JP6517074B2 - ガラス組成物、ガラス繊維、鱗片状ガラスおよび被覆鱗片状ガラス - Google Patents
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Description
60≦SiO2≦75、
0.1≦(MgO+CaO)≦20、
6≦Na2O≦15、
9≦(Li2O+Na2O+K2O)≦15、
5.1≦ZrO2≦9.9、
の成分を含有するガラス組成物を提供する。
上記本発明の鱗片状ガラスと、
前記鱗片状ガラスの表面を被覆する、金属または金属酸化物を主成分とする被膜と、
を含む、被覆鱗片状ガラスを提供する。
本実施形態のガラス組成物は、二酸化珪素(SiO2)、酸化ナトリウム(Na2O)および酸化ジルコニウム(ZrO2)を必須成分として含有する。さらに、本実施形態のガラス組成物は、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)、酸化リチウム(Li2O)、酸化カリウム(K2O)、三酸化ホウ素(B2O3)および酸化アルミニウム(Al2O3)を任意成分として含んでもよい。
60≦SiO2≦75、
0.1≦(MgO+CaO)≦20、
6≦Na2O≦15、
9≦(Li2O+Na2O+K2O)≦15、
5.1≦ZrO2≦9.9、
を満たす。
二酸化珪素(SiO2)は、ガラスの骨格を形成する主成分である。本明細書において、「主成分」とは含有量が最も多い成分であることを意味する。SiO2は、ガラス組成物の失透温度および粘度を調整する成分である。SiO2は、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を向上させる成分でもある。SiO2の含有率が60%以上であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。SiO2の含有率が60%以上であれば、ガラス組成物の耐水性および耐酸性を向上させることができる。SiO2の含有率が75%以下であれば、ガラス組成物の融点が低くなり、ガラス組成物を均一に溶融し易くなる。
酸化マグネシウム(MgO)および酸化カルシウム(CaO)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。また、酸化マグネシウム(MgO)および酸化カルシウム(CaO)は、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を調整する成分でもある。ガラス組成物の形成し易さや化学的耐久性を重視する場合、MgOおよびCaOの含有率の和(MgO+CaO)が重要である。(MgO+CaO)が0.1%以上であれば、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。(MgO+CaO)が20%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、ガラス組成物の化学的耐久性を向上させることができる。
酸化ナトリウム(Na2O)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。また、Na2Oは、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を調整する成分でもある。Na2Oの含有率が6%以上であれば、失透温度および粘度の調整が容易になる。Na2Oの含有率が15%以下であれば、ガラス組成物の耐酸性および耐水性も向上する。
アルカリ金属酸化物(酸化リチウム(Li2O)、酸化ナトリウム(Na2O)、酸化カリウム(K2O))は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。また、アルカリ金属酸化物(Li2O、Na2O、K2O)は、ガラス組成物の化学的耐久性を調整する成分でもある。ガラス組成物の形成し易さや化学的耐久性を重視する場合、アルカリ金属酸化物(Li2O、Na2O、K2O)の含有率の和(Li2O+Na2O+K2O)が重要である。Li2O、Na2OおよびK2Oの合計含有率(Li2O+Na2O+K2O)が9%以上であれば、失透温度および粘度の調整が容易になる。酸化リチウム、酸化ナトリウムおよび酸化カリウムの合計含有率(Li2O+Na2O+K2O)が15%以下であれば、ガラス組成物の化学的耐久性も向上する。
酸化ジルコニウム(ZrO2)は、ガラス組成物の失透温度および粘度を調整する成分である。また、ZrO2は、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を向上させる成分でもある。ZrO2の含有率が5%より大きければ、ガラス組成物の耐水性および耐酸性を向上させることができる。ZrO2の含有率が10%未満であれば、ガラス組成物の融点が低くなり、ガラス組成物を均一に溶融し易くなる。ZrO2の含有率が10%未満であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
