KR810000741B1 - 내 알카리성 유리섬유 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내 알칼리성 유리섬유

본 발명은, 내알칼리성 유리섬유에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 내알칼리성 유리섬유로 보강된 시멘트 제품에 관한 것이다.

유리섬유는, 다른 유기질, 무기질섬유에 비해서, 뛰어난 인장강도를 가지며 또 극히 높은 탄성율을 갖기 때문에 섬유보강수지(FRP)와 같은 섬유강화복합제에 가장 적합한 보강재로서 현재 널리 이용되고 있다.

그 중에서도 근래 빌딩의 고층화에 따라 시멘트제품의 경량화, 고강력화가 강하게 요망되어 유리섬유 강화시멘트의 연구가 각 방면에서 검토되어 오고 있다.

유리섬유를 시멘트 강화용 섬유로서 사용할 경우의 가장 중요한 문제의 하나는, 시멘트 구성성분인 CaO에 따른 Ca(OH)₂가 포화용해된 상태에 있어, 이 때문에 시멘트 매트릭스는 pH가 12∼18이라는 강염기성을 나타낸다는 것이다.

따라서, 유리섬유는, 예를 들면 시멘트 제품의 보강제로서 사용될 때는 물론, 장기간의 사용에 있어서 알칼리 분위기하에 노출되기 때문에, 통상의 소위 E유리섬유 등을 사용하였을 경우, 섬유자체의 강도저하가 격심하고 보강재로서의 특성을 살려낼 수 없다.

이 때문에 예를 들면 시멘트 강화용 유리섬유는, 될 수 있는 한 커다란 내 알칼리성을 갖는 것이 필수조건이라고 말할 수 있다.

종래, 유리섬유의 내알칼리성을 증대하기 위해서, 고 지르코니아(ZrOz) 함량의 유리조성물을 그 기체로 하여 사용하는 것이 제안되었다. (예를 들면 미국특허 제3,861,926호, 영국특허 제1,243,972호 등)

그러나, 이들의 제안에 따라서, 유리조성물 중의 지르코니아 함량을 높히면, 얻어지는 유리섬유의 내알칼리성을 증대하지만, 그 방사성은 급격히 악화되는 결점이 있었다.

그 주요한 이유는, 지르코니아 함량의 증대에 따라서, 방사온도(T_F)[용융점도가 1000포아즈를 나타낼때의 유리조성물의 온도]는 그렇게 증대하지 않음에도 불구하고, 액체상 온도(T_L)[용융상태의 유리조성물을 서서히 냉각하였을 때에 결정이 석출되는 온도]는 급격히 상승하고, 따라서 지르코니아 함량의 증대에 따라서 T_F-T_L가 너무나도 작아지게 되기 때문이다.

또, 지르코니아 함량을 증대하면, 이러한 유리조성물의 용융성이 악화되고, 용융점도가 증대하므로, 일정한 용융점도를 얻기 위해서는 보다 고온도로 용융할 필요가 있고, 이 결과 용융로(爐)의 로의 재료소모가 극심하고, 이 때문에도 고 지르코니아 함량의 유리섬유를 실제로 공업적 규모로 제조하는 것은 결코 용이하지 않았다.

본 발명자들 중 일부는, 고지르코니아 함유 조성물이 갖는 상기와 같은 결점을, 위 조성물 중에 일정량의 P₂O₅를 함유시키는 것(특허원 소 50-29100호), 상기 P₂O₅의 대신에 일정량의 B₂O₃을 함유시키는 것(특허원 소 50-85275호), 또한 일정량의 K₂O 및 알칼리토류 금속산화물을 함유시키는 것(특허원 소 50-88793호) 등에 의해서 해결할 수 있는 것을 발견하여 이미 특허출원한 바 있다.

그러나 본 발명자들의 그 후의 연구에 의하면, P₂O₅의 도입은 용융로의 재료를 침식하는 경향이 있고, 또 B₂O₃의 도입은 고지르코니아 함량에 의해서 모처럼 증대된 내 알칼리성을 감소시키는 경향을 가짐과 동시에, B₂O₃의 휘발성에 의해서 부싱의 팁면을 더럽히거나, 용융로의 내압을 높히는 결점이 있다는 것, 또한 고지르코니아함량의 유리 조성물중에 CaO와 같은 알칼리토류금속 산화물을 도입하면, 후술하는 바와 같이 액체상온도(T_L)의 상승은 초래하여, T_F-T_L의 온도폭이 그만큼 축소되며, 방사성을 저하시키므로, 알칼리토류 금속산화물의 도입은 극력 피해야 된다는 것 등이 해명되기에 이르렀다.

