TW202330430A - 玻璃纖維 - Google Patents
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Abstract
本發明之玻璃纖維含有:形成玻璃骨架之SiO
2;Al
2O
3;及,用以提升彈性模數之彈性模數調整成分;並且,該玻璃纖維具有耐酸性。
Description
本發明涉及玻璃纖維、使用其之玻璃纖維材料、樹脂浸潤纖維片、配管、混凝土補強材及高壓送電線保護材。
玻璃纖維具有高彈性模數,因此可用於各種領域中,例如有時會如專利文獻1所示般使用於既設管之再生。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本專利特開2021-11904號公報
發明欲解決之課題
然而,有時會有酸性液體在所述既設管中流動的情形,因此,若該酸性液體接觸玻璃纖維,恐有使玻璃纖維劣化之虞。所述問題不僅會在既設管之再生中發生,也可能發生在要求高彈性模數同時要求耐酸性之各種環境中,從而進一步需求高彈性模數與耐酸性性能。本發明係為了解決該問題而成者,其目的在於提供一種能提升彈性模數且具有耐酸性之玻璃纖維、使用其之玻璃纖維材料、樹脂浸潤纖維片、配管、混凝土補強材及高壓送電線保護材。
用以解決課題之手段
項1.一種玻璃纖維,含有:
形成玻璃骨架之SiO
2;
Al
2O
3;及
用以提升彈性模數之彈性模數調整成分;
並且,該玻璃纖維具有耐酸性。
項2.如項1之玻璃纖維,其中SiO
2含量為55mol%以上。
項3.如項1或2之玻璃纖維,其中前述彈性模數調整成分為MgO。
項4.如項1或2之玻璃纖維,其中前述彈性模數調整成分為稀土族化合物。
項5.如項4之玻璃纖維,其中前述稀土族化合物含量為8mol%以下。
項6.如項1至5中任一項之玻璃纖維,其進一步含有ZrO
2。
項7.如項6之玻璃纖維,其中ZrO
2含量為0.05~3mol%。
項8.如項1至7中任一項之玻璃纖維,其彈性模數為90GPa以上。
項9.如項1至7中任一項之樹脂強化用玻璃纖維,其彈性模數為95GPa以上。
項10.如項1至7中任一項之玻璃纖維,其彈性模數為100GPa以上。
項11.如項1至10中任一項之玻璃纖維,其藉由根據JOGIS J06-1999之方法所得之耐酸性的減量率為40重量%以下。
項12.一種玻璃纖維材料,係由如項1至11中任一項之樹脂強化用玻璃纖維所形成;
且該玻璃纖維材料為股線、紗線及粗紗中之任一形態。
項13.一種樹脂浸潤纖維片,具備:
玻璃纖維材料,其係由如項1至11中任一項之玻璃纖維所形成,且該玻璃纖維材料為織布或不織布中之任一形態;及
樹脂,其係浸潤至前述玻璃纖維材料中。
項14.一種配管,包含如項13之樹脂浸潤纖維片。
項15.一種混凝土之補強材,包含如項13之樹脂浸潤纖維片。
項16.一種高壓送電線保護材,包含如項13之樹脂浸潤纖維片。
發明效果
根據本發明,可提供一種能提升彈性模數且具有耐酸性之玻璃纖維。
用以實施發明之形態
說明本發明之玻璃纖維之實施形態。本發明之玻璃纖維至少含有SiO
2、Al
2O
3、及用以提升彈性模數之彈性模數調整成分。將於以下詳細說明。以下表示玻璃成分含有率的符號%,在未特別說明之前提下皆為莫耳%。
<1.玻璃纖維成分>
<1-1.SiO
2>
SiO
2為玻璃纖維之主成分、亦即形成玻璃骨架之成分,其含有率設定為譬如55~70%之範圍。SiO
2含有率宜為57%以上,更宜為58%以上,尤其宜為62%以上。SiO
2含有率若太低,耐酸性恐會降低。另一方面,若SiO
