JPS61158845A - 多孔質でシリカ含有率の高い中実および中空のガラス繊維およびその製造法 - Google Patents

多孔質でシリカ含有率の高い中実および中空のガラス繊維およびその製造法

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JPS61158845A
JPS61158845A JP60290324A JP29032485A JPS61158845A JP S61158845 A JPS61158845 A JP S61158845A JP 60290324 A JP60290324 A JP 60290324A JP 29032485 A JP29032485 A JP 29032485A JP S61158845 A JPS61158845 A JP S61158845A
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glass fibers
acid
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    • C03C13/00Fibre or filament compositions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、多孔質で中実(sol id)または中空の
シリカ含有率の高い繊維およびその製造法に関する。さ
らに詳しくは、あるばあいには毛細管またはチューブで
あるのに充分な大きさの直径を有しており、細孔容積か
約1 、2cc/gまでで平均孔径が3000人までの
多孔質で中実または中空のシリカ含有率の高いガラス繊
維およびその製造法に関する。
[従来の技術] ビーズ、繊維、毛細管およびチューブなどの種々の形状
のガラス内に細孔を形成するための技術が多数存在する
。ガラス繊維は、相分離しうるガラスを相分離するため
に熱処理をし、ついで酸および/またはアルカリ物質で
浸出することによってその中に細孔が形成されている。
たとえば、米国特許第2,215,039号、同第2.
221,709号および同第2,286,275号(フ
ード(Hood)ら)各明細書に記載されているように
、アルカリ金属ホウケイ酸3成分ガラス系から作られた
ガラス繊維は熱処理されて、酸で浸出可能な物質をシリ
カから相分離し、さらに相分離された酸で浸出可能な物
質を除去するために酸で処理されている。さらに、酸で
浸出されたシリカ含有率の高いガラス繊維は、米国特許
第4.042,359号明細書に示されているように、
一層大きな有孔性(po ros i t y)をうる
ために、いくらかのシリカを抽出すべくアルカリで浸出
することができる。
多孔質のガラスは、限外濾過、逆浸透、気体の分離、気
体と液体の分離、液体と液体の分離、塩抽出、生理膜ま
たはイオン交換膜、触媒の担体および熱的に一層安定な
シリカ含有率の高い絶縁体や織物などの種々の応用なら
びにロケットのノズルやジェットのライナーの製造に用
いるために研究されている。
前述の応用の多くは、有効に操作するために一層大きな
細孔容積および/または孔径が要求される。米国特許第
4.042.359号明細書に示されているように、細
孔の大きさは、多孔質でシリカ含有率の高いガラス繊維
をアルカリで浸出して部分的にそのシリカ(2酸化ケイ
素)構造物を溶解させることによって大きくすることが
できる。
[発明が解決しようとする問題点] 多孔質でシリカ含有率の高いガラス繊維またはいかなる
含有率の高いガラス繊維中の細孔をも大きくするために
シリカを除去することは、構造的な完全性および多孔質
繊維における支持の役目を果たす物質を除去することに
なる。
本発明の目的は、シリカ含有率の高い繊維をアルカリで
浸出することなく、大きな細孔容積および孔径を有する
多孔質で中実または中空のシリカ含有率の高いガラス繊
維を提供し、それによって構造体であるシリカをシリカ
含有率の高い繊維から除去する必要をなくすることにあ
る。
[問題点を解決するための手段] 本発明は約40〜約60重量%の酸化ホウ素、少なくと
も25重量%から約80重量%まてのシリカおよび約1
〜約15重量%のアルカリ金属酸化物を有するアルカリ
金属ホウケイ酸ガラス繊維から、多孔質で中実または中
空のシリカ含有率の高いガラス繊維を製造することによ
って斜上の目的および以下の開示から集められる他の目
的を達成するものである。
本発明においては多孔質で中実または中空のシリカ含有
率の高いガラス繊維は、中実または中空のアルカリ金属
ホウケイ酸ガラス繊維を形成し、非シリカ質物質を抽出
するためにガラス繊維を少なくとも水で浸出することに
よって高い有孔性ををして製造される。多孔質でシリカ
含有率の高い繊維は、アルカリで浸出してシリカを除去
する必要なしに、約1.2cc/gの細孔容積、300
0人までの平均孔径および広いまたは狭い細孔分布を有
している。さらに本発明のガラス繊維は水で浸出する前
に熱処理を行なってもよく、水で浸出したあとに酸で浸
出してもよい。
本発明を一層よく理解するために、成分のグループにつ
いての[抽出可能な」という語は熱処理をして、あるい
は熱処理せずに水および/または酸(フッ化水素酸およ
びリン酸を除く)によってガラス繊維から浸出可能な金
属酸化物および関連する物質(assosiated 
ff1aterial)を意味する。フッ化水素酸およ
びリン酸は、シリカを攻撃するので用いられない。「ホ
ウ素含有物質」という語は、ホウ素、酸化ホウ素、無水
ホウ素およびアルカリ金属ホウ酸塩などを意味する。ま
た成分のグループについての「抽出できない」という語
は、アルカリ物質によって抽出しうるが、フッ化水素酸
およびリン酸以外の酸によってガラスから抽出できない
シリカを意味する。さらに「関連する物質」という語は
、抽出可能なグループの成分および抽出できないグルー
プの成分がガラス繊維中で互いに近接しているために、
抽出できないグループの成分と抽出可能なグループの成
分との反応生成物を意味する。関連する物質の制限され
ない例としては、アルカリ金属ホウ酸塩、アルカリ金属
アルミン酸塩および酸化ホウ素−酸化アルミニウム反応
生成物などがあげられる。
本発明の多孔質で中実または中空のシリカ含有率の高い
ガラス繊維は、繊維化することができ細孔を生じうるア
ルカリ金属ホウ酸塩ガラス形成バッチ組成物から製造さ
れる。そのバッチ組成物は、結果としてえられるガラス
繊維が必要とする量のホウ素含有成分、シリカ成分およ
びアルカリ金属酸化物成分を有するように調合される。