또, 최근 특허공개 소 51-55309호 공개공보에 의해, 중량백분율로 SiO₂53∼63％, ZrO₂21∼23％, Na₂O 10∼21％를 주성분으로 하는 내알칼리성 유리섬유 조성물이 제안되고 있으며, 이 유리조성물은 지르코니아(ZrO₂) 함량이 극히 높은 점에서 주목된다.

그러나, 본 발명자들의 추가시험에 의하면, 동 공개공보 중에 실제로 개시되어 있는 고지르코니아 함유 유리조성물은 방사온도(T_F)가 너무 높거나, 혹은 T_F-T_L의 온도폭이 너무나 좁기 때문에, 공업적 규모에 있어서의 유리섬유의 방사에는 적당하지 않다는 것이 확인되었다.

본 발명자들의 경험에 의하면, 방사온도(T_F) 및 액체상온도(T_L)는 사용되는 유리의 조성에 따라서 고유인 값을 취하고, 그것 때문에 실이 끊어지는 일이 없이 양질의 유리섬유를 공업적 규모로 방사하기 위해서는 방사온도(T_F)와 액체상온도(T_L)와의 사이에는, 다음의 관계

가 성립되는 것이 필요한 것이며, 특히

그 중,

의 관계가 성립되는 것이 가장 적합하다.

또, 방사온도(TF)에 대하여는 다음 식(5a),

바람직하게는 다음 식(5b)

가 성립되는 것이 긴요하다.

여기서, 본 발명의 목적은, 지르코니아 함량이 19∼23.5중량％라는 높은 함량의 내알칼리성 유리조성물로, 더욱이 상기 식(4a), 바람직하게는 (4b),(4c) 및 (5a), 더욱 바람직하게는 (5b)도 만족하게 하므로서 방사성이 뛰어난 내알칼리성 유리섬유를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 본 발명자들이 일부가 앞서 제안한 P₂O₅, B₂O₃및 알칼리토류 금속산화물과 같은 본래의 작용에서 보면 첨가하는 것이 좋지 않는 성분의 함유량이 0.5중량％ 이하, 바람직하게는 0.3중량％ 이함이에도 불구하고, 방사성이 양호하고 더욱이 높은 함량으로 지르코니아를 함유하는 내알칼리성이 극히 뛰어난 유리섬유를 제공함에 있다.

본 발명의 기타의 목적 및 이점은 다음의 설명에서 명백하게 될 것이다.

본 발명에 의하면, 상기의 목적 및 이점은 다음의 산화물을 다음의 조성,

단, R은 알칼리토류 금속을 나타내며, M은 P, B, Fe, Sn, Mo, As, Sb 등의 금속을 나타내고, ％는 중량％를 나타낸다. 로 함유하고, 또한 다음 식(1) 및 (2)

을 만족시키는 유리조성물로 된 유리섬유에 의해서 달성되는 것을 알았다.

다음 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

예를 들어서 CaO와 같은 알칼리토류 금속산화물은, 종래, 유리의 융제로서 사용된다는 것이 알려져 있으며, 지르코니아 고함량의 내알칼리성 유리섬유의 제조를 목적으로 할 경우, 예를 들면 0.6∼7.5몰％와 같은 CaO의 첨가는 T_F-T_L의 온도폭을 40℃ 이상으로 하기 위해서 필요한 것이며, 또 CaO의 존재는 이 유리섬유의 내알칼리성을 향상하기 위해서도 유용한 것이라고 인식되고 있었다. (미국특허 제 3,861,926호 5난 20∼25행, 8난 26∼32행 참조)

그러나, 본 발명자들은 높은 지르코니아함량의 내알칼리성 유리섬유의 제조에 대해 연구를 거듭한 결과 이외에도, CaO와 같이 알칼리토류 금속산화물의 첨가량을 증가함에 따라서, 고지르코니아함유 유리조성물의 방사온도(T_F)는 점차 감소되지만, 이와 동시에 액체상 온도(T_L)는 반대로 첨가량에 비례해서 상승되고, 그 결과 T_F-T_L의 온도폭은 그 첨가량에 비례하여 축소된다는 것과, 한편 고지르코니아 함유 유리조성물의 방사온도(T_F)는 예를 들어 지르코니아함량이 19％인 경우에는 T_F는 약 1400℃에 도달하므로, 이러한 높은 방사온도를 갖는 고지르코니아 함유 유리조성물의 T_F를 알칼리 토류금속산화물의 첨가에 의해서 저하시키려고 하면, T_F-T_L의 온도폭은 극단적으로 작아지거나, 때에 따라서는 오히려 T_L＞T_F로 되어, 방사성이 극히 악화되는 것을 알았다. (후술하는 비교예 2 참조)

