JP6402903B2 - ガラス繊維の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス繊維を製造するための方法に関する。

ガラス繊維を製造するための方法の一つとして、フォアハースの底部に配置されたブッシングに溶融ガラスを供給し、ブッシングに形成された多数のノズルの各々からガラスフィラメント（長単繊維）を連続的に生成した後、これらに集束剤を塗布してガラスストランドとし、円筒状のコレットで巻き取る方法が知られている（特許文献１を参照）。

特開２０１２−１９３０９８号公報

しかしながら、上記のガラス繊維の製造方法には、以下のような解決すべき問題が存在している。すなわち、この製造方法では、ガラス繊維を成形する速度がコレットの回転速度に依存している。そして、このコレットは低速で回転させることが通例であることから、この製造方法では、ガラス繊維が遅鈍に成形されていくことになる。

このことに起因して、成形中のガラス繊維が冷えていく際に、その温度が長時間に亘って失透の発生しやすい温度領域（以下、失透域と表記する）に置かれてしまう難点がある。そして、成形中のガラス繊維に一度失透が発生すると、後続のガラス繊維が次々に失透してしまい、製品としての品質が大幅に低下したり、製品として使用すること自体が不可能となったりする問題があった。

上記の事情に鑑みなされた本発明は、ガラス繊維を製造するにあたって、失透の発生を可及的に防止することを技術的課題とする。

上記の課題を解決するために創案された本発明は、溶融ガラスからガラス繊維を製造するための方法であって、溶融ガラスを吐出する吐出口を備えたノズル部材と、ノズル部材に対向するように配置された電極部材との間に電圧を印加し、吐出口から吐出される帯電した溶融ガラスを電極部材側に引き寄せつつ繊維状に成形することにより、ガラス繊維を得ることに特徴付けられる。

このような方法によれば、ノズル部材と電極部材との間に電圧を印加することで、両部材間に電場が形成されると共に、吐出口から吐出される溶融ガラスが帯電した状態となる。そして、電場の形成により、帯電した溶融ガラスに静電気力が作用し、この溶融ガラスが電極部材側に引き寄せられつつ繊維状に成形される。この方法では、吐出口から吐出される溶融ガラスが電極部材側へと至る過程で迅速にガラス繊維に成形される。その結果、成形中のガラス繊維の温度が長時間に亘って失透域に置かれることを回避でき、失透の発生を可及的に防止することが可能となる。

上記の方法において、ノズル部材と電極部材との間の電位差を２０ｋＶ〜１００ｋＶの範囲内とすることが好ましい。

このようにすれば、吐出口から吐出される溶融ガラスについて、以下のような作用・効果を得るために最適な帯電量とすることができる。すなわち、電位差を上記の範囲内とすれば、吐出口から吐出される溶融ガラスが電極部材側へと至る過程において、溶融ガラス同士の相互間に作用する反発力（斥力）によって枝分かれしやすくなる。そして、枝分かれの発生に伴って、より繊維径の細いガラス繊維を得ることが可能となる。なお、ノズル部材と電極部材との間の電位差を１００ｋＶよりも大きくした場合には、溶融ガラスの帯電量が大きくなりすぎ、溶融ガラス同士が過度に分裂して球状のガラスビーズが生成されてしまうおそれがある。しかしながら、電位差の上限値を１００ｋＶとしたことで、ガラスビーズの生成を的確に防止することができる。

上記の方法において、ノズル部材の外周を囲い、且つ高周波電源に接続されたコイルを用いて、ノズル部材を高周波誘導加熱によって加熱することが好ましい。

このようにすれば、ノズル部材が高周波誘導加熱によって加熱されることで、ノズル部材を介して当該ノズル部材内の溶融ガラスについても加熱を行うことが可能となる。これにより、溶融ガラスを所望の温度に保持しやすくなり、ガラス繊維を連続的に製造する上で好適である。また、高周波誘導加熱によれば、ノズル部材に非接触の状態の下で当該ノズル部材の加熱を行うことができる。そのため、例えば、電極等をノズル部材に接触させた状態の下で加熱する場合と比較して、ガラス繊維を成形するための電場（ノズル部材と電極部材との間に形成される電場）への悪影響を抑制することが可能である。