当業者に知られた典型的なバッチ材料を用いることがで
き、知られた方法で計算して必要な量の成分を有するガ
ラス繊維を製造することができる。細孔を生じるガラス
繊維組成物において、ホウ素含有率の高いグループであ
る抽出可能なグループの成分およびその関連する物質(
af’filiated materials)は、1
種または2種以上のホウ素含有物質、および/または酸
化ナトリウム、酸化カリウム、酸化リチウムなどのアル
カリ金属酸化物、および/またはマグネシウムの2価酸
化物のようなアルカリ土類金属の酸化物を含む。ガラス
組成物中にアルカリ金属酸化物とともにホウ素含有物質
、とくに酸化ホウ素が存在しているとガラス繊維は融点
が低下し、バッチ組成物から形成しやすくなる。抽出で
きないグループの主要な成分はシリカであり、シリカは
そのグループをシリカ含有率の高いグループにする。さ
らに他の成分が存在していてもよく、それらは抽出可能
なグループおよび抽出できないグループのうちいずれか
一方、または両方に関連するものである。それらにはい
かなる酸化アルミニウム、他のガラス形成配合剤、フラ
ックス(Nuxes)、清澄剤、アルカリ金属炭酸塩お
よびアルミン酸塩などが含まれる。
それらの含まれる物質は、もし存在するなら、相分離ま
たは浸出に対して悪影響を与えないような量で存在する
。典型的な清澄剤としては、硫酸塩、ハロゲン化物、ア
ンモニウム塩、硝酸塩、過酸化物、塩素酸塩、5b20
3などがあげられる。好ましくは、細孔を生じるガラス
繊維の成分、すなわちホウ酸塩含有率の高いグループは
1種または2種以上のホウ素含有物質、アルカリ金属酸
化物およびいかなるアルカリ土類金属酸化物をも含む。
シリカ含有率の高いグループにはシリカなどのシリカ質
物質が含まれ、いくらかの酸化アルミニウムもばあいに
よっては含まれうる。
ガラス中におけるホウ素含有物質およびホウ素を有する
関連する物質の濃度は約40〜約60重量%、好ましく
は約50〜約54重量%の範囲でありうる。ホウ素含有
物質の量は、ガラス繊維の軟化点が低下して熱処理中に
繊維が互いに粘着するほど多くずへきでない。そのよう
な粘着によって個々のガラス繊維の同一性を維持したり
一定の(disCrt3te)長い繊維をつぎの処理工
程中にほぼ平行な列(alignment)に維持する
ことが困難になるからである。ホウ素含有物質の含有率
が高い、すなわちホウ素含有物質の含有率が全ガラス組
成物の40〜約60重量%のガラス繊維組成物は、大き
な細孔容積を有するシリカ含有率の高いガラス繊維を製
造するために熱処理は必要でないが、熱処理によって相
分離することが可能である。これらのホウ素含有物質の
量が多いガラス繊維のばあいは、繊維の熱処理または浸
出の前に湿気による攻撃を避けるべく注意が必要である
シリカ含有率の高いグループにするためのガラス繊維中
のシリカの量は、全ガラス組成物の約25重量%以上、
好ましくは30重量%以上にすべきである。一般に、シ
リカ質物質は全ガラス組成物に対して約80重量%未満
、好ましくは約70重回%未満である。またシリカ質物
質の一部として、周期表第■族の金属の酸化物が少量存
在してもよい。
熱処理のされた、あるいはされていない特に有用なガラ
ス繊維は、繊維化することのできるバッチ組成物から形
成される。その繊維は30〜50重量%のシリカ、40
〜55重量96の酸化ホウ素、5〜15重量%のアルカ
リ金属酸化物および0〜4重量%の酸化アルミニウムを
有する。最も好ましいガラス組成物は、酸化ホウ素54
重2%、酸化ナトリウム 8.0重量%およびシリカ3
8重口%からなるものである。
中実または中空の繊維、ストランド、毛細管およびチュ
ーブを製造する方法において、ガラス組成物は細くしう
るガラス組成物であり、また繊維にするためには繊維化
することのできる組成物である。これらの繊維、毛細管
またはチューブの細くされたかたちは、ガスの炎を噴き
つけること(gaseous blown Nall1
e)によって、または遠心力、繊維を機械的に細めるこ
と、または当業者に知られたいかなる手順によっても形
成することができる。また繊維は、米国特許第3.26
8.313号、同第3.421.873号および同第3
.510.393号各明細書に示されているように、間
接または直接溶融形成(indirect or旧re
ctmelt rorIIlation)によって中空
繊維として形成することができ、そうした技術は本願に
組み込まれる。毛細管またはチューブは、技術の分野で
知られた方法のいずれか、たとえば米国特許第4,04
2,359号明細書に示されている方法によって形成す
ることができ、そうした技術は本願に組み込まれる。
中実ガラス繊維を形成する1つの特定の限定されない方
法は、繊維化することのできるガラスバッチ組成物をガ
ラスバッチ溶融炉内で、特定のガラス組成物・に対して
必要な温度および時間で溶融することである。一般的に
は、約1093’C(2000下)から1649℃(3
000下)の温度範囲で、1〜6時間またはそれよりも
長い時間溶融する。溶融されたガラスは、溶融されたガ
ラスを収容する加熱されたガラス繊維形成ブッシングの
底部に位置するブッシングチップを通して細くされる。
それらの繊維は、繊維がブッシングを離れるときに空気
1凋節および/またはプレパッドスプレージェット(p
re−pad 5pray jets)からの水によっ
て冷却されてもよい。それらの繊維は、繊維の早すぎる
浸出を避けるために繊維を冷却するのを助けるための水
と接触されないのが好ましい。ブッシングから形成され
る繊維の直径は、サブミクロンから毛細管またはチュー
ブのための直径までの範囲で変化させうる。
繊維のためには、その直径は約1廓から約150虜まで
の範囲である。繊維、ストランド、毛細管およびチュー
ブの長さは連続的であることができ、それらの長さはい
かなる所望の長さにも切断することができ、それらはっ
ぎの熱処理工程および浸出工程において処理される。一
般に、繊維の長さはチョップ繊維についての約0.08
C■(1/32インチ(0,03インチ))から、チュ
ーブの形状に対しての何フィートもの長さまでの範囲で
ある。繊維を細くすることは、機械的な手段(巻き取り
またはチョップ)または加熱された流体の流れを用いた
熱的な手段によって行なわれる。繊維を形成し、細める
ための当業者に知られている他のいかなる方法も用いる
ことができる。繊維は当業者に知られているいかなる方
法によっても冷却され、化学的保護剤、すなわちサイジ
ング組成物で処理され、1本または2本以上のストラン
ドにまとめられ、チョップされ、または連続繊維も1.
