JP2595669B2 - オキシナイトライドガラス短繊維 - Google Patents

オキシナイトライドガラス短繊維

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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • 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
    • C03C13/00Fibre or filament compositions

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は断熱材、吸音材等に用いられるオキシナイト
ライドガラス短繊維、その製造方法、および製造装置に
関する。
従来の技術および課題 従来、断熱材、吸音材、濾過材等としては、製造、取
扱いが容易で低価格のAガラス繊維が広く用いられてい
る。しかしながら、Aガラス繊維自身はその機械的強度
が低く、使用温度も約350℃までと低い。同様の用途に
用い得る他の安価な繊維としては、従来より石綿(アス
ベスト)が知られているが、近年人体に対する悪影響が
指摘され使用がみあわされている。
本発明は、使用可能温度が800℃程度までと高く、し
かも高強度、高弾性かつ安価な断熱材等の原料として優
れたオキシナイトライドガラス短繊維を提供することを
目的とする。
課題を解決するための手段 本発明はSi−M1−M2−O−Nガラス系を有し、かつSi
O2、Si3N4およびM1Oをモル%にて下式(a)および
(b): 0.65≦(SiO2+3Si3N4+M1O)/(100+2Si3N4)<1
…(a) 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/M1O≦2.3 …(b) [式中、M1はCa、あるいはCaおよびMg;M2はCa、Mg以外
の金属を意味する] を満たす量、含有するオキシナイトライドガラス短繊維
を提供するものである。
また、本発明は(i)SiO2;金属窒化物;CaO、または
CaO+MgO;および金属酸化物を混合する工程、(ii)該
混合物を不活性ガス雰囲気下1400〜1950℃にて加熱熔融
する工程、並びに(iii)該熔融ガラスを高速の不活性
ガスと混合する工程からなることを特徴とするオキシナ
イトライドガラス短繊維の製造法、並びにその製造装置
を提供するものである。
本発明のガラス短繊維の材料であるオキシナイトライ
ドガラスは特に、15原子%(以下、at%という)以上の
多量の窒素を含有するため、Si−N結合による緊密な架
橋を有する。したがって、該ガラスは従来公知のガラス
に比べより緊密なガラスのネットワークを有し、表面硬
度が大きく、高い弾性を有する。
本発明のガラス短繊維に用いられるオキシナイトライ
ドガラスはSi−M1−M2−O−Nガラス系を有する。ここ
でM1はCaまたCa+Mgである。即ち、該オキシナイトライ
ドガラスはSi−Ca−M2−O−N、またはSi−Ca−Mg−M2
−O−Nガラス系を有する。金属M2としては、例えばA
l、Sr、La、Ba、Y、Ti、Zr、Na、K、Sb、Bなどが挙
げられる。これらの金属は単独で、あるいは2種類以上
を組み合わせてもよい。したがって、本発明ガラス短繊
維の典型的な組成は、Ca−Si−Al−O−N、Na−Ca−Si
−O−N、La−Ca−Si−Al−O−N、Na−B−Ca−Si−
O−N、Mg−Ca−Si−Al−O−N、Si−Ca−Al−O−
N、Y−Al−Ca−Si−O−N、Na−B−Ca−Si−Al−P
−O−N、Ca−Mg−Si−Al−O−N、Sr−Ca−Mg−Si−
Al−O−N、Ba−Ca−Mg−Si−Al−O−N、Y−Ca−Mg
−Si−Al−O−Nなどである。
本発明短繊維の材料であるオキシナイトライドガラス
は、各成分をモル%で表示して、下式(a)および
(b): 0.65≦(SiO2+3Si3N4+CaO+MgO)/(100+2Si
3N4)<1 …(a) 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/CaO+MgO≦2. 3…(b) [式中、CaOおよびMgOは、各々CaO、MgO、あるいはこれ