2含有率過高,則會有彈性模數(例如楊氏模數)降低的情形。因此,SiO
2含有率宜為67%以下,更宜為65%以下。
<1-2.Al
2O
3>
Al
2O
3有助於維持玻璃組成物之耐熱性、耐水性等,且亦為會影響失透溫度、黏度等的成分。Al
2O
3含有率設定為7.5~26%之範圍。Al
2O
3含有率宜為9%以上,更宜為10%以上,尤其宜為11%以上,視情況亦可為12%以上,進一步亦可為14%以上。若Al
2O
3含有率過高,則會有液相溫度大幅上升以致製造方面產生不良情況的情形。因此,Al
2O
3含有率宜為24%以下,更宜為22%以下,視情況亦可為20%以下,進一步亦可為19%以下。
尤其考慮到量產時,玻璃組成物之失透溫度宜充分低於液相溫度。為了使失透溫度充分降得比液相溫度低,合適之Al
2O
3含有率為11~15%,進一步為11~14%,11.5~13.5%尤其合適。如後述,為了使失透溫度充分降得較液相溫度低,可添加適量的Li
2O及/或B
2O
3。
<1-3.用以提升彈性模數之成分>
於本發明之玻璃纖維中含有用以提升彈性模數之成分(彈性模數調整成分)。所述彈性模數調整成分可舉例如鹼土族金屬化合物、稀土族化合物等。鹼土族金屬化合物可舉例如MgO、CaO等。稀土族化合物可舉例如Y
2O
3、La
2O
3、CeO
2等。又,彈性模數調整成分只要含有至少1種組成物即可,亦可含有2種以上組成物。
於以下進行說明。
(MgO)
MgO有助於提升彈性模數(例如楊氏模數),且亦為會影響失透溫度、黏度等的成分。MgO含有率可設定為譬如15~30%之範圍。MgO含有率宜為17%以上,更宜為18%以上,尤其宜為20%以上,視情況亦可為21%以上,進一步亦可為22%以上。若MgO含有率過高,則會有液相溫度大幅上升的情形。因此,MgO含有率宜為29%以下,視情況亦可為28%以下,進一步亦可為27%以下。
為了使失透溫度充分降得比液相溫度低,合適之MgO含有率為18~30%,進一步為20~28%。另外,彈性模數調整成分宜至少含有MgO。
(CaO)
CaO係任意成分,其除了會調整彈性模數(例如楊氏模數)之外,還有助於維持耐水性等,且會影響失透溫度、黏度等。CaO含有率可設定為譬如0~8%之範圍。添加適量的CaO這點由降低液相溫度之觀點來看很適宜。因此,宜添加CaO(含有率大於0%),其含有率宜為0.1%以上,更宜為0.12%以上,視情況亦可為2%以上,進一步亦可為3%以上。然而,過多的CaO有時會使楊氏模數、耐酸性性能降低。因此,CaO含有率宜為7%以下,更宜為5%以下。為了改善楊氏模數及耐裂痕負載,特別合適之CaO含有率為小於1%。
(MgO/RO(鹼土族金屬化合物總量))
已知若MgO/RO之比提升,耐酸性性能便會提升。譬如,MgO/RO宜為0.5以上,更宜為0.7以上。
(稀土族化合物)
如先前所述,稀土族化合物可舉例如Y
2O
3、La
2O
3、CeO
2。稀土族化合物含有率可設定為譬如0~8%之範圍。稀土族化合物含有率宜為0.1%以上,更宜為1%以上,尤其宜為3%以上。若稀土族化合物含有率過高,則會有耐酸性減弱且批次成本上升的情形。因此,稀土族化合物含有率宜為8%以下,更宜為6%以下。
<1-4.其他成分>
於本發明之玻璃纖維中,除了可添加上述成分之外,還可視需求添加以下成分。惟,不限定於以下成分,亦可適當添加該等以外之成分。
(ZrO
2)
ZrO
2係用以提升耐酸性性能之成分。ZrO
2含有率可設定為譬如0.1~3%之範圍。ZrO
