JP6408699B2 - ガラス繊維組成物及びガラス繊維、並びに複合材料 - Google Patents

ガラス繊維組成物及びガラス繊維、並びに複合材料 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2014年9月22日に中国特許庁に出願された「ガラス繊維組成物及びガラス繊維、並びに複合材料」と称する中国特許出願＝出願番号201410486801.3の優先権を主張し、全ての内容は引用する形で本出願に組み込まれるものとする。
本発明は、組成物及びガラス繊維、並びに複合材料に関し、特に、ガラス繊維組成物及びガラス繊維、並びに複合材料に関する。
ガラス繊維は無機繊維材料であり、それを用いて樹脂を強化することで性能の優れる複合材料を生産することができる。高性能のガラス繊維は先端的な複合材料の強化基材として、最初主に、航空宇宙、兵器等国防軍事工業の分野に利用されていた。科学の進歩及び経済の発展につれて、高性能のガラス繊維は、モータ、風力発電機のブレード、圧力容器、海上石油パイプライン、スポーツ器具、自動車業界等民需、工業分野において広く利用されるようになっている。
アメリカがS-2ガラス繊維を開発して以来、各国による様々な成分の高性能ガラス繊維の開発が相次いでいる。その例として、フランスが開発したRガラス繊維、アメリカが開発したHiPer-texガラス繊維、中国が開発した高強度2#ガラス繊維等がある。最初の高性能ガラスの成分はMg0-A1203-Si02系を主体とし、その代表例としては、アメリカのS-2ガラスがある。しかしながら、その生産の難易度が極めて高く、約1571℃の成形温度が要求され、液相温度も1470℃に達するため、大規模な工業化生産の実現が難しかった。
その後、ガラスの溶融温度及び成形温度の降下を図り、タンク溶融炉による大規模な生産を実現させるべく、海外の各大手会社はMg0-Ca0-A1203-Si02系を主体とする高性能ガラスを開発し、その代表例としては、フランスのRガラス及びアメリカのHiPer-texガラスがある。これは、ガラスの性能と引き換えに大規模な生産を実現させる折衷的な方法である。しかしながら、その設計が余りにも保守的であり、特にA1203含有量が20%以上であることが要求され、25%が好ましいことから、生産の難易度がまだ高く、タンク溶融炉による小規模な生産は実現したが、生産効率が低く、製品のコストパフォーマンスが高くなかった。従来のRガラスは約1410℃の成形温度が要求され、成形が困難であり、液相温度も1330℃に達することから、ガラス繊維の生産を困難にし、大規模な工業化生産も実現しにくかった。
高強度2#ガラス繊維でも主要成分としてSi02、A1203、MgOを含み、又、一部のLi20、B203、Ce02及びFe203が導入、高い強度及び弾性率を有し、且つその成形温度が約1245℃、液相温度が1320℃、共にSガラス繊維よりはるかに低いが、成形温度が液相温度より低いのは、ガラス繊維の生産に不利となり、引き伸ばし温度を高め、特殊な形状のノズルを用いることで、引き伸ばし過程におけるガラスの失透現象の発生を防止しなければならない。これは温度の制御が難しくなり、大規模な工業化生産を実現しにくくなる。
この他に、また改良型Rガラス繊維があり、このガラス繊維は従来のEガラス繊維と比べて強度及び弾性率がはるかに高く、溶融及び引き伸ばし時の状態も従来のRガラス繊維より優れるが、該ガラスは晶析リスクが高く、Li20を大量に導入したため、ガラスの化学的安定性を低下させ、原材料コストを大幅に増やし、大規模な工業化生産に不利となる。
本発明は、上記すべての問題点を解決でき、先端的な複合材料の強化基材として用いられる高性能のガラス繊維組成物を提供することを目的とする。当該ガラス繊維組成物によれば、さらに高い力学的性質と低い晶析リスクを有するとともに、ガラスの屈折率が大幅に改善され、人体に有害な放射線を顕著に遮蔽することができる。
本発明の一形態によれば、ガラス繊維組成物を提供し、下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 58-63%
Al2O3 13-17%
CaO 6-11.8%
MgO 7-11%
SrO 3.05-8%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ce02 0-1%
Ti02 0-2%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1より大きい。
更に、重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きい。
更に、重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)の範囲を0.8-1.5、重量百分率の比C4=Li20/Na20の範囲を1-4とする。
更に、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaO=1.05-1.85とする。
更に、重量百分率で示すCe02の含有量範囲を0.02-0.4%とするか、又は重量百分率で示すCaOの含有量範囲を8-11%とする。