그래서 본 발명자들은, 지르코니아(ZrO₂)를 19∼23.5％라는 높은 함량으로 함유한 유리조성물이 갖는 높은 방사온도(T_F)를 알카리토류 금속산화물에 의하지 않고 저하시킬 수가 있는 성분에 대하여 예의연구를 행한 결과, 알칼리금속산화물 중에서도 리시아(Li₂O)만이 특이한 작용을 한다는 것, 그리고 리시아를 이 유리조성물 중에 0.5-2.5중량％, 바람직하게는 1∼2중량％ 함유시키므로서, 이러한 유리조성물의 방사온도(T_F)를 극히 효과적으로 저하시킬 수가 있고, 더욱이 이 경우에는 액체상온도(T_L)는 극히 조금밖에 상승하지 않는다는 것과, 또한 리시아의 첨가는 이 유리조성물의 용융성도 향상된다는 것을 알았다. (후술하는 실시예 1, 표3 참조)

또 종래, 유리의 성분으로서 Na₂O는 필수성분으로서 사용되고 있으며, 고지르코니아함유 유리조성물에 있어서 Na₂O의 함량을 증대하므로서 그 T_F를 저하시킬 수 있다는 것이 알려져 있었으나, 본 발명자들의 연구에 의하면 유리조성물 중에 알칼리 금속산화물로서 Na2O만을 함유시킨 경우에 대하여 설명하면, Na₂O 함량은 액체상온도(T_L)와 밀접한 관계가 있고, Na₂O 함량이 대략 15-16.5％의 한정된 범우에 T_L의 극소점이 존재하고, 이 한정된 범위보다도 Na₂O 함량이 작아져도, 또는 커져도 이 유리조성물의 T_L은 상당히 급격하게 상승한다는 것을 알았다.

또한, 종래 상기 Na₂O의 일부를 K₂O로 치환할 수 있다는 것은 알려져 있었으나, 본 발명에 의하면, 상기의 Na₂O를 K₂O의 적당량, 바람직하게는 Na₂O의 1∼5％를 K₂O로 치환하면, 알칼리금속산화물로서 Na₂O만을 사용한 경우에 비해서 이 유리조성물의 T_L을 더욱 저하시킬 수 있는 것을 알았다.

본 발명자들은, 상기와 같은 연구결과를 종합해서, 검토한 결과, 지르코니아 함량이 19∼23.5라는 고지르코니아함량에 의해 내알칼리성이 뛰어나고, 더욱이 방사성도 양호한 유리섬유를 얻기 위해서는, 다음의 여러 가지 인자가 극히 중요한 것임을 알았다.

(A) 고지르코니아(ZrO₂) 함량에 의한 유리조성물의 T_F의 상승을 적당랴의 리시아(Li₂O)에 의해서 저하시키는 것이 효과가 있다.

그리고 상기 지르코니아 함량의 범위에 있어서도 지르코니아함량이 크게 될수록 리시아의 함유량을 어느정도까지 증대하고, 또 K₂O의 함유량이 증대되어도 T_F는 상승하는 경향이 있으므로, 첨가하는 리시아의 량은 K₂O에 의한 T_F의 상승까지도 보정하는 양으로 한다는 것이 중요하다. (후술하는 식(2) 참조)

(B) 또한, 상기 유리조성물의 T_F-T_L의 온도폭을 적어도 40℃ 이상으로 하고, 특히 50℃ 이상, 그 중에서도 60℃ 이상으로 하기 위해서는, 알칼리금속산화물인 Na₂O+Li₂O+K₂O의 총함유량을 적당한 범위로 할 뿐만 아니라, Na₂O, Li₂O 및 K₂O의 각 함유량도 적당한 범위로 제어할 필요가 있다. (후술하는 식(1) 참조)