2含有率宜為0.1%以上,更宜為0.3%以上,尤其宜為0.5%以上。若ZrO
2含有率過高,則玻璃容易結晶化,結果會有產生失透的情形。因此,ZrO
2含有率宜為3%以下,更宜為1.5%以下。
(TiO
2)
TiO
2係用以提升耐酸性性能之成分。TiO
2含有率可設定為譬如0.1~3%之範圍。TiO
2含有率宜為0.1~3%以上,更宜為0.3%以上,尤其宜為0.5%以上。若TiO
2含有率過高,便會失去玻璃之均一性,在此情況下有時亦會產生失透。因此,TiO
2含有率宜為3%以下,更宜為1.5%以下。
(B
2O
3)
B
2O
3係形成玻璃之骨架且會影響失透溫度、黏度等特性之任意成分。B
2O
3含有率設定為0~3%之範圍。添加微量的B
2O
3有時有助於降低失透溫度。因此,亦可添加B
2O
3(含有率大於0%),添加了B
2O
3時其含有率宜為0.1%以上,尤其宜為0.3%以上,視情況亦可為0.5%以上,進一步亦可為0.7%以上。然而,過多的B
2O
3有時會使楊氏模數降低。B
2O
3含有率宜為2.5%以下,更宜為2%以下,尤其宜為1.8%以下,視情況亦可為1.6%以下,進一步亦可為1.5%以下。B
2O
3含有率之較佳範圍之一例為0.1~1.6%。
(Li
2O)
Li
2O係將玻璃骨架予以改質的成分且係會影響液相溫度、失透溫度、黏度等特性之任意成分。Li
2O含有率設定為0~3%之範圍。添加該範圍之Li
2O可有效降低失透溫度。因此,亦可添加Li
2O(含有率大於0%),添加了Li
2O時其含有率宜為0.1%以上,更宜為0.2%以上,尤其宜為0.3%以上,視情況亦可為0.5%以上,進一步亦可為0.7%以上。若Li
2O含有率過高,則會有楊氏模數降低的情形。因此,Li
2O含有率宜為2.5%以下,更宜為2%以下,尤其宜為1.8%以下,視情況亦可為1.6%以下,進一步亦可為1.5%以下。Li
2O含有率之較佳範圍之一例為0.2~2.5%,其係比Na
2O含有率更高之範圍。
(Na
2O)
Na
2O與Li
2O同樣是會影響液相溫度、失透溫度、黏度等特性之任意成分。
然而,由於Na
2O比Li
2O具有更大的使楊氏模數降低之效果,因此其含有率設定為0~0.2%之範圍。
雖然基本上期望不含有Na
2O,但為了玻璃熔液之澄清,宜以0.2%為限進行添加,更宜以0.15%為限進行添加,譬如宜在大於0%且小於0.1%之範圍內添加。
另外,在本說明書中,玻璃纖維中取數種價數而存在之過渡元素之氧化物(ZrO
2、Y
2O
3、La
2O
3、CeO
2等)的含有率係以換算成該金屬之氧化數為最大之氧化物來算出。
(以上所說明之成分的合計)
以上所說明之成分(SiO
2、Al
2O
3、彈性模數調整成分)之含有率合計宜為95%以上,更宜為97%以上,尤其宜為98%以上,特別宜為99%以上,視情況亦可為99.5%,進一步亦可大於99.9%,亦可為100%。
<2.玻璃纖維之特性>
<2-1.彈性模數>
在本發明一實施形態中,玻璃纖維之彈性模數可用楊氏模數來測定。楊氏模數宜為90GPa以上,更宜為95GPa以上,尤其宜為100GPa以上。楊氏模數之上限無特別限定,亦可為110GPa以下。楊氏模數並非以玻璃纖維進行測定,而是以具有相同組成之塊狀玻璃(bulk glass)按以下方式測定。
楊氏模數係根據日本工業規格(JIS)R1602-1995所記載之超音波脈衝法進行測定。各試驗片定為5mm×25mm×35mm之長方體。又,測定係在室溫、大氣中實施,測定裝置係使用Panametrics製之model25DLPlus。
