いる乾燥処理上の付加的な負荷であるので、アルミン酸塩溶液は、好ましくは、清澄で安定な溶液の生産に適合するような同じ高さの固形分(solids content)を含む。部分的に中和したアルミン酸塩溶液は、典型的に、20から45重量%までの固体を含むことができる。

ヒドロキシカルボン酸溶液を、固体としてのアルミン酸塩に加えることができるが、より一層通常は、それを溶液として添加する。溶液は水性溶液でよい。好適例では、本発明の溶液が、好ましくはグリセロールである多水酸基化合物を含む場合、ヒドロキシカルボン酸を、多水酸基化合物において溶解させ、及び得られる溶液を用いてアルミン酸塩を部分的に中和することができる。

酸溶液のアルミン酸塩溶液への添加は、好ましくは、溶液が9.0から11.0までの範囲におけるpHを持つまで、及びより一層好ましくは、9.5から10.0までの範囲においてまで続けられる。中和は完全な混合及び反応混合物の温度を過度に上昇させないような様式において実行すべきであり、及び好ましくは、50℃未満に維持する。

水溶性アルミン酸塩、ヒドロキシカルボン酸、及び、好ましくはグリセロールである多水酸基化合物を含む溶液は、新しいものと信じられ、及び本発明の更なる局面を構成する。

部分的に中和したアルミン酸塩溶液を、本発明に従う溶液を形成させるために、ケイ酸アルカリ金属水ガラスを含む溶液に添加することができる。任意の沈殿の形成を避けるように、アルミン酸塩と水ガラスとの混合を制御された様式において実行しなければならない。本発明者は、アルミン酸塩を水ガラスに制御された率で完全な混合を用いて添加することを好む。水溶性アルミン酸塩、ヒドロキシカルボン酸、多水酸基化合物及びケイ酸アルカリ金属水ガラスを含む、清澄で安定な溶液は、新しいものと信じられ、及び本発明の更なる局面を含む。特に、ヒドロキシカルボン酸を用いて部分的に中和されるアルミン酸塩を、水ガラス溶液と混合することによって生産された溶液は、新しいと信じられる。

得られる溶液を、既知の技術を用いる5種の耐久性グレージングの生産において用いることができる。1種の既存の処理において、ガラスの表面上に溶液を保持する端部障壁を備えるガラスシートの表面上に、溶液を拡げることができる。採用される溶液の量は、乾燥させる中間層の望ましい厚さに伴い変動する。任意の特定の厚さの中間層を生産するのに必要とされる量は、日常的な実験によって定めることができる。

次いで、泡及び他の光学的な欠陥のない清澄で透明な中間層の生産を保証するように、温度及び湿度が注意深く制御された条件の下で、溶液を乾燥させる。乾燥した中間層は、概して、10から35重量%までの水を含む。乾燥した中間層のアルミニウム含量は、概して、重量で0.1%から5.0%まで、好ましくは、重量で0.1%から1.0%までの範囲内にある。本発明者は、アルミニウムの存在が、それらの中に中間層が組み込まれるグレージングの性能を、それらの耐燃性及びそれらの機械的な耐衝撃性の特性に関して、増進することを発見した。

乾燥した中間層の厚さは、概して、0.1から2.0mmまで、好ましくは、0.5から2.0mmまでの範囲内にある。より一層厚い中間層の形成は、より一層長い乾燥時間を要し、及びそれによって不利である。より一層薄い中間層は、より一層短い乾燥時間を用いて生産することができる。より一層厚い中間層を持つガラス積層物は、1.0mmから2.0mmまでの厚さである膨張性中間層を持つ積層物を形成するように、各々が大体0.5mmから1.0mmまでの厚さを持つ比較的薄い中間層を持つ2枚のシートのガラスを、向かい合わせて接触させることによって生産することができる。

種々の厚さの平坦なガラスシートを、本発明にかかる積層物において用いることができる。典型的に、2.0mmから4.0mmまでの厚さを持つソーダ石灰フロートガラスのシートを採用する。クレイのような適切な物質から形成される端部障壁を、水ガラス溶液がガラスの表面上で保持されるように、ガラスの端部に設けることができる。

端部障壁は、通常、乾燥した中間層を1種の表面上に持つガラスシートが残るように、乾燥処理が完了して切り取られる。積層物を、中間層の頂部上に第2のガラスシートを配置することによって形成することができる。別の具体例においては、第2のガラスシートは、それ自体、膨張性中間層をその1種の表面上に持つものでよい。2種の耐燃性中間層が互いに接触するように最初のシートの頂部上にこの第2のシートを装着することは、比較的厚い中間層を持つ積層物を生成させる。第2のシートを、中間層がその上側表面上にあり、及び次いで第2の中間層の頂部上に第3のガラスシートが提供されるように装着することは、3種の窓のガラスの間に装着される2種の中間層を持つ積層物を生成させる。8種ほどの多くの中間層を持つ積層物を生産することができる。