(C) 한편 Na₂O는 T_F를 저하시키기 위한 작용이 있다는 것은 이미 설명한 바와 같으므로, 첨가하는 Na₂O 함량이 큰 경우는 이에 따라서 리시아 함유량을 감소시킬 수가 있고, 따라서 지르코니아 함량의 대소에 따라서, Li₂O 및 Na₂O의 함량까지도 제어하는 것이 유리하다. (후술하는 식(3) 참조)

이렇게 해서 본 발명에 의하면, 다음의 산화물을 하기의 조성,

단, R은 알칼리토류금속을 나타내며, M은 P, B, Fe, Sn, Mo, As, Sb 등의 금속을 나타내고, ％는 중량％를 나타낸다, 로 함유하고, 또한 다음 식(1) 및 (2),

를 만족시키는 유리조성물로 이루어진 유리섬유는, 내알칼리성이 극히 크고, 더욱이 T_F가 1310℃ 보다도 낮고, 또한 T_F-T_L가 40℃ 이상이 되어, 방사성도 뛰어난 것임을 알았다.

본 발명에 의한 이러한 유리섬유는, 상기 식(1) 및 (2) 뿐만 아니라, 다음 식(3),

의 관계도 만족시키는 것이 유리하다.

또, Na₂O+Li₂O+K₂O의 총함유량을, 특히, 다음 식(1')

로 하는 것이 가장 적합하고, 이렇게 하므로서 대략 T_F를 낮게 하고, 또한 T_F-T_L의 온도폭을 보다 크게 하는 것이 가능하게 된다. (표 5 참조)

그러므로 본 발명에 있어서는, 상기 식(1'), (2) 및 (3)의 모든 관계가 만족될 경우가 특히 적합한 것이다.

또, 상기의 범위에 있어서도, 각 성분의 함량을, 각각,

로 하는 것이 가장 적합하다.

본 발명에 있어서는, 유리조성물 중의 상기 산화물의 함유량을 이상 설명한 범위로 제어하므로서, 종래융제로서 번용되었던 CaO와 같은 알칼리 토류금속산화물을 첨가할 필요는 없으며, 그것이 바람직하나, 이러한 성분이 가령 본 유리조성물의 각 원료의 불순물로서 혼입될 경우는 그 함유량을 유리조성물 전체의 0.5％ 이하로 그치는 것이 바람직하다.

또, 본 발명자들이 앞서 제안한 P₂O₅나 B₂O₃와 같은 산화물은 각각 0.5％ 정도까지는 허용할 수 있으나, 이들의 산화물을 적극적으로 첨가할 필요는 없다.

또한, 기타의 예를 들면 Fe, Sn, MO, As, Sb, V, Cr, Co, Cu, Y, Cd, Hf, Ce의 금속산화물은, 그들의 합계량으로서, 본 발명의 유리조성물 전체의 0.5％ 이하로 제어하는 것이 유리하다.

단, Al₂O₃는 본 발명의 유리조성물 전체의 0.5％ 정도까지 혼입하는 것을 허용할 수가 있고, 한편 TiO₂는 0.3％ 정도 이하로 제어하는 것이 오히려 유리하다. (단 상기 ％는 어느 것이나 중량％를 표시함. 이하 같음)

또, 본 발명에 있어서는, CaF₂는 CaO 및 F₂로서 취급하고, CaO의 함유량은 0.5％ 이하로 하여야 할 것은 이미 설명한 바와 같으며, 또 Fe의 함유량은 0.3％, 특히 0.1％ 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, CaF₂의 첨가는 전혀 필요 없으며, 오히려 첨가하지 않는 것이 좋다.

또한 본 명세서에 있어서는 F₂의 함량은 제외해서 상기 산화물 전량을 100중량％로 하여 상기 각 산화물의 함량을 중량％를 표시한 것이다. 본 발명의 유리섬유는, 상술한 바와 같이 내알칼리성이 크고 특히 시멘트매트릭스 속에서의 내구성에 뛰어나고 또한 뛰어난 강도 및 영율(Young's modulus)을 장기간 유지하므로 시멘트 보강제로서 유용하다.

본 발명의 유리섬유를 시멘트에 함유시켜서 유리섬유 강화 시멘트제품(구조물)을 얻으려면, 그 섬유직경 및 함유량은, 이 시멘트제품의 용도, 성형방법 등에 따라 다소 다르지만, 섬유직경은 대략 5∼50μ이고, 또 함유량은 시멘트에 대하여, 0.3∼25중량％의 범위로 하는 것이 가장 적합하다.