三酸化二ホウ素(B2O3)は、ガラスの骨格を形成する成分であり、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分でもある。また、B2O3は、ガラス組成物の耐水性を向上させる成分である一方で、耐酸性を悪化させる成分でもある。例えばB2O3の含有率が5%以下であれば、ガラス組成物の耐酸性も向上する。
酸化アルミニウム(Al2O3)は、ガラスの骨格を形成する成分であり、耐熱性を保ちながらガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分でもある。また、Al2O3は、耐水性を向上させる成分である一方で、耐酸性を悪化させる成分でもある。従って、Al2O3は必須成分ではないが、ガラス組成物の溶融性および耐水性を調整するための成分として含むことが好ましい。例えばAl2O3の含有率が5%以下であれば、ガラス組成物の融点が低くなり、ガラス組成物を均一に溶融し易くなるとともに、耐酸性も向上する。
三酸化二ホウ素(B2O3)および酸化アルミニウム(Al2O3)は、ガラスの骨格を形成する成分であり、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分でもある。また、B2O3およびAl2O3は、ガラス組成物の耐水性を向上させる成分である一方で、耐酸性を悪化させる成分でもある。ガラス組成物の形成し易さや化学的耐久性を重視する場合、B2O3およびAl2O3の含有率の和(B2O3+Al2O3)が重要である。例えば(B2O3+Al2O3)が5%以下であれば、ガラス組成物の耐酸性が、固体高分子型燃料電池の固体電解質膜内部の酸性環境に十分に耐え得る程度に高くなる。
酸化マグネシウム(MgO)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。また、MgOは、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を調整する成分でもある。MgOは必須ではないが、ガラス組成物の溶融性および化学的耐久性を調整するための成分として使用してもよい。MgOの含有率が15%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
酸化カルシウム(CaO)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。また、CaOは、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を調整する成分でもある。CaOは必須ではないが、ガラス組成物の溶融性および化学的耐久性を調整するための成分として使用してもよい。CaOの含有率が15%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
酸化ストロンチウム(SrO)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。一方で、SrOはガラス組成物の耐酸性を悪化させる成分でもある。SrOは必須ではないが、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整するための成分として使用してもよい。SrOの含有率が10%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
酸化バリウム(BaO)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。その一方で、BaOはガラス組成物の耐酸性を悪化させる成分でもある。BaOは、必須ではないが、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整するための成分として使用してもよい。BaOの含有率が10%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
酸化亜鉛(ZnO)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。その一方で、ZnOは揮発し易いため、溶融時に飛散する可能性がある。ZnOの含有率が10%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。また、ZnOの含有率が10%以下であれば、揮発による成分比の変動を抑えることができ、ガラス組成物中の含有量を管理し易くなる。
酸化リチウム(Li2O)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。また、Li2Oは、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を調整する成分でもある。Li2Oは必須ではないが、ガラス組成物の溶融性および化学的耐久性を調整するための成分として使用してもよい。Li2Oの含有率が5%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
酸化カリウム(K2O)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。また、K2Oは、ガラス組成物の耐酸性および耐水性を調整する成分でもある。K2Oは必須ではないが、ガラス組成物の溶融性および化学的耐久性を調整するための成分として使用してもよい。K2Oの含有率が5%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
