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JP2022543175A - 高弾性率ガラス繊維組成物、そのガラス繊維及び複合材料 - Google Patents

高弾性率ガラス繊維組成物、そのガラス繊維及び複合材料 Download PDF

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JP2022543175A JP2021519821A JP2021519821A JP2022543175A JP 2022543175 A JP2022543175 A JP 2022543175A JP 2021519821 A JP2021519821 A JP 2021519821A JP 2021519821 A JP2021519821 A JP 2021519821A JP 2022543175 A JP2022543175 A JP 2022543175A
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Abstract

本発明は高弾性率ガラス繊維組成物、そのガラス繊維及び複合材料を提供する。ガラス繊維組成物の各成分の含有量が、ＳｉＯ２４３～５８重量％、Ａｌ２Ｏ３１５．５～２３重量％、ＭｇＯ ８～１８重量％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上、ＣａＯ ０．１～７．５重量％、Ｙ２Ｏ３７．１～２２重量％、ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３１６．５重量％以上、ＴｉＯ２０．０１～５重量％、Ｆｅ２Ｏ３０．０１～１．５重量％、Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％、Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％、Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％、ＳｒＯ ０～４重量％、Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２０～５重量％である。当該ガラス繊維組成物は、ガラス繊維の弾性率を著しく向上させ、ガラスの清澄化温度を著しく低下させ、ガラスのフリット性を最適化し、ガラス繊維の冷却効果を改善し、ガラスの結晶化速度を下げることができ、高弾性率ガラス繊維の量産に適用できる。

Description

本出願は、２０２０年７月１０日に中国特許局に提出された、出願番号が２０２０１０６６５０７６．１であり、発明の名称が「高弾性率ガラス繊維組成物、そのガラス繊維及び複合材料」である中国特許出願の優先権を主張しており、その全内容は引用によって本出願に組み込まれている。
本発明は、高弾性率ガラス繊維組成物に関し、特に、先進的な複合材料強化基材として使用することができる高弾性率ガラス繊維組成物それからなるガラス繊維及び複合材料に関する。
高弾性率ガラス繊維は、先進的な複合材料の強化基材として、当初は主に航空、宇宙、国防・軍需工業などの特殊な分野に応用されていた。科学技術の進歩及び経済発展に伴い、高弾性率ガラス繊維は、大型風力翼、高圧容器、光ケーブル強化コア、自動車製造などの民生用工業分野に広く応用されている。風力発電分野を例に、大型風力翼の急速な発展に伴い、一般的なガラス繊維に代わる高弾性率ガラス繊維の割合はますます高くなっている。現在、より優れた弾性率特性を追求し、量産を実現することは、高弾性率ガラス繊維の重要な発展方向となっている。
Ｓガラスは最初の高強度高弾性率ガラスであり、その成分がＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系を主体とし、ＡＳＴＭ国際機関により主にマグネシウム、アルミニウム、シリコンの酸化物からなるガラスと定義されており、典型的な形態として、例えば米国で開発されたＳ－２ガラスがある。Ｓ－２ガラス中、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の含有量は９０重量％であり、ＭｇＯが約１０重量％であり、ガラスは溶解して清澄化しにくく、気泡が多く、ガラス成形温度は１５７１℃に達し、液相線温度は１４７０℃に達する。そして、ガラスの結晶化速度が速いため、Ｓ－２ガラス繊維の生産難度は大きすぎて、窯による量産を実現することができない。さらに一段生産を行うことが困難であり、その結果、Ｓ－２ガラス繊維の生産規模は小さく、効率は低く、価格は高く、大規模な工業的応用を実現することができない。
Ｓガラスに合わせて、中国はＨＳシリーズの高強度ガラスを開発した。この高強度ガラスは、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＭｇＯを主成分とするとともに、Ｌｉ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、及びＦｅ２Ｏ３を高含有量で導入し、成形温度は１３１０℃～１３３０℃であり、液相線温度は１３６０℃～１３９０℃の範囲にあり、両者の温度はいずれもＳガラスよりずっと低い。しかし、その成形温度は液相線温度より低く、ΔＴ値は負である。これはガラス繊維の高効率延伸に不利であり、伸線温度を高めなければならず、特殊な漏れ板、漏れノズルを採用して、伸線過程中にガラスの失透現象が発生するのを防止しなければならない。これにより、温度制御が困難になり、窯による量産を実現することも難しい。一方、Ｌｉ２ＯとＢ２Ｏ３を高含有量で導入しているので、両者の全含有量が一般的に２重量％、さらに３重量％を超えており、ガラスの機械的特性や耐食性に一定の悪影響を与えている。また、ＨＳシリーズガラスの弾性率はＳガラスと同等である。
日本国特許第８２３１２４０号は、ＳｉＯ２ ６２～６７重量％、Ａｌ２Ｏ３ ２２～２７重量％、ＭｇＯ ７～１５重量％、ＣａＯ ０．１～１．１重量％、Ｂ２Ｏ３ ０．１～１．１重量％を含有するガラス繊維組成物を開示している。この組成物は、気泡数はＳガラスに比べて著しく改善されているが、成形温度は１４６０℃を超えるため、成形が非常に困難である。
上記の従来技術には、生産難度が大きすぎるという問題が普遍的に存在している。具体的には、ガラスの成形温度が高く、液相線温度が高く、結晶化速度が速く、ガラス繊維の成形範囲ΔＴが小さく、溶融・清澄化の難度が高く、気泡が多いことが知られている。大部分の機構では、ガラス特性の一部を犠牲にして生産難度を下げるのが一般的であるが、その結果、上記のガラス繊維の弾性率特性を著しく向上させることができない。
本発明は、上記問題を解決することを目的としている。本発明の目的は、ガラス繊維の弾性率を著しく向上させ、ガラスの清澄化温度を著しく低下させ、清澄化効果を改善し、ガラスのフリット性を最適化させ、ガラス繊維の冷却効果を改善し、ガラスの結晶化速度を下げることができ、高弾性率ガラス繊維の量産に適用できる高弾性率ガラス繊維組成物を提供することである。
本発明の一態様によれば、成分として、
ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含む、高弾性率ガラス繊維組成物を提供する。
前記ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
ＺｒＯ２ ０～２重量％を含む。
前記ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含み、上記成分の合計含有量が９８重量％以上である。
さらに、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲は１．９以上に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の範囲は１～２．５に限定される。
さらに、Ｙ２Ｏ３の含有量の範囲は１０．１～２０重量％に限定される。
さらに、ＳｉＯ２の含有量の範囲は４４～５５．９重量％に限定される。
