JP4728506B2

JP4728506B2 - ガラス繊維成形品の成形方法

Info

Publication number: JP4728506B2
Application number: JP2001171309A
Authority: JP
Inventors: 敏司山本
Original assignee: NIHON GLASS FIBER INDUSTRIAL CO., LTD.
Current assignee: NIHON GLASS FIBER INDUSTRIAL CO., LTD.
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: JP2002363847A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス繊維成形品及びその成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス繊維からマット、ボード、ペーパー等の成形品を成形する方法としては、下記のものがある。
▲１▼ フェルト成形：ガラス短繊維をバインダにより接着して結合し、フェルトマット状にまとめる方法である。
▲２▼ ニードリング：ガラス長繊維をニードルパンチ加工により絡み合わせて結合し、やや圧縮されたマット状に成形する方法である。その表面をバインダで被覆する場合もある。
▲３▼ 抄造：ガラス繊維をバインダ添加水に入れてスラリを形成し、このスラリを紙を抄くように掬い上げてから乾燥させて、ガラス繊維間をバインダにより接着して結合する方法である。
上記▲１▼〜▲３▼に使用される各バインダとしては、澱粉系、シリコン系、ゴム系等の有機バインダが一般的であり、有機バインダにシリカ系等の無機バインダを混合する場合もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のフェルト成形、ニードリング及び抄造には、後出の表１にまとめた通りの利点と欠点とがあり、それぞれの利点を生かした用途に適用されている。しかし、成形品が高温使用に適し、かつ、種々の形状への成形の容易性があり、成形品の強度も高くなる、といった成形方法はなかった。すなわち、フェルト成形及び抄造は有機バインダを必須とするため、成形品の高温使用時に有機バインダの分解により煙が発生するとか、有機バインダによる結合力が失われて耐熱性がなくなるとかという問題があり、高温使用には適さなかった。一方、ニードリングはバインダを必須としないため、バインダ被覆をしない限りこのような問題はないが、単純板状のマットしか成形することかできないとか、飛び飛びのニードリング点による結合なので成形品の強度を高めにくいとかという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記課題を解決し、成形品が高温使用に適し、かつ、種々の形状への成形の容易性があり、成形品の強度も高いガラス繊維成形品及びその成形方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の方法で成形するガラス繊維成形品は、ガラス繊維が所望の圧縮形状に圧縮されるとともにガラス繊維同士の接触点が軟化点より低い温度で融着されてなる。
【０００６】
また、本発明のガラス繊維成形品の成形方法は、ガラス繊維を所望の圧縮形状に圧縮するとともに軟化点より１０〜１００℃だけ低い温度に保持することによりガラス繊維同士の接触点を融着させた後、前記ガラス繊維を冷却することにより前記融着を固化させて前記圧縮形状を保持させる。
【０００７】
ガラス繊維を構成するガラスの種類は、特に限定されないが、Ａガラス、Ｃガラス、Ｅガラス、Ｓガラス等を例示できる。また、ガラス繊維に、ガラス繊維以外の耐熱性無機繊維（セラミックファイバー、シリカファイバー、ロックウール等）又は耐熱性金属繊維（ステンレス鋼、クロム−ニッケル系合金、高ニッケル合金、高コバルト合金等の繊維）を混合することもできる。ガラス繊維の繊維径は、特に限定されないが、１〜３０μｍが好ましい。
【０００８】
前記温度を「軟化点より１０〜１００℃だけ低い温度」としたのは、この範囲の上限より高い温度ではガラス繊維が溶融しすぎて固まり状に収縮してしまうおそれがあり、この範囲の下限より低い温度ではガラス繊維の粘度が高すぎて融着しにくくなるからである。より好ましくは「軟化点より２０〜８０℃だけ低い温度」であり、さらに好ましくは「軟化点より３０〜６０℃だけ低い温度」である。
【０００９】
「軟化点より１０〜１００℃だけ低い温度」は、ガラス繊維を構成するガラスの粘度の観点からして「粘度が５×１０⁷ Ｐ〜１０⁹ Ｐとなる温度」と置き換えることもできる。粘度が５×１０⁷ Ｐより低くなるとガラス繊維が溶融しすぎて固まり状に収縮してしまうおそれがあり、粘度が１０⁹ Ｐより高くなると融着しにくくなるからである。より好ましくは「粘度が６×１０⁷ Ｐ〜８×１０⁸ Ｐとなる温度」であり、さらに好ましくは「粘度が７×１０⁷ Ｐ〜５×１０⁸ Ｐとなる温度」である。
【００１０】
ここで、ガラス繊維同士の接触点が融着するメカニズムを説明する。ガラス繊維は非晶質であるため、結晶質の物質が持っている融点は持たず、温度を上げていったとき、連続的に粘度が低下していき、液体へ移行してゆく。一般に、ガラスの軟化点とは粘度４．５×１０⁷ Ｐ（ｌｏｇη＝７．６５）のときの温度をいい、ガラスを成形できる下限温度とされている。本発明の成形方法は、このように連続的に変化するガラスの粘度を利用し、ガラスの粘度が４．５×１０⁷ Ｐよりやや低いときに、ガラス繊維同士が互いの接触点で融着を起こす現象を利用している。現象的には、セラミックスの焼結よりも、むしろ樹脂の成形の方が本メカニズムに近いと思われる。