更に、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 59-62%
Al2O3 14-16.5%
CaO 8-11%
MgO 8-10%
SrO 3.05-5%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ce02 0-1%
Ti02 0-2%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1.05-1.85、
前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きい。
更に、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 59-62%
Al2O3 14-16.5%
CaO 8-11%
MgO 8-10%
SrO 3.1-4.5%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ce02 0.02-0.4%
Ti02 0.1-1.5%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1より大きく、
前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きく、
前記重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)は0.8-1.5、
前記重量百分率の比C4=Li20/Na20は1-4とする。
更に、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 59-62%
Al2O3 14-16.5%
CaO 8-11%
MgO 8-10%
SrO 3.1-4.5%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ti02 0.1-1.5%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1.05-1.85、
前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2.05-3.0、
前記重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)は0.85-1.25、
前記重量百分率の比C4=Li20/Na20は1.5-3.0とする。
本発明の他の形態によれば、ガラス繊維を提供し、前記ガラス繊維は上記ガラス繊維組成物で生産される。
本発明の他の形態によれば、複合材料を提供し、前記複合材料は上記ガラス繊維を含む。
本発明によるガラス繊維組成物は、上記成分の配合比率及び組み合わせにより、Rガラス相当の力学的性質を有するとともに、ガラスの屈折率が大幅に改善され、人体に有害な放射線を顕著に遮蔽することができ、又、ガラスの晶析のリスク及び生産コストが更に削減され、これにより該ガラス繊維組成物はタンク溶融炉による大規模な生産により適するようになる。
具体的には、本発明によるガラス繊維組成物は下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 58-63%
Al2O3 13-17%
CaO 6-11.8%
MgO 7-11%
SrO 3.05-8%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ce02 0-1%
Ti02 0-2%
又、更に比C1=(MgO+SrO)/CaOが1より大きい。
以下、該ガラス繊維組成物の各成分の役割及び含有量について説明する。
Si02はガラスの骨格を形成する主要酸化物で、各成分を安定させる役割を果たしている。本発明のガラス繊維組成物において、Si02の含有量範囲は58-63%に限定され、含有量が低すぎると、ガラスの機械的性質に影響し、含有量が高すぎると、ガラスの粘度が非常に高くなり、溶融及び清澄化しにくくなる。好ましくは、Si02の含有量範囲を59-62%に限定する。
Al2O3もガラスの骨格を形成する酸化物であり、Si02と結合することでガラスの機械的性質において決定的な役割を果たすことができ、又、ガラスの分相防止及び耐水性において重要な役割を果たしている。本発明のガラス繊維組成物において、Al2O3の含有量範囲を13-17%に限定し、含有量が低すぎると、液相温度が上昇し、同時にガラスの機械的性質及び耐水性が劣るようになり、含有量が高すぎると、ガラスの粘度が高すぎ、溶融及び清澄化しにくくなり、又、ガラス失透のリスクが増す。好ましくは、Al2O3の含有量範囲を14-16.5%に限定する。
本発明のガラス繊維組成物は、CaO、MgOとSrOによる3元混合アルカリ効果を利用している。当業者は殆どCaOとMgOによる2元混合アルカリ効果について熟知しているが、CaO、MgOとSrOによる3元混合アルカリ効果に関しては報告が稀であり、又、CaO+MgO+SrOの総含有量が15%を超え且つSrOの含有量が3%を超える特殊な3元混合アルカリ効果に関する報告はより希少であった。以下、本発明におけるCaO、MgOとSrOによる3元混合アルカリ効果及びCaO、MgOとSrOの含有量の選択について詳しく説明する。