さらに、Ａｌ２Ｏ３の含有量の範囲は１５．８～２０．４重量％に限定される。
さらに、ＭｇＯの含有量の範囲は９～１５重量％に限定される。
さらに、ＣａＯの含有量の範囲は０．５～５．９重量％に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は２．０以上、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．９以上に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲は２．１以上に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲は２．１以上に限定される。
さらに、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲は１．９以上、重量百分率の値Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の範囲は１～２．１に限定される。
前記ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ １０．１～２０重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １８．１～３３重量％
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含み、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上である。
前記ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．８～２０．４重量％
ＭｇＯ ８～１６重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２６．５重量％以上
ＣａＯ ０．１～６．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含み、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上である。
さらに、ＣｅＯ２の含有量の範囲は０～２重量％に限定される。
ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｆ２及びＳＯ３のうちの１種又は複数種を、その合計した含有量が４重量％未満となる量でさらに含む。
含有量の範囲が０～０．９重量％のＺｒＯ２をさらに含んでもよい。
前記ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含み、
上記成分の合計含有量は９９．５重量％以上である。
前記ガラス繊維組成物は、Ｂ２Ｏ３を含まなくてもよい。
前記ガラス繊維組成物は、ＭｎＯを含まなくてもよい。
前記ガラス繊維組成物的ガラスの清澄化温度は１４６０℃以下であってもよい。
本発明の別の態様によれば、上記ガラス繊維組成物で製造されるガラス繊維を提供する。
本発明の第３の態様によれば、上記ガラス繊維を含む複合材料を提供する。
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物では、Ｙ２Ｏ３を高含有量で導入し、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯの含有量及び割合を合理的に設定し、アルカリ土類金属酸化物及びアルカリ金属酸化物の含有量及び割合を制御し、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ及びＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３の含有量の範囲を制御した。ガラス構造におけるイットリウムイオンの特有の充填や蓄積の作用、及びアルカリ土類金属の混合効果を利用して、マグネシウムイオンとカルシウムイオン、イットリウムイオンとマグネシウムイオン、イットリウムイオンとカルシウムイオン、イットリウムイオンとアルミニウムイオンとの間の相乗効果を高め、さらにＭｇＯ／ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３／ＣａＯとＡｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の比率を制御することにより、ガラスの堆積構造をより緊密にし、結晶化過程におけるイオンの再構成配列をより困難にした。これにより、ガラス弾性率を著しく向上させ、ガラスの結晶化速度を下げるとともに、ガラスの清澄化温度を著しく低下させ、清澄化効果を改善し、また、ガラスのフリット性を最適化させ、ガラス繊維の冷却効果を改善することができる。
具体的には、本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有する。
以下、本発明のガラス繊維組成物の各成分の作用及び含有量について説明する。
ＳｉＯ２はガラス骨格を形成する主要な酸化物である。Ｓガラスに比べて、ガラス弾性率を向上させるために、本発明は、酸化イットリウムを高含有量にすることにより、酸化ケイ素の含有量を著しく減らす。本発明のガラス繊維組成物では、ＳｉＯ２の含有量は４３～５８重量％の範囲に限定されている。好ましくは、ＳｉＯ２の含有量は４４～５７重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＳｉＯ２の含有量は４４～５５．９重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＳｉＯ２の含有量は４５～５４．９重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、ＳｉＯ２の含有量は４５～５４重量％の範囲に限定されてもよい。
Ａｌ２Ｏ３もガラス骨格を形成する酸化物であり、ＳｉＯ２と結合するとガラスの機械的特性に実質的に作用する。その含有量が低すぎると、十分に高い機械的特性を得ることができず、その含有量が高すぎると、ガラスの結晶化リスクを著しく増加させやすい。本発明のガラス繊維組成物では、Ａｌ２Ｏ３の含有量は１５．５～２３重量％の範囲に限定されている。好ましくは、Ａｌ２Ｏ３の含有量は１５．８～２１重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ａｌ２Ｏ３の含有量は１５．８～２０．４重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ａｌ２Ｏ３の含有量は１６．５～１９．８重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ａｌ２Ｏ３の含有量は１７～１９．６重量％の範囲に限定されてもよい。
十分に高い機械性能を得るとともに成形温度を低下させるために、さらに、ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３の合計含有量は６５～７８重量％に限定されてもよく、好ましくは、ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３の合計含有量は６５～７６重量％に限定されてもよい。好ましくは、ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３の合計含有量は６６～７４．５重量％に限定されてもよい。より好ましくは、ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３の合計含有量は６６～７３重量％に限定されてもよい。
