JP6505950B2 - ガラス組成物、ガラス繊維、ガラスクロスおよびガラス繊維の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明のガラス組成物は、重量%で表示して、
50≦SiO2≦54
25≦B2O3≦30
12≦Al2O3≦15
0.5≦MgO≦1.9
3.0≦CaO≦5.5
0≦ZnO≦3.5
0.1≦Li2O≦0.5
0.1≦Na2O≦0.3
を含み、
周波数1MHzにおける誘電率が5.0未満であるガラス組成物である。
SiO2は、ガラスの網目構造を形成する必須成分である。SiO2は誘電率を下げる作用を有し、SiO2の含有率が50%未満では、ガラス組成物の周波数1MHzにおける誘電率を5.0未満とすることが困難となる。一方、当該含有率が54%を超えると、熔融時の粘性が高くなることで、ガラス繊維を製造する際に均質なガラス組成物とすることが困難となり、特にダイレクトメルト法においてこの傾向が強くなる。失透の発生および泡の混入に加えてガラス組成物の均質性が低いことも、ガラス繊維、特に繊維径が小さいガラス繊維の糸切れを誘発するし、低い均質性は、ガラス繊維として十分な特性が得られなくなることにつながる。熔融時の低い均質性は、熔融ガラスの組成が部分的に失透しやすい組成に振れたり、粘性が高く、脱泡性の低い組成に振れたりすることにもつながる。また、当該含有率が54%を超えると、熔融時の粘性が高くなることで熔融ガラスの脱泡性(泡抜け性)が低下し、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となって、特に繊維径の小さいガラス繊維の糸切れが誘発される。よって、SiO2の含有率を、50%以上54%以下とする。
B2O3は、ガラスの網目構造を形成する必須成分である。B2O3は誘電率を下げる作用を有するとともに、熔融時のガラス組成物の粘性を下げ、脱泡性(泡抜け性)を向上させ、形成したガラス繊維における泡の混入を抑制する作用を有する。一方、ガラス組成物の熔融時にB2O3は揮発する場合があるため、B2O3の含有率が過度に高くなると、ガラス繊維を製造する際に均質なガラス組成物とすることが困難となる。B2O3の含有率が25%未満では、周波数1MHzにおけるガラス組成物の誘電率を5.0未満とすることが困難となり、これに加えて、熔融時のガラス組成物の粘性が高くなることで、ガラス組成物として十分な均質性が得られないとともに、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となる。一方、当該含有率が30%を超えると、ガラス組成物の熔融時にB2O3が揮発する場合があり、この場合、ガラス組成物として十分な均質性が得られない。B2O3が揮発した領域では、相対的にSiO2およびAl2O3の含有率が増加することになり、なかでもAl2O3の含有率が顕著に増加した領域では、失透が生じやすくなる。また、当該含有率が30%を超えると、ガラス組成物が分相しやすくなり、ガラス組成物としての化学的耐久性が低下する。プリント基板にガラス繊維を使用する場合、特にガラス繊維の繊維径が小さいときには、高い化学的耐久性をガラス繊維が有することが望まれる。B2O3の含有率の上限は、これらの観点から、29.5%以下が好ましく、29%以下がより好ましく、28.5%以下がさらに好ましく、28%以下が特に好ましい。すなわち、B2O3の含有率は、25%以上29.5%以下でありうるし、25%以上29%以下でありうるし、25%以上28.5%以下でありうるし、25%以上28%以下でありうる。他の成分との含有率のバランスによっては、B2O3の含有率の下限が25%以上でありうるし、25%を超えることがありうる。
Al2O3は、ガラスの網目構造を形成する必須成分である。Al2O3は、ガラス組成物の化学的耐久性を高める作用を有する一方で、熔融時のガラス組成物の粘性を高めるとともに、紡糸する際にガラス組成物の失透を起こりやすくする。Al2O3の含有率が12%未満では、ガラス組成物の化学的耐久性が低下する。また、当該含有率が12%未満では、他の網目成分であるSiO2およびB2O3の含有率の増加、特にSiO2の含有率の増加、が余儀なくされ、熔融時のガラス組成物の粘性が高くなることで、ガラス組成物として十分な均質性が得られないとともに、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となる。一方、当該含有率が15%を超えると、他の網目成分であるSiO2およびB2O3の含有率が低下することでガラス組成物の誘電率が上昇し、周波数1MHzにおける誘電率を5.0未満とすることが困難になる。また、当該含有率が15%を超えると、熔融時におけるガラス組成物の粘性が高くなり、ガラス組成物として十分な均質性が得られなくなるとともに、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となる。そしてさらに、ガラス組成物の失透が発生しやすくなる。
