WO2021256144A1

WO2021256144A1 - 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

Info

Publication number: WO2021256144A1
Application number: PCT/JP2021/018707
Authority: WO
Inventors: 禅松浦
Original assignee: 日本電気硝子株式会社
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2021-12-23
Also published as: CN115803294A; TW202202458A; JP2021195286A

Abstract

溶融ガラス２の流入口６ａおよび流出口６ｂを有する扁平なノズル孔６が設けられ、ノズル孔６を囲う壁部が、ノズル孔６の長径方向で対向する一対の短壁部１２と、短径方向で対向する一対の長壁部１１とを有し、ノズル孔６より流出させた溶融ガラス２から異形断面ガラス繊維２ｆを製造するための異形断面ガラス繊維用ノズル８において、ノズル孔６を流出口６ｂ側から正面視したときに、短壁部１２の底壁面１２ｂの平均幅が、長壁部１１の底壁面１１ｂの平均幅よりも広くなるようにした。

Description

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

　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製造されている（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ている。

　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（長方形や長円形等）である。

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、短壁部の底壁面の平均幅が、長壁部の底壁面の平均幅よりも広いことを特徴とする。

　異形断面ガラス繊維を製造する際には、ノズル孔の内周面（短壁部および長壁部の内壁面を含む）の他、短壁部および長壁部の底壁面についても溶融ガラスで濡れた状態となる。このとき、短壁部および長壁部の底壁面はそれぞれ溶融ガラスを底壁面に沿った方向に引っ張ることができ、底壁面の幅（短壁部の厚み方向に沿う幅、或いは、長壁部の厚み方向に沿う幅）が広いほど溶融ガラスを引っ張りやすくなる。そして、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。そのため、本構成のごとく、短壁部の底壁面の平均幅が、長壁部の底壁面の平均幅よりも広くなるようにしておけば、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る。その結果、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、短壁部の底壁面の平均幅が、長壁部の底壁面の平均幅の１．５倍以上であることが好ましい。

　このようにすれば、溶融ガラスをノズル孔の長径方向に沿って引っ張る作用を効果的に発現させることが可能となり、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、短壁部の底壁面の面積が、長壁部の底壁面の面積よりも大きいことが好ましい。

　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、短壁部の底壁面の平均幅を、長壁部の底壁面の平均幅よりも広くしたことを特徴とする。

　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。

図１は、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。図２は、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。図３は、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。図４の（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）は断面図、（ｃ）は底面図である。図５は、異形断面ガラス繊維を示す断面図である。図６は、異形断面ガラス繊維用ノズルの底面図である。図７の（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）は底面図、（ｃ）は断面図である。図８は、図７（ｃ）のＡの部分の拡大図である。

　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より流出する。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）～（ｃ）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。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、それぞれ平行である。

　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（Ｚ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。

　長壁部１１は、内壁面１１ａに連なる底壁面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。同様にして短壁部１２は、内壁面１２ａに連なる底壁面１２ｂを有する。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。なお、底壁面１１ｂおよび底壁面１２ｂは、必ずしも平坦面でなくともよく、凹凸や湾曲を有する面であってもよい。

　ここで、図４（ｃ）に示すとおり、ノズル孔６を流出口６ｂ側から正面視したとき、長壁部１１の底壁面１１ｂの幅（短径方向に沿った幅）の平均値を平均幅Ｗ１とし、短壁部１２の底壁面１２ｂの幅（長径方向に沿った幅）の平均値を平均幅Ｗ２とする。このとき、平均幅Ｗ２は平均幅Ｗ１よりも大きくなっている。具体的には、平均幅Ｗ２は平均幅Ｗ１の１．５倍以上となっており、好ましくは２倍以上である。なお、本実施形態では、長壁部１１の厚みはＷ１１で一定であるため、Ｗ１＝Ｗ１１となるが、短壁部１２の厚みは一定でない（例えば、Ｗ２１≠Ｗ２２≠Ｗ２３）。そのため、平均幅Ｗ２は、短壁部１２のそれぞれの部位の厚みの平均値である。また、本実施形態では、短壁部１２の底壁面１２ｂの面積は、長壁部１１の底壁面１１ｂの面積よりも大きい。

　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、長壁部１１の底壁面１１ｂおよび短壁部１２の底壁面１２ｂがそれぞれ溶融ガラス２で濡れた際に、これら底壁面１１ｂ，１２ｂが溶融ガラス２を底壁面１１ｂ、１２ｂに沿った方向に引っ張る。そして、底壁面１１ｂ，１２ｂは、その幅が広いほど溶融ガラス２を引っ張りやすいことから、上記の平均幅Ｗ２が、上記の平均幅Ｗ１よりも大きいノズル８では、溶融ガラス２をノズル孔６の長径方向に沿って効果的に引っ張ることができる。その結果、図５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、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、３連真円形状、矩形形状等でもよい。

　次に上記の実施形態とは異なる第二の実施形態について説明する。なお、ノズル８以外の構成については上記の実施形態と同じである。そのため、上記の実施形態とは異なる点についてのみ説明する。

　第二の実施形態におけるノズル１８は、図６に示すように、一対の長壁部２１，２１と一対の短壁部２２，２２とを有する。一対の長壁部２１，２１の各々には、流出口６ｂ側に向けて口を開けた切欠き部２３が設けられている。切欠き部２３の形状は、上記の実施形態と同じである。