 <はストランドとして集めることができる。米国特許
第 4.071,339号および同第4.049.411号
各明細書にはそのような方法の典型的なものが示されて
おり、そうした技術は本願に組み込まれる。
中実または中空のガラス繊維は、つぎの処理工程におけ
るフィラメント相互の摩耗からガラス繊維を保護するた
めに、ガラス繊維に塗布されるサイジング組成物を有し
つる。サイジング組成物は、通常ひきつついて処理され
る繊維またはストランドのために存在し、当業者に知ら
れた方法によって技術の分野で知られた量で塗布されう
る。サイジング組成物は、通常水溶性、水に分散性、水
に乳化性の化学剤を有する水性組成物であり、該化学剤
はガラス繊維上に塗布され、水および/または溶媒が蒸
発したのちにガラス繊維上に残る。ガラス繊維上の化学
剤はある種の溶媒での溶解性によって容易に除去されう
る。好適な水性化学処理物の例として、ガラス繊維に塗
布される水に溶解させたカチオン性潤滑剤があげられる
。好適なカチオン性潤滑剤としては、テトラエチレンペ
ンタミンとステアリン酸とのアルキルイミダシリン反応
生成物であるCation X■があげられる。他の好
適な物質にはテキシタイルソフトナ−(textile
″sof’teners)やカチオン性潤滑剤あるいは
グラフ1ム(Graham)の米国特許第4,002,
445号明細書に開示されているような一般に当業者に
知られている薬剤が含まれ、そうした技術は本願に組み
込まれる。
中実または中空のガラス繊維にサイジング組成物が塗布
されたのち、繊維は通常ギャザリングシーL −(ga
thering 5hoe)によって1本または2本以
上のストランドにまとめられ、ついでガラス繊維は、フ
ォーミングパッケージをつくるためのフォーミングチュ
ーブを有する、回転ドラム状巻取り器上に巻取られる。
フォーミングパッケージがその上にのっているコレット
は、通常1本または複数本のストランドをフォーミング
パッケージに集めるために高速で回転する。
そのような回転速度は4.400r、p、a+、以上で
あり、巻取り器が停止のために減速されて停止し、フォ
ーミングパッケージが取り除かれるまで続く。
サイジング処理、ガラス繊維をストランドにまとめるこ
とおよびガラス繊維をフォーミングパッケージに集める
ことを含む形成工程は、米国特許第4,071,339
号(グリフイス(Gr[f’f’1tbs) )および
同第4.049,411号(ロング(Long)および
プント(Dent))各明細書に開示されており、その
中では1秒間に約609.8〜H9fim(2000〜
20000フイート)の細めるスピードが達成されてお
り、それらの技術は本願に組み込まれる。
フォーミングパッケージかまたはロービングパッケージ
の多層パッケージのかたち、またはチョップ繊維または
ストランド、チョップされたもしくは連続的な繊維もし
くはストランドのマットもしくはバットのかたちに集め
られた中実または中空のガラス繊維および/またはスト
ランドは、細孔を生じさせるために処理される。
繊維またはストランドは、切断すること、または一層大
きな直径のドラム上に再び巻取ることによってパッケー
ジから取り出されてもよいし、または細孔を生じさせる
ためにパッケージ、マット、バットまたはチョップされ
たストランドのかたちで残しておくこともてきる。スト
ランドは1つまたは2つ以上の多層パッケージから複数
の層を通してパッケージの縦軸に平行に伸びる縦方向に
層を通って、1つまたは2つ以上の切断物をつくること
によって切断されるのが好ましい。切断されたガラス繊
維の長さは、ガラス繊維の巻取り中にフォーミングパッ
ケージの直径を変えることによって、またはガラス繊維
をフォーミングパッケージから一層小さなまたは一層大
きな直径のパッケージ上に再び巻き取ることによって変
化させることができる。
パッケージから取り出されるガラス繊維の多くの層は、
支持面上に平たく横たえることができる。支持面はプレ
ート、トレイあるいは動いているコンベアベルトであり
うる。
一般に、その方法によってえられたガラス繊維の一定の
長さの範囲は約2.56cm(1インチ)から64c+
n(25インチ)程度でありうる。多層パッケージから
ガラス繊維を取り出す他のいかなる方法も用いることが
できる。たとえば、繊維をパッケージからほどき、他の
支持面、ホルダーまたは回転ドラム上にチョップストラ
ンドまたは連続ストランドとして並べることができる。
ガラス繊維の一定の長さは、約0.64cm (0,2
5インチ)〜約180cm (70インチ)程度である
のが好ましく、単に64cm(25インチ)までである
のが最も好ましい。
抽出によって繊維またはストランドとしてのガラス繊維
中に細孔を生じさせる前に、水性サイジング組成物を除
去するために水洗浄などの溶媒洗浄をして繊維上に存在
しているいかなるサイジング組成物をも取り除くことが
できる。
細孔を生じさせるために抽出可能な成分を抽出するため
に用いられる熱処理および酸での浸出工程においてサイ
ジング組成物は保護的な役割を果たすようであるので、
ガラス繊維からサイジング組成物を除去しないのが好ま
しい。
ガラス中に細孔を生じさせるための抽出は、単に水での
浸出によって、または水および/または酸での浸出によ
って、あるいは熱処理と水および/または酸での浸出に
よって達成しうる。
生じた細孔は、細孔の形が円形、楕円形、円筒形または
非対称であるかにかかわらず、所望の平均孔径をうるた
めに細孔の開口のある部分を横切って直径を有していな
ければない。生じた細孔の平均孔径は広いまたは狭い分
布を有している。
中実または中空のガラス繊維は、熱処理することなく水
で浸出することができる。その繊維は、繊維が容器内で