MgOは、ガラス原料の熔融性を向上させるとともに、熔融時のガラス組成物の粘性を下げる作用を有する必須成分である。一方、MgOは、ガラス組成物の誘電率を上昇させる。MgOの含有率が0.5%未満では、熔融時のガラス組成物の粘性が高くなることで、ガラス組成物として十分な均質性が得られないとともに、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となる。一方、当該含有率が1.9%を超えると、ガラス組成物の誘電率が上昇し、周波数1MHzにおける誘電率を5.0未満とすることが困難になる。MgOの含有率の上限は、これらの観点から、1.8%以下が好ましく、1.7%以下がより好ましく、1.6%以下がさらに好ましく、1.5%以下が特に好ましい。すなわち、MgOの含有率は、0.5%以上1.8%以下でありうるし、0.5%以上1.7%以下でありうるし、0.5%以上1.6%以下でありうるし、0.5%以上1.5%以下でありうる。他の成分とのバランスによっては、MgOの含有率の下限が1.5%以上でありうるし、1.5%を超えることがありうる。
CaOは、MgOおよびZnOと同様に、ガラス原料の熔融性を向上させるとともに、熔融時のガラス組成物の粘性を下げる作用を有する必須成分である。CaOのこの作用は、MgOおよびZnOよりも大きい。一方、CaOは、ガラス組成物の誘電率を上昇させる。CaOの含有率が3.0%未満では、熔融時のガラス組成物の粘性が高くなることで、ガラス組成物として十分な均質性が得られないとともに、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となる。また、当該含有率が3.0%未満では、ガラス組成物が分相しやすくなる。一方、当該含有率が5.5%を超えると、ガラス組成物の誘電率が上昇し、周波数1MHzにおける誘電率を5.0未満とすることが困難になる。ただし、CaOは、MgOおよびZnOに比べて、ガラス組成物の誘電正接を増加させる程度が小さい。
ZnOは、ガラス原料の熔融性を向上させるとともに、熔融時のガラス組成物の粘性を下げる作用を有する任意成分である。一方、ZnOは、ガラス組成物の誘電率を上昇させる。ZnOの含有率が3.5%を超えると、ガラス組成物の誘電率が上昇し、周波数1MHzにおける誘電率を5.0未満とすることが困難になる。ZnOの含有率の下限は1.5%が好ましく、この場合、熔融時のガラス組成物の粘性の上昇が抑制され、ガラス組成物としての均質性が向上するとともに、形成したガラス繊維における泡の混入がより抑制される。他の成分とのバランスによっては、ZnOの含有率の上限が1.5%以下でありうるし、1.5%未満、さらには1.0%以下でありうる。ZnOを実質的に含有しないガラス組成物でもありうる。
MgO、CaOおよびZnOについて、これらの成分の含有率の合計(MgO+CaO+ZnO)に対するCaOの含有率の比CaO/(MgO+CaO+ZnO)は、好ましくは0.31〜0.63であり、より好ましくは0.50〜0.63である。CaOの含有率の比を高めようとするとガラス組成物の誘電率は上昇するが、これらの範囲において、ガラス組成物の誘電率の上昇がより抑制される。
Li2Oは、ガラス原料の熔融性を向上させるとともに、熔融時のガラス組成物の粘性を下げる作用を有する必須成分である。一方、Li2Oは、ガラス組成物の誘電率および誘電正接を上昇させる。Li2Oの含有率が0.1%未満では、熔融時のガラス組成物の粘性が高くなることで、ガラス組成物として十分な均質性が得られないとともに、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となる。一方、当該含有率が0.5%を超えると、ガラス組成物の誘電率が上昇し、周波数1MHzにおける誘電率を5.0未満とすることが困難になる。