らに変換する化合物のCaO、MgO基準のモル%を意味す
る] を満たす。該オキシナイトライドガラスは従来公知のオ
キシナイトライドガラスよりも多量のCa、Mgを含有す
る。前記(SiO2+3Si3N4+CaO+MgO)/(100+2Si3N
4)が0.65より小さいと結晶化し、ガラスが得られな
い。一方、(SiO2+3Si3N4)/CaO+MgOが0.7より小さ
いか、あるいは2.3を越えると得られたガラスの窒素含
有量が15at%より少なくなり、高弾性率が得られない。
本発明のガラス短繊維は窒素含有量15〜30at%、弾性
率12,500〜25,000kg/mm2、引張強度70〜500kg/mm2を有
する。
なお、窒素含有量が30at%を越えると結晶化し、ガラ
スが得られない。窒素含有量は原料の添加量により調整
することができる。
ガラス短繊維の繊度は3〜20μmであるのが好まし
い。繊度がこの範囲より小さいと紡糸が困難となり、一
方、この範囲より大きいと強度が著しく低下する。ま
た、ガラス短繊維の繊維長は10〜200mmであるのが好ま
しい。繊維長が10mm未満であると、FRPにした時、強化
特性が低い。一方、繊維長が200mmを越えると取り扱い
が困難となる。
また、本発明のガラス短繊維は約800℃の耐熱性を有
し、断熱材として優れている。
本発明のガラス短繊維を得るには、 (i)SiO2; (ii)Si3N4または他の金属窒化物; (iii)CaO、MgO以外の金属酸化物;および (iv)CaOまたはCaO+MgO を混合する。
好ましい上記金属酸化物(iii)の例としては、Al
2O3、BaO、Sb2O3、SrO、Na2O、K2O、La2O3、CeO2、Y
2O3、ZrO2、TiO2、Na2O、K2O、B2O3などが挙げられる。
これらの金属酸化物の変わりに、例えば炭酸塩、水酸化
物、シュウ酸塩など熱分解によって金属酸化物となる化
合物を用いてもよい。これらの化合物は単独で、あるい
は併用して用いてもよい。
上記Si3N4以外の金属窒化物(ii)としてはA1N、BNな
どが挙げられる。金属酸化物としてAl2O3を用いる場合
にはA1Nが、B2O3を用いる場合にはBNが好ましい。これ
ら窒化物も2種以上を組み合わせてよい。
該オキシナイトライドガラスはCaOを必須成分として
含有し、さらにCaOとともにMgOを含有してもよい。ま
た、CaO、MgOの変わりに熱分解によりこれら酸化物とな
るものを用いてもよい。
つぎに、これらの成分(i)〜(iv)を前記式
(a)、(b)を満足する割合に混合する。
前記酸化物および窒化物は混合、加熱されオキシナイ
トライドガラスとなる。混合物の熔融は、1400〜1950℃
にて、1時間〜3時間、加熱速度10〜800℃/分にて窒
素あるいは不活性雰囲気下で行われる。不活性雰囲気は
常圧であってよい。熔融は電気炉、イメージ炉などの加
熱炉が用いられる。
また別法として、まず酸化物だけの混合物を空気中ル
ツボにて熔融し、ついで粉砕し、つぎにこの酸化物の粉
末を窒化物と混合し、不活性雰囲気下、高温にて熔融し
てオキシナイトライドガラスを得ることもできる。
得られたオキシナイトライドガラスは速やかに、また
は緩やかに冷却される。冷却されたオキシナイトライド
ガラスは1100〜1600℃に加熱された紡糸装置に移され、
不活性雰囲気下にて紡糸速度20〜3000m/分にて紡糸され
る。
また別法として、フィーダにて紡糸装置内の加熱炉に
ガラス原料を連続的に供給し、熔融したガラスをそのま
ま紡糸装置内の加熱炉にて熔融温度から1100〜1600℃に
まで冷却し、ついで不活性雰囲気下にて連続的に短繊維
を紡糸してもよい。 熔融ガラスを短繊維に紡糸する
には、熔融したガラスに高圧窒素などの不活性ガスを高
速にて吹き付けて熔融ガラスを飛散して繊維化し冷却す
る。熔融ガラスは熔融部より直接供給するか、または回
転しながら熔融ガラスを分散する紡糸部を介して供給
し、これに周囲より窒素などの不活性ガスを高速にて吹
き付けオキシナイトライドガラスの短繊維を得る。
つぎに、本発明のオキシナイトライドガラス短繊維を
製造するための好ましい紡糸装置について説明する。本
発明の装置1は、原料を貯蔵し原料供給部をなすガラス
原料容器2、該原料容器より供給された原料を熔融する