まずは、対照用として、CaOとMgOによる2元混合アルカリ効果について簡単に紹介する。CaOは主として、ガラスの粘度調整及びガラスの晶析抑制の役割を果たす。MgOは類似する効果を有し、又、ガラスの弾性率を高める上で重要な役割を果たしている。CaO及びMgOの含有率を合理的に設計し、灰長石(CaAl2Si208)と透輝石(CaMgSi206)結晶体の間の競合成長を利用して、この2種の結晶体の成長を緩和させることにより、ガラス失透のリスクを低減する目的を達成する。
大量の実験を行ったところ、合理的な配合比率という前提のもとで、3元混合アルカリ効果は2元混合アルカリ効果より優れることが明らかになった。これは、より多くの半径の異なるアルカリ土類金属イオンが代替に関与し、より緊密に積み重なる構造を形成しやすいことから、ガラスの力学的性質、光学的性質及び耐食性等がより優れるようになるためである。本発明のガラス繊維組成物に添加するCaO、MgOとSrOに関しては、緊密に積み重なる構造の形成において、3種類のイオンの粒度分布が非常に重要になる。Mg2+、Ca2+、Sr2+のイオン半径が逐次大きくなるため、半径が最小のイオンと半径が最大のイオンとのバランスをとる必要がある。関連研究によると、ガラス繊維組成物に少量のSrOを導入し、(MgO+SrO)/CaOの比を合理的に調整することでガラスの晶析傾向及びその速度を効果的に制御することができ、且つ通常、MgOの含有量が高い状況にのみ、一定量のSrOの導入が適切で、MgO/SrOの比が合理的な範囲内にあれば、混合アルカリ効果に対し大きな促進効果を有する。ゆえに、本出願において、CaO、MgO及びSrOをガラス繊維の力学的性質、光学的性質及び晶析性能を制御するパラメータとし、これにより対応するガラス系において、ガラス系内におけるCaO、MgO及びSrOの含有量を設計することでより優れる力学的性質、光学的性質を実現するとともに、より低い晶析温度及び晶析リスクの低減を達成することができる。
又、2元混合アルカリ効果を利用している従来のガラスと比べて、本出願において、CaOの含有量が比較的低いため、ガラス原料の特性を安定化させ、高性能ガラスの繊維化効率を改善するとともに、MgOの含有量を高めることでSrOと調合させ、3元構造をより緊密にすることができる。但し、CaOの含有量が低すぎると灰長石と透輝石結晶体の間の競合成長のバランスを崩し、ガラス失透のリスクが上昇するため、CaOの含有量が低すぎてはならない。
又、本出願において、アルカリ土類金属酸化物の総含有量が高いという前提のもとで、SrOの導入をより有効にするために、MgOの含有量を適宜高めている。これは、2種の物質による相乗作用を顕著に向上させることができる。関連研究により、SrOに関する次の知見が得られた。アルカリ土類金属酸化物の含有量の高いガラス系において、SrOの含有量を3%以上、特に3.05-8%に制御すると、SrO及びMgOの協働作用により、ガラスの屈折率を効果的に高めるだけでなく、X線、γ線やβ線等の人体に有害な放射線を顕著に遮蔽することができる。好ましくは、SrOの含有量範囲を3.05-5%に限定する。より好ましくは、SrOの含有量範囲を更に3.1-4.5%に限定する。
よって、本出願において、CaO、MgOとSrOによる3元混合アルカリ効果について全面的に考慮し、適切なSrO含有量を選択することで、より優れる力学的性質及びより低い晶析温度、晶析リスクの低減を実現するとともに、ガラスの屈折率を効果的に高め、人体に有害な放射線を顕著に遮蔽することができる。本発明のガラス繊維組成物において、CaOの含有量範囲を6-11.8%、MgOの含有量範囲を7-11%、SrOの含有量範囲を3.05-8%に限定し、且つ重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOが1より大きい。好ましくは、CaOの含有量範囲を8-11%、MgOの含有量範囲を8-10%、SrOの含有量範囲を3.05-5%に限定する。より好ましくは、SrOの含有量範囲を更に3.1-4.5%に限定し、重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOを1.05-1.85とする。
研究を行ったところ、簡単に代替の観点からみると、CaOと比べて、SrOはガラスの圧縮強さ及び屈折率を高める効果がより顕著であり、ガラス原料の特性に対するそれぞれの作用に大きな差があり、MgOと比べて、SrOはガラスの圧縮強さ、弾性率及び屈折率を高める効果がより顕著であり、ガラス原料の特性に対するそれぞれの作用に差が小さいことが分かる。又、イオンの寸法の調合を考慮すると、SrO及びMgOの合計とCaOとの比で調節するのは好適である。発明者は、C1を1以上、特に1.05-1.85の範囲に制御する場合、ガラスの力学的性質及び屈折率等の面の改善は非常に顕著であるとともに、ガラスの晶析温度及び晶析度合いの緩和も非常に顕著であるという事実を発見した。これについては、該範囲内では3元アルカリ土類金属酸化物が極めて緊密に積み重なり、ガラスの構造を極めて安定化させることにより、予期せぬガラスの性能向上を実現していると発明者は考えている。