Na2Oは、Li2Oと同様に、ガラス原料の熔融性を向上させるとともに、熔融時のガラス組成物の粘性を下げる作用を有する必須成分である。一方、Na2Oは、ガラス組成物の誘電率および誘電正接を上昇させる。Na2Oの含有率が0.1%未満では、熔融時のガラス組成物の粘性が高くなることで、ガラス組成物として十分な均質性が得られないとともに、形成したガラス繊維における泡の混入の抑制が不十分となる。一方、当該含有率が0.3%を超えると、ガラス組成物の誘電率が上昇し、周波数1MHzにおける誘電率を5.0未満とすることが困難になる。
本発明のガラス組成物では、上述した各成分の含有率のバランスにより、低誘電率のガラス組成物であって、形成するガラス繊維の繊維径が小さい場合あるいは形成するガラス成形体の厚さが小さい場合においても、当該ガラス繊維またはガラス成形体における失透の発生および泡の混入をより抑制できる。このうち、網目成分であるSiO2、B2O3およびAl2O3について、重量%で表示して50≦SiO2≦54、25≦B2O3≦30、および12≦Al2O3≦15である、含有率のバランスが図られている。
本発明のガラス組成物では、上述した好ましい範囲を含めて網目成分の含有率に関する上記バランスを確保した上で、さらに網目成分以外の修飾成分であるMgO、CaO、ZnO、Li2OおよびNa2Oについて、重量%で表示して、0.5≦MgO≦1.9、3.0≦CaO≦5.5、0≦ZnO≦3.5、0.1≦Li2O≦0.5、および0.1≦Na2O≦0.3の含有率のバランスが図られている。
本発明のガラス組成物は、その他の成分として、ZrO2、Fe2O3、SO2、La2O3、WO3、Nb2O5、Y2O3およびMoO3から選ばれる少なくとも1種を、それぞれ0%以上1%以下の含有率で含むことができる。
本発明のガラス繊維は、本発明のガラス組成物により構成される。ガラス繊維の具体的な構成は特に限定されず、本発明のガラス組成物により構成される限り、従来のガラス繊維と同様の構成をとりうる。ただし、上述のように、本発明のガラス組成物が低誘電率のガラス組成物であって、形成するガラス繊維の繊維径が小さい場合においても当該ガラス繊維における失透の発生および泡の混入をより抑制できる組成物であることから、本発明のガラス繊維は繊維径の小さいガラス繊維でありうるし、このような繊維径の小さい低誘電率のガラス繊維が本発明のガラス繊維の一形態となる。
本発明のガラスクロスは、本発明のガラス繊維により構成される。ガラスクロスの具体的な構成は特に限定されず、本発明のガラス繊維を含む限り、従来のガラスクロスと同様の構成をとりうる。例えば、ガラスクロスの織組織は特に限定されず、平織、朱子織、綾織、斜子織、畦織などの織組織をとりうる。例示した織組織のなかでは平織が好ましい。本発明のガラスクロスは、本発明のガラス繊維以外のガラス繊維を含んでいてもよいが、上述した各効果がより確実になることから、ガラス繊維として本発明のガラス繊維のみを含むことが好ましい。本発明のガラスクロスは、繊維径の小さい低誘電率のガラス繊維から構成されるガラスクロスでありうる。
最初に、以下の表1,2に示す各組成(成分の含有率の単位は重量%、ただし、比較例6については重量部)となるようにガラス原料を秤量し、均質な状態となるように混合して、ガラス原料混合バッチを作製した。次に、作製した混合バッチを白金ロジウム製るつぼに投入し、1600℃に設定した間接加熱電気炉内で、大気雰囲気中にて3時間以上加熱して熔融ガラスとした。次に、得られた熔融ガラスを耐火性鋳型に流し出して鋳込み成形した後、得られた成形体を徐冷炉により室温まで徐冷処理して、評価に使用するガラス組成物試料とした。
作製したガラス試料のほぼ中央に5mm四方の枠を設け、当該枠内に見えるガラス試料中の泡の数を実体顕微鏡を用いて数倍に拡大して計測した。これとは別に、測定個所のガラス試料の厚さを測定し、測定した厚さを用いて上記計測した泡の数を体積1cm3当たりの泡の数に換算して、これをガラス試料に発生した泡数(単位:cm-3)とした。
作製したガラス試料1〜2gを白金ロジウム板の上に載せ、1150℃、1200℃または1250℃に設定した電気炉内に2時間収容した後、炉より取り出して放冷した。放冷後のガラス試料の透明性を肉眼により確認し、白濁がみられた場合に失透が発生したと判定し、白濁が見られず透明性を保持していた場合に失透が発生しなかったと判定した。別途、平均繊維径3μmのガラス繊維を紡糸して確認したところ、このような繊維径の小さいガラス繊維を失透による糸切れを起こさずに紡糸できるガラス組成物は、上記電気炉での2時間の加熱温度にして1150℃、1200℃および1250℃から選ばれる少なくとも1つの加熱温度において失透が発生しなかったガラス組成物、特に、全ての加熱温度において失透が発生しなかったガラス組成物であった。