上記の方法において、ノズル部材とコイルとの間に絶縁体を介在させることが好ましい。

ノズル部材を高周波誘導加熱によって加熱する場合には、ノズル部材とコイルとの間に形成される電場が、ガラス繊維を成形するための電場に悪影響を及ぼすおそれがある。しかしながら、ノズル部材とコイルとの間に絶縁体を介在させれば、これらの間に形成される電場の強さを可及的に弱めることができる。その結果、ガラス繊維を成形するための電場への悪影響を、より効果的に抑制することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、ガラス繊維を製造するにあたって、失透の発生を可及的に回避することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るガラス繊維の製造方法を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るガラス繊維の製造方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るガラス繊維の製造方法について、添付の図面を参照して説明する。

＜第一実施形態＞
はじめに、本発明の第一実施形態に係るガラス繊維の製造方法について説明する。

このガラス繊維の製造方法では、エレクトロスピニング法を利用する。すなわち、図１に示すように、溶融ガラス１を吐出する吐出口２ａを備えたノズル部材としてのポット２と、ポット２に対向するように配置された電極部材としての銅板３との間に電圧を印加する。これにより、吐出口２ａから吐出される帯電した溶融ガラス１を銅板３側に引き寄せつつ繊維状に成形してガラス繊維４を得る。

ポット２と銅板３との各々は、直流電源５に接続されており、ポット２が直流電源５のプラス側、銅板３が直流電源５のマイナス側に接続されている。ここで、ポット２と銅板３との間の電位差は、２０ｋＶ〜１００ｋＶの範囲内となるように設定し、本実施形態では５０ｋＶに設定している。また、本実施形態では電流の大きさを２ｍＡに設定している。さらに、本実施形態では上方に配置されたポット２と、下方に配置された銅板３との離間距離Ｄを２５０ｍｍとしている。

これにより、直流電源５を稼働させると、ポット２がプラスに帯電すると共に、銅板３がマイナスに帯電する。また、ポット２及び銅板３が帯電することで、両者２，３の間にはポット２側から銅板３側へと向かう向きの電場が形成される。

ポット２内には図示省略の供給路から溶融ガラス１が供給されている。ポット２は白金で構成されると共に、漏斗状の形状を有している。また、ポット２の下端部には溶融ガラス１を吐出するための吐出口２ａが形成されている。この吐出口２ａの内径は、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内とし、本実施形態では１ｍｍとしている。さらに、ポット２の外周は、高周波電源６に接続されたコイル７によって囲われている。加えて、ポット２は絶縁体である石英ガラスで構成されたカップ８内に嵌め込まれており、ポット２とその外周を囲うコイル７との間にカップ８が隙間なく介在する態様となっている。

これにより、高周波電源６を稼働させると、高周波誘導加熱によってポット２が加熱されると共に、熱伝導によってポット２を介して当該ポット２内の溶融ガラス１が加熱される。なお、直流電源５の稼働によってポット２がプラスに帯電していることから、ポット２内に供給された溶融ガラス１も一様にプラスに帯電する。そして、加熱済みの溶融ガラス１が、ポット２に形成された吐出口２ａから下方に吐出される。吐出された溶融ガラス１は帯電していることから、ポット２と銅板３との間に形成された電場によって溶融ガラス１に静電気力が作用し、当該溶融ガラス１が銅板３側に引き寄せられる。このとき、吐出された溶融ガラス１が銅板３側へと至る過程において、溶融ガラス１同士の相互間に作用する反発力（斥力）によって枝分かれする。また、枝分かれの発生に伴って、溶融ガラス１が径の細い多数のガラス繊維４に成形される（本実施形態では、ガラス繊維４の径が概ね１μｍ以下）。そして、銅板３上で固化したガラス繊維４が得られる。

以下、本発明の第一実施形態に係るガラス繊維の製造方法による作用・効果について説明する。

１μｍ以下の径のガラス繊維４を安定して紡糸するためには、吐出口２ａの内径を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍにすることが好ましく、また、溶融ガラス１の粘度は２５Ｐａ・s〜１５０Ｐａ・sの範囲にすることが好ましい。従来の方法では、失透等が発生し易いためにこのような粘度範囲の溶融ガラスを１μｍ以下の径の繊維状に成形することは困難であったが、本発明の方法によれば、吐出口２ａから吐出された溶融ガラス１が銅板３側へと至る過程で迅速にガラス繊維４に成形されるため、失透の発生を可及的に防止できる。