本発明出願において、CaO、MgOとSrOの協働作用を充分に利用し、それぞれの適切な含有量範囲及び比率関係を選択することで実現した有益な効果については、具体的な実施例に関する表の部分にて、測定した関連パラメータにより示す。
上記重量百分率で示すCaO、MgOとSrOの含有量を選択し、比C1を制御するという前提のもと、MgOとSrOとは一定の比率関係を満たしていれば、ガラスの屈折率の向上及び人体に有害な放射線の遮蔽において、より好ましい効果を得ることができる。例えば、本発明において、重量百分率の比C2=MgO/SrOを2以上とする。好ましくは、重量百分率の比C2=MgO/SrOを2.05-3.0とする。
K20及びNa20はいずれもガラスの粘度を降下させることができ、優れるフラックスである。アルカリ土類金属酸化物の総含有量が一定である状況において、K20でNa20を代替することで、ガラスの晶析傾向を緩和させ、繊維の成形性能を改善するとともに、液体ガラスの表面張力を低減し、ガラスの生産プロセスを改善し、又、ガラスの力学的性質の向上に顕著に寄与する。但し、ガラスの化学的安定性を低下させる恐れがあるため、アルカリ土類金属の導入量を少量に抑える必要がある。よって、本発明のガラス繊維組成物において、Na20+K20+Li20総含有量範囲を0.1-2%に限定する。更に、重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)の範囲を0.8-1.5とし、更に、重量百分率の比C4=Li20/Na20の範囲を1-4とする。好ましくは、重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)の範囲を0.85-1.25とし、更に、重量百分率の比C4=Li20/Na20の範囲を1.5-3.0とする。
Fe203の導入はガラスの生産を容易にする上、ガラスの晶析性能を改善することができる。しかしながら、鉄イオン及び第1鉄イオンは着色作用を有するため、導入量を抑える必要がある。よって、本発明のガラス繊維組成物において、Fe203の含有量範囲を0.1-1%に限定する。
CeO2は優れる清澄化効果を有し、且つ無毒であり、又、第1鉄イオンの一部を鉄イオンに酸化して、ガラス繊維の呈する緑色を薄めることができる。従来技術において、高性能のガラスの清澄化、均質化が困難であり、それを解決すべく、本発明のガラス繊維組成物にCeO2を適宜添加し、且つCeO2の含有量範囲を0-1%とする。好ましくは、重量百分率で示すCeO2の含有量範囲を0.02-0.4%とする。
Ti02は高温状態下のガラスの粘度を降下できるだけでなく、フラックスとしての作用も有する。よって、本発明のガラス繊維組成物にTi02を添加し、且つその含有量範囲を0-2%に限定する。好ましくは、重量百分率で示すTi02の含有量範囲を0.1-1.5%とする。
又、本発明によるガラス繊維組成物に少量のフッ素を含むことは許容され、フッ素が環境に深刻な悪影響を及ぼしていることを考慮し、その添加を推奨しない。
本発明によるガラス繊維組成物の各成分の含有量に対して選択した上記範囲による有益な効果については、実験データを示して具体的に説明する。
以下、本発明によるガラス繊維組成物に含まれる各成分の含有量の好ましい取得範囲に基づき、例を示す。
好適な実施例1：
本発明によるガラス繊維組成物は下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で次のとおり示す：
Si02 59-62%
Al2O3 14-16.5%
CaO 8-11%
MgO 8-10%
SrO 3.05-5%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ce02 0-1%
Ti02 0-2%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1.05-1.85とし、
前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きい。
好適な実施例2：
本発明によるガラス繊維組成物は下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で次のとおり示す：
Si02 59-62%
Al2O3 14-16.5%
CaO 8-11%
MgO 8-10%
SrO 3.1-4.5%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ce02 0.02-0.4%
Ti02 0.1-1.5%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1より大きく、
前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きく、
前記重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)は0.8-1.5、
前記重量百分率の比C4=Li20/Na20は1-4とする。
好適な実施例3：
本発明によるガラス繊維組成物は下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で次のとおり示す：
Si02 59-62%
Al2O3 14-16.5%
CaO 8-11%