このため、1150℃、1200℃および1250℃のいずれの加熱温度でも失透が発生しなかったガラス組成物を、繊維径の小さなガラス繊維の紡糸時においても特に失透の発生が抑制されるガラス組成物であると判断し、良(○)と評価した。一方、少なくとも1つの上記加熱温度で失透が発生したガラス組成物を可(△)と評価し、上記3つの全ての加熱温度で失透が発生したガラス組成物を、失透の発生が抑制されていないガラス組成物であると判断し、不可(×)と評価した。1150℃、1200℃および1250℃は、繊維径の小さいガラス繊維の紡糸工程におけるブッシング立ち上げ時の昇温過程およびガラスの繊維化過程の温度に対応している。
周波数1MHzにおける誘電率は、ASTM D150−87に準拠して測定した。測定温度は25℃とした。誘電率が小さい値であるほど、当該ガラス組成物から構成されるガラス繊維を含むプリント基板の誘電損失が小さくなる。
実施例12では、実施例1で作製したガラス組成物のペレットからガラス繊維を製造した。具体的に、当該ペレットをガラス熔融窯に投入し、1550℃の熔融温度で熔融した後、紡糸炉における耐熱ブッシングの底部に設けられた多数のノズルから熔融ガラスを引き出し、集束剤を付与しながら、高速で回転するコレット上のチューブにガラスストランド(平均繊維径4.1μm、フィラメント数50本)を巻き取ってケーキを形成した。次に、形成したケーキの外層から順次ストランドを解舒して撚りを掛けながら風乾した後、ボビンに巻き返して撚糸することでガラスヤーン(番手1.7tex)を得た。得られたガラスヤーンのガラス組成は、実施例1のガラス組成物の組成と同一であった。
実施例1で作製したガラス組成物のペレットの代わりに実施例4で作製したガラス組成物のペレットを用いるとともに、熔融温度を1600℃とした以外は実施例12と同様にして、ガラスヤーンおよびガラスクロスを得た。得られたガラスヤーンの番手は1.7texであり、そのガラス組成は実施例4のガラス組成物の組成と同一であった。得られたガラスクロスの経糸密度は95、緯糸密度は95、厚さは15μm、質量は12.7g/m2であった。実施例13で作製したガラス繊維、ガラスヤーンおよびガラスクロスの評価結果を、以下の表3にまとめる。
実施例1で作製したガラス組成物のペレットの代わりに比較例1で作製したガラス組成物のペレットを用いるとともに、熔融温度を1600℃とした以外は実施例12と同様にして、ガラスヤーンおよびガラスクロスを得た。得られたガラスヤーンの番手は1.7texであり、そのガラス組成は比較例1のガラス組成物の組成と同一であった。得られたガラスクロスの経糸密度は95、緯糸密度は95、厚さは15μm、質量は12.7g/m2であった。比較例7で作製したガラス繊維、ガラスヤーンおよびガラスクロスの評価結果を、以下の表3にまとめる。
ガラス繊維の紡糸操業性は、同一の紡糸速度および巻き時間(すなわち、糸切れがないときは同一長さ)としたときに、操業時間(12時間以上)内に紡糸時の糸切れなく所定の長さのケーキが採取できたと仮定したときの理想ケーキ数に対する、実際に糸切れなく採取できた所定の長さのケーキ数の比により評価した。評価は、下記の5段階にて実施し、「3」以上を合格とした。
5:上記比率が70%以上
4:上記比率が60%以上70%未満
3:上記比率が50%以上60%未満
2:上記比率が40%以上50%未満
1:上記比率が40%未満
ガラス繊維の平均繊維径は、次のように評価した。得られたガラスクロスを30cm角のサイズにカットしたものを2枚準備し、一方を経糸観察用、他方を緯糸観察用として、それぞれエポキシ樹脂(丸本ストルアス製、商品名3091)に包埋して硬化させた。次に、それぞれの硬化物を、経糸または緯糸が観察可能な程度に研磨し、その研磨面を走査型電子顕微鏡(SEM;日本電子製、商品名JSM−6390A)により倍率500倍で観察した。このとき、経糸および緯糸のそれぞれについて無作為に20本選択し、選択した全てのガラス繊維の直径を測定してその平均値を算出し、これをガラス繊維の平均繊維径とした。
ガラスヤーンの番手は、JIS R3420:2013の項目7.1に基づいて評価した。
ガラスヤーンの強度は、次のように評価した。得られたガラスヤーンの引張強さを、JIS R3420:2013の項目7.4.3に従い、半径13mmの円形クランプを用い、試験速度を250mm/分、つかみ間隔を250mmとして求めた。次に、求めた引張強さを当該ガラスヤーンの番手で除することにより、ガラスヤーンの強度(単位:N/tex)とした。