熔融部である熔融容器3、および該熔融容器3より供給
された熔融ガラスと不活性ガスとを混合する紡糸部4か
らなる。前記原料容器2、熔融容器3および紡糸部4
は、いずれも酸素濃度200ppm以下の不活性ガス雰囲気に
保持される。
原料容器2は窒素ライン5を供えるとともに熔融容器
3につながり、オキシナイトライドガラスの原料6を貯
溜する。また、熔融容器3の周囲にはヒータ7が設けら
れ、供給されたガラス原料を加熱熔融する。つぎに、紡
糸部4は前記熔融容器3の下方に配置され、側面に多数
の紡糸孔8を有する回転容器9、および該回転容器9の
側方および下方に本装置の中心方向に向け配置された窒
素ノズル10とからなる。該紡糸孔8より飛散した熔融ガ
ラスは、窒素ノズル10より噴出した窒素により短繊維化
される。なお、前記熔融容器3および紡糸部4はケーシ
ング11に収容され、該ケーシングに設けられた窒素ライ
ン12により窒素雰囲気に保持される。該装置のさらに下
方にはガラス繊維にバインダを吹き付けるバインダノズ
ル13および冷却用の空気ジェットノズル14が設けられ、
ガラス短繊維15の収束、冷却を行う。
実施例 つぎに、実施例により本発明をさらに具体的に説明す
る。
実施例1 前記第1図に示すガラス短繊維製造装置を用いつぎの
原料組成によりガラス短繊維を製造した。組成 モル% SiO2 4.8 Si3N4 14.5 CaO 48.4 Al2O3 32.3 上記原料を原料容器2に供給し、熔融容器中、酸素濃
度100ppm以下の窒素雰囲気にて熔融温度1750℃にて熔融
を行った。該熔融ガラスを紡糸温度1530℃にて回転容器
(200回/分)より排出し、窒素ノズルより150l/分にて
窒素を噴出してガラス短繊維(窒素含有量15.5at%)を
製造した。得られたガラス短繊維の機械特性は、引張強
度550kg/mm2、引張弾性率16500kg/mm2、繊維径5〜10μ
m、繊維長3〜12cmであった。
実施例2〜8および比較例1〜8 つぎの第1表に示す組成および条件により実施例1と
同様にしてガラス短繊維を得た。結果を第1表に合わせ
示す。
第1表より明らかなごとく、式(a)が0.65未満であ
る比較例1および2、並びに式(b)が0.7未満である
比較例3および4、式(b)が2.3を越える比較例5お
よび6はいずれもガラスが得られず結晶化した。また、
比較例7および8は式(b)が2.3を越えており、低弾
性のガラスしか得られなかった。これらに対し、式
(a)、式(b)を共に満たす実施例1〜8はいずれも
優れた物性を示す。
発明の効果 本発明のガラス短繊維は、約800℃まで使用可能であ
りAガラスに比べて使用温度が高い。また、機械的強度
は石綿と同等であり、かつ人体への影響がない。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明ガラス短繊維の紡糸に用いる装置の概
略断面図である。 図中の主な符号はつぎのとおりである。 2:原料容器、3:熔融容器、5、12:窒素ライン、9:回転
容器、10:窒素ノズル。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Si−M1−M2−O−Nガラス系を有し、かつ
    SiO2、Si3N4およびM1Oをモル%にて下式(a)および
    (b): 0.65≦(SiO2+3Si3N4+M1O)/(100+2Si3N4)<1
    …(a) 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/M1O≦2.3 …(b) [式中、M1はCa、あるいはCaおよびMg;M2はCa、Mg以外
    の金属を意味する] を満たす量、含有するオキシナイトライドガラス短繊
    維。
  2. 【請求項2】下式(i)〜(iii)の工程からなること
    を特徴する前記請求項1記載のガラス短繊維の製造法。 (i)SiO2;Si3N4または金属窒化物; M1の酸化物または熱分解によりM1の酸化物となる化合
    物;およびM2の酸化物または熱分解によりM2の酸化物と
    なる化合物を混合する工程、 (ii)該混合物を不活性ガス雰囲気下1400〜1950℃にて
    加熱熔融する工程、並びに (iii)該熔融ガラスを高速の不活性ガスと混合する工
    程。
  3