なお、仮にガラスの濡れ性に起因して吐出口２ａ付近で溶融ガラス１が滞留した場合、滞留した溶融ガラス１が冷えて失透し、後続の溶融ガラス１が次々に失透してしまうおそれがある。しかしながら、このガラス繊維の製造方法によれば、吐出口２ａ付近の溶融ガラス１にも静電気力が作用し、この溶融ガラス１が銅板３側に引き寄せられる。その結果、上記のようなおそれを的確に排除することが可能である。

また、このガラス繊維の製造方法によれば、ポット２が高周波誘導加熱によって加熱されるため、ポット２を介して当該ポット２内の溶融ガラス１についても加熱を行うことができる。これにより、溶融ガラス１を所望の温度に保持しやすくなり、ガラス繊維４を連続的に製造する上で有利となる。さらに、高周波誘導加熱によれば、ポット２に非接触の状態の下で当該ポット２の加熱を行うことができる。そのため、例えば、電極等をポット２に接触させた状態の下で加熱を行う場合と比較して、ガラス繊維４を成形するための電場（ポット２と銅板３との間に形成される電場）への悪影響を抑制することが可能である。

なお、ガラス繊維４を成形するための電場への悪影響を抑制する効果は、ポット２とコイル７との間にカップ８（絶縁体）を介在させていることで、より高められる。すなわち、ポット２を高周波誘導加熱によって加熱する場合には、ポット２とコイル７との間に形成される電場が、ガラス繊維４を成形するための電場に悪影響を及ぼすおそれがある。しかしながら、ポット２とコイル７との間にカップ８（絶縁体）を介在させたことで、両者２，７の間に形成される電場の強さを可及的に弱めることができる。その結果、ガラス繊維４を成形するための電場への悪影響を効果的に抑制することが可能となる。

また、このガラス繊維の製造方法では、ポット２と銅板３との間の電位差が、２０ｋＶ〜１００ｋＶの範囲内となるように設定している。ここで、この電位差を１００ｋＶよりも大きくした場合には、溶融ガラス１の帯電量が大きくなりすぎ、溶融ガラス１同士が過度に分裂して球状のガラスビーズが生成されてしまうおそれがある。しかしながら、電位差の上限値を１００ｋＶとしていることで、ガラスビーズの生成を的確に防止することができる。

なお、本実施形態に係るガラス繊維の製造方法で得られるガラス繊維４の径は、概ね１μｍ以下となる。このような極めて径の細いガラス繊維４は、例えば、創傷被覆材用のガラス繊維４として採用することができる。

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係るガラス繊維の製造方法について説明する。なお、この第二実施形態の説明において、上記の第一実施形態で既に説明した要素については、第二実施形態について説明するための図面に同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略している。また、第二実施形態の説明においては、上記の第一実施形態との相違点についてのみ説明する。

このガラス繊維の製造方法では、図２に示すように、溶融ガラス１を吐出する複数個のポット２と、これらのポット２に対向するように配置された銅板３との間に電圧を印加する。そして、各ポット２が吐出した溶融ガラス１からガラス繊維４を成形した後、ポット２と銅板３との間を稼働するコンベアベルト９上で、各ガラス繊維４を相互に絡ませてシート体１０を作製する。

複数個のポット２は直流電源５のプラス側で並列に接続されている。また、これらのポット２は一列に並べられると共に、全ポット２が高周波電源６に接続された単一のコイル７によって囲われている。また、各ポット２は絶縁体である石英ガラスで構成された保持部材１１内に嵌め込まれており、各ポット２とこれらを囲うコイル７との間に保持部材１１が隙間なく介在する態様となっている。

コンベアベルト９は網状体で構成されると共に、図示省略のローラーに捲き掛けられている。このコンベアベルト９は、複数個のポット２が一列に並べられた方向に対し、直交する方向（図２において紙面に鉛直な方向）に向かって移動している。コンベアベルト９の下方には、当該コンベアベルト９の網目を介してシート体１０（ガラス繊維４）を吸着するための吸着部材１２が配置されている。この吸着部材１２には、図示省略の負圧発生装置（例えば、真空ポンプ等）と接続された多数の吸引孔１２ａが形成されている。

