JP7549288B2 - 異形断面ガラス繊維用ノズル、及び、異形断面ガラス繊維の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融ガラスから断面形状が扁平な異形断面ガラス繊維を製造するためのノズル、及び、当該ノズルを用いた異形断面ガラス繊維の製造方法に関する。

ガラス繊維の一種として、断面形状が扁平な異形断面ガラス繊維が知られている（特許文献１を参照）。異形断面ガラス繊維は、樹脂と混練して複合化した場合に高い補強効果を実現できることから、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）用の繊維として採用される等、様々な分野で利用される。

異形断面ガラス繊維を製造する際には、例えば、溶融ガラスを流通させるためのフィーダーからブッシングに溶融ガラスを供給し、ブッシングに備わった多数のノズルの各々から溶融ガラスを引き出しつつ冷却する。このノズルに設けられたノズル孔の形状は、一般的に扁平な孔形状（楕円形や長円形等）となる。

国際公開第２０１７／２２１４７１号

異形断面ガラス繊維を製造するにあたっては、下記のような解決すべき問題があった。すなわち、ノズル孔から流出する溶融ガラスが、表面張力で表面積が小さくなるように変形するため、高扁平率の異形断面ガラス繊維を成形することが難しい。

上記の事情に鑑みなされた本発明は、異形断面ガラス繊維を製造するに際し、高扁平率の異形断面ガラス繊維の製造を可能にすることを技術的な課題とする。

上記の課題を解決するための本発明は、溶融ガラスの流入口および流出口を有する扁平なノズル孔が設けられ、ノズル孔を囲う壁部が、ノズル孔の長径方向で対向する一対の短壁部と、短径方向で対向する一対の長壁部とを有し、ノズル孔より流出させた溶融ガラスから異形断面ガラス繊維を製造するための異形断面ガラス繊維用ノズルであって、一対の短壁部の各々について、短壁部における流出口側の端部に位置する端部領域に、ノズル孔の軸線に対して傾いている傾斜部を有することを特徴とする。

本ノズルでは、端部領域に、ノズル孔の軸線に対して傾いている傾斜部を有することで、従来のように端部領域に傾斜部が無い場合に比して、端部領域と溶融ガラスとの接触面積が拡大する。これにより、短壁部の端部領域が溶融ガラスを引っ張る能力（ノズル孔の長径方向に沿って引っ張る能力）が向上し、これに伴って、表面張力で表面積が小さくなるような溶融ガラスの変形を抑制できる。その結果、製造される異形断面ガラス繊維を高扁平率に成形することが可能となる。

上記の構成では、傾斜部は、流入口側から流出口側に向かうに連れてノズル孔の中心側から離れるように傾く傾斜面を有することが好ましい。

このようにすれば、短壁部の端部領域が溶融ガラスを引っ張る能力が更に向上し、異形断面ガラス繊維を高扁平率に成形する上で更に有利となる。

上記の構成では、短壁部が端部領域に、傾斜部に連なる底壁面を有し、長壁部が流出口側の端部に底壁面を有し、長径方向に直交する断面上での長壁部の底壁面の長さと比較して、短径方向に直交する断面上での傾斜部の長さと短壁部の底壁面の長さとの和の方が長いことが好ましい。

異形断面ガラス繊維を製造する際には、短壁部の傾斜部の他、短壁部および長壁部の底壁面も溶融ガラスで濡れた状態となる。このとき、傾斜部および底壁面は溶融ガラスを引っ張る。さらに、製造される異形断面ガラス繊維の扁平率を高めるためには、溶融ガラスをノズル孔の短径方向よりも長径方向に沿って引っ張ることが有利となる。そして、本構成のようにすれば、溶融ガラスをノズル孔の長径方向に沿って効果的に引っ張ることができ、異形断面ガラス繊維を高扁平率に成形する上で一層有利となる。