本発明では、ＭｇＯ及びＣａＯは主にガラス粘度及びガラス結晶化を調整する役割を果たす。本発明のガラス繊維組成物では、ＭｇＯの含有量は８～１８重量％の範囲に限定されている。好ましくは、いＭｇＯの含有量は８～１６重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＭｇＯの含有量は９～１５重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＭｇＯの含有量は９．４～１３．５重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、ＭｇＯの含有量は９．４～１２重量％の範囲に限定されてもよい。本発明のガラス繊維組成物では、ＣａＯの含有量は０．１～７．５重量％の範囲に限定されている。好ましくは、ＣａＯの含有量は０．１～６．５重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＣａＯの含有量は０．５～５．９重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＣａＯの含有量は０．５～４．９重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、ＣａＯの含有量は１～４．５重量％の範囲に限定されてもよい。
本発明のガラス繊維組成物では、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量は２５重量％以上の範囲に限定されている。好ましくは、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量は２６重量％以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量は２６～３５重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量は２６．５～３２重量％の範囲に限定されてもよい。
Ｙ２Ｏ３は重要な希土類酸化物であり、Ｙ３＋はネットワーク外のイオンとして、その配位数が高く、電界強度が高く、電荷が高く、蓄積能力が強く、ガラス構造の安定性を高め、ガラスの弾性率と強度を高めることができる。本発明のガラス繊維組成物では、Ｙ２Ｏ３の含有量は７．１～２２重量％の範囲に限定されている。好ましくは、Ｙ２Ｏ３の含有量は８．１～２２重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｙ２Ｏ３の含有量は１０．１～２０重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｙ２Ｏ３の含有量は１１．４～２０重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｙ２Ｏ３の含有量は１２．３～２０重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｙ２Ｏ３の含有量は１３．１～２０重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｙ２Ｏ３の含有量は１４．６～２０重量％の範囲に限定されてもよい。
本発明のガラス繊維組成物では、Ｙ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量は１６．５重量％以上の範囲に限定されている。好ましくは、Ｙ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量は１７．５重量％以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｙ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量は１７．５～３４重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｙ２Ｏ３＋ＭｇＯの含有量が１８．１～３３重量％の範囲に限定されてもよい。
Ｙ３＋のイオン半径（０．０９ｎｍ）とＣａ２＋（０．１ｎｍ）のイオン半径は同等であるため、両方の充填置換性が良く、Ａｌ３＋（０．０５３５ｎｍ）やＭｇ２＋（０．０７２ｎｍ）のイオン半径よりも著しく大きい。また、Ｙ３＋イオンとＭｇ２＋、Ｃａ２＋イオンとの間に存在する電界強度の違い、及びＣａ２＋イオンとＭｇ２＋イオンとの間に存在する混合アルカリ土類効果を考慮すると、本発明では、Ｙ２Ｏ３を高含有量で導入し、これらの間の比を合理的に制御することにより、他のガラスイオンの移動配列を効果的に抑制することができる。さらに、ガラスの結晶化傾向を著しく低下させるという目的を達成することができ、しかも、ガラスのフリット性を効果的に調節し、ガラスの冷却効果を改善することもできる。さらに、ＭｇＯ／ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３／ＣａＯ及びＡｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の割合を合理的に制御すると、より優れた構造堆積効果を得ることができるだけでなく、ガラスの結晶化後に含まれる結晶相を有効に制御することができ、結晶間の競争を強化することができる。主な結晶相はコージェライト（Ｍｇ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ８）カルシウム長石（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８）、透輝石（ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６）及びその混合結晶を含み、それによって、ガラスの結晶化傾向を有効に抑制する。
さらに、Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの重量百分率の値は１．７以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの重量百分率の値は２．０以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの重量百分率の値は２．３以上の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの重量百分率の値は２．５以上の範囲に限定されてもよい。
さらに、Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの重量百分率の値は０．８以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの重量百分率の値は０．９以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの重量百分率の値は１．０以上の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの重量百分率の値は１．１以上の範囲に限定されてもよい。
さらに、Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの含有量は１．９以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの含有量は２．１以上の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの含有量は２．３以上の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの含有量は２．９以上の範囲に限定されてもよい。
さらに、Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の含有量は１～２．５の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の含有量は１～２．１の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の含有量は１～２の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の含有量は１．２～２の範囲に限定されてもよい。