【００１１】
前記「軟化点より１０〜１００℃だけ低い温度」あるいは前記別範囲の各温度に保持する時間は、その範囲内における温度の高低によって異なり、温度が高い場合には短くし（例えば１〜２０分）、温度が低い場合には長くする（例えば１５〜５０分）。また、同時間は、圧縮形状・寸法によっても異なり、例えば厚さが大きくて熱が内部にまで伝わりにくい場合には長くする。
【００１２】
圧縮形状としては、特に限定されないが、板状（平板状のみならず、湾曲板状、波板状等も含む）、棒状、ブロック状等を例示できる。
【００１３】
圧縮の方法は、特に限定されないが、例えば板状に圧縮する場合には、マット状のガラス繊維を挟み板により挟んで所望の板状に圧縮する方法を例示できる。このマット状のガラス繊維としては、特に限定されないが、ガラス繊維をニードリングしてなるニードルマットが、すでにある程度圧縮されている点で好ましい。
【００１４】
圧縮の荷重は、特に限定されず、ごく軽くてもよいが、圧縮率が大きく高比重（高密度）のものを成形するときには荷重を大きくする必要がある。
【００１５】
また、「ガラス繊維を所望の圧縮形状に圧縮する」ことと、「軟化点より１０〜１００℃だけ低い温度」あるいは前記別範囲の各温度に保持することとは、いずれを先に行ってもよいし、あるいは同時に行ってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明を具体化したガラス繊維ボード及びその成形方法の実施形態について説明する。
［第一実施形態］
図１（ａ）に示すように、Ｅガラスよりなるガラス繊維をニードリングしてなるニードルマット１（厚さ１０ｍｍ、繊維径５μｍ、密度１００ｋｇ／ｍ³ 、バインダ不使用）を３枚重ねて合計厚さ３０ｍｍとし、これを２００ｍｍ角×数ｍｍ厚のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）よりなる上下一対の挟み板２で挟んだ。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、上側の挟み板２の上に重り３を乗せて荷重をかけ、４９０Ｐａ（５ｇ／ｃｍ² ）の圧力を生じさせた。３枚のニードルマット１は圧縮されて厚さが減少したが、両挟み板２の周縁間に高さ１０ｍｍのストッパ４をセットしたので、該ストッパ４で厚さの減少が規制されて、結局、３枚のニードルマット１は厚さ１０ｍｍの圧縮板状となった。この挟み板２間に圧縮されたニードルマット１を、電気炉５に入れてヒーター６により加熱し、Ｅガラス繊維の軟化点８４０℃より６０℃低い７８０℃に３０分保持することにより、ガラス繊維同士の接触点を融着させた。なお、ニードルマット１に熱を下方からもよく回すために、下側の挟み板２を電気炉５の内底面から浮かせるためのゲタ７を使用した。
【００１８】
上記３０分の保持後、挟み板２間に圧縮されたニードルマット１を電気炉５から取り出して室温で自然冷却することにより、前記融着を固化させて前記圧縮板状を保持させたところ、図１（ｃ）に示すようなボード厚さ１０ｍｍ、密度３００ｋｇ／ｍ³ のガラス繊維ボード８が成形された。
【００１９】
なお、挟み板２の材質は、ステンレス鋼に限定されず、例えばセラミックス（アルミナ、ＳｉＣ等）でもよい。挟み板２の面積が小さい場合には、材質の自由度が高いが、挟み板２の面積の大きい場合には、ステンレス鋼では熱膨張による反りが発生して成形しにくくなるため、その問題が少ないセラミックスが好ましい。
【００２０】
なお、本実施形態における温度条件としては、Ｅガラスの軟化点８４０℃よりも３０〜６０℃低い温度に１０〜３０分保持することが好ましい。例えば８１０℃で長時間保持すると、ボード厚さがストッパ４の高さ以下になってしまうおそれがあるため、各要求するサイズに対応した温度と保持時間とが必要である。その他、例えばＣガラスよりなるガラス繊維の場合には、軟化点７６０℃よりも３０〜６０℃低い温度（例えば７００℃）に１０〜３０分保持することが好ましい。
【００２１】
［第二実施形態（図示略）］
Ｅガラスよりなるガラス繊維をニードリングしてなるニードルマット（厚さ２０ｍｍ、繊維径９μｍ、密度１５０ｋｇ／ｍ³ 、バインダ不使用）を３枚重ねて合計厚さ６０ｍｍとし、これを６００ｍｍ×１０００ｍｍの高耐熱性ガラスよりなる上下一対の挟み板で挟んだ。
【００２２】
次に、上側の挟み板の上に重りを乗せて荷重をかけ、１３７Ｐａ（１．４ｇ／ｃｍ² ）の圧力を生じさせた。３枚のニードルマットは圧縮されて厚さが減少したが、両挟み板の周縁間に高さ３０ｍｍのストッパをセットしたので、該ストッパで厚さの減少が規制されて、結局、３枚のニードルマットは厚さ３０ｍｍの圧縮板状となった。この挟み板間に圧縮されたニードルマットを、灯油燃料のバーナー炉（バーナーハース）により加熱し、７８０〜８１０℃（最高で８１０℃）に１５分保持することにより、ガラス繊維同士の接触点を融着させた。
【００２３】
上記３０分の保持後、挟み板間に圧縮されたニードルマットをバーナー炉から取り出して室温で自然冷却することにより、前記融着を固化させて前記圧縮板状を保持させたところ、ボード厚さ３０ｍｍ、密度３００ｋｇ／ｍ³ のガラス繊維ボードが成形された。
【００２４】
以上のような本成形方法を「融着成形」と呼ぶこととし、その利点及び欠点を前記従来の各成形方法と対比させて次の表１にまとめた。
【００２５】
【表１】