上記の構成では、傾斜部が単一の傾斜面からなることが好ましい。

このようにすれば、溶融ガラスが滞留し難くなり、失透することを抑制できる。

さらに、上記の課題を解決するための本発明は、溶融ガラスの流入口および流出口を有する扁平なノズル孔が設けられ、ノズル孔を囲う壁部が、ノズル孔の長径方向で対向する一対の短壁部と、短径方向で対向する一対の長壁部とを有する、異形断面ガラス繊維用ノズルを用いて、ノズル孔より流出させた溶融ガラスから異形断面ガラス繊維を製造するための方法であって、一対の短壁部の各々について、短壁部の流出口側の端部に位置する端部領域に、ノズル孔の軸線に対して傾いている傾斜部を有することを特徴とする。

本方法によれば、上記の異形断面ガラス繊維用ノズルについて既述の作用・効果と同一の作用・効果を得ることが可能である。

本発明によれば、異形断面ガラス繊維を製造するに際し、高扁平率の繊維の製造が可能となる。

異形断面ガラス繊維の製造方法及び製造装置を概略的に示す断面図である。 異形断面ガラス繊維用ノズルの周辺を概略的に示す断面図である。 異形断面ガラス繊維用ノズルの周辺を概略的に示す底面図である。 （ａ）は異形断面ガラス繊維用ノズルを長壁部側から見た側面図、（ｂ）は図３のノズルの４ｂ－４ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）の４ｃ－４ｃ断面図である。 図４（ｂ）におけるＡ部を拡大して示す断面図である。 異形断面ガラス繊維用ノズルにおける長壁部の底壁面の周辺を示す断面図である。 異形断面ガラス繊維を示す断面図である。 異形断面ガラス繊維用ノズルの変形例を示す図であり、（ａ）は異形断面ガラス繊維用ノズルを短壁部側から見た側面図、（ｂ）は図３のノズルの４ｂ－４ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）の４ｄ－４ｄ断面図である。 変形例に係る異形断面ガラス繊維用ノズルの底面図である。

以下、本発明の実施形態に係る異形断面ガラス繊維用ノズル、及び、異形断面ガラス繊維の製造方法について、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、異形断面ガラス繊維は、製造装置１により製造される。製造装置１は、図示省略の溶融炉で生成した溶融ガラス２を流通させるフィーダー３と、フィーダー３よりも下方に配置されたブッシング４と、フィーダー３とブッシング４とを接続するパイプ５とを備えている。溶融ガラス２は、フィーダー３からパイプ５を介してブッシング４に供給される。そして、溶融ガラス２は、ブッシング４のノズル孔６から流出する。溶融ガラス２は冷却されて異形断面ガラス繊維２ｆ（以下、ガラス繊維２ｆと表記）となる。

本実施形態においては、溶融ガラス２がＥガラスからなる。しかしながら、この限りではなく、溶融ガラス２がＤガラス、Ｓガラス、ＡＲガラス、Ｃガラス等の他のガラスからなってもよい。

フィーダー３は、図示省略のガラス溶解炉と接続されている。フィーダー３は、ガラス溶解炉で連続的に生成した溶融ガラス２を流通させることが可能である。フィーダー３の内部には、溶融ガラス２の液面２ａが形成されている。

ブッシング４は、底部にベースプレート７を備えている。ベースプレート７には、複数の異形断面ガラス繊維用ノズル８（以下、ノズル８と表記）と、これらノズル８の近傍に配置された冷却管９とが備わっている。複数のノズル８は相互に同一の構成を有する。詳細は後述するが、各ノズル８に設けられたノズル孔６は扁平に形成されている。

パイプ５は管軸が上下方向に延びた円筒状に形成されている。パイプ５の上端部はフィーダー３の底部と連結され、パイプ５の下端部はブッシング４の上端部と連結されている。なお、パイプ５は、フィーダー３とブッシング４とを接続できるものであれば、形状や管軸が延びる方向は本実施形態と異なっていてもよい。