MgO 8-10%
SrO 3.1-4.5%
Na20+K20+Li20 0.1-2%
Fe203 0.1-1%
Ti02 0.1-1.5%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1.05-1.85、
前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2.05-3.0、
前記重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)は0.85-1.25、
前記重量百分率の比C4=Li20/Na20は1.5-3.0とする。
本発明で提供するガラス繊維組成物は、ガラス繊維がより優れる力学的性質及びより低い晶析温度を有することを保証し、晶析のリスクが低減されるとともに、ガラスの屈折率が大幅に改善され、人体に有害な放射線を顕著に遮蔽することができる。
本発明の実施例の目的、技術的解決手段、利点をより明瞭にするため、以下、本発明の実施例の図面を参照して、本発明の実施例における技術的解決手段について明白、完全に説明する。言うまでもないが、説明する実施例は、本発明の実施例のすべてではなく、その一部に過ぎない。当業者が本発明の実施例を踏まえて、創造的な労働をすることなく得られた他のすべての実施例は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものとする。尚、抵触がない限り、本出願の実施例及び実施例の特徴を自由に組み合わせることが可能である。
本発明の基本思想は、CaO、MgOとSrOの協働作用を充分に利用し、それぞれの適切な含有量範囲及び比率関係を選択し、又、追加される微量元素の配合比率を調整することにより形成されるガラス繊維を用いて、ガラスの屈折率を効果的に高め、人体に有害な放射線を顕著に遮蔽する。
上記具体的な実施形態に基づき、本発明のガラス繊維組成物中のSi02、A1203、CaO、MgO、SrO、Na20、K20、Fe203、Li20、Ce02、Ti02の含有量を具体的に選択して実施例とし、従来のEガラス及びRガラスの性能パラメータと比較する。性能の比較にあたり、次の5つの性能パラメータを選定する：
(1)成形温度：溶融ガラスの粘度が103ポアズである時に対応する温度である。
(2)液相温度：溶融ガラスの冷却時に結晶核が形成し始める時の温度に対応し、即ちガラス晶析の上限温度である。
(3)ΔT値：成形温度と液相温度との差で、引き伸ばし成形が可能な温度範囲である。
(4)フィラメントの強度：1単位太さのガラス繊維原糸が耐えられる引張力である。
(5)屈折率：空気中の光速とガラス中の光速との比である。
上記5つのパラメータ及びそれらの測定方法は、当業者が熟知したものであり、そのため、上記パラメータで本発明のガラス繊維組成物の性能を確実に表現することができる。
実験の具体的な過程：各成分を適切な原料から取得し、比率に応じて各原料を混合し、最終的に所望の各成分の重量百分率を達成し、混合済みの配合原料を溶融、清澄化させ、液体ガラスをブッシングのノズルから引き出してガラス繊維を形成し、ガラス繊維を牽引して巻取機の回転するコレットに巻き取り、ケーキ状を形成する。尚、これらのガラス繊維を通常の方法で高度に加工することで、事前設定した要件を満たすことができる。
以下、本発明によるガラス繊維組成物の具体的な実施例を示す。
ガラス繊維組成物であって、該ガラス繊維組成物は下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 59.5%
Al2O3 15.2%
CaO 11.2%
MgO 8.0%
SrO 3.85%
Na20 0.2%
K20 0.6%
Li20 0.4%
Fe203 0.4%
Ce02 0%
Ti02 0.65%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1.06、重量百分率の比C2=MgO/SrOは2.08、重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)は1.0である。
実施例1にて測定した5つのパラメータの値はそれぞれ以下のとおりである：
成形温度 1280℃
液相温度 1196℃
ΔT値 84℃
フィラメントの強度 4153MPa
屈折率 1.571
ガラス繊維組成物であって、該ガラス繊維組成物は下記成分を含み、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 59.7%
Al2O3 15.4%
CaO 8.3%
MgO 10%
SrO 4.5%
Na20 0.2%
K20 0.5%
Li20 0.4%
Fe203 0.3%
Ce02 0%
Ti02 0.7%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1.65、重量百分率の比C2=MgO/SrOは2.50、重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)は0.84である。
実施例2にて測定した5つのパラメータの値はそれぞれ以下のとおりである：
成形温度 1282℃
液相温度 1195℃
ΔT値 87℃