另外,已知在由相同玻璃組成物所構成之玻璃纖維與塊狀玻璃中,玻璃纖維通常會具有相對較低之彈性模數。可認為這是因為在從玻璃熔液成形時,玻璃纖維會大幅急速冷卻所致。然而,玻璃纖維之彈性模數與塊狀玻璃之彈性模數(依上述JIS所測出之彈性模數)之間具有正相關,因此,使用依上述JIS所得之測定值來評估玻璃纖維或用以做成玻璃纖維使用之玻璃組成物的特性很適當。
<2-2.耐酸性性能>
在本發明一實施形態中,玻璃纖維之耐酸性性能譬如可用根據JOGIS J06-1999之方法來進行評估。例如將粉碎後之玻璃纖維的比重克數放入鉑製器皿中,浸漬於燒瓶內之比重1.2之硫酸液80ml中,且在99℃下加熱60分鐘,之後在120℃下乾燥後進行秤量,測定其減量率。減量率宜為40重量%以下,較宜為25重量%以下,更宜為5重量%以下,又更宜為1重量%以下,尤其宜為0.2%以下。
<3.玻璃纖維之製造方法>
上述這種玻璃纖維係使已控制黏度之玻璃熔液從噴嘴流出,並藉由捲取機進行捲取而可製造。該連續纖維可在使用時裁切成適當長度。玻璃短纖維可藉由一邊用高壓空氣、離心力等噴出玻璃熔液,一邊進行製造。
<4.玻璃纖維材料>
本發明之玻璃纖維可應用於各種形態之玻璃纖維材料。例如可形成集束複數條玻璃纖維而成之股線。各股線可由例如100~10000條玻璃纖維所構成,典型上係由200~4000條玻璃纖維所構成。又,亦可形成股線經裁切成預定長度而成之切股。切股長度無特別限定,譬如可設為1~20mm,宜為1~11mm,較宜為1~10mm。
又,亦可形成紗線,其係將複數條玻璃纖維加撚做成合撚紗而成者。或者亦可形成集束複數條玻璃纖維而成之粗紗。進一步可利用複數條玻璃纖維形成織布。此時,可應用平織法、斜紋織法、紗羅織法、組布(braided cloth)等編織法。或者亦可利用複數條玻璃纖維來形成不織布。此外,還可形成玻璃纖維隨機聚集而成之具有空隙的氈。
<5.樹脂浸潤纖維片>
上述玻璃纖維可應用於樹脂浸潤纖維片。樹脂浸潤纖維片係一種利用上述玻璃纖維形成織布、不織布或纖維束,再使樹脂浸潤至其中而成之片材。
浸潤至該樹脂浸潤纖維片中之樹脂無特別限定,譬如可使用熱硬化性樹脂、熱塑性樹脂、光硬化性樹脂。熱硬化性樹脂可舉例如:胺甲酸酯樹脂、乙烯酯樹脂、環氧樹脂等樹脂。熱塑性樹脂可舉例如:聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚丙烯共聚物、尼龍樹脂、聚甲基丙烯酸樹脂、聚氯乙烯樹脂及聚碳酸酯樹脂等。光硬化性樹脂可舉例如:可藉由照射紫外線而硬化之紫外線硬化樹脂。浸潤至樹脂浸潤纖維片中之樹脂可僅使用1種該等樹脂,亦可將複數種樹脂混合來使用。
樹脂浸潤纖維片之厚度無特別限定,例如可設為1~10mm。
若在所述樹脂浸潤纖維片中樹脂含量多,片材之楊氏模數會降低。因此,在將所述片材使用於後述之配管、高壓送電線保護材時,若樹脂含量多,恐會因所作用之負載而產生裂痕。其結果,恐會以裂痕為起點產生配管漏水、送電不良的情形。
另一方面,若玻璃纖維含量增加,則玻璃纖維容易露出於片材表面。由此,若露出於表面之玻璃纖維的耐酸性差,玻璃成分便會溶出,而恐會從該處產生裂痕。其結果,會以裂痕為起點產生配管漏水、送電不良的情形。因此,此種用途上的樹脂浸潤纖維片中之樹脂含量宜為1~10重量%,更宜為2~5重量%。