섬유직경이 5μ보다도 가늘면 강화효과가 작고, 또 장·단섬유형상 혼입에 있어서 분사성이 불량하게 되어서 좋지 않으며, 한편 50μ보다도 굵어도 예기한대로 내충격강도, 꾸부림강도 등의 강화효과가 저하되고, 또 절손이 증가하는 등 취급이 곤란하게 되어 버린다.

이러한 의미에서 바람직한 섬유직경은 7∼30μ의 범위이다.

또 혼입량에 대해서는, 0.3중량％ 미만에서는 시멘트에 대하여 충분한 강화를 할 수 없고, 또 반대로 25중량％를 넘으면 혼입상태가 불균일하게 되어 오히려 약화되거나, 섬유간이 서로 엉켜서 공극이 생겨 제품밀도 및 강도가 저하되는 등, 유리섬유의 보강효율이 저하되며 또 경제적으로 보아도 불리하다.

통상의 몰탈, 콘크리이트에 혼입할 경우는, 0.5∼20중량％로 충분한 강화가 이루어지고, 특히 1∼15중량％ 사용하는 것이 바람직하다. 석면 슬레이트의 분야에 있어서, 석면의 대체로서 이 유리섬유를 사용할 경우는, 0.3∼10중량％의 사용이 바람직하고, 특히 0.5∼5중량％가 가장 적합하다.

이 경우 특히 석면과 이 유리섬유를 병용하는 것이 보강효율의 면에서 좋은 결과가 얻어진다.

또 시멘트매트릭스에 혼입할 때의 유리섬유의 형태는, 장섬유, 단섬유의 어느 것이나 사용되고, 또 각기의 조직물도 가장 적합하게 이용할 수 있다.

예를 들면 로우빙, 절단유리섬유, 실, 테이프, 매트, 면상물(綿狀物), 편직문 등으로서 적용할 수 있고, 용도, 성형방법 등에 따라 임의의 형태를 선정할 수가 있다.

단섬유로서 사용할 경우는, 섬유의 길이는 1∼100mm가 적당하다. 1mm 미만에서는 강화효과가 극도로 떨어져 바람직하지 못하다. 100mm를 넘으면 시멘트몰탈에 이 유리섬유를 단지 기계적으로 혼화하는 방법으로는 균일한 분산상태를 유지할 수 없고, 부적당하다. 100mm 이상의 섬유를 사용할 경우에는, 장섬유 혹은, 그 구조체, 예를 들면 편직물, 부직포 등으로서 시멘트몰탈 속에 배열하는 방법을 적용할 수 있다.

이상과 같은 특성을 갖는 유리섬유를 시멘트와 혼합 내지 적층하여 강화시멘트 구조물로 하려면, 시멘트와 유리섬유를 건식법으로 혼합하여 물을 가하는 방법, 시멘트 반죽 속에 유리섬유을 혼합 혹은 적층하는 방법의 어느 쪽으로 해도 되며, 더욱이는 틀속에 주입하는 것과 동이세 혼합할 수도 있다.

이어서 이것을 성형하려면, 목적, 용도에 따라 여러 가지의 방법을 임의선택할 수 있고, 예를 들면 형틀주형법, 분무법, 분무흡임법, 압출성형법, 초조법(抄造法) 등이 있고, 또 양생, 후처리에 대하여도 상온 방치 양생 이외에 원심주형양생, 가압양생, 습열양생 등 통상법에 따라서 행하면 된다.

본 발명에서 말하는 시멘트라 함은, 포오틀랜트 시멘트로 대표하게 되는 일반 수경성시멘트로, 시멘트 반죽으로 한 경우에 그들의 성분에서 염기성 성분을 발생하게 되는 시멘트를 의미하며, 예를 들면 포오틀랜드시멘트, 규산칼슘과 같은 것이다.

또, 필요에 따라서, 모래, 자갈, 퍼얼라이트 등의 골재라든가, 플라이에서, 활성실리카 등의 포졸란류를 첨가할 수가 있다.

또, 본 발명에 의해서 제조할 수 있는 각종 시멘트제품이란, 프래스, 오오트클래래이브, 수지함침, 경량, 발포, 석면시멘트의 석면대체, 석면-규산칼슘계의 석면대체와 같은 모든 시멘트제품에 걸치는 것이다.

이렇게 해서 얻어지는 본 발명에 관한 유리섬유강화시멘트 구조물은, 알칼리성분에 저항성이 있고, 또한 시멘트 속의 결정성의 수산화칼슘에 의해서 유리섬유가 침식을 받는 일없이, 장기간에 걸쳐서 그 뛰어난 꾸부림, 충격강도를 유지할 수가 있다.