ほぼ平行な列で水平に配列されているときに、水を収容
している容器中に漬けられるかまたは水がかけられる。
繊維を取り囲む水は攪拌されるのが好ましく、もし水が
アルカリ性になれば水を補給することができる。
水で浸出するときの温度は高められた温度であるのが好
ましく、浸出時間は1時間未満から5〜6日まで変えら
れうる。水での浸出ののち、繊維またはストランドは残
っている浸出可能な成分を取り除くために酸で浸出して
もよい。一般に熱処理しないで水で浸出した後には、シ
リカ含有率の高い繊維は約0.3〜約0.85cc/g
の細孔容積を有する。また平均孔径は約8人、特に50
人より大きく約3000人までの範囲の広い範囲に分布
する。
さらにガラス繊維は相分離のために熱処理することがで
き、好ましくは熱処理される。繊維は炉内で、あるいは
それらがその上で巻き取られる加熱されたドラム上で熱
処理される。熱処理の温度は、通常ガラスの焼きなまし
温度より高く、ガラスの軟化点温度未満の温度である。
熱処理の温度は、米国特許第3,758,284号明細
書にガラスについて教示されているように、有孔性を制
御するのを助けることができ、そうした技術は本願に組
み込まれる。一般に相分離しうるガラス繊維は約420
〜約800 ’Cの範囲の温度で、約10分から5〜6
日かけて熱処理される。
一層長い時間では一層低い温度が要求され、一層短い時
間では一層高い温度が要求される。最も好ましくは、炭
素質物質を含有するサイジング組成物を有しない繊維は
約420℃から約480℃の範囲で約6時間までの時間
熱処理され、ガラスはホウ酸塩含有率の高い相成分とシ
リカ含有率の高い相の酸に不溶性の成分とに相分離され
る。これらの低い熱処理温度は、ガラス繊維が互いに粘
着するのを防ぐのに有用である。一方、炭素質サイジン
グ組成物が存在することもまたそのようなガラス繊維の
粘着を防ぎ、一層高い熱処理温度を可能にする。そのの
ち繊維は周囲温度に冷却される。
一層高温で熱処理されるべきガラス繊維については、該
ガラス繊維はサイジング組成物で処理され、乾燥されて
、ガラス繊維の表面の実質的な部分に残留物か形成され
る。残留物の形成は、空気乾燥から高められた温度での
乾燥まで、あるいはある反応環境中、すなわちフィルム
、コーティング、残留物あるいは反応生成物のかたちの
種々の被覆をつくるための温度、圧力、または放射エネ
ルギーの環境中で処理することによって種々変わりうる
。残留物は水性化学処理物のために水分を実質的に含ん
でいてはならず、有機化学処理物のために液体を実質的
に含んでいてはならない。ガラス繊維上にあまりに多く
の液体や水が存在することはガラス繊維が相分離のため
に熱処理されるとき悪影響を及ぼす。一般に残留物は約
20重量%未満、好ましくは約10重量%未満の水分を
含んでいてもよい。
残留物の形成は、一定の中実の製品を流体で被覆すると
いう技術の分野の当業者に知られたいかなる方法をも採
用することができ、被覆物を)形成するためのいかなる
タイプの装置においても行なうことができる。これらの
ガラス繊維を製造するばあい、炭素質物質を含む水性化
学処理物は、1本のガラス繊維およびストランドまたは
段数のストランドをフォーミングパッケージに巻き取る
ときにガラス繊維が充分に乾燥されて該ガラス繊維の表
面の実質的部分に化学処理物の乾燥した残留物を形成す
るような爪で塗布される。他のばあいにおいては、被覆
物の形成は水分または有機溶媒を除去するためにまたは
化学処理物中の反応物質の化学反応を行なって炭素質物
質の残留物を形成するようになるために充分な時間空気
乾燥することによって、または高められた温度で乾燥す
ることによって達成される。
炭素質物質の残留物を有するガラス繊維を約400℃(
725下)から約600℃(b12下)までの従来の温
度で熱処理するあいたに、その炭素質物質の残留物のい
くらかが除去される。その除去は、通常炭素化によって
行なわれる。熱処理の大部分のあいだに充分な残留物が
存在している限り、繊維が互いに粘着するのを防止する
ことができる。残留物のいくらかは熱処理が終ったあと
も残っているのが好ましい。熱処理されたガラス繊維上
の炭素質物質の残留物は、水および/または酸での浸出
工程において繊維か摩耗することをも保護することかわ
かっている。
浸出工程中に、炭素質物質の残留物がさらにガラス繊維
から抽出される。
ガラス繊維が熱処理され相分離されたのち、それらの繊
維は冷却され抽出処理に付される。
熱処理した繊維かまたは熱処理しなかった繊維に施され
る抽−自処理には、単に水で浸出するかまたは単に酸で
浸出するか、または水で浸出したのち酸で浸出すること
が含まれる。水での浸出においては、ガラス繊維は水浴
中に漬けられ水溶性のホウ酸塩含有率の高い相が浸出さ
れる。
浸出のための水浴の温度は約80〜100℃でなければ
ならない。好ましくは、約90〜約100℃である。水
浴の温度が80℃未満に低下すると、浸出が不完全とな
り、浸出時間を実質的に延長しなければならない。ホウ
酸塩の含有率が高い相の溶解性に加えて、ペンタホウ酸
ナトリウムのようなアルカリ金属ホウ酸塩の溶解性は温
度とともに上昇する。水温が90〜100℃ではホウ酸
塩の含有率が高い相の溶解性はきわめて高い。
浸出時間は水浴の温度および処理された繊維のフィラメ
ント径に依存する。約90〜100℃の好ましい温度範
囲では、約2〜4時間程度、好ましくは約6〜8時間の
浸出時間が約1〜150ρの範囲の直径の繊維に好適で
ある。さらに、もし浸出が低温で開始されれば、繊維は
一層大きな強度を有することになることがわかっている
というのは、低温で浸出を開始することが応力割れを減
少させる傾向にあるからである。たとえば、もし浸出が
室温またはそれよりわずかに低い温度で開始され、その