【００２６】
ここで、「単純形状」とは板状、棒状、ブロック状等の単純形状への成形の容易性をいい、「複雑形状」とは箱状、管状等の複雑形状への成形の容易性をいう。また、「耐熱性」とはガラス繊維自体の耐熱性ではなく、ガラス繊維及び他素材を総合した成形品としての耐熱性をいう。ガラス繊維に樹脂等の有機分を加える必要のあるものは有機分の耐熱性が成形品の耐熱性を決めてしまう。
【００２７】
融着成形の利点は次の通りである。
▲１▼ 成形に乾燥等の工程が無く、きわめて単純な成形方法である。
▲２▼ 治具さえよければ、比較的簡単に大型（大面積）のボードができる。
▲３▼ 有機分を全く含まないので、高温使用時に煙が出ない。
▲４▼ 表面の軟らかさや比重（密度）の変更が条件設定で容易にできる。
【００２８】
融着成形の欠点は次の通りである。
▲１▼ 箱状、管状等の複雑形状への成形や、表面に大きな凹凸を賦形することが難しい。
【００２９】
この融着成形によるガラス繊維ボードの用途は、特に限定されないが、各種断熱容器、各種熱機器等に使用される断熱材（特に断熱コア材）に好適である。現時点では、４００℃前後で使用する真空断熱容器の断熱コア材、−２０〜８０℃で使用する真空断熱コア材（例えば魔法瓶の真空断熱コア材）が予定されており、主に上記の利点▲３▼を生かした用途である。その他、ケイカル板やセラミックボードが使用されている用途であって、かつ最高５００℃位までの用途に適している。
【００３０】
なお、本発明は前記実施形態の構成に限定されず、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）ニードルマット１の枚数を１枚にし又は重ね枚数を２枚若しくは４枚以上にすること。
（２）種類の異なるニードルマット１を重ねること。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係るガラス繊維成形品の成形方法によれば、成形品が高温使用に適し、かつ、種々の形状への成形の容易性があり、成形品の強度も高くなるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るガラス繊維ボード及びその成形方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１ニードルマット
２挟み板
３重り
４ストッパ
５電気炉
６ヒーター
７ゲタ
８ガラス繊維ボード

Claims

ガラス繊維を所望の圧縮形状に圧縮するとともに軟化点より１０〜１００℃だけ低い温度に保持することによりガラス繊維同士の接触点を融着させた後、前記ガラス繊維を冷却することにより前記融着を固化させて前記圧縮形状を保持させるガラス繊維成形品の成形方法。
ガラス繊維を所望の圧縮形状に圧縮するとともに粘度が５×１０⁷ Ｐ〜１０⁹ Ｐとなる温度に保持することによりガラス繊維同士の接触点を融着させた後、前記ガラス繊維を冷却することにより前記融着を固化させて前記圧縮形状を保持させるガラス繊維成形品の成形方法。
マット状のガラス繊維を挟み板により挟んで所望の板状に圧縮する請求項１又は２記載のガラス繊維成形品の成形方法。
マット状のガラス繊維は、ガラス繊維をニードリングしてなるニードルマットである請求項３記載のガラス繊維成形品の成形方法。