ガラスクロスの厚さは、JIS R3420:2013の項目7.10.1Aに基づいて評価した。
ガラスクロスの質量は、JIS R3420:2013の項目7.2に基づいて評価した。
ガラスクロスの密度(織密度)は、経糸および緯糸の各々について、JIS R3420:2013の項目7.9に基づいて評価した。
ガラスクロスの外観は、目視により、以下の基準により評価した。良(○)および優(◎)を合格とした。
ガラスクロスの開繊性は、JIS R3420:2013の項目7.13に基づいて評価したガラスクロスの通気度(単位:cm3/(cm2・秒))により評価した。通気度が低いほど、ガラスクロスの開繊性が優れていることを示す。
Claims (23)
- 重量%で表示して、
50≦SiO2≦54
25≦B2O3≦30
12≦Al2O3≦15
0.5≦MgO≦1.5
3.31≦CaO≦5.5
0≦ZnO≦3.5
0.1≦Li2O≦0.5
0.1≦Na2O≦0.3
を含み、
MgOおよびCaOの含有率の合計が4.67重量%以上であり、
周波数1MHzにおける誘電率が5.0未満であるガラス組成物。 - 重量%で表示して、
50≦SiO 2 ≦54
25≦B 2 O 3 ≦30
12≦Al 2 O 3 ≦15
0.5≦MgO≦1.9
3.0≦CaO≦5.5
0<ZnO≦3.5
0.1≦Li 2 O≦0.5
0.1≦Na 2 O≦0.3
を含み、
周波数1MHzにおける誘電率が5.0未満であるガラス組成物。 - 重量%で表示して、
25≦B2O3≦28
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
0.5≦MgO≦1.5
である請求項2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
25≦B2O3≦28
0.5≦MgO≦1.5
である請求項2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
25≦B2O3≦27
14≦Al2O3≦15
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
25≦B2O3≦26.6
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
50≦SiO2≦52.5
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
0.5≦MgO≦1.3
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
0.5≦MgO≦1.0
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
1.2≦MgO≦1.5
0.4≦Li2O+Na2O≦0.8
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、
1.5≦ZnO≦3.5
である請求項1または2に記載のガラス組成物。 - ZnOを実質的に含まず、
重量%で表示して、
1.2≦MgO≦1.5
である請求項1に記載のガラス組成物。 - 重量%で表示して、実質的に
50≦SiO2≦54
25≦B2O3≦30
12≦Al2O3≦15
0.5≦MgO≦1.5
3.31≦CaO≦5.5
0≦ZnO≦3.5
0.1≦Li2O≦0.5
0.1≦Na2O≦0.3
からなる請求項1に記載のガラス組成物。 - ガラス繊維用である請求項1〜14のいずれかに記載のガラス組成物。
- 平均繊維径が3〜6μmのガラス繊維用である請求項15に記載のガラス組成物。
- 請求項1〜16のいずれかに記載のガラス組成物から構成されるガラス繊維。
- 平均繊維径が3〜6μmである請求項17に記載のガラス繊維。
- 平均繊維径が3〜4.3μmである請求項17に記載のガラス繊維。
- 強度が0.4N/tex以上である請求項17に記載のガラス繊維。
- 請求項17〜20のいずれかに記載のガラス繊維から構成されるガラスクロス。
- 厚さが10〜20μmである請求項21に記載のガラスクロス。
- 請求項1〜16のいずれかに記載のガラス組成物を1400℃以上の温度で熔融する工程を含み、平均繊維径が3〜6μmのガラス繊維を得る、ガラス繊維の製造方法。
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