JP7448741B2 - 高性能繊維ガラス組成物 - Google Patents
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Description
本出願は、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれている2017年12月19日に出願した米国仮特許出願第62/607,498号の、優先権および任意の利益を主張するものである。
ガラスバッチの組成物は、そこから製造された繊維ガラスと共に、そこに含有される酸化物という言葉でしばしば表され、一般に、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、B2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、TiO2、Li2Oなどが含まれる。数多くのタイプのガラスが、これらの酸化物の量を変化させることから、またはガラスバッチ中の酸化物の一部を排除することから生成され得る。生成され得るそのようなガラスの例には、Rガラス、Eガラス、Sガラス、Aガラス、Cガラス、およびECRガラスが含まれる。ガラス組成物は、ガラスの形成および生成物特性を制御する。ガラス組成物のその他の特徴には、原材料コストおよび環境影響が含まれる。
ホウ素を含まない繊維は、商標名ADVANTEX(登録商標)(Owens Coming、Toledo、Ohio、USA)で販売されている。ホウ素を含まない繊維、例えば参照によりその全体が本明細書に組み込まれている米国特許第5,789,329号に開示されている繊維は、ホウ素含有Eガラスよりも、動作温度に著しい改善をもたらす。ホウ素を含まないガラス繊維は、汎用的用途で使用されるEガラス繊維に関するASTM下に包含される。
さらに、高性能ガラス組成物は、望ましい形成特性(例えば、液相温度および繊維化温度)を維持しつつ、好ましい機械的および物理的特性(例えば、比弾性率および引張り強さ)を保有するものが望ましい。
特に、十分低い繊維化温度を有するなどの許容される形成特性を持つ高性能ガラス組成物であって、好ましい機械的および物理的特性を保持するガラス組成物が、当技術分野で求められている。
様々な実施形態のいずれかにおいて、SiO2、Al2O3、MgO、およびCaOを合わせた量は、少なくとも98質量%および99.5質量%未満であってもよい。
様々な実施形態のいずれかにおいて、MgOおよびCaOを合わせた量は、20質量%より多くてもよい。
様々な実施形態のいずれかにおいて、MgOおよびCaOを合わせた量は、22質量%未満であってもよい。
様々な実施形態のいずれかにおいて、ガラス組成物は、B2O3およびLi2Oの少なくとも1種を本質的に含まなくてもよい。
様々な実施形態のいずれかにおいて、Fe2O3、TiO2、K2O、およびNa2Oを合わせた量は、1.5質量%より下であってもよい。
様々な実施形態のいずれかにおいて、組成物は、19.5~21質量%のAl2O3を含む。
様々な実施形態のいずれかにおいて、Al2O3/MgOの質量パーセント比は1.8以下である。
様々な実施形態のいずれかにおいて、ガラス組成物は、B2O3およびLi2Oの少なくとも1種を本質的に含まなくてもよい。
様々な実施形態のいずれかにおいて、Al2O3/MgOの質量パーセント比は1.8以下である。
様々な実施形態のいずれかにおいて、ガラス繊維は、少なくとも32.0MJ/kgの比弾性率を有する。
本発明の概念の、さらに他の例示的な態様は、本明細書に開示される例示的な実施形態のいずれかによる溶融組成物を用意すること、および溶融組成物をオリフィスに通して引き出して連続ガラス繊維を形成すること含む、連続ガラス繊維を形成する方法を対象とする。
本発明の、前述のおよびその他の目的、特徴、および利点は、以下に続く詳細な説明を考慮することから、以後、より十分に明らかにされよう。
本明細書および添付される特許請求の範囲で使用される、単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈が他に明示しない限り、複数形も同様に含むものとする。
広範な例示的な実施形態について述べる数値範囲およびパラメータが近似値であることに関わらず、特定の実施例に記載される数値は可能な限り正確に報告される。しかし任意の数値は、本来、それらのそれぞれの試験測定値に見出された標準偏差から得られるある特定の誤差を必ず含有する。本明細書および特許請求の範囲の全体を通して与えられる全ての数値範囲は、そのようなより広い数値範囲内に包含される全てのより狭い数値範囲を、そのようなより狭い数値範囲が全て本明細書に明らかに書かれたかのように含むことになる。さらに、実施例で報告された任意の数値は、本明細書に開示される、より広い組成範囲の上または下端点を画定するのに使用されてもよい。