これにより、各ポット２が吐出した溶融ガラス１から成形されたガラス繊維４が次々にコンベアベルト９へと到達していく。また、コンベアベルト９に到達した各ガラス繊維４は、当該コンベアベルト９上で相互に絡まっていく。そして、負圧発生装置の稼働に伴って、吸着部材１２に形成された吸引孔１２ａが各ガラス繊維４を吸着することで、ガラス繊維４からなるシート体１０が作製される。

以下、本発明の第二実施形態に係るガラス繊維の製造方法による作用・効果について説明する。

このガラス繊維の製造方法によっても、上記の第一実施形態に係るガラス繊維の製造方法と同一の作用・効果を得ることが可能である。また、このガラス繊維の製造方法では、吸着部材１２がシート体１０を吸着する強さ（負圧の大きさ）を調節することで、質感の異なった多様なシート体１０を作製することができる。例えば、シート体１０を吸着する強さを小さくすることで、綿状のシート体１０を作製することが可能である。

ここで、本発明に係るガラス繊維の製造方法は、上記の各実施形態で説明した態様に限定されるものではない。上記の各実施形態では、ポットの吐出口から吐出された溶融ガラスがガラス繊維として銅板へと至る過程で枝分かれし、径の細い多数のガラス繊維が成形される態様となっている。しかしながら、この限りではなく、上記の各実施形態と比較して溶融ガラスの帯電量を小さくすることで、一本のガラス繊維を成形する態様としてもよい。詳述すると、ポットと銅板との間の電位差が５０ｋＶよりも小さくなるように設定（好ましくは２０ｋＶ〜５０ｋＶに設定）すれば、溶融ガラスがガラス繊維として銅板へと至る過程で枝分かれしにくくなり、一本のガラス繊維を成形しやすくなる。

また、成形されるガラス繊維に高い清浄度が要求されるような場合には、例えば、上記の第一実施形態において、ポットにおける吐出口と、銅板と、吐出口から吐出された溶融ガラスがガラス繊維として銅板へと至る経路とを閉鎖された同一の空間内に収容し、当該空間内を不活性ガスで満たして空間外よりも高圧にするような態様としてもよい。具体例を挙げると、吐出口、銅板、及び経路を開閉可能な箱体（例えば、木箱）の中に収容し、尚且つ箱体内を不活性ガスで充満させて箱体外よりも高圧にする。このようにすれば、清浄な環境の下でガラス繊維を成形すること可能である。また、箱体を開けて成形後のガラス繊維を取り出す際にも、箱体外から箱体内へと向かう気流の流れが形成されることを回避できる。そのため、箱体外に存する塵埃等が箱体内へと流入してしまうような不具合の発生を防止することが可能となる。

また、上記の各実施形態では、ポットを上方に配置すると共に、銅板を下方に配置する態様となっているが、ポットを下方に配置し、銅板を上方に配置する態様としても構わない。さらに、上記の各実施形態では、ポットとコイルとの間に石英ガラスを介在させる態様となっているが、この他、碍子等の絶縁体を介在させる態様としてもよい。しかしながら、絶縁破壊電圧の高さから石英ガラスを介在させることが好適である。

１ 溶融ガラス
２ ポット
２ａ 吐出口
３ 銅板
４ ガラス繊維
６ 高周波電源
７ コイル
８ カップ
１１ 保持部材

Claims (4)

1. エレクトロスピニング法により溶融ガラスからガラス繊維を製造するための方法であって、
   前記溶融ガラスを吐出する吐出口を備えたノズル部材と、該ノズル部材に対向するように配置された電極部材との間に電圧を印加し、前記吐出口から吐出される帯電した前記溶融ガラスを枝分かれさせながら前記電極部材側に引き寄せつつ繊維状に成形することにより、前記ガラス繊維を複数得ることを特徴とするガラス繊維の製造方法。
2. 前記ノズル部材と前記電極部材との間の電位差を２０ｋＶ〜１００ｋＶの範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載のガラス繊維の製造方法。
3. 前記ノズル部材の外周を囲い、且つ高周波電源に接続されたコイルを用いて、
   前記ノズル部材を高周波誘導加熱によって加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス繊維の製造方法。
4. 前記ノズル部材と前記コイルとの間に絶縁体を介在させることを特徴とする請求項３に記載のガラス繊維の製造方法。

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