所述樹脂浸潤纖維片可應用在再生管,該再生管係用以使已埋設於地面下之配管再生者。例如,可單獨將樹脂浸潤纖維片作為再生管使用,亦可將樹脂浸潤纖維片當作構成再生管之複數層中之一層來使用。例如,可形成一種以包夾樹脂浸潤纖維片之方式配置有不穿透液體之樹脂片材的再生管。由於埋設於地面下之配管及再生管會有甚大之負載作用,此外,在配管中流動的液體有時會包含酸性成分,因此,即便玻璃纖維從片材露出,上述這種高彈性模數且具有耐酸性之玻璃纖維仍特別有利。
又,可將樹脂浸潤纖維片應用於混凝土之補強材。混凝土之補強材係將上述樹脂浸潤纖維片當作一層來包含之片材,其可貼附於混凝土表面。隨著時間經過會從混凝土溶出酸性成分或鹼成分,該等成分恐會滲透至樹脂浸潤纖維片中。因此,即便玻璃纖維從片材露出,將上述這種高彈性模數且具有耐酸性之玻璃纖維用於混凝土之補強材仍很有利。
樹脂浸潤纖維片亦可作為高壓送電線保護材來使用。高壓送電線保護材係用以被覆送電線表面之物,由於會受到送電線的撓曲,故必須有高彈性模數。又,由於恐會受到酸雨影響,所以高壓送電線保護材也必須有耐酸性。因此,若將上述這種高彈性模數且具有耐酸性之玻璃纖維用於高壓送電線保護材,則很有利。另外,所述高壓送電線除了會作為高架送電線使用之外,有時也會埋設於地面下。當埋設於地面下時,也會有因土壤而承受強大壓力、或酸雨滲透至地面下的情形。因此,即便玻璃纖維從保護材露出,本發明之玻璃纖維作為埋設於地面下之高壓送電線的保護材也還是很有利。
又,上述玻璃纖維除了可應用於樹脂浸潤纖維片之外,亦可應用於線狀構件。譬如,作為會反覆承受彎曲應力之橡膠製品其補強材,雖然一直係使用線狀橡膠補強用軟線,但可將上述玻璃纖維用於這種軟線。橡膠補強用軟線會埋入橡膠帶、輪胎等橡膠製品中來抑制該橡膠製品之延伸率、強度降低,而有助於提升橡膠製品之尺寸穩定性、延長疲勞壽命。作為用以構成橡膠補強用軟線之纖維,雖然已知芳醯胺纖維、碳纖維、聚酯纖維等,但可使用上述玻璃纖維。橡膠軟線補強用之軟線可由集束複數條(例如100~2000條,典型為200~600條)玻璃纖維而成之股線所構成,但可藉由使樹脂浸潤至該股線中而形成橡膠補強用軟線。在此情況下,可將樹脂設為與上述片材同樣的含量,亦可設為30~60重量%,且宜設為40~50%左右。在浸潤所述樹脂後之軟線,玻璃纖維不會露出表面,但若露出,則因其具有耐酸性能,故很有利。
<6.特徵>
如以上所述,本發明之玻璃纖維係由SiO
2形成了玻璃骨架,所以具有耐酸性。又,該玻璃纖維含有彈性模數調整成分,因此可實現高彈性模數。
例如,藉由將SiO
2含量設為55%以上,可進一步實現耐酸性及高彈性模數。另一方面,藉由將稀土族化合物含量設為8%以下,可進一步實現耐酸性及高彈性模數。
又,如先前所述,其特徵在於:將粉碎後之玻璃纖維的比重克數放入鉑製器皿中,浸漬於燒瓶內之比重1.2之硫酸液80ml中,且在99℃下加熱60分鐘,之後在120℃下乾燥後進行秤量,結果減量率為0.2%以下,故可實現耐酸性及高彈性模數。
又,如先前所述,藉由將本發明之玻璃纖維之樹脂浸潤纖維片用於配管,可防止產生因裂痕所致之破損、漏水。
實施例
以下說明本發明之實施例。惟,本發明不受以下實施例限定。
<1.評估1>
製作具有表1所示組成之玻璃纖維,並評估楊氏模數(體積彈性模數)及耐酸性性能(減量率或僅「耐酸」)。另外,以下表1~表3所示組成之單位為mol%,楊氏模數之單位為GPa,減量率(或耐酸)之單位為重量%。
[表1]
根據表1,可知若SiO
2含量大,則耐酸性性能會提升。又,任一實施例皆含有彈性模數調整成分(MgO、Y
2O
3等),故楊氏模數提高。
<2.評估2>
製作具有表2所示組成之玻璃纖維,並評估耐酸性性能(減量率)。結果如圖1及表2所示。實施例4~12代表圖1中由左往右依序排列之繪點。惟,實施例5及實施例6之SiO