本明細書に開示されるガラス組成物は、ガラス強化繊維の製造で広く使用されている、伝統的な市販の耐火物で裏打ちされたガラス炉内での、溶融に適している。
一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物は、2475°F(1357℃)以下、2470°F(1354℃)以下、2420°F(1327℃)以下、2410°F(1321℃)以下、2405°F(1318℃)以下、2400°F(1316℃)以下、および2390°F(1310℃)以下、および2385°F(1307℃)以下の繊維化温度を含む、2500°(1371℃)F未満の繊維化温度を有する。
ガラス組成物の、別の繊維化特性は、液相温度である。液相温度は、液体ガラスとその一次結晶相との間に平衡が存在する最高温度と定義される。液相温度は、ある場合には、ガラス組成物を、16時間にわたり白金-合金ボート内で温度勾配に曝すことによって測定されてもよい(ASTM C829-81(2005))。液相温度よりも高い全ての温度で、ガラスは完全に溶融し、即ち結晶を含まない。液相温度よりも低い温度では、結晶が形成され得る。
一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物が、2400°F(1316℃)以下、2375°F(1301℃)以下、2350°F(1288℃)以下、2325°F(1274℃)以下、2305°F(1263℃)以下、2300°F(1260℃)以下、2290°F(1254℃)以下、2250°F(1232℃)以下、2225°F(1218℃)以下、および2215°F(1213℃)以下の液相温度を含む、2500°F(1371℃)よりも低い液相温度を有する。
一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも100°F(56℃)、少なくとも110°F(61℃)、少なくとも120°F(67℃)、少なくとも135°F(75℃)、少なくとも150°F(83℃)、および少なくとも170°F(94℃)を含む、少なくとも80F(44℃)のΔTを有する。様々な例示的な実施形態では、ガラス組成物は、120°F~200°F(67℃~111℃)の間および150°F~190°F(83℃~106℃)の間を含む、100°F~250°F(56℃~139℃)の間のΔTを有する。
一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物は、約57.0~約62.0質量%のSiO2、約19.0~約25.0質量%のAl2O3、約10.5~約14.0質量%のMgO、約7.5~約10.0質量%のCaO、約0.0~約0.5質量%のNa2O、0.2~約1.5質量%のTiO2、0~約1.0質量%のFe2O3、および0.1質量%以下のLi2Oを含んでいてもよい。一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物は、2未満のAl2O3/MgO比、および少なくとも1.25のMgO/CaO比を有する。
ガラス組成物は、少なくとも55質量%であるが65質量%以下のSiO2を含む。65質量%よりも多いSiO2を含むことにより、ガラス組成物の粘度は好ましくないレベルまで上昇する。さらに、55質量%未満のSiO2を含むことにより、液相温度および結晶化傾向が増大する。一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも57.5質量%、少なくとも58質量%、少なくとも58.5質量%、および少なくとも59質量%を含む、少なくとも57質量%のSiO2を含む。一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物は、60.3質量%以下、60.2質量%以下、60質量%以下、59.8質量%以下、および59.5質量%以下を含む、60.5質量%以下のSiO2を含む。
一部の例示的な実施形態では、SiO2、Al2O3、MgO、およびCaOを合わせた量は、少なくとも98質量%、または少なくとも99質量%、および99.5質量%以下である。一部の例示的な実施形態では、SiO2、Al2O3、MgO、およびCaOを合わせた量は、98.5質量%~99.4質量%の間および98.7質量%~99.3質量%の間を含む、98.3質量%~99.5質量%の間である。
ガラス組成物は、最大約2.0質量%のTiO2を含んでいてもよい。一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物が、約0.1質量%~約0.8質量%および約0.2~約0.7質量%を含む、約0.01質量%~約1.0質量%のTiO2を含む。