따라서 예를 들면 각종 구조물의 내외벽, 패널, 천장재, 바닥재, 기와 등의 건재류, 측구, 관, 연석, 초석, 콘트라이트블럭 등의 토목, 조원용 기타 각종 용도에 유용한 것이며 그 공업적 이용가치는 극히 높다.

다음 본 발명은, 실험결과(실시예 및 비교예)를 표시하면서, 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 다음의 실험결과는 본 발명의 이해를 보다 명료하게 하기 위해 표시한 것으로서 본 발명을 하등제한하는 것은 아니다.

또한 비교예 및 실시예를 설명하기 전에 이들의 실험으로 채용된 각종 시험의 측정조건 및 그 결과의 판정에 대하여 설명한다.

[유리의 조성]

유리의 조성은, 특별히 언급하지 않는 한 각 성분을 중량%로 표시함.

[방사온도(T_F℃)]

약 250g의 시료유리덩어리를 알루미나질의 도가니 속에서 1500℃로 2시간 용융하여 완전히 거품을 없앤 후, 10mmψ의 Pt-Rh(80/20%) 구(球)를 용융유리 속에 낙하시켜, 소정온도로 1시간 유지하고 시료용융유리온도를 균일하게 한 후, 시료구를 들어 올린다. 이때의 상승속도를 검도저울로 측정하였다.

상기 조작을 3회 행하고 그 평균치를 측정하였다.

또 수개점의 측정온도에 대하여 마찬가지 조작에 의해 온도-점도곡선을 그래프화하고, 1000 포아즈에 사당하는 온도를 읽어냈다.

[액체상온도(T_L℃)]

내용적 30cc의 백금도가니를 사용하여, 1500℃로 3시간 걸려서, 약 50g의 유리카렛트를 만들엇다.

이 유리카렛트를 알루미나 약절구 속에서 분쇄하고, 그 입도를 48메시 이하, 32메시 이상이 되도록 조제하고, 이어서 증류수, 에탄올, 아세톤의 순으로 세정하였다.

Pt 95, Au 5％ 질인 백금합금보우트에 유리입자를 충전하고, 온도구배를 갖는 전기로 속에 17∼20시간 유지한 후, 공기 속에서 급냉하였다.

열처리 후의 유리를 백금합금보우트에서 꺼내서, 보우트의 저면측의 이 유리면을 편광현미경으로 관찰하고, 결정과 유리와의 계면위치를 판정하였다.

미리 측정한 온도구배로 속의 온도와 위치와의 관계도에서, 결정-유리계면위치의 온도를 읽어내서, 그 온도를 액체상온도로 하였다.

[용융성의 측정에 대하여]

내용적 10cc의 백금도가니를 사용하여, 유리원료를 1500℃로 소정시간 용융하고 5g의 유리를 만들었다.

이 유리를 광학현미경으로 50배의 배율로 유리 속의 결정입의 유무를 관찰하고, 완전히 용해될 때까지의 시간(용융시간(분))을 구했다.

[비교예 1]

일반적으로 알려져 있는 고 ZrO₂계 유리조성에 대하여, 그 유리화 될 때의 용융성, 방사조업성 및 내알칼리성을 이해하기 위해서, 다음 표 1 기재의 유리조성을 내용적 300cc의 백금합금제 도가니를 사용하여 온도 1500℃로 5시간 용융하므로서 유리화를 행하고, 유리를 만들었다.

다음에 얻어진 유리의 액체상온도(T_L℃) 및 방사온도(T_F℃)(1000 포아즈 점도인 때의 온도)를 측정하였다.

또한 여기서 표 1 기재의 유리조성은 Volf, Technical Glass, p 120에 기재된 No. 6/29에 상당하는 것이다.

다음에 얻어진 유리카렛트를 내용적 200로 36개의 팀이 있는 백금-로듐제(80/20) 부싱을 사용하여 1000m/min의 권취속도로 보빈 위에 권치하고, 섬유화를 행하였다.

얻어진 섬유직경 13±0.1μ의 섬유의 내알칼리성을 측정하고 표 1의 결과를 얻었다.

또한, 방사성의 평가는, 섬유직경 13±0.1μ의 상기 섬유를 만드는데 있어, 방사시의 실이 끊기는 상태를 관찰하였다.