ブッシング４、パイプ５、ノズル８、及び冷却管９の各部材に関し、その一部又は全体は、白金又は白金合金（例えば、白金ロジウム合金等）により構成されている。なお、本実施形態においては、これらの部材のうち、パイプ５は全体が白金又は白金合金で構成されている。

フィーダー３とパイプ５との接続部から、ブッシング４のノズル孔６に至るまでの流路全体は、溶融ガラス２で満たされている。これにより、ノズル孔６から溶融ガラス２を流出させるための圧力（ヘッド圧）が、ノズル孔６とフィーダー３内の溶融ガラス２の液面２ａとの高低差Ｈで決定される。ここで、高低差Ｈは、例えばパイプ５の長さを変更することで調節が可能である。

ガラス繊維２ｆを成形する際における溶融ガラス２の温度・粘度は、それぞれ１１００℃～１２５０℃（好ましくは１１５０℃～１２００℃）、１０^２．６ｄＰａ・ｓ～１０^３．８ｄＰａ・ｓ（好ましくは１０^２．９ｄＰａ・ｓ～１０^３．３ｄＰａ・ｓ）に設定される。なお、ここでいう「溶融ガラス２の温度・粘度」とは、ノズル８に流入する位置での溶融ガラス２の温度・粘度である。溶融ガラス２の温度・粘度の調整は、例えば、ブッシング４とパイプ５とをそれぞれ任意の加熱手段（例えば、通電加熱装置）により個別に加熱する等して行えばよい。この他、ガラス溶解炉内の溶融ガラス２や、フィーダー３を通電加熱等で加熱して溶融ガラス２の温度・粘度を調節してもよい。

ガラス繊維２ｆの表面には、図示省略のアプリケーターにより集束剤が塗布される。これにより、数百本～数千本程度のガラス繊維２ｆが、一本のストランド２ｓとして紡糸される。紡糸されたストランド２ｓは、巻き取り装置であるボビン１０の周りに繊維束２ｒとして巻き取られる。ストランド２ｓは、例えば、１ｍｍ～２０ｍｍ程度の長さに切断され、チョップドストランドとして利用される。

図２及び図３に示すように、ノズル８は、一対の長壁部１１，１１と一対の短壁部１２，１２とを有する。これら壁部に囲われて扁平なノズル孔６が形作られている。ノズル孔６は、溶融ガラス２を流入させる流入口６ａと、流出させる流出口６ｂとを有する。一対の長壁部１１，１１の各々には、流出口６ｂ側に向けて口を開けた切欠き部１３が設けられている。これにより、ノズル孔６が切欠き部１３を通じてノズル８の外部空間と連なっている。

冷却管９は、その内部を冷却水１４が循環し、溶融ガラス２を冷却する。冷却管９は外形が板状に形成され、板面が長壁部１１と平行になっている。ここで、冷却管９はベースプレート７と一体に設けられているが、ベースプレート７から離れた位置に設けられていてもよい。また、冷却管９は円管状に形成されていてもよい。

冷却管９の高さ位置は、溶融ガラス２の冷却条件に応じて調整が可能である。一例として、冷却管９は、ノズル８から引き出された溶融ガラス２と板面とが面しないように、ノズル８の下端部よりも上方に配置されていてもよい。一方、ノズル８及びノズル８から引き出された溶融ガラス２の双方と板面とが面するように、ノズル８の下端部を基準として上方と下方とに跨って冷却管９が配置されていてもよい。なお、溶融ガラス２の冷却には、冷却管９の他、空気流で冷却する冷却フィン等を用いてもよい。また、冷却管９は必須の構成ではなく省略してもよい。

ベースプレート７には、複数のノズル列Ｐが間隔を空けて平行に配置されている。各ノズル列Ｐには複数のノズル８が属する。同じノズル列Ｐに属する複数のノズル８は、これらに形成されたノズル孔６が同一直線上に位置するように配置されている。