温度を約2〜4時間かけて90〜100℃に徐々に上昇
させるときは、浸出がはじめから90〜100℃で6〜
8時間行なわれるばあいに比べて割れの進展が少ない。
浸出における多孔質ガラス繊維に対する水の容量比は、
ガラス1容量に対して水約2〜8容ff1fu度とすべ
きである。ガラスに対する水の比率が低いときは浸出処
理がゆっくりと進行し、より高い比率のときはとくに利
益をもたらさない。
繊維が水での浸出ののちに酸で浸出されるときは、通常
はまだぬれているガラス繊維は2回目の浸出のために酸
浴に移される。有用な酸は希釈溶液、典型的には塩酸、
硫酸および硝酸なとの無機塩、あるいはンユウ酸なとの
釘機酸の0.1〜3N溶液である。フど化水素酸やリン
酸などのシリカを攻撃する酸は用いてはならない。
酸の濃度および酸での浸出の時間および温度は水で浸出
されたガラス繊維中に残存している抽出可能な成分の蚤
に依存する。
熱処理による先行する相分離がシリカ構造中に残ってい
るアルカリおよびホウ酸塩のかなり部分について完全で
なかったばあいには、高い規定度の酸すなわち 2〜3
Nの酸か用いられる。
しかしながら、熱処理による先行する相分離が、シリカ
骨格の全体を通じて含着相(coalescedp b
 a s e )に位置するホウ酸塩およびアルカリの
大部分について完全に行なわれているときは、低い規定
度の酸すなわち 0.1〜0.3Nの酸で浸出すれば充
分である。一般に酸での浸出は、約80〜100℃の温
度で少なくとも 1.5時間、好ましくは約2〜約6時
間かけて行なえば充分である。
酸での浸出の時間および温度が繊維中のストレスの進展
にどのような測定可能な影響を与えるかについては明ら
かでない。それゆえ比較的高温で長時間の酸での抽出が
用いられる。しかしながら、6時間より長い時間酸で浸
出させ−でも実質的な利益はえられないようである。酸
での浸出における酸のガラス繊維に対する容量比は、ガ
ラス繊維1容量に対して酸が約2〜8容回にすべきであ
る。その比率は用いられる酸の規定度によっていくらか
変わる。一般に酸の規定度が高いほど酸のガラス繊維に
対する容量比は低い。斜上の浸出プロセスの大部分は実
験室規模のものであるが、効果的で経済的なプロセスを
うるために商業生産規模のものが連続向流抽出などの大
規模な連続処理に組み込まれる。
熱処理されたガラス繊維から結果としてえられた多孔質
で中実または中空のシリカ含有率の高い繊維は、約30
〜約3000人の平均孔径を存しており、細孔の大きさ
は狭い分布である。繊維についての細孔容積は約03か
ら約 1.2cc/gの範囲である。酸で浸出したあと
ガラス繊維は洗浄される。洗浄はガラス繊維を約1〜4
時間、流れる水道水、好ましくは脱イオン水の中に、ガ
ラス繊維のすべての細孔が水の作用にさらされるように
漬けることによって行なわれる。えられる繊維の熱安定
性が、水道水で洗浄された繊維のばあいよりも良好とな
るために脱イオン水中での洗浄が好ましい。洗浄ののち
、繊維は通常空気循環オーブン内で通常80〜100℃
の温度で空気乾燥されて水分が除去され、ついで760
℃で1時間乾燥して化学的に結合した水が除去される。
乾燥された多孔質でシリカ含有率の高い繊維が熱処理の
あいたに炭素質のサイジング組成物を有するばあいは、
残っている炭素質物質または炭素の在留物が存在しても
よい。好ましくはガラス繊維上のコーティングの量は、
いくらかの炭素質の残留物か熱処理および1つまたは2
つ以上の浸出工程の両方が終ったのちに残存するように
、有効強熱減ffi (LOl[oss onigni
tion))である。残った残留物は壊変された炭素含
有の被覆から、細孔を有する認めつる被覆までの範囲の
ものである。残存している炭素質残留物または炭素は酸
化によって繊維から除去される。酸化は約427℃(8
00下)から約704℃(1300下)の範囲の温度で
、炭素または炭素質物質を除去するのに有効な時間だけ
行なうのが好ましく、最も好ましくは約538℃(io
oo下)で約2時間までの時間待なわれる。
残った炭素質の残留物を多孔質のシリカ含有率の高い繊
維から酸化させるばあいにおいて、大規模な細孔収縮を
含む多孔質の繊維の収縮および破損を避けなければなら
ないときは、酸化処理の温度は約1093℃(2000
下)未満としなければならない。多孔質でシリカ含有率
の高い繊維は、多孔質の繊維の強度が低下しすぎるのを
避けるために、約704℃(1300下)よりも低い温
度で酸化しなければならない。酸化処理の時間は、最初
に塗布されていた炭素質物質の量に依存する。もし必W
 fflよりも多く塗布されていれば、一層長時間か要
求される。酸化環境は、空気、酸素、オゾンまたはそれ
らの混合物によって、あるいはKNO3、KC#03な
どの塩を生ずる酸素を存在させることによってえられる
。好ましくは、酸化環境は熱処理領域における繊維の周
囲の乾燥空気の定常流によって与えられる。熱処理領域
は、高められた温度で酸化環境をそなえるオーブンまた
は炉でありうる。
えられた多孔質で中実または中空のシリカ含有率の高い
繊維は、約8人から約30oO人までの平均孔径および
約0.2〜約1 、2cc/gの細孔容積を有している
。繊維の直径は一般に3J1mから約150側まである
いはそれより大きく、繊維の長さは[1,35+u+(
1/4インチ)未満のチョップガラス繊維およびストラ
ンドから連続繊維およびストランドまで種々変えること
ができる。シリカ含有率の高い繊維は、一般に85重量
%を超える量のシリカを有しており、好ましくは約95
〜100重量%のシリカを有している。一定の長さを有
する中空で多孔質のシリカ含a率の高い繊維は、表面積
が細孔の大きさに依存して約50〜400n−?/gあ