代わりの処理において、本発明の溶液を、基材の表面上に注ぎ、及び十分に強い膨張性の耐燃性中間層を形成させるために乾燥して、透明なフィルムの形態において基材から取除くことができる。次いで、耐燃性ガラス積層物を形成するために、フィルムを2枚のシートのガラスの間に配置することができる。種々の基材を、この種類の処理において採用することができ、例としては、ガラスシート、金属シート、及びPTFEのような重合体物質及びポリプロピレンのようなポリオレフィンである。基材が清澄で及び透明である場合、例えば、基材が清澄な重合体フィルムであり、乾燥した中間層をその1種の表面上に持つとき、基材をガラス積層物中に組み込むことができ、及びそれによって、基材から乾燥した中間層が分離される必要性を伴なわずに、耐燃性積層物を生産することができる。

本発明を次の例によって説明する。
(例1)
アルミン酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム水ガラス、ケイ酸カリウム水ガラス及びクエン酸を含有する溶液を、次の成分を用いて作製した:-
1 2.85:1のSiO₂:Na₂Oの重量比を持ち、及び40重量%の固体を含み、Crystal(クリスタル)96としてINEOS(イネオス社)により販売されているケイ酸ナトリウム水ガラスの溶液
2 1.43:1のSiO₂:K₂Oの重量比を持ち、及び52.4重量%の固体を含み;Crystal K120ケイ酸カリウムとしてINEOSにより販売されているケイ酸カリウム水ガラスの溶液
3 38.0重量%の固体を含み、Nordisk Aluminate(ノルディスク・アルミネート社)により販売されているアルミン酸ナトリウムの水性溶液
4 グリセロール‐87重量%の水溶液
5 クエン酸‐試薬等級

部分的に中和したアルミン酸塩溶液の当て物(wase)を次のようにして作製した:-
最初、5重量部のクエン酸を10重量部のグリセロールに撹拌しながら添加して、クエン酸を溶解させた。得られる溶液を、激しく撹拌しながら、緩徐に、8.86重量部のアルミン酸ナトリウム溶液に添加する。溶液の温度を添加中50℃未満で維持した。得られる溶液は9.5のpHを持った。

ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム及びグリセロールを含有する水ガラス溶液を、151.7重量部のCrystal 96と44.3重量部のCrystal K120及び10.5重量部のグリセロールとを混合することによって作製した。

次いで、部分的に中和したアルミン酸塩溶液を水ガラス溶液に添加した。添加は、アルミン酸溶液を、十分に混合しながら、Silverson(シルバーソン)高せん断ミキサを用いて緩徐に添加することによって実行した。得られる溶液は、清澄であり、及び室温での貯蔵において安定であった。

次いで、この溶液を、その周囲の周りに端部障壁を持つシートのフロートガラスの表面に、1平方メートル当りのガラスに4キログラムの溶液の量において、塗布した。ガラスシートをオーブン中に配置し、及び溶液の水分が26重量%に減少するまで、制御された雰囲気において長期間乾燥させた。およそ1.3mmの深さを持つ、清澄な中間層をガラスの表面上に形成させた。

端部障壁を切り取り、及び3mmの厚さを持つ第2のシートのフロートガラスを、中間層の頂部上に配置してガラス積層物を生産した。この積層物の部分を、B. S. 476パート20/2に従うFire Resistance(耐燃性)及びB. S 6206クラスCに従う機械的衝撃性能について試験した。2種の部分を火炎試験にかけ、及び双方が33分及び30分の時間を伴い通過した。4種の部分を衝撃性能について試験し、及びすべては少なくと支障のないパスを評価された。

(例2)
部分的に中和したアルミン酸塩溶液を、例1におけるのと同じ様式で調製した。アルミン酸塩溶液を、3.3:1のSiO₂:Na₂Oの重量比を持ち、及び37重量%の固体を含有するケイ酸ナトリウム水ガラスの溶液に添加した。添加した量は、2重量部のアルミン酸ナトリウムを100部のケイ酸ナトリウムに提供するようなものであった。溶液におけるケイ素のアルミニウムに対する原子比率はおよそ56:1であった。

溶液を例1において記載するのと同じ様式において混合した。得られる溶液は、清澄であり、及び数週の期間にわたる貯蔵において安定であった。

溶液を、例1に記載するのと同じ様式において、シートのフロートガラス上に注ぎ、乾燥させ、積層し、及びは耐燃性について試験した。耐燃性時間は66分であった。

(例3)
例2を繰り返したが、例外として、アルミン酸塩のより一層高い比率を用い、3部のアルミン酸ナトリウムを100部のケイ酸ナトリウムに提供した。ケイ素のアルミニウムに対する原子比率は38:1であった。得られる溶液は、清澄であり、及び数週の期間にわたり安定であった。