フィラメントの強度 4164MPa
屈折率 1.570
ガラス繊維組成物であって、該ガラス繊維組成物は下記成分を含み、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
Si02 59.0%
Al2O3 15.3%
CaO 10.5%
MgO 9.3%
SrO 3.1%
Na20 0.2%
K20 0.55%
Li20 0.45%
Fe203 0.4%
Ce02 0%
Ti02 0.5%
且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1.18、重量百分率の比C2=MgO/SrOは3.0、重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)は0.85である。
実施例3にて測定した5つのパラメータの値はそれぞれ以下のとおりである：
成形温度 1280℃
液相温度 1196℃
ΔT値 84℃
フィラメントの強度 4140MPa
屈折率 1.569
以下、表にまとめた形で、本発明のガラス繊維組成物の上記実施例及び他の実施例と、従来のEガラス、従来のRガラス及び改良型のRガラスとの性能パラメータの比較を示す。ガラス繊維組成物の含有量は重量百分率で示す。尚、実施例において、各成分の総含有量が100%よりわずかに小さく、残りの部分は微量の不純物又は特定できない少量の成分であるとしてよい。
Figure 0006408699
Figure 0006408699
上記の表に記載した数値から明らかなように、従来のRガラスと比べて、本発明のガラス繊維組成物の成形温度及び液相温度がはるかに低く、これはエネルギー消費量の低減及び繊維化効率の向上に役立つ。又、本発明によるガラスの屈折率が高く、且つ本発明のフィラメントの強度はRガラス繊維に相当する。改良型のRガラスの成形温度は大幅に降下したが、晶析温度はまだ非常に高いため、晶析のリスクも高く、且つ成形温度範囲は非常に狭く、大規模な生産を行っても、その効率が低く、又、ガラスの屈折率は従来のRガラスに近い。改良型のRガラスと比べて、本発明のガラス繊維組成物の液相温度がはるかに低く、成形温度範囲がはるかに広く、ガラスの屈折率が大幅に改善され、フィラメントの強度もわずかに高い。従来のEガラスと比べて、本発明のガラス繊維組成物によるフィラメントの強度ははるかに高い。特に、本発明のガラス繊維組成物は、Rガラスの生産プロセスにおいて大きな改良を実現しており、同じ条件において、気泡の数が大幅に減り、又、本技術的解決手段のコストパフォーマンスは従来のRガラス及び改良型のRガラス繊維より高く、大規模な工業化生産が実現しやすい。
本発明は、CaO、MgOとSrOの間の比率関係を合理的に設計し、且つSrOの含有量を3%以上とすることで、ガラス繊維のより優れる力学的性質及びより低い晶析温度、晶析リスクの低減を実現するとともに、ガラスの屈折率を効果的に高め、人体に有害な放射線を顕著に遮蔽することができる。又、ガラスの生産効果及び繊維化効率を大幅に向上させ、溶融温度及び引き伸ばし温度は従来のRガラスより顕著に低くなり、ガラスの気泡数、粘度及び晶析リスクの更なる低減を実現している。よって、本発明のガラス繊維組成物は、タンク溶融炉による大規模な生産により適する。
本発明によるガラス繊維組成物は、上記優れる性能を備えるガラス繊維を生産することができる。
本発明によるガラス繊維組成物を1種又は複数種の有機及び/又は無機材料と結合させることで、ガラス繊維強化基材等の性能が優れる複合材料を生産することができる。
尚、本文では、用語「含む」、又は他の派生用語は、非排除性の包含を意味している。これにより、一連の要素を含む過程、方法、物もしくは装置は、それらの要素を含むだけでなく、明記していない他の要素も含み、又は、このような過程、方法、物もしくは装置の固有な要素も含む。更なる限定がない限り、要素を「一つの〜を含む」で限定する場合、前記要素を含む過程、方法、物もしくは装置が更に他の同一の要素を含むことは可能である。
上記実施例は、本発明の技術的解決手段の説明のみに用い、それを限定するものではない。前記実施例を参照して本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、前記各実施例に記載の技術的解決手段について修正し、又はその一部の技術的特徴について等価な置換を行うことができ、これらの修正又は置換は、該当する技術的解決手段の本質を本発明の各実施例に関わる技術的解決手段の趣旨及び範囲から逸脱させるものではないことは自明である。
本発明のガラス繊維組成物は、ガラス繊維のより優れる力学的性質及びより低い晶析温度、晶析リスクの低減を実現するとともに、ガラスの屈折率が大幅に改善され、人体に有害な放射線を顕著に遮蔽することができる。又、ガラスの生産効果及び繊維化効率を大幅に向上させ、これにより、溶融温度及び引き伸ばし温度は従来のRガラスより顕著に低くなり、ガラスの気泡数、粘度及び晶析リスクの更なる低減を実現している。よって、本発明のガラス繊維組成物は、タンク溶融炉による大規模な生産により適する。本発明のガラス繊維組成物は、上記優れる性能を備えるガラス繊維を生産することができる。又、本発明のガラス繊維組成物を1種又は複数種の有機及び/又は無機材料と結合させることで、ガラス繊維強化基材等の性能が優れる複合材料を生産することができる。