るいはそれ以上の外部表面および内部表面を含む表面積
を有している。多孔質でシリカ含有率の高い繊維は多く
の応用に用いることができる。繊維は、触媒なとの種々
の化学剤、酵素および抗体や細胞なとのバイオマテリア
ルを細孔の中または周囲に固定化されて有しうる。また
多孔質の繊維は、水の脱塩のためまたは化学的分離を行
なうためにリアクターまたはコンテナー中に置くことが
できる。さらに多孔質の中実または中空のシリカ含有率
の高い繊維は、細孔を有しない中実または中空の繊維を
製造するために熱処理によって凝縮されうる(cond
ensed) o繊維は約700°Cの温度で、しかし
シリカ含有率の高い繊維の融点よりも低い温度で炉また
はオーブン内を通過させることができる。熱処理の温度
は約1100 ’C未満であるのが好ましい。熱処理は
繊維を脱水して収縮し、多孔質の中実繊維または多孔質
の中空繊維のいずれを熱処理したかに応じて非多孔質の
中実または中空のシリカ含有率の高い繊維となる。
繊維化するこができ細孔を生じるガラス形成バッチ組成
物は、ホウ素含有率の高い相と、シリカ含有率の高い柑
とに相分離するために熱処理することができるアルカリ
金属ホウケイ酸ガラス組成物のようなガラス繊維かえら
れるようにバックカルキュレーション(backcal
culation)によって調合される。その調合は、
ホウ素含有率の高いグループの実質的な部分を、アルカ
リで浸出することなく水および酸で浸出して除去し、充
分な孔径および細孔容積を有するガラス繊維の一定の長
さが達成される。
ガラス繊維形成バッチは、約54重量%の8203.8
重量%のNa2O、および約38重量%の5i02を有
するガラス組成を有する繊維かえられるのが最も好まし
い。このガラス組成物はバッチを約1250℃(228
2下)で2時間溶融することによって形成され、約87
7°C(1610下)でブッシングから機械的に細くす
ることによってガラス繊維に形成される。形成された繊
維は約3虜から約120虜まで、最も好ましくは約10
加から約40項までの範囲の直径を有する。最も好まし
くは、繊維は、外径の中に内径を備えた中空のガラス繊
維に形成される。中空繊維ブッシングへの空気の流れは
、所望のに係数となるに充分なものであり、10チツプ
のブッシングに対しては通常0〜約0.5c[’m(立
法フィート7分)の範囲にある。
ガラス繊維は水性化学処理組成物、好ましくはエポキシ
樹脂のようなフィルム形成ポリマーを有する水性化学処
理組成物でサイジングされる。フィルム形成ポリマーは
水溶性、水に分散性または水に乳化性である。さらに該
処理組成物はカチオンX■(cation X■)のよ
うな潤滑剤およびエポキシシランのような相溶性のオル
ガノンランカップリング剤を含んでいる。繊釘〔は1本
または2本以上のストランドにまとめられ、円筒状のフ
ォーミングパッケージに巻かれる。
;夏数の乾燥されていないフォーミングパッケージは、
ガラス繊維のすへての層かパンケージから取り出されう
るようにその縦方向の軸に沿って切断される。これらの
繊維はほぼ平行な列(aligr+ment)にトレイ
上にまっすぐに配置され、その際、繊維は通常約63.
5cm (25インチ)の一定の長さを有する。
繊維は約420〜約600℃の温度範囲で約10分から
5〜6日かけて熱処理される。前記範囲内で一層長い時
間熱処理すれば一層低い温度でよく、一層短い時間のば
あいは一層高い温度での熱処理が要求される。ホウ素含
有物質の量が一層高いガラス繊維については、ガラス繊
維の粘着を減少させるために一層低い熱処理温度が有用
であり、保護サイズの存在するときは、一層高い熱処理
温度を利用しうる。その後、繊維は周囲温度に冷却され
る。
ガラス繊維は水で浸出され、つづいて酸で浸出される。
水での浸出においては、ガラス繊維は水浴中に充分な時
間をかけて充分な温度で漬けられ、ガラス繊維中の水溶
性のホウ素含有化合物のすべてではないにしても実質的
な且が除去される。ガラス繊維は、水が冷たいときに水
中に漬けられ、水の温度が高められた温度、好ましくは
約80〜100℃、最も好ましくは約95℃に1〜約2
4時間、好ましくは3時間かけて上昇させられる。水で
の浸出工程は、水での浸出中に行なわれる撹拌のために
撹拌器をそなえた容器中で行なわれるのが好ましい。水
浴の温度が80℃未満になると、完全な浸出が行なえな
くなり、浸出時間を実質的に延長しなければならない。
浸出の時間は水浴の温度および処理された繊維の大きさ
に依存する。浸出プロセスのあいだ繊維の列を維持する
ために、通常繊維の縦軸に対して直角にロッドを置いて
繊維を動かないように保持することによって固定化され
る。浸出浴中のガラス繊維に対する水の容量比は、ガラ
ス繊維1容量に対して水約2〜8容量程度である。水の
ガラス繊維に対する容量比が低いときは浸出プロセスが
遅くなり、容量比が高いときは特に利点はない。
水での浸出ののち、ガラス繊維は水溶液から取り出され
る。ついでガラス繊維は撹拌しながら0.1〜約3N、
好ましくは約0.1−0.5Nの塩酸などの希釈溶液で
約80〜100℃、好ましくは90℃の温度で、約10
分から約8時間程度、好ましくは約2〜約4時間かけて
酸で浸出される。
酸での浸出において、ガラス繊維はガラス繊維中の酸に
可溶なホウ素含有化合物のすべてではないにしても実質
的な量を除去するために充分な時間かけて充分な温度で
酸浴に漬けられる。
ガラスm維は酸が冷たいときに酸の中に漬けられ、酸の
温度は高められた温度に上昇させられる。一般に希釈酸
溶液は、ガラス繊維の細孔内に残っている一痕跡量のホ
ウ素、アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属ホウ酸塩