上記の冷却管９は、隣り合う両ノズル列Ｐ，Ｐの相互間において、ノズル列Ｐと平行に延びるように配置されている。これにより、冷却管９に面した切欠き部１３を通じてノズル孔６内の溶融ガラス２が冷却される。具体的には、溶融ガラス２が、冷却管９により１０００℃以上の温度から急激に冷却される。ここで、冷却管９は、ブッシング４（ベースプレート７）やノズル８を冷却することで、これらの部材の熱による劣化を抑制して耐久性を高める機能もある。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、各ノズル８の長壁部１１に設けられた切欠き部１３は、上底が下底よりも短い等脚台形状をなす。これにより、切欠き部１３は、ノズル孔６の流入口６ａ側から流出口６ｂ側に向かうに連れて開口幅が漸次に拡大している。切欠き部１３の深さ（ノズル孔６の軸線６ｘに沿う方向の長さ）は０．１ｍｍ～２ｍｍとされている。これは、切欠き部１３の深さが２ｍｍを超える場合は、製造されたガラス繊維２ｆの断面において、長手方向の両端部が細くなりすぎ、ガラス繊維２ｆが破損しやすくなるためである。

切欠き部１３の形状は台形状に限られるものではなく、他の形状であってもよい。例えば三角形状や半円形状や矩形形状であってもよい。ただし、これら他の形状を採用する場合でも、切欠き部１３は、ノズル孔６の流入口６ａ側から流出口６ｂ側に向かうに連れて開口幅が漸次に拡大していることが好ましい。

図４に示すように、本実施形態では、一つのノズル８に単一のノズル孔６が設けられている。ノズル孔６は長穴形状に形成されている。一対の長壁部１１，１１は長穴形状のノズル孔６の短径方向で対向し、一対の短壁部１２，１２は長径方向で対向している。なお、本実施形態では、短壁部１２の厚み（ノズル孔６の長径方向に沿った厚み）が長壁部１１の厚み（ノズル孔６の短径方向に沿った厚み）よりも大きくなっている。ここで、ノズル孔６の扁平比（長径と短径との比）は２～５とされている。長壁部１１の内壁面１１ａおよび短壁部１２の内壁面１２ａを含むノズル孔６の内周面は、白金又は白金合金で構成されている。また、長壁部１１の内壁面１１ａは図４（ｃ）に示すように直線状であり、対向する内壁面１１ａは平行である。

なお、長壁部１１と短壁部１２との境目１５は、図４（ｃ）の左右方向に対する内壁面の傾きが０から変化する点であり、紙面水平方向に対する傾きが０である部分が長壁部１１であり、傾きが０以外の部分が短壁部１２である。

図４（ｂ）及び図５に示すように、一対の短壁部１２，１２の各々について、これらの流出口６ｂ側の端部に位置した端部領域Ｔには、ノズル孔６の軸線６ｘに対して傾いている傾斜部１２ａａが形成されている。具体的には、傾斜部１２ａａは、流入口６ａ側から流出口６ｂ側に向かうに連れて、ノズル孔６の中心側から外側（長径方向の内側から外側）に向かうように傾いている。これにより、一対の短壁部１２，１２の一方に存する傾斜部１２ａａと他方に存する傾斜部１２ａａとは、相互に逆向きに傾いている。両傾斜部１２ａａ，１２ａａはそれぞれ単一の傾斜面（傾斜平面）からなる。傾斜部１２ａａは、短径方向（図４（ｂ）及び図５にて紙面に鉛直な方向）に沿った短壁部１２の全長に亘って形成されている。傾斜部１２ａａが軸線６ｘに直交する線に対して傾いた角度θ１は、特に限定されるものではないが、本実施形態では５５°である。なお、ノズル孔６の軸線６ｘに対して傾いていれば、傾斜部１２ａａは湾曲面であってもよい。また、傾斜部１２ａａの表面粗さは、内壁面１２ａの表面粗さよりも粗くしてもよい。なお、傾斜部１２ａａが軸線６ｘに直交する線に対して傾いた角度θ１は、１０°以上、８０°以下であることが好ましい。