ガラス組成物は、最大約2.0質量%のFe2O3を含んでいてもよい。一部の例示的な実施形態では、ガラス組成物は、約0.05質量%~約0.6質量%および約0.1~約0.5質量%を含む、約0.01質量%~約1.0質量%のFe2O3を含む。
本明細書で使用される「質量パーセント」、「質量%」、「wt%」、および「質量によるパーセント」という用語は同義で使用されてもよく、全組成物に対する質量パーセント(または質量によるパーセント)を示すものとする。
上述のように、本発明のガラス組成物は意外にも、優れた弾性(ヤング)率および引張り強さを提供しながら低い繊維化温度および大きいΔTを実証する。
ガラス繊維の弾性率は、報告「Glass Fiber and Measuring Facilities at the U.S. Naval Ordnance Laboratory」、Report Number NOLTR 65-87, June 23, 1965に概説さされる音波測定手順に従い測定された、5本の単一ガラス繊維に関して平均測定値を得ることによって決定されてもよい。
次いで弾性率を使用して、比弾性率を決定してもよい。最終物品に剛性を付加する軽量複合材料を実現するのが可能なほどに高い、比弾性率を有することが望ましい。比弾性率は、風力エネルギーおよび航空宇宙の用途におけるなど、生成物の剛性が重要なパラメータである用途において、重要である。本明細書で使用される比弾性率は、下記の方程式:
比弾性率(MJ/kg)=弾性率(GPa)/密度(kg/立方メートル)
によって計算される。
本発明のガラス組成物から形成される例示的なガラス繊維は、約33MJ/kg~約36MJ/kgおよび約33.5MJ/kg~約35.5MJ/kgを含む、約32.0MJ/kg~約37.0MJ/kgの比弾性率比弾性率を有していてもよい。
一部の例示的な実施形態では、本発明のガラス組成物から形成されたガラス繊維は、改善された耐腐食性を有する。
一部の例示的な実施形態によれば、上述のガラス組成物からガラス繊維を調製するための方法が提供される。ガラス繊維は、当技術分野で公知であり伝統的に使用される任意の手段によって形成されてもよい。一部の例示的な実施形態では、ガラス繊維は、原材料成分を得て、それらの成分を適切な量で混合して所望の質量パーセンテージで最終組成物を得ることにより、形成される。方法はさらに、本発明のガラス組成物を溶融形態で得て、溶融組成物を、ブッシングのオリフィスに通して引き伸ばすことによりガラス繊維を形成することを含んでいてもよい。
他の例示的な実施形態によれば、本発明は、上述の複合生成物を調製する方法を提供する。方法は、少なくとも1種のポリマー母材材料と複数のガラス繊維とを合わせることを含んでいてもよい。ポリマー母材材料およびガラス繊維は共に、上述の通りであってもよい。
原材料を、1,650℃の温度で3時間、電気加熱炉内の白金坩堝で溶融した。
繊維化温度を、参照によりその内容が本明細書に組み込まれる「Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point」という名称の、ASTM C965-96(2007)に記載されるような回転シリンダ法を使用して測定した。液相温度は、参照によりその内容が本明細書に組み込まれる「Standard Practices for Measurement of Liquidus Temperature of Glass」という名称の、ASTM C829-81(2005)で定義されるように、白金合金ボートで16時間、ガラスを温度勾配に曝露することによって測定した。密度は、参照によりその内容が本明細書に組み込まれる「Standard Test Method for Density of Glass Buoyancy」という名称の、ASTM C693-93(2008)に詳述されるような、アルキメデス法によって測定した。
比弾性率は、GPaを単位とする、測定された弾性率を、kg/m3を単位とする密度で割ることによって計算した。
本発明の好ましい態様は、下記の通りである。
〔1〕全組成物の質量に対する質量パーセンテージとして表して、
55.0~60.4質量%の量のSiO 2 、
19.0~25.0質量%の量のAl 2 O 3 、
7~12.0質量%の量のCaO、
8.0~15.0質量%の量のMgO、
0~1.0質量%の量のNa 2 O、
0.5質量%未満の量のLi 2 O、および
0.0~1.5質量%の量のTiO 2
を含むガラス組成物であって、Al 2 O 3 /MgOの質量パーセント比が2.0未満であり、2500°F(1371℃)以下の繊維化温度を有する、ガラス組成物。