をいずれも除去して細孔がつまらないようにする。酸の
他の好適な希釈溶液の限定されない例としては、硫酸お
よび硝酸、またはシュウ酸などの有機酸があげられる。
酸での浸出工程における酸のガラス繊維に対する容量比
は、ガラス繊維1容量に対して成約1〜約8容量とじつ
るが、酸の規定度に応じていくらか変化するであろう。
ガラス繊維は酸浸出溶液から取り出され、水で洗浄して
約5.5から中性のpHにし、そののち繊維は好ましく
は約90℃で約40〜約24時間かけて空気乾燥するこ
とによって乾燥される。
多孔質ガラス繊維は空気酸化に供され、細孔内の炭素質
残留物か除去される。その炭素質残留物は熱処理のあい
だガラス繊維上に存在するサイジング組成物に起因する
ものである。酸化の温度は適量の乾燥した再生空気の流
れが存在する中で炭素を充分に酸化しうる温度であり、
最も好ましくは約537℃(1000°F)またはそれ
よりも高い温度で約20分から約2時間までの時間待な
われる。酸化温度は、ガラスがガラス化して細孔を閉じ
るほど高くすべきでない。
〔実施例〕
つぎに本発明を実施例を用いてさらに詳しく説明するが
、本発明はもとよりそれらに限られるものではない。
第1表にあげられている試料1〜3のガラス組成物は、
熱処理して、または熱処理しないで多孔質で中実または
中空のシリカ自存率の高いガラス繊維を製造するために
有用である。その多孔質繊維は、アルカリでの浸出によ
って多孔質繊維の骨格からシリカを除去することを必要
としないで、高い釘孔性を有している。
〔以下余白〕
第  1  表 実施例1 第1表の試料1のガラス繊維かえられるように計算され
たバッチ組成物を、プラナするつぼ中で1250℃(2
282下)の温度で1時間かけて、ときどき撹拌しなか
ら溶融した。ノズルが10個の電気的に加熱したガラス
繊維ブッシングに溶融ガラス形成バッチを入れ、溶融ガ
ラスから気泡(seedy)を除くために1093℃(
2000°F)で1時間かけてコンディショニングした
。ブッシングへの流れを調節して、さらにチッププレー
トを871”C(1600下)の温度にセットし、溶融
物の熱雷対は9199C(1687°F)の読みとりで
あった。ガラス繊維を295r、p、n+、で回転して
いる8インチのコレット上に機械的に細めて形成し、7
0項の中実ガラス繊維を形成した。それらの形成のあい
だ、繊維を米国特許第4,049,597号明細書の水
性化学処理物で処理した。その処理は硬化(hydro
genated) トウモロコシ油なしで、いかなるア
ニオン性およびカチオン性乳化剤も用いず、帯電防止剤
として塩化マグネシウムを添加して行なった。繊維はス
ライスされて、長さ83.5cm (25インチ)×外
径70屡の多層のパッケージをえた。繊維はコレットか
ら切断して、相分離のための熱処理炉内に並べた。熱処
理のあいだに結合剤(binder)か酸化しはじめた
が、いくらかの炭素は繊維の表面、おそらく高ホウ素領
域に残された。熱処理後の繊維の外観は灰色ないし黒色
であった。繊維の色は繊維外径および結合剤の除去(p
ickup)の程度によった。
さらに繊維を95℃の蒸留水中、および95℃の0.2
Nの希塩酸中で6時間浸出した。浸出のあいだ、いくら
かの炭素が繊維から離れて浴の表面に炭素のフィルムを
形成した。これらの繊維を中性になるまで水で洗浄し、
その後、−夜間110℃で流れている乾燥空気中で乾燥
した。さらに試験したところ、すべての残留炭素を除去
するために538°C(1000下)で2時間、空気中
で熱処理すれば充分であることがわかった。実施例2 第1表の試料1のガラス組成物中に所望二の酸化物を生
成するように計算されたハツチ組成物をプラナするつぼ
中で1250℃(2282下)で1時間、ときどき撹拌
しながら溶融した。IOノズルガラス繊維ブッシング内
にガラスを入れ、1093℃(2000°F)で1時間
コンディショニングして溶融物の気泡を除去した。つぎ
にチッププレートを 871℃(1600下)の温度に
セットして溶融熱電対の読みとりを919℃(1687
下)にした。ガラス繊維は295r、p、+n、で回転
する8インチのコレット上に機械的に細めることによっ
て形成し、’yo、nの中実ガラス繊維を形成した。そ
れらの形成中、繊維を0.5mm%のカチオン−X■潤
滑剤および0.5重量%のγ−グリシドオキシプロビル
トリメトキシシランを有する水溶液で処理した。繊維を
スライスして長さ63.5cm(25インチ)X外径7
0迦の多層のパッケージをえた。
繊維を平らな表面上に並べ、ブルー−間マツフル(Bl
ue−M ll1urrle)炉内で540℃で6時間
熱処理した。相分離された繊維を熱衝撃を与えないよう
にゆっくりと冷却し、1時間かけて周囲温度にした。冷
却したのち、繊維を6容量 (4,0ミクロンmhos
/am)の水中に多層のほぼ平行な列装置き、保持バー
によってこの状態に維持した。水を30分で95℃に加
熱し、ゆっくりと撹拌しながら6時間だもった。
ホウ素と酸化ナトリウムの実質的な量を繊維から浸出し
たのちは水を排出すべきであり、0.3NのllClを
浴中に導入して95℃に加熱した。
繊維をその浴中に4時間撹拌しながら漬けた。
+1 CIを排出し、約5.5から中性のpHになるま
で繊維を蒸留水で洗浄した。つぎに繊維を流れている空
気中で95°Cで4時間乾燥させた。痕−踏量の残留炭
素を538℃(1000下)の空気中で2時間酸化処理
した。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 (a)約40〜約60重量%のホウ素含有成分、少
    なくとも約25〜約80重量%のシリカおよび約1〜約
    12重量%のアルカリ金属酸化物を有するアルカリ金属