短壁部１２は、傾斜部１２ａａに連なる底壁面１２ｂを有する。詳述すると、底壁面１２ｂは、傾斜部１２ａａに対してノズル孔６の長径方向の外側に連なっている。本実施形態においては、底壁面１２ｂは軸線６ｘに直交する平坦面である。ここで、傾斜部１２ａａの長さをＬ１とすると共に、底壁面１２ｂの長さをＬ２とする。なお、「傾斜部１２ａａの長さＬ１、及び、底壁面１２ｂの長さＬ２」とは、それぞれノズル孔６の短径方向に直交する断面上での長さである。

これにより、本実施形態における端部領域Ｔは、傾斜部１２ａａが無い場合と比較して大きくなる。詳述すると、本実施形態において、端部領域Ｔの概略の面積は、傾斜部１２ａａの長さＬ１と底壁面１２ｂの長さＬ２の和に、短壁部１２の周長さを掛け合わせた値となり、従来のように傾斜部１２ａａが無い場合の端部領域の概略の面積は、底壁面１２ｂの長さＬ２と仮想底壁面の長さＬ３の和に、短壁部１２の周長さを掛け合わせた値となる。Ｌ１とＬ３との関係は、Ｌ１＝Ｌ３／ｃｏｓ５５°＝１．７４×Ｌ３となる。すなわち、本実施形態における端部領域Ｔの概略の面積は、従来のように傾斜部１２ａａが無い場合の端部領域の概略の面積と比較して大きくなる。

図６に示すように、長壁部１１は底壁面１１ｂを有する。なお、長壁部１１のうち、切欠き部１３が設けられた箇所での底壁面１１ｂとは、等脚台形の上底、或いは、上底と下底とを結ぶ辺に相当する箇所である。本実施形態では、底壁面１１ｂは平坦面（等脚台形の上底に相当する箇所では軸線６ｘに直交する平坦面）である。ここで、底壁面１１ｂの長さをＬ４とする。なお、「底壁面１１ｂの長さ」とは、長径方向に直交する断面上での長さである。そして、長さＬ４と比較して、上記の長さＬ１と長さＬ２との和の方が長くなっている。これにより、長壁部１１の底壁面１１ｂの面積に対する短壁部１２の端部領域Ｔの面積が大きくなり、ノズル孔６の短径方向よりも長径方向に沿って溶融ガラス２が引っ張られやすくなる。

以下、上記のノズル８を用いた異形断面ガラス繊維の製造方法による主たる作用・効果について説明する。

上記のノズル８では、端部領域Ｔがノズル孔６の軸線６ｘに対して傾いている傾斜部１２ａａを有することで、傾いていない場合に比して端部領域Ｔと溶融ガラス２との接触面積が拡大する。これにより、短壁部１２が溶融ガラス２を引っ張る能力が向上し、これに伴って、表面張力で表面積が小さくなるような溶融ガラス２の変形を抑制できる。その結果、図７に示すような高扁平率のガラス繊維２ｆの製造が可能となる。ここでは、ガラス繊維２ｆの断面形状が長円形に近い形状に形成される。

ここで、本発明に係る異形断面ガラス繊維用ノズル、及び、異形断面ガラス繊維の製造方法は、上記の実施形態で説明した構成や態様に限定されるものではない。例えば、図８に示すように、長壁部１１は、傾斜部１１ａａを有しても良い。なお、傾斜部１１ａａが軸線６ｘに直交する線に対して傾いた角度θ２は、１０°以上、８０°以下であることが好ましい。また、θ１＞θ２とすることにより、長壁部１１の内壁面１１ａが溶融ガラス２を引っ張る能力が大きくなりすぎ、ガラス繊維の扁平率が小さくなるのを抑制できる。