Claims (10)

  1. 下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
    Si02 58-63%
    Al2O3 13-17%
    CaO 6-11.8%
    MgO 7-11%
    SrO 3.05-8%
    Na20+K20+Li20 0.1-2%
    Fe203 0.1-1%
    Ce02 0-1%
    Ti02 0-2%
    且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1より大きい、ことを特徴とするガラス繊維組成物。
  2. 重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きい、ことを特徴とする請求項1に記載のガラス繊維組成物。
  3. 重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)の範囲を0.85-1.5、重量百分率の比C4=Li20/Na20の範囲を1-4とする、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガラス繊維組成物。
  4. 前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOを1.05-1.85とする、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガラス繊維組成物。
  5. 重量百分率で示すCe02の含有量範囲を0.02-0.4%とするか、又は重量百分率で示すCaOの含有量範囲を8-11%とする、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガラス繊維組成物。
  6. 下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で以下のとおり示す：
    Si02 59-62%
    Al2O3 14-16.5%
    CaO 8-11%
    MgO 8-10%
    SrO 3.05-5%
    Na20+K20+Li20 0.1-2%
    Fe203 0.1-1%
    Ce02 0-1%
    Ti02 0-2%
    且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOを1.05-1.85とし、
    前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きい、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガラス繊維組成物。
  7. 下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で次のとおり示す：
    Si02 59-62%
    Al2O3 14-16.5%
    CaO 8-11%
    MgO 8-10%
    SrO 3.1-4.5%
    Na20+K20+Li20 0.1-2%
    Fe203 0.1-1%
    Ce02 0.02-0.4%
    Ti02 0.1-1.5%
    且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOは1より大きく、
    前記重量百分率の比C2=MgO/SrOは2より大きく、
    前記重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)を0.8-1.5、
    前記重量百分率の比C4=Li20/Na20を1-4とする、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガラス繊維組成物。
  8. 下記成分を含有し、各成分の含有量は重量百分率で次のとおり示す：
    Si02 59-62%
    Al2O3 14-16.5%
    CaO 8-11%
    MgO 8-10%
    SrO 3.1-4.5%
    Na20+K20+Li20 0.1-2%
    Fe203 0.1-1%
    Ti02 0.1-1.5%
    且つ、前記重量百分率の比C1=(MgO+SrO)/CaOを1.05-1.85、
    前記重量百分率の比C2=MgO/SrOを2.05-3.0、
    前記重量百分率の比C3=K20/(Na20+Li20)を0.85-1.25、
    前記重量百分率の比C4=Li20/Na20を1.5-3.0とする、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガラス繊維組成物。
  9. 請求項1-8のいずれか1項に記載のガラス繊維組成物で生産される、ことを特徴とするガラス繊維。
  10. 請求項9に記載のガラス繊維を含む、ことを特徴とする複合材料。
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