즉, 시간의 연속방사로 전혀 실이 끊기는 일이 일어나지 않은 경우를 ◎, 1시간의 조작 중에 수회 실이 끊기는 일이 일어난 경우를 ○, 실이 끊기는 일이 많이 발생하나 섬유화 가능한 경우를 △, 섬유화가 전혀 불가능한 경우를 ×로 하여 평가하였다.

또, 내알칼리성의 평가는, 얻어진 섬유 1g을 10％-NaOH 수용액의 100cc 속에 80℃로 침지하고, 1시간 처리 후의 중량감(중량％)으로 하여 측정하였다.

[표 1]

표 1에서 섬유화가 상당히 곤란함과 동시에, 방사온도가 높고, 공업생산시의 부싱의 수명이 짧다고 할 수 있다.

또, 용융성이 극히 나쁘기 때문에, 이 유리의 탱크로에 의한 공업생산에 있어 미용해 결정립의 발생을 일으켜 좋지 않다.

또, 용해온도를 매우 높게 할 필요가 있고, 탱크로의 로재료인 내화물의 침식이 격심하고 바람직하지 않다고 할 수 있다.

[비교예 2]

고 ZrO₂계 유리의 방사성을 개선하는 것을 목적으로 해서 CaO를 유리의 1성분으로 하여 첨가하는 것이 제안되고 있으므로, 여기서는 SiO₂-ZrO₂-Na₂O계의 유리에 CaO를 첨가 함유시켜서 유리를 만들고, 얻어진 유리의 특성을 평가하였다.

즉, 표 2에서 기재의 각 조성유리를 1500℃로 5시간 걸려서 백금합금제 도가니를 사용하여 만들고 액체상 온도(T_L℃), 방사온도(T_F℃)를 측정하였다.

결과를 다음 표 2에 표시한다.

[표 2]

표 2에서 CaO를 유리의 1성분으로 하여 첨가하므로서 방사온도(T_F℃)를 저하할 수가 있으나, 반면 액체상온도(T_L℃)가 상승하여 그 결과 T_F-T_L(℃)의 차가 작아져서 좋지 않다.

특히 run, No.2-4와 같이 방사온도가 1300℃ 근처가 되면 T_F-T_L(℃)

50℃가 만족되어 있지 않다.

또 CaO의 첨가는, 유리의 용융을 대폭적으로 개선하고 있지 않는 것이다.

[실시예 1]

본 실시예는, 유리의 섬유화할 때의 방사온도(T_F℃)를 저하시켜 다시 용융성을 개선하는 것을 목적으로 하고 Li₂O를 유리의 1성분으로 하여 첨가 함유시켜서 실험을 행하였다.

즉, 표 3 기재의 조성을 갖는 유리의 용융성(용해시간(분)을 측정하였다.

또 각 조성의 유리를 1450℃로 5시간 걸려서 백금합금제 도가니를 사용하여 만들어 액체상온도(T_L℃), 방사온도(T_F℃)를 측정하였다.

다음에 비교예 1에 준하여 섬유화하고, 직경 13±0.1μ의 유리섬유를 만들어서 내알칼리성을 측정하였다.

측정은 10％ NaOH 수용액으로 온도 80℃에 50시간 처리하는 이외는, 비교예 1에 준하였다.

결과를 다음 표 3에 표시한다.

[표 3]

표 3에서 Li₂O의 첨가에 의해 방사온도(T_F℃)를 대폭적으로 저하할 수 있는 것을 알 수 있다.

또, 내알칼리성, 용융성도 개선되어 바람직하나, 반면 T_F-T_L(℃)의 차가 작아져서 점차 방사성이 악화한다.

따라서 Li₂O의 첨가량은 0.5∼2.5중량％, 바람직하게는 1∼2중량％이다.

[실시예 2]

본 실시예는, 유리제조시의 방사성을 개선하기 위해서, 액체상온도를 저하시켜 또한 T_F-T_L(℃)의 차를 크게 하는 것을 목적으로 해서 K₂O를 유리의 1성분으로서 첨가 함유시키는 실험에 관한 것이다.

즉, 표 4에 기재의 조성을 갖는 유리를 1500℃로 4시간 걸려서 백금합금제 도가니를 사용하여 만들고 액체상온도(T_L℃), 방사온도(T_F℃)를 측정하였다.

다음에 실시에 1에 준하여 섬유화하고 다시 내알칼리성을 측정하고 중량감소율(중량％)을 측정하였다.