〔2〕SiO 2 、Al 2 O 3 、MgO、およびCaOを合わせた量が、少なくとも98質量%であり且つ99.5質量%未満である、前記〔1〕に記載のガラス組成物。
〔3〕MgOおよびCaOを合わせた量が、20質量%よりも大きい、前記〔1〕または〔2〕に記載のガラス組成物。
〔4〕前記MgOおよびCaOを合わせた量が、22質量%未満である、前記〔1〕~〔3〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔5〕19.5~21質量%のAl 2 O 3 を含む、前記〔1〕~〔4〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔6〕前記Al 2 O 3 /MgOの質量パーセント比が、1.8以下である、前記〔1〕~〔5〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔7〕B 2 O 3 を本質的に含まない、前記〔1〕~〔6〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔8〕Li 2 Oを本質的に含まない、前記〔1〕~〔7〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔9〕Fe 2 O 3 、TiO 2 、K 2 O、およびNa 2 Oを合わせた量が、1.5質量%よりも小さい、前記〔1〕~〔8〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔10〕55.0~65.0質量%の量のSiO 2 、
19.0~25.0質量%の量のAl 2 O 3 、
7~12.0質量%の量のCaO、
8.0~15.0質量%の量のMgO、
0~1.0質量%の量のNa 2 O、
0.5質量%未満の量のLi 2 O、および
0.0~1.5質量%の量のTiO 2
を含むガラス組成物であって、CaOおよびMgOの合計質量パーセンテージが20質量%よりも大きく、Al 2 O 3 /MgOの質量パーセント比が2.0未満であり、2500°F(1371℃)以下の繊維化温度を有する、ガラス組成物。
〔11〕19.5~21質量%のAl 2 O 3 を含む、前記〔10〕に記載のガラス組成物。
〔12〕Al 2 O 3 /MgOの質量パーセント比が、1.8以下である、前記〔10〕~〔11〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔13〕B 2 O 3 を本質的に含まない、前記〔10〕~〔12〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔14〕Li 2 Oを本質的に含まない、前記〔10〕~〔13〕のいずれか1項に記載のガラス組成物。
〔15〕全組成物の質量に対する質量パーセンテージとして表して、
55.0~60.4質量%の量のSiO 2 、
19.0~25.0質量%の量のAl 2 O 3 、
7~12.0質量%の量のCaO、
8.0~15.0質量%の量のMgO、
0~1.0質量%の量のNa 2 O、
0.5質量%未満の量のLi 2 O、および
0.0~1.5質量%の量のTiO 2
を含むガラス組成物から形成されたガラス繊維であって、Al 2 O 3 /MgOの質量パーセント比が2.0未満であり、少なくとも4800MPaの引張り強さを有する、ガラス繊維。
〔16〕前記Al 2 O 3 /MgOの質量パーセント比が、1.8以下である、前記〔15〕に記載のガラス繊維。
〔17〕少なくとも32.0MJ/kgの比弾性率を有する、前記〔15〕~〔16〕のいずれか1項に記載のガラス繊維。
〔18〕前記〔1〕に記載の溶融組成物を用意する工程、および
前記溶融組成物をオリフィスに通して引き伸ばして、連続ガラス繊維を形成する工程
を含む、連続ガラス繊維を形成する方法。
〔19〕ポリマー母材と、
全組成物の質量に対する質量パーセンテージとして表して、
55.0~60.4質量%の量のSiO 2 、
19.0~25.0質量%の量のAl 2 O 3 、
7~12.0質量%の量のCaO、
8.0~15.0質量%の量のMgO、
0~1.0質量%の量のNa 2 O、
0.5質量%未満の量のLi2O、および
0.0~1.5質量%の量のTiO 2
を含むガラス組成物から形成された複数のガラス繊維であって、Al 2 O 3 /MgOの質量パーセント比が2.0未満であり、前記ガラス繊維が少なくとも4800MPaの引張り強さを有する、複数のガラス繊維と
を含む、強化複合生成物。
〔20〕風力翼の形態である、前記〔19〕に記載の強化複合生成物。