二酸化チタン(TiO2)は、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整する成分である。TiO2は必須ではないが、ガラス形成時の失透温度および粘度を調整するための成分として使用してもよい。TiO2の含有率が5%以下であれば、失透温度の上昇を抑制し、失透のないガラス組成物を容易に製造することができる。
ガラス組成物中に含まれる鉄(Fe)は、通常、Fe2+またはFe3+の状態で存在する。Fe3+はガラス組成物の紫外線吸収特性を高める成分であり、Fe2+はガラス組成物の熱線吸収特性を高める成分である。鉄は、意図的に含ませなくとも、工業用原料により不可避的に混入する場合がある。鉄の含有量が少なければ、ガラス組成物の着色を防止することができる。
三酸化硫黄(SO3)は必須成分ではないが、清澄剤として含まれていてもよい。硫酸塩の原料を使用すると、0.5%以下の含有率で含まれることがある。
フッ素(F)は、揮発し易いため、溶融時に飛散する可能性があるとともに、ガラス組成物中の含有量を管理し難いという問題もある。したがって、フッ素は実質的に含有しないことが好ましい。
酸化鉛(PbO)は、その原料の取扱いに配慮を要するため、実質的に含有しないことが好ましい。
ガラス組成物中に含まれる錫(Sn)は、通常、Sn2+またはSn4+の状態で存在する。錫は、その原料の取扱いに配慮を要するため、実質的に含有しないことが好ましい。錫(Sn)の含有率は、二酸化錫(SnO2)に換算して0.01%未満であることが好ましい。
ガラス組成物中に含まれるヒ素(As)は、通常、As3+またはAs5+の状態で存在する。ヒ素は、その原料の取扱いに配慮を要するため、実質的に含有しないことが好ましい。ヒ素の含有率は、三酸化二ヒ素(As2O3)に換算して0.01%未満であることが好ましい。
本実施形態のガラス組成物の各物性について、以下詳細に説明する。
(溶融特性)
溶融ガラスの粘度が1000dPa・sec(1000poise)となるときの温度は、当該ガラス組成物の作業温度と呼ばれ、ガラスの成形に最も適する温度である。ガラス繊維または鱗片状ガラスを製造する場合、作業温度が1100℃以上であれば、鱗片状ガラスの厚みまたはガラス繊維径のばらつきを小さくできる。作業温度が1300℃以下であれば、ガラス組成物を溶融する際の燃料費を低減でき、ガラス製造装置が熱による腐食を受け難くなり、装置寿命が延びる。
ガラス組成物が含有する各成分の含有率が上述で規定した組成範囲内にあれば、ガラス組成物は耐水性、耐アルカリ性、耐酸性などの化学的耐久性に優れる。
本実施形態のガラス組成物は、ガラス繊維および鱗片状ガラスとして利用できる。上述のとおり、本実施形態のガラス組成物は、高い耐酸性および高い耐水性を備えている。したがって、本実施形態のガラス組成物からなるガラス繊維は、例えば、固体高分子型燃料電池の固体電解質膜の補強材として好適に使用できる。固体高分子型燃料電池の固体電解質膜の補強材として使用される場合、ガラス繊維は、例えば、0.2〜2μmの繊維径を有することが好ましく、0.1〜10mmの繊維長さを有することが好ましい。ガラス繊維の製造方法は、特には限定されず、公知の製造方法を適宜用いることができる。
(実施例1〜34および比較例1〜7)
表1〜表5に示した組成となるように、珪砂等の通常のガラス原料を調合し、実施例および比較例毎にガラス原料のバッチを作製した。電気炉を用いて、各バッチを1400〜1600℃まで加熱して溶融させ、組成が均一になるまで約4時間そのまま維持した。その後、溶融したガラス(ガラス溶融物)を鉄板上に流し出し、電気炉中で室温まで徐冷し、バルクとしてのガラス組成物(板状物、ガラス試料)を得た。
実施例1〜34で得られたガラス組成物を用いてガラス繊維を作製し、プロトン伝導性膜(燃料電池の固体電解質膜)の補強材として用いることのできるガラス繊維を含む不織布を作製した。
まず、ガラス組成物を電気炉で再溶融した後、冷却しながらペレットに成形した。このペレットを熔融炉に投入し、平均繊維径が0.5〜1μm、平均長さが3mmであるガラス繊維を作製した。このガラス繊維95質量%と、叩解セルロース繊維5質量%とを、繊維を解きほぐすためのパルパーに同時に投入し、硫酸でpH2.5に調整した水溶液中で充分に解離、分散させて、抄紙用のスラリーを作製した。次に、湿式抄紙装置を用いて、上記スラリーから、厚さが50μmで目付量が8g/m2のガラス繊維不織布を作製した。得られた不織布は、上述した2種類の繊維を上述の配合比で含有していた。この不織布の空隙率は、約95体積%であった。
実施例1〜34で得られたガラス組成物を用いて作製されたガラス繊維のみを用いて、不織布1と同様の抄紙工程によって、ガラス繊維のみからなる不織布2を形成した。
(固体電解質膜1)
不織布1にフッ素系ポリマー電解質の分散液を含浸させ、12時間以上自然乾燥した後、120℃で1時間熱処理した。このようにして、不織布1を補強材とする固体電解質膜1を作製した。電解質分散液は、ナフィオンDE2020(デュポン社製)をイソプロピルアルコールで希釈して作製した。なお、電解質分散液の濃度および含浸量は、熱処理後の固体電解質膜1の厚さが50μmになるように調整した。