さらに、ＣａＯ＋ＭｇＯの含有量は９～２０重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＣａＯ＋ＭｇＯの含有量は９．５～１８重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＣａＯ＋ＭｇＯの含有量は９．５～１７重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、ＣａＯ＋ＭｇＯの含有量は１０～１６重量％の範囲に限定されてもよい。
Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏはともにガラス粘度を低下させることができる、良好なフラックス剤である。Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏに比べて、Ｌｉ２Ｏはガラス粘度を著しく向上させ、ガラスの溶融特性を改善することができ、ガラスの機械的特性の向上に有利である。しかし、原料コストが高く、アルカリ金属イオンが多すぎるとガラス構造の安定性を損ない、ガラスの耐食性に明らかな悪影響を与えるため、好ましくは導入量が多すぎてはならない。本発明のガラス繊維組成物では、Ｎａ２Ｏの含有量は０．０１～２重量％の範囲に限定されている。好ましくは、Ｎａ２Ｏの含有量は０．０１～１．５重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｎａ２Ｏの含有量は０．０５～０．９重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｎａ２Ｏの含有量は０．０５～０．４５重量％の範囲に限定されてもよい。
本発明のガラス繊維組成物では、Ｋ２Ｏの含有量は０～１．５重量％の範囲に限定されている。好ましくは、Ｋ２Ｏの含有量は０～１重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｋ２Ｏの含有量は０～０．５重量％の範囲に限定されてもよい。
本発明のガラス繊維組成物では、Ｌｉ２Ｏの含有量は０～０．９重量％の範囲に限定されている。好ましくは、Ｌｉ２Ｏの含有量は０～０．６重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｌｉ２Ｏの含有量は０～０．３重量％の範囲に限定されてもよい。別の実施形態では、本発明のガラス繊維組成物はＬｉ２Ｏを含まなくてもよい。
さらに、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏの含有量は０．０１～１．４重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏの含有量は０．０５～０．９重量％の範囲に限定されてもよい。さらに、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏの含有量は０．０１～１．２重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏの含有量は０．０５～０．７重量％の範囲に限定されてもよい。
ＴｉＯ２は、高温時のガラス粘度を低下させることができ、そしてチタンイオン及びイットリウムイオンとが一定の相乗作用を有し、ガラスの蓄積効果を高め、ガラスの機械的特性を改善することができる。本発明のガラス繊維組成物では、ＴｉＯ２の含有量が０．０１～５重量％の範囲に限定されている。好ましくは、ＴｉＯ２の含有量は０．０１～３重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＴｉＯ２の含有量は０．０５～１．５重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、ＴｉＯ２の含有量は０．０５～０．９重量％の範囲に限定されてもよい。
Ｆｅ２Ｏ３はガラスの溶融に有利でありながら、ガラスの結晶化特性を改善することができる。ただし、鉄イオンの着色作用のため、含有量が多すぎてはならない。本発明のガラス繊維組成物では、Ｆｅ２Ｏ３の含有量は０．０１～１．５重量％の範囲に限定されている。好ましくは、Ｆｅ２Ｏ３の含有量は０．０１～１重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｆｅ２Ｏ３の含有量は０．０５～０．８重量％の範囲に限定されてもよい。
ＳｒＯはガラス粘度を低下させることができ、そしてカルシウムイオン、マグネシウムイオン、及びアルカリ土類金属イオンとは相乗効果を示し、ガラスの結晶化傾向をさらに低下させることができる。本発明のガラス繊維組成物では、ＳｒＯの含有量は０～４重量％の範囲に限定されている。好ましくは、ＳｒＯの含有量は０～２重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＳｒＯの含有量は０～１重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、ＳｒＯの含有量は０～０．５重量％の範囲に限定されてもよい。別の実施形態では、本発明のガラス繊維組成物はＳｒＯを含まなくてもよい。
Ｌａ２Ｏ３はガラス粘度を低下させ、ガラスの機械的特性を向上させることができ、そしてイットリウムイオンとは一定の相乗効果を示し、ガラスの結晶化傾向をさらに低下させることができる。ＣｅＯ２はガラスの結晶化傾向及び清澄化効果を改善することができる。本発明のガラス繊維組成物では、Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２の含有量は０～５重量％の範囲に限定されている。好ましくは、Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２の含有量は０～３重量％の範囲に限定されてもよい。より好ましくは、Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２の含有量は０～１．５重量％の範囲に限定されてもよい。
さらに、Ｌａ２Ｏ３の含有量は０～３重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、Ｌａ２Ｏ３の含有量は０～１．５重量％の範囲に限定されてもよい。別の実施形態では、本発明のガラス繊維組成物はＬａ２Ｏ３を含まなくてもよい。さらに、ＣｅＯ２の含有量は０～２重量％の範囲に限定されてもよい。好ましくは、ＣｅＯ２の含有量は０～０．６重量％の範囲に限定されてもよい。別の実施形態では、本発明のガラス繊維組成物はＣｅＯ２を含まなくてもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物は、合計含有量は４重量％以下である他の成分を少量で含んでもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物は、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｆ２及びＳＯ３のうちの１種又は複数種を、その合計した含有量が４重量％未満となる量でさらに含んでもよい。さらに、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｆ２及びＳＯ３のうちの１種又は複数種を、その合計した含有量が２重量％未満となる量でさらに含んでもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物は、Ｓｍ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３のうちの１種又は複数種を、その合計した含有量が４重量％未満となる量でさらに含んでもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物は含有量の範囲がＨｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３及びＬｕ２Ｏ３のうちの１種又は複数種を、その合計した含有量が２重量％未満となる量でさらに含んでもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物はＮｂ２Ｏ５及びＴａ２Ｏ５のうちの１種又は複数種を、その合計した含有量が２重量％未満となる量でさらに含んでもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物は、含有量の範囲が０～２．４重量％のＺｒＯ２をさらに含んでもよい。さらに、含有量の範囲が０～０．９重量％のＺｒＯ２をさらに含んでもよい。さらに、含有量の範囲が０～０．３重量％のＺｒＯ２をさらに含んでもよい。別の実施形態では、本発明のガラス繊維組成物はＺｒＯ２を含まなくてもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物は、含有量の範囲が０～２重量％のＢ２Ｏ３をさらに含んでもよい。別の実施形態では、本発明のガラス繊維組成物はＢ２Ｏ３を含まなくてもよい。