さらに、長壁部１１に傾斜部１１ａａを設ける場合、長壁部１１の中央側には傾斜部１１ａａを設けず、長壁部１１の両端側のみに傾斜部１１ａａを設けることにより、長壁部１１が溶融ガラス２を引っ張る能力が大きくなりすぎ、ガラス繊維の扁平率が小さくなるのを抑制できる。例えば、図９に示すように、等脚台形状の切欠き部１３の上底以外の長壁部１１に傾斜部１１ａａを設け、切欠き部１３の上底に傾斜部１１ａａを設けないことで、ガラス繊維の扁平率が小さくなるのを抑制できる。

また、上記の実施形態では、一対の長壁部１１，１１の各々に切欠き部１３が設けられているが、切欠き部１３を設けることは必須ではなく、取り除いても構わない。また、ノズル孔６は、長穴形状以外にも、楕円形状、ダンベル形状、ひし形形状、矩形形状、３連真円形状等でもよい。

２ 溶融ガラス
２ｆ 異形断面ガラス繊維
６ ノズル孔
６ａ 流入口
６ｂ 流出口
６ｘ 軸線
８ 異形断面ガラス繊維用ノズル
１１ 長壁部
１１ｂ 底壁面
１２ 短壁部
１２ａ 内壁面
１２ａａ 傾斜部
１２ｂ 底壁面
Ｌ１ 長さ
Ｌ２ 長さ
Ｌ３ 長さ
Ｔ 端部領域

Claims (4)

1. 溶融ガラスの流入口および流出口を有する扁平なノズル孔が設けられ、
   前記ノズル孔を囲う壁部が、前記ノズル孔の長径方向で対向する一対の短壁部と、短径方向で対向する一対の長壁部とを有し、
   前記ノズル孔より流出させた溶融ガラスから異形断面ガラス繊維を製造するための異形断面ガラス繊維用ノズルであって、
   前記一対の短壁部および前記一対の長壁部のうち、前記一対の短壁部の各々についてのみ、該短壁部における前記流出口側の端部に位置する端部領域に、前記ノズル孔の軸線に対して傾いている傾斜部と、前記傾斜部に連なる底壁面を有し、
   前記傾斜部は、前記流入口側から前記流出口側に向かうに連れて前記ノズル孔の扁平な断面の中心側から離れるように傾く傾斜面を有する異形断面ガラス繊維用ノズル。
2. 前記長壁部が前記流出口側の端部に底壁面を有し、
   前記長径方向に直交する断面上での前記長壁部の前記底壁面の長さと比較して、前記短径方向に直交する断面上での前記傾斜部の長さと前記短壁部の前記底壁面の長さとの和の方が長い請求項１に記載の異形断面ガラス繊維用ノズル。
3. 前記傾斜部が単一の傾斜面からなる請求項１又は２に記載の異形断面ガラス繊維用ノズル。
4. 溶融ガラスの流入口および流出口を有する扁平なノズル孔が設けられ、前記ノズル孔を囲う壁部が、前記ノズル孔の長径方向で対向する一対の短壁部と、短径方向で対向する一対の長壁部とを有する、異形断面ガラス繊維用ノズルを用いて、
   前記ノズル孔より流出させた溶融ガラスから異形断面ガラス繊維を製造するための方法であって、
   前記一対の短壁部および前記一対の長壁部のうち、前記一対の短壁部の各々についてのみ、該短壁部の前記流出口側の端部に位置する端部領域に、前記ノズル孔の軸線に対して傾いている傾斜部と、前記傾斜部に連なる底壁面を有し、
   前記傾斜部は、前記流入口側から前記流出口側に向かうに連れて前記ノズル孔の扁平な断面の中心側から離れるように傾く傾斜面を有する異形断面ガラス繊維の製造方法。