　長壁部２１は内壁面２１ａと、内壁面２１ａに連なる底壁面２１ｂとを有する。そして、第二の実施形態において、内壁面２１ａは、上記の実施形態とは異なり、紙面水平方向に対して平行ではなく、内壁面２１ａの中央部になるにつれて、長壁部２１の外壁面２１ｃに近づくように形成されている。そのため、長壁部２１の底壁面２１ｂの中央部分の幅Ｗ１３は、短壁部２２側における長壁部２１の底壁面２１ｂの幅Ｗ１２よりも狭くなっている。よって、第二の実施形態における平均幅Ｗ１は、長壁部２２のそれぞれの部位の厚みの平均値である。また、第二の実施形態において、短壁部２２の底壁面２２ｂ厚みはＷ２４で一定であるため、Ｗ２＝Ｗ２４となる。なお、平均幅Ｗ２は平均幅Ｗ１よりも大きくなっている。

　なお、上記の実施形態とは異なり、本実施形態のように、内壁部が直線状であり、かつ平行でない場合、長壁部２１と短壁部２２との境目１５は、以下の方法で決定できる。まず、図６のように、以下に記載するような、ノズル１８の内壁部に接する矩形Ｃを描き、矩形Ｃの各頂点が境目１５となる。この矩形Ｃは、矩形Ｃの第一辺Ｃ１と内壁部により囲まれた図形の面積をＤ１、この第一辺Ｃ１に対向する第二辺Ｃ２と内壁部により囲まれた図形の面積をＤ２、第一辺Ｃ１に隣接する第三辺Ｃ３と内壁部により囲まれた図形の面積をＤ３、第三辺Ｃ３に対向する第四辺Ｃ４と内壁部により囲まれた図形の面積をＤ４とした場合、Ｄ１＋Ｄ２＝Ｄ３＋Ｄ４となるような形状である。

　第二の実施形態においても、平均幅Ｗ２が平均幅Ｗ１よりも大きいため、ノズル１８では、溶融ガラス２をノズル孔１６の長径方向に沿って効果的に引っ張ることができる。その結果、図５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。

　次に上記２つの実施形態とは異なる第三の実施形態について説明する。なお、ノズル８以外の構成については上記の実施形態と同じである。そのため、上記の実施形態とは異なる点についてのみ説明する。

　第三の実施形態におけるノズル２８は、図７に示すように、一対の長壁部３１，３１と一対の短壁部３２，３２とを有する。一対の長壁部３１，３１の各々には、流出口６ｂ側に向けて口を開けた切欠き部３３が設けられている。切欠き部３３の形状は、上記の実施形態と同じである。そして、長壁部３１及び短壁部３２の平面視した時の幅は、ともにＷ３で一定である。

　図８に示すように、短壁部３２は内壁面３２ａと、内壁面３２ａに連なる底壁面Ｔとを有する。底壁面Ｔは、内壁面３２ａに対して垂直な垂直底壁面３２ｂと、垂直底壁面３２ｂと内壁面３２ａとに接続され、内壁面３２ａに対して傾斜してなる傾斜底壁面３２ｃとを有する。そして、第三の実施形態において、短壁部３２の厚みは、第二の実施形態と同様に一定である。図８に示すように、垂直底壁面３２ｂの幅はＬ２であり、傾斜底壁面３２ｃの幅はＬ１である。ここで、底壁面Ｔの平均幅Ｗ２は、（Ｌ１＋Ｌ２）である。

　このように傾斜底壁面３２ｃを設けることにより、底壁面Ｔの平均幅Ｗ２を、傾斜底壁面３２ｃを設けない場合（この場合、底壁面の幅はＬ２＋Ｌ３＝Ｗ３）と比較して（Ｌ１－Ｌ３）長くすることができる。Ｌ１とＬ３との関係は、Ｌ１＝Ｌ３／ｃｏｓθとなり、例えばθ＝５５°とすると、Ｌ１＝１．７４×Ｌ３となる。

　第三の実施形態においても、そのため、平均幅Ｗ２（Ｗ３＋１．７４Ｌ３）が平均幅Ｗ１（Ｗ３）よりも１．７４Ｌ３だけ長いため、ノズル２８では、溶融ガラス２をノズル孔２６の長径方向に沿って効果的に引っ張ることができる。その結果、図５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。

　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
　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
　１２ｂ　　　　底壁面
　Ｗ１　　　　　幅
　Ｗ２　　　　　幅

Claims

　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、
　前記短壁部の底壁面の平均幅が、前記長壁部の底壁面の平均幅よりも広い異形断面ガラス繊維用ノズル。
　前記短壁部の底壁面の平均幅が、前記長壁部の底壁面の平均幅の１．５倍以上である請求項１に記載の異形断面ガラス繊維用ノズル。
　前記短壁部の底壁面の面積が、前記長壁部の底壁面の面積よりも大きい請求項１または２に記載の異形断面ガラス繊維用ノズル。
　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、
　前記短壁部の底壁面の平均幅を、前記長壁部の底壁面の平均幅よりも広くした異形断面ガラス繊維の製造方法。