さらに、本発明のガラス繊維組成物は、含有量の範囲が０～１重量％のＦ２をさらに含んでもよい。さらに、含有量の範囲が０～０．５重量％のＦ２をさらに含んでもよい。さらに、本発明のガラス繊維組成物は含有量の範囲が０～０．５重量％のＳＯ３をさらに含んでもよい。
さらに、他の成分の重量百分率の合計含有量は２重量％以下であってもよい。さらに、他の成分の重量百分率の合計含有量は１重量％以下であってもよい。さらに、他の成分の重量百分率の合計含有量は０．５重量％以下であってもよい。
さらに、前記ガラス繊維組成物のガラスの清澄化温度は１４８５℃以下であってもよい。さらに、前記ガラス繊維組成物のガラスの清澄化温度は１４６０℃以下であってもよい。さらに、前記ガラス繊維組成物のガラスの清澄化温度は１４４５℃以下であってもよい。
さらに、前記ガラス繊維の弾性率は９５ＧＰａ以上であってもよい。さらに、前記ガラス繊維の弾性率は９７～１１５ＧＰａであってもよい。
本発明のガラス繊維組成物では、各成分の含有量を上記範囲にすることによる有益な効果は、実施例を通じて具体的な実験データを示すことにより説明される。
以下、本発明に係るガラス繊維組成物に含まれる各成分の好適な値の範囲の例である。
好適例１
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．８～２０．４重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有し、
上記成分の合計含有量は９８重量％以上であり、重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上である。
好適例２
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．８～２０．４重量％
ＭｇＯ ８～１６重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２６．５重量％以上
ＣａＯ ０．１～６．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有し、
重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は２．０以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．９以上である。
好適例３
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．８～２１重量％
ＭｇＯ ９．４～１３．５重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２６．５重量％以上
ＣａＯ ０．１～６．５重量％
Ｙ２Ｏ３ １０．１～２０重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １９．５～３３重量％
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有する。
好適例４
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
ＺｒＯ２ ０～０．３重量％を含有し、
重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上である。
好適例５
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有し、
上記成分の合計含有量は９８重量％以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上であり、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲は２．１以上である。
好適例６
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有し、
重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．８以上であり、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲が２．９以上である。
好適例７
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有し、
重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲は２．９以上である。
好適例８
本発明に係る高弾性率ガラス繊維組成物は、成分として、
ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
ＭｇＯ ８～１８重量％
Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
ＣａＯ ０．１～７．５重量％
Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
ＳｒＯ ０～４重量％
Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％を含有し、
重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲は１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲は０．８以上であり、重量百分率の値Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の範囲は１～２である。
本発明の実施例の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下、本発明の実施例における技術案を明確かつ完全に説明するが、もちろん、説明する実施例は本発明の一部の実施例であり、全ての実施例ではない。本発明の実施例に基づいて、当業者が創造的な努力を必要とせずに得る他のすべての実施例は、本発明の特許範囲に属する。なお、本出願の実施例及び実施例の特徴は、矛盾しない限り、互いに任意に組み合わせることができる。
本発明の基本的な構想としては、ガラス繊維組成物の各成分の含有量は、ＳｉＯ２ ４３～５８重量％、Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％、ＭｇＯ ８～１８重量％、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ２５重量％以上、ＣａＯ ０．１～７．５重量％、Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％、ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３１６．５重量％以上、ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％、Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％、Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％、Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％、Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％、ＳｒＯ ０～４重量％、Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％である。当該組成物は、ガラス繊維の弾性率を著しく向上させ、ガラスの清澄化温度を著しく低下させ、清澄化効果を改善し、ガラスのフリット性を最適化させ、ガラス繊維の冷却効果を改善し、ガラスの結晶化速度を下げることができ、高弾性率ガラス繊維の量産に適用できる。