Claims (20)
- 全組成物の質量に対する質量パーセンテージとして表して、
55.0~60.4質量%の量のSiO2、
19.0~25.0質量%の量のAl2O3、
7.5~10質量%の量のCaO、
8.0~15.0質量%の量のMgO、
0~1.0質量%の量のNa2O、
0.5質量%未満の量のLi2O、および
0.0~1.5質量%の量のTiO2
を含むガラス組成物であって、SiO2、Al2O3、MgO、およびCaOを合わせた量が、少なくとも98質量%であり且つ99.5質量%未満であり、B2O3、Li2Oおよびフッ素を合わせた量が0.5質量%未満であり、Al2O3/MgOの質量パーセント比が1.8以下であり、前記ガラス組成物が、2500°F(1371℃)以下の繊維化温度、2305°F(1263℃)以下の液相温度、および少なくとも4,800MPaの引っ張り強さを有する、ガラス組成物。 - SiO2、Al2O3、MgO、およびCaOを合わせた量が、98.7~99.3質量%である、請求項1に記載のガラス組成物。
- MgOおよびCaOを合わせた量が、20質量%よりも大きい、請求項1または2に記載のガラス組成物。
- MgOおよびCaOを合わせた量が、22質量%未満である、請求項1~3のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- 19.5~21質量%のAl2O3を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- 前記Al2O3/MgOの質量パーセント比が、1.46~1.8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。
- B2O3を本質的に含まない、請求項1~6のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- Li2Oを本質的に含まない、請求項1~7のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- Fe2O3、TiO2、K2O、およびNa2Oを合わせた量が、1.5質量%よりも小さい、請求項1~8のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- 55.0~65.0質量%の量のSiO2、
19.0~25.0質量%の量のAl2O3、
7.5~10質量%の量のCaO、
8.0~15.0質量%の量のMgO、
0~1.0質量%の量のNa2O、
0.5質量%未満の量のLi2O、および
0.0~1.5質量%の量のTiO2
を含むガラス組成物であって、SiO2、Al2O3、MgO、およびCaOを合わせた量が、少なくとも98質量%であり且つ99.5質量%未満であり、B2O3、Li2Oおよびフッ素を合わせた量が0.5質量%未満であり、CaOおよびMgOの合計質量パーセンテージが20質量%よりも大きく、Al2O3/MgOの質量パーセント比が1.8以下であり、前記ガラス組成物が、2500°F(1371℃)以下の繊維化温度、および少なくとも4,800MPaの引っ張り強さを有する、ガラス組成物。 - 19.5~21質量%のAl2O3を含む、請求項10に記載のガラス組成物。
- Al2O3/MgOの質量パーセント比が、1.46~1.8である、請求項10~11のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- B2O3を本質的に含まない、請求項10~12のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- Li2Oを本質的に含まない、請求項10~13のいずれか1項に記載のガラス組成物。
- 請求項1~9のいずれかに記載のガラス組成物から形成されたガラス繊維であって、前記ガラス繊維が、87~92GPaのヤング率を有する、ガラス繊維。
- 前記Al2O3/MgOの質量パーセント比が、1.46~1.8である、請求項15に記載のガラス繊維。
- 33.0~36.0MJ/kgの比弾性率を有する、請求項15~16のいずれか1項に記載のガラス繊維。
- 溶融した請求項1~9のいずれか1項に記載のガラス組成物を用意する工程、および
前記溶融したガラス組成物をオリフィスに通して引き伸ばして、連続ガラス繊維を形成する工程
を含む、連続ガラス繊維を形成する方法。 - ポリマー母材と、請求項1~9のいずれかに記載のガラス組成物から形成された複数のガラス繊維とを含む、強化複合生成物。
- 風力翼の形態である、請求項19に記載の強化複合生成物。
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