(例4)
例1を、28重量%の固体物質を含有する水性溶液の形態において、3.9:1のSiO₂:Na₂Oの重量比を持つケイ酸ナトリウム水ガラスを用いて繰り返した。添加した部分的に中和したアルミン酸塩溶液決の量は96:1のケイ素のアルミニウムに対する原子比率を提供するのに十分であった。溶液は、清澄であり、及び長期間にわたり安定であった。それをガラス上で乾燥させ、清澄な中間層を形成することができた。アルミン酸塩の割合を高め、ケイ素のアルミニウムに対する原子比率が64:1である場合、得られる溶液は、不安定であり、及び更に試験しなかったことは注目された。

(例5)
例1を、41重量%の固体物質を含有する水性溶液の形態において、2.5:1のSiO₂:Na₂Oの重量比を持つケイ酸ナトリウム水ガラスを用いて繰り返した。添加したアルミン酸塩の量は33:1のケイ素のアルミニウムに対する原子比率を提供するのに十分であった。溶液は、清澄であり、及び70℃で2週間での貯蔵後に清澄なままであった。

溶液を3mのフロートガラスのシート上に注ぎ、及びおよそ1.4mmの厚さである清澄な中間層を形成するために乾燥させた。このガラスをフロートガラスの第2のシートと積層し、及び積層物を例1において記述する手法を用い耐燃性及び耐衝撃性について試験した。耐燃性時間は39分であった。積層物はB. S 6206クラスCにおいて記述される衝撃試験に支障なく合格した。

Claims (22)

1. 清澄な膨張性中間層であって、ケイ酸アルカリ金属水ガラス、水溶性アルミン酸塩及びヒドロキシカルボン酸を含有する清澄で安定な水性溶液を乾燥させることによって生産されることを特徴とする中間層。
2. 水溶性アルミン酸塩はアルミン酸アルカリ金属であることを特徴とする請求項１記載の中間層。
3. 水溶性アルミン酸塩はアルミン酸ナトリウムであることを特徴とする請求項１又は２記載の中間層。
4. ヒドロキシルカルボン酸はα‐ヒドロキシカルボン酸であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の中間層。
5. ヒドロキシカルボン酸は、酒石酸、リンゴ酸、グルコン酸、乳酸、糖酸及びクエン酸からなる群より選ばれることを特徴とする請求項４記載の中間層。
6. ヒドロキシカルボン酸はクエン酸であることを特徴とする請求項５記載の中間層。
7. ケイ酸アルカリ金属水ガラスは、２．０：１から４．０：１までのＳｉＯ_２：Ｍ_２Ｏ（式中、Ｍはアルカリ金属陽イオンを示す。）の重量比を持つことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の中間層。
8. ケイ酸ナトリウム水ガラスは２．５：１から３．０：１までのＳｉＯ_２：Ｎａ_２Ｏの重量比を持つことを特徴とする請求項７記載の中間層。
9. さらに、ケイ酸カリウム水ガラスを含有することを特徴とする請求項７又は８記載の中間層。
10. ケイ酸カリウムは１．４３：１から２．０５：１までのＳｉＯ_２：Ｋ_２Ｏの重量比を持つことを特徴とする請求項９記載の中間層。
11. ナトリウムイオンのカリウムイオンに対するモル比は少なくとも２：１であることを特徴とする請求項９又は１０記載の中間層。
12. ケイ素のアルミニウムに対するモル比は２０：１から３５：１までの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の中間層。
13. ケイ素のアルミニウムに対するモル比は２５：１から３２：１までの範囲にあることを特徴とする請求項１２記載の中間層。
14. ケイ酸塩の酸化アルカリ金属に対する重量比は２：１から４：１までの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の中間層。
15. さらに、多水酸基化合物を含有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の中間層。
16. 多水酸基化合物はグリセロールであることを特徴とする請求項１５記載の中間層。
17. １０から３５重量％までの水を含有することを特徴とする請求項１記載の中間層。
18. ０．１から５．０重量％までのアルミニウムを含有することを特徴とする請求項１又は１７記載の中間層。
19. 中間層が０．５から２．０ｍｍまでの厚さを持つことを特徴とする請求項１、１７又は１８のいずれか一項記載の中間層。
20. ガラスシートであって、その１種の表面上に請求項１、１７〜１９のいずれか一項記載の中間層を持つ、ガラスシート。
21. 積層グレージングであって、１種又はそれよりも多い種類の請求項１、１７〜１９のいずれか一項記載の中間層及び２種又はそれよりも多い種類のシートのガラスを含む、グレージング。
22. 請求項１〜１６のいずれか一項記載の中間層であって、アルミン酸塩及び多水酸基化合物を含有する溶液が、ケイ酸アルカリ金属溶液中に添加された溶液によって形成され、アルミン酸塩を含有する溶液は、アルミン酸塩をヒドロキシカルボン酸を用いて部分的に中和させることによって形成されることを特徴とする、中間層。