本発明のガラス繊維組成物中のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、ＳｒＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２などの具体的な含有量の値を実施例として、Ｂ１－特許ＷＯ２０１６１６５５０６Ａ２における改良Ｒガラス、Ｂ２－従来のＲガラス及びＢ３～Ｓガラスの特性パラメータと比較する。比較するときに以下の８つの特性パラメータが選択される。
（１）成形温度
ガラス融液の粘度が１０３ポイズのときの温度に対応しており、ガラス繊維の典型的な伸線温度を特徴付けることができる。
（２）液相線温度
ガラス融液が冷却されたときに結晶核が形成され始める温度に対応しており、すなわちガラス結晶化の上限温度に相当する。
（３）清澄化温度
ガラス融液の粘度が１０２ポイズのときの温度に対応しており、溶融ガラスの清澄化と気泡排出の相対的な難度を特徴付けることができる。一般的に、清澄化温度が低いと、同じ温度での溶融ガラスの清澄化、気泡排出効率が高くなる。
（４）ΔＴ値
成形温度と液相線温度との差であり、伸線成形の温度範囲を示す。
（５）ΔＬ値
清澄化温度と成形温度の差であり、溶融ガラスのフリット性の長さを反映しており、ガラス繊維の伸線過程における溶融ガラスの冷却の難易度を特徴付けることができる。一般的に、ΔＬ値が小さいと、同じ伸線条件で溶融ガラスが冷却されやすくなり、ガラス繊維の効率的な伸線を実現するのに有利である。
（６）弾性率
弾性変形に対するガラスの抵抗力を特徴付け、ガラス板の弾性率をＡＳＴＭ Ｅ１８７６規格で試験することにより、ガラス繊維の弾性率を特徴付けることができる。
（７）結晶化面積率
測定方法は以下のとおりである。ガラス板を磁器ボートの溝の大きさに合わせて適切に切断し、切断したガラス棒試料を磁器ボートに入れ、前処理した後、勾配炉に入れて結晶化し、５時間保温した後、ガラス試料を入れた磁器ボートを勾配炉から取り出し、空冷して常温にする。次に、１０５０～１１５０℃の温度領域で、光学顕微鏡により各ガラス試料表面の結晶化数及び大きさを微視的に観察し、Ｓガラスを基準として相対結晶化面積率を算出した。結晶化面積率が大きいほど、ガラスの結晶化傾向が大きく、結晶化速度が速いことを示している。
（８）気泡含有率
気泡含有率の測定方法は以下のとおりである。専用の金型を用いて各実施例の配合材料を押して同じ形状の試料にして、高温顕微鏡の試料プラットフォームに置いて、手順に従って設定温度１５００℃まで昇温して、保温せずにガラス試料を常温まで炉冷し、そして、各ガラス試料の気泡数を光学顕微鏡により微視的に観察し、Ｓガラスを基準として相対気泡含有率を算出する。気泡含有率が大きいほど、ガラスの清澄化が困難であり、溶融ガラスの品質を確保するのに不利であることを示している。ここで、気泡数は顕微鏡の結像範囲を基準とする。
上記した８つのパラメータ及びその測定方法は当業者にとって従来の知識であるので、上記したパラメータを用いることにより、本発明のガラス繊維組成物の特性を十分に説明することができる。
実験の具体的な工程は次のとおりである。各成分を適切な原料から入手し、各成分が最終的に期待される重量％になるように各原料を所定の割合で混合する。混合した配合物を溶融して清澄化した後、溶融ガラスを漏れ板上の漏れノズルを通して引き出してガラス繊維を形成し、ガラス繊維を伸線機の回転ヘッドに引き回して原糸ケーキや糸塊を形成する。もちろん、これらのガラス繊維は、期待される要件を満たすために、従来の方法で高度に加工してもよい。
以下、本発明のガラス繊維組成物の実施例、Ｓガラス、従来のＲガラス、及び改良Ｒガラスの特性パラメータの比較を下記表に列記する。ここで、ガラス繊維組成物の含有量は重量％で示される。なお、実施例の成分の総含有量は１００重量％よりもわずかに低く、残量は微量の不純物又は分析できない少量の成分であると理解することができる。
Figure 2022543175000001
Figure 2022543175000002
Figure 2022543175000003
Figure 2022543175000004
Figure 2022543175000005
上記表中の具体的な数値から分かるように、Ｓガラスに比べて、本発明のガラス繊維組成物は以下の利点を有する。（１）はるかに高い弾性率を有する。（２）より低い清澄化温度と気泡含有率を有し、本発明のガラスはより清澄化しやすく、気泡排出効果がより優れている。（３）成形温度、液相線温度及び結晶化面積率がはるかに低い。
従来のＲガラスに比べて、本発明のガラス繊維組成物は以下の利点を有する。（１）はるかに高い弾性率を有する。（２）より小さい清澄化温度と気泡含有率を有し、本発明のガラスはより清澄化しやすく、気泡排出効果がより優れている。（３）はるかに小さいΔＬ値を有し、ガラス繊維は更に冷却しやすくて、繊維の伸線効率を高めるのに有利である。（４）成形温度、液相線温度、及び結晶化面積率がはるかに低い。
改良Ｒガラスに比べて、本発明のガラス繊維組成物は以下の利点を有する。（１）はるかに高い弾性率を有する。（２）清澄化温度と気泡含有率が小さく、本発明のガラスはより清澄化しやすく、気泡排出効果がより優れている。（３）はるかに小さいΔＬ値を有し、ガラス繊維は更に冷却しやすくて、繊維の伸線効率を高めるのに有利である。（４）低い結晶化面積率を有し、これは、本発明のガラスの結晶化速度が小さく、ガラスの結晶化リスクを低減するのに有利であることを示している。
このことから、本発明のガラス繊維組成物は、ガラス弾性率、ガラス清澄化、ガラス繊維冷却及び結晶化速度において画期的な進展を得ており、同等の条件下でガラスの弾性率が著しく上昇し、清澄化温度が著しく低下し、気泡数が少なく、ガラス繊維の冷却効果が良く、技術案は全体として優れていることが分かった。
本発明に係るガラス繊維組成物から、上記の優れた特性を有するガラス繊維を製造することができる。
本発明に係るガラス繊維組成物は、１種又は複数種の有機及び／又は無機材料と組み合わせて、優れた特性を有する複合材料、例えばガラス繊維強化基材を得ることができる。
最後に、なお、本明細書では、用語「含有」、「含む」、又は他の任意の変形は、非排他的な包含をカバーすることを意図しており、したがって、一連の要素を含むプロセス、方法、物品、又は装置は、それらの要素だけでなく、明示的にリストされていない他の要素も含むか、又はそのようなプロセス、方法、物品、又は装置に固有の要素も含む。これ以上の制限がない場合、「．．．を１つ含む」で限定された要素は、前記要素を含むプロセス、方法、物品又は装置に他の同じ要素が存在することを排除しない。
上記の実施例は、本発明の技術案を説明するためにのみ使用され、それを限定するものではない。前述の実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、当業者にとって明らかなように、前述の各実施例に記載された技術案を補正し、又はその中の一部の技術的特徴を均等に置き換えることができ、これらの修正又は置換は、対応する技術案の本質を本発明の各実施例の技術案の趣旨及び範囲から逸脱させるものではない。