不織布1にシランカップリング剤を含浸させた後、オーブンで120℃、1時間熱処理した。このようにして、ガラス繊維と繊維状バインダ(叩解セルロース繊維)とを含み、かつ表面がシランカップリング剤で処理された補強材を得た。シランカップリング剤には、イオン交換水にアミノシランを溶解して得られる水溶液を用いた。このとき、アミノシラン水溶液の濃度および含浸量を調整して、ガラス繊維の表面積1m2当たりの固形分付着量が10mgとなるようにした。この補強材に、固体電解質膜1と同じ手順で電解質分散液を含浸させ、固体電解質膜2を得た。
不織布1に液状バインダを含浸させた後、オーブンで100℃、30分間乾燥した。このようにして、無機バインダ(シリカ)と繊維状バインダ(叩解セルロース繊維)とを含む補強材を得た。液状バインダは、コロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製、商品名:スノーテックスO)を純水で希釈することによって調製した。このとき、コロイダルシリカ希釈液の濃度および含浸量を調整して、ガラス繊維に対するシリカの付着量が5質量%となるようにした。この補強材に、固体電解質膜1と同じ手順で電解質分散液を含浸させ、固体電解質膜3を得た。
不織布2に、固体電解質膜3と同様の方法でコロイダルシリカ処理を施した。このようにして、シリカを含む補強材を得た。この補強材に、固体電解質膜1と同じ手順で電解質分散液を含浸させ、固体電解質膜4を得た。
実施例1〜34で得られたガラス組成物を用いて鱗片状ガラスを作製した。すなわち、ガラス組成物を電気炉で再溶融した後、冷却しながらペレットに成形した。このペレットを熔融炉に投入し、平均厚さが0.5〜1μmおよび平均粒子径が100〜500μmである鱗片状ガラスを作製した。鱗片状ガラスの平均厚さは、電子顕微鏡((株)キーエンス、リアルサーフェスビュー顕微鏡、VE−7800)を用い、100枚の鱗片状ガラスの断面から鱗片状ガラスの厚さを測定し、それらの厚さを平均することにより求めた値である。鱗片状ガラスの平均粒子径は、レーザ回折粒度分布測定装置(日機装(株)、粒度分析計、マイクロトラックHRA)によって測定した。
上記鱗片状ガラスを各々塗料に配合することにより、種々のライニング材が得られた。
Claims (11)
- 質量%で表して、
60≦SiO2≦75、
2≦(MgO+CaO)≦13、
6≦Na2O≦15、
9≦(Li2O+Na2O+K2O)≦15、
5.1≦ZrO2≦9.9、
0.1≦(B 2 O 3 +Al 2 O 3 )≦5、
の成分を含有し、かつ
SrO≦1.9、および、K 2 O≦5、を満たす、
ガラス組成物。 - Na2Oおよび(Li2O+Na2O+K2O)の含有率が、質量%で表して、
6≦Na2O≦12.9、
9≦(Li2O+Na2O+K2O)≦12.9、
である、
請求項1に記載のガラス組成物。 - ZrO2および(Li2O+Na2O+K2O)の含有率が、質量%で表して、
7≦ZrO2≦9.9、
9≦(Li2O+Na2O+K2O)≦11.9、
である、
請求項1または2に記載のガラス組成物。 - Li2Oの含有率が、質量%で表して、
0.1≦Li2O≦5
である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のガラス組成物。 - 前記ガラス組成物の粘度が1000dPa・secであるときの温度を作業温度としたとき、前記作業温度が1300℃以下である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のガラス組成物。 - 前記ガラス組成物の粘度が1000dPa・secであるときの温度を作業温度としたとき、前記作業温度から失透温度を差し引いた温度差ΔTが130℃以上である、
請求項1〜5のいずれか1項に記載のガラス組成物。 - 日本光学硝子工業会(JOGIS)の「光学ガラスの化学的耐久性の測定方法(粉末法)06−1975」に準拠した方法によって測定した、前記ガラス組成物の質量減少率ΔWが0.001〜0.20質量%である、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のガラス組成物。 - JIS R 3502‐1995に準拠した方法によって測定した、前記ガラス組成物のアルカリ溶出量が0.001〜0.19mgである、
請求項1〜7のいずれか1項に記載のガラス組成物。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載のガラス組成物からなるガラス繊維。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のガラス組成物からなる鱗片状ガラス。
- 請求項10に記載の鱗片状ガラスと、
前記鱗片状ガラスの表面を被覆する、金属または金属酸化物を主成分とする被膜と、
を含む、被覆鱗片状ガラス。
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