2含量皆為55.00%,在圖1中,耐酸性性能較高者為實施例5。
[表2]
根據圖1及表2可知,若SiO
2含量大,則耐酸性性能會提升。可知特別在SiO
2含量為57%以上時,耐酸性性能會明顯提升。實施例8~12之減量率為0.2%以下。另外,雖然該試驗所使用之酸為濃硫酸,但可認為若用於試驗之液體其酸性降低,則即便SiO
2含量低,仍可展現充分之耐酸性性能。尤其,就一般用途而言,並不會要求有對濃硫酸這類高酸性液體之耐酸性。因此,可認為若SiO
2含量為55%以上,即可具備充分的耐酸性。又,已知藉由減少Al
2O
3,耐酸性性能也會提升。例如,在比較實施例4與實施例5時,實施例5之SiO
2含量雖然只比實施例4之SiO
2含量增加些許,但實施例5之Al
2O
3含量減少,因此實施例5之耐酸性性能會提升。另一方面,亦可知Y
2O
3含量若為表2所示程度之含量,則不會影響耐酸性性能。例如,實施例11與實施例12之SiO
2含量相同,但實施例11之Y
2O
3含量較多。然而,實施例11與實施例12之耐酸性性能相同。
<3.評估3>
製作具有表3所示組成之玻璃纖維,並評估楊氏模數(塊狀玻璃之彈性模數)及耐酸性性能(減量率)。結果如圖2所示。實施例13~16代表圖2中由左往右依序排列之繪點。
[表3]
根據表3及圖2可知,雖然MgO含量降低,但Y
2O
3含量越增加,楊氏模數(彈性模數)越會提升。又,可知只要Y
2O
3含量低於6mol%(20重量%),耐酸性性能便可被抑制得較低,但若Y
2O
3含量達6mol%(20重量%)以上,則耐酸性性能會降低。
(無)
圖1係顯示玻璃纖維之SiO
2含量與耐酸性性能之關係的圖表。
圖2係顯示玻璃纖維之Y
2O
3含量、彈性模數及耐酸性性能之關係的圖表。
(無)
Claims (16)
- 一種玻璃纖維,含有: 可形成玻璃骨架之SiO 2; Al 2O 3;及 用以提升彈性模數之彈性模數調整成分; 並且,該玻璃纖維具有耐酸性。
- 如請求項1之玻璃纖維,其中SiO 2含量為55mol%以上。
- 如請求項1或2之玻璃纖維,其中前述彈性模數調整成分為MgO。
- 如請求項1至3中任一項之玻璃纖維,其中前述彈性模數調整成分為稀土族化合物。
- 如請求項4之玻璃纖維,其中前述稀土族化合物含量為8mol%以下。
- 如請求項1至5中任一項之玻璃纖維,其進一步含有ZrO 2。
- 如請求項6之玻璃纖維,其中ZrO 2含量為0.05~3mol%。
- 如請求項1至7中任一項之玻璃纖維,其彈性模數為90GPa以上。
- 如請求項1至7中任一項之玻璃纖維,其彈性模數為95GPa以上。
- 如請求項1至7中任一項之玻璃纖維,其彈性模數為100GPa以上。
- 如請求項1至10中任一項之玻璃纖維,其藉由根據JOGIS J06-1999之方法所得之耐酸性的減量率為40重量%以下。
- 一種玻璃纖維材料,係由如請求項1至11中任一項之玻璃纖維所形成, 且該玻璃纖維材料為股線、切股、紗線及粗紗中之任一形態。
- 一種樹脂浸潤纖維片,具備: 玻璃纖維材料,其係由如請求項1至11中任一項之玻璃纖維所形成,且該玻璃纖維材料為織布或不織布中之任一形態;及 樹脂,其係浸潤至前述玻璃纖維材料中。
- 一種配管,包含如請求項13之樹脂浸潤纖維片。
- 一種混凝土之補強材,包含如請求項13之樹脂浸潤纖維片。
- 一種高壓送電線保護材,包含如請求項13之樹脂浸潤纖維片。
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