本発明の高弾性率ガラス繊維組成物は、ガラス繊維の弾性率を著しく向上させるだけでなく、ガラスの清澄化温度を著しく低下させ、清澄化効果を改善し、ガラスのフリット性を最適化させ、ガラス繊維の冷却効果を改善し、ガラスの結晶化速度を下げることができ、高弾性率ガラス繊維の量産に適用できる。従来のガラス繊維組成物に比べて、本発明のガラス繊維組成物は、ガラス弾性率、ガラス清澄化、ガラス繊維の冷却及び結晶化速度について画期的な進展を得ており、同等の条件下でガラスの弾性率が著しく上昇し、清澄化温度が著しく低下し、気泡の数が少なく、ガラス繊維の冷却効果が良く、技術案は全体として優れている。したがって、本発明は、産業上の実用性に優れている。

Claims (28)

  1. 成分として、
    ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
    Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
    ＭｇＯ ８～１８重量％
    Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
    ＣａＯ ０．１～７．５重量％
    Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
    ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
    ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
    Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
    Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
    Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
    Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
    ＳｒＯ ０～４重量％
    Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
    を含む、高弾性率ガラス繊維組成物。
  2. 成分として、
    ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
    Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
    ＭｇＯ ８～１８重量％
    Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
    ＣａＯ ０．１～７．５重量％
    Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
    ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
    ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
    Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
    Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
    Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
    Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
    ＳｒＯ ０～４重量％
    Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
    ＺｒＯ２ ０～２重量％
    を含む、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  3. 成分として、
    ＳｉＯ２ ４３～５８重量％
    Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
    ＭｇＯ ８～１８重量％
    Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
    ＣａＯ ０．１～７．５重量％
    Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
    ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
    ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
    Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
    Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
    Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
    Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
    ＳｒＯ ０～４重量％
    Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
    を含み、
    上記成分の合計含有量が９８重量％以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  4. 重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲が１．７以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  5. 重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．８以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  6. 重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲が１．９以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  7. 重量百分率の値Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の範囲が１～２．５である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  8. Ｙ２Ｏ３の含有量の範囲が１０．１～２０重量％である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  9. ＳｉＯ２の含有量の範囲が４４～５５．９重量％である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  10. Ａｌ２Ｏ３の含有量の範囲が１５．８～２０．４重量％である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  11. ＭｇＯの含有量の範囲が９～１５重量％である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  12. ＣａＯの含有量の範囲が０．５～５．９重量％である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  13. 重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲が１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．