    ホウケイ酸のガラス組成物のガラス繊維を形成する工程
    、および (b)該繊維を水で浸出して非シリカ質物質を抽出し、
    1.2ccまでの細孔容積および3000Åまでの平均
    孔径を有する多孔質でシリカ含有率の高い繊維を製造す
    る工程 からなる、アルカリで浸出することなく良好な有孔性を
    有する多孔質でシリカ含有率の高い繊維の製造法。 2 前記ガラス繊維がカルシウムおよびマグネシウムの
    2価酸化物から選ばれたマイナーな量のアルカリ土類金
    属の酸化物、マイナーな量の酸化アルミニウム、マイナ
    ーな量の周期表第IV族金属の酸化物またはマイナーな量
    のそれらの混合物、および痕跡量のフッ素および痕跡量
    の酸化第2鉄を有する特許請求の範囲第1項記載の製造
    法。 3 前記水での浸出が80〜100℃の温度で、約1時
    間から24時間以上の時間をかけて行われる特許請求の
    範囲第1項記載の製造法。 4 前記繊維が毛細管またはチューブを構成するような
    約1μmから250μm以上の直径を有する特許請求の
    範囲第1項記載の製造法。 5 前記ガラス繊維の長さが6.35mm(1/4イン
    チ)未満の長さから連続的な長さまでの範囲にある特許
    請求の範囲第1項記載の製造法。 6 前記ガラス繊維が中空であり、約0.9までのに係
    数を有する特許請求の範囲第1項記載の製造法。 7 水で浸出されたガラス繊維が酸で浸出される特許請
    求の範囲第1項記載の製造法。 8 前記酸での浸出がフッ化水素酸またはリン酸以外の
    酸の希釈酸溶液中で約80〜約100℃の温度で1時間
    未満から約6時間かけて行われる特許請求の範囲第7項
    記載の製造法。 9 前記形成されたガラス繊維が420〜480℃の温
    度で熱処理されて、ホウ素含有率の高い相とシリカ含有
    率の高い相とに相分離される特許請求の範囲第1項記載
    の製造法。 10 前記熱処理されたガラス繊維が水で浸出されて非
    シリカ質成分が抽出される特許請求の範囲第9項記載の
    製造法。 11 前記水で浸出されたガラス繊維が酸で浸出される
    特許請求の範囲第10項記載の製造法。 12 前記熱処理されたガラス繊維が酸で処理される特
    許請求の範囲第9項記載の製造法。 13 前記ガラス繊維が制限された湿気の環境中で形成
    される特許請求の範囲第1項記載の製造法。 14 前記ガラス繊維の形成において、該ガラス繊維を
    炭素質物質含有のサイジング組成物でサイジングし、サ
    イジングしたガラス繊維を約420〜約600℃の温度
    で熱処理してホウ素含有率の高い相をシリカ含有率の高
    い相から相分離し、熱処理したガラス繊維を水または酸
    またはその混合物で浸出し、そうしてえられた多孔質で
    シリカ含有率の高い繊維を熱処理して残留しているいか
    なる炭素質物質をも酸化する特許請求の範囲第1項記載
    の製造法。 15 特許請求の範囲第1項記載の製造法によって製造
    された多孔質でシリカ含有率の高い繊維。 16 前記ガラス繊維が約54重量%の酸化ホウ素、約
    38重量%のシリカおよび約8重量%の酸化ナトリウム
    を有する特許請求の範囲第1項記載の製造法。 17 (a)ホウ素含有成分が約40〜約60重量%、
    シリカが少なくとも25〜80重量%、およびアルカリ
    土類金属酸化物、酸化アルミニウム、フッ素、または酸
    化第2鉄の1つまたは2つ以上が約1〜約15重量%お
    よび0〜約12重量%のアルカリ金属ホウケイ酸のガラ
    ス組成物のガラス繊維を形成する工程、 (b)制限された湿気の環境中で該ガラス繊維を細める
    工程、 (c)該繊維を1本または2本以上のストランドにまと
    める工程、 (d)該1本または2本以上のストランドを巻取り器上
    に多層パッケージに集める工程、 (e)繊維のほぼ平行な列を維持すべく、1つまたは2
    つ以上のパッケージから多層のガラス繊維ストランドを
    取り出す工程、 (f)ガラスをホウ素含有率の高い相とシリカ含有率の
    高い相とに相分離するために、約 420〜約480℃の温度で該ガラス繊維を熱処理する
    工程、および (g)細孔容積が約1.2cc/gまでで、孔径が約3
    000Åまでである多孔質でシリカ含有率の高い繊維を
    製造すべく、ホウ素含有率の高い相の成分を抽出するた
    めに、該熱処理したガラス繊維を水で浸出する工程 からなる、アルカリ浸出することなく良好な有孔性を有
    する多孔質でシリカ含有率の高い繊維の製造法。 18 前記ガラス繊維が約0.9までのK係数を有する
    中空のガラス繊維である特許請求の範囲第17項記載の
    製造法。 19 前記水で浸出されたガラスが、多孔質でシリカ含
    有率の高い繊維を製造すべく、フッ化水素酸またはリン
    酸以外の酸の希釈酸溶液中において約80〜190℃の
    温度で1時間未満から24時間を越える時間をかけて酸
    で浸出される特許請求の範囲第17項記載の製造法。 20、多孔質でシリカ含有率の高い繊維を形成するガラ
    ス繊維中に存在するシリカと実質的に同じ量のシリカを
    有し、0.2〜1.2cc/gの細孔容積および300
    0Åまでの孔径を有する多孔質でシリカ含有率の高い繊
    維。 21 中空であり0.9までのK係数を有する特許請求
    の範囲第20項記載の多孔質でシリカ含有率の高い繊維
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