결과를 다음 표 4에 표시한다.

[표 4]

표 4에서 M₂O의 첨가에 의해 액체상온도(T_L℃)가 저하하고 반대로 방사온도(T_F℃)가 약간 상승하는 것을 알 수 있다. 따라서 T_F-T_L(℃)의 차가 증대하여 방사성이 개선된다고 할 수 있다.

단, K₂O의 함량이 3중량％를 넘으면 재차 액체상온도(T_L℃)는 상승하고, 6중량％를 넘으면 T_F-T_L

50℃를 만족할 수 없게 되어, 방사성은 악화한다.

또 K₂O의 첨가는, 내알칼리성이 약간 저하해서 바람직하지 못한다. 따라서 K₂O의 첨가량은 0.5∼6중량％, 바람직하게는 0.5∼3중량％ 특히 0.5∼2.5중량％이다.

[실시예 3]

본 실시예에서는, Na₂O의 함량을 10∼19중량％까지 변화시킨 각종 조성유리를 실시에 1에 준하여 만들고 액체상온도(T_L℃), 방사온도(T_F℃)를 측정하였다.

또, 실시예 1에 준하여 섬유화하고 각종 특성을 측정하였다.

결과를 다음 표 5에 표시한다.

[표 5]

표 5에서 Na₂O의 함유로 인하여 방사온도(T_F℃)가 저하되고 또한 액체상온도도 저하하는 것을 알 수 있다.

단, Na₂O의 함량이 16중량％를 넘으면 액체상온도(T_L℃)가 상승하기 때문에 TF-TL(℃)의 값이 작아져서 방사성이 악화한다.

또 Na₂O의 함유량의 증대에 따라 유리의 용융성 및 내알칼리성이 향상한다는 것을 알 수 있다.

따라서 Na₂O의 함유량은 11∼18중량％, 바람직하게는 13∼17중량％이다.

또 Na₂O+K₂O+Li₂O의 합계량은, 15.5∼21중량％, 바람직하게는 17∼20중량％이다.

[실시예 4]

본 실시예에서는, ZrO₂함유량을 18∼24.5중량％까지 변화시킨 각종 조성유리를 실시예 1에 준하여 작성하고 액체상온도(T_L℃), 방사온도(T_F℃)를 측정하였다.

또, 실시예 1에 준하여 섬유화하고 각종 특성을 측정하였다.

결과를 다음 표 6에 표시한다.

[표 6]

표 6에서 ZrO₂함유량의 증대에 따라 내알칼리성이 항상되는 것을 알 수 있다.

단, ZrO₂함량의 증대에 따라 액체상온도가 상승하여 T_F-T_L(℃)의 차가 작아져서 방사성이 악화된다.

또 용융성도 ZrO₂함유량에 비례하여 대폭 저하한다.

따라서 ZrO₂함유량은, 19∼23.5중량％, 바람직하게는 20∼22.5중량％이다.

[실시예 5]

본 실시예는, 본 발명의 중요한 구성요건을 이루는 52-2ZrO₂

4Li₂O-K₂O ZrO₂-21(식 2) 및 94-3ZrO₂

6Li₂O+Na₂O ZrO₂-1(식 3)인 부등식의 의의를 명확히 하기 위해서 다음 표 7 및 표 8 기재의 각종 조성유리를 실시예 1에 준해서 만들고, 방사온도(T_F℃) 및 액체상온도(T_L℃)를 측정하였다. 결과를 표 7 및 표 8에 표시한다.

[표 7]

표 7에서 52-2ZrO₂

4Li₂O-K₂O

ZrO₂-21이 만족되지 않는 조성유리는, 방사온도(T_F)가 높으거나 또는 T_F-T_L(℃)가 너무 작아서 방사성이 나빠서 좋지 않다고 할 수 있다.

[표 8]

표 8에서 (식 2) 뿐만 아니라 (식 3)을 만족하는 조성은, 특히 T_F-T_L(℃)의 차가 커서 가장 적합한 조성이다.

Claims (1)

1. 다음의 산화물은 다음의 조성

   

   (단, R은 알칼리토류금속을 나타내고, M은 P, B, Fe, Sn, Mo, As, Sb 등의 금속을 나타내며, %는 중량%를 나타낸다.)으로 함유하고 또한 다음 식(1),(1'),(2) 및 (3)

   

   의 관계를 만족시키는 유리조성물로 된 내알칼리성 유리섬유.