８以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  14. 重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲が２．０以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．９以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  15. 重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．８以上であり、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲が２．１以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  16. 重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲が１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．８以上であり、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲が２．１以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  17. 重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲が１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．８以上であり、重量百分率の値Ｃ３＝Ｙ２Ｏ３／ＣａＯの範囲が１．９以上であり、重量百分率の値Ｃ４＝Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３の範囲が１～２．１である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  18. 成分として、
    ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
    Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
    ＭｇＯ ８～１８重量％
    Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
    ＣａＯ ０．１～７．５重量％
    Ｙ２Ｏ３ １０．１～２０重量％
    ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １８．１～３３重量％
    ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
    Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
    Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
    Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
    Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
    ＳｒＯ ０～４重量％
    Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
    を含み、
    重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲が１．７以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  19. 成分として、
    ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
    Ａｌ２Ｏ３ １５．８～２０．４重量％
    ＭｇＯ ８～１６重量％
    Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２６．５重量％以上
    ＣａＯ ０．１～６．５重量％
    Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
    ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
    ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
    Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
    Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
    Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
    Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
    ＳｒＯ ０～４重量％
    Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
    を含み、
    重量百分率の値Ｃ１＝ＭｇＯ／ＣａＯの範囲が１．７以上であり、重量百分率の値Ｃ２＝Ｙ２Ｏ３／ＭｇＯの範囲が０．８以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  20. ＣｅＯ２の含有量の範囲が０～２重量％である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  21. ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｆ２及びＳＯ３のうちの１種又は複数種を、その合計した含有量が４重量％未満となる量でさらに含む、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  22. 含有量の範囲が０～０．９重量％のＺｒＯ２をさらに含む、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  23. 成分として、
    ＳｉＯ２ ４４～５５．９重量％
    Ａｌ２Ｏ３ １５．５～２３重量％
    ＭｇＯ ８～１８重量％
    Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ ２５重量％以上
    ＣａＯ ０．１～７．５重量％
    Ｙ２Ｏ３ ７．１～２２重量％
    ＭｇＯ＋Ｙ２Ｏ３ １６．５重量％以上
    ＴｉＯ２ ０．０１～５重量％
    Ｆｅ２Ｏ３ ０．０１～１．５重量％
    Ｎａ２Ｏ ０．０１～２重量％
    Ｋ２Ｏ ０～１．５重量％
    Ｌｉ２Ｏ ０～０．９重量％
    ＳｒＯ ０～４重量％
    Ｌａ２Ｏ３＋ＣｅＯ２ ０～５重量％
    を含み、
    上記成分の合計含有量が９９．５重量％以上である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  24. Ｂ２Ｏ３を含まない、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  25. ＭｎＯを含まない、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  26. ガラスの清澄化温度が１４６０℃以下である、請求項１に記載の高弾性率ガラス繊維組成物。
  27. 請求項１～２６のいずれか１項に記載のガラス繊維組成物で製造される、ガラス繊維。
  28. 請求項２７に記載のガラス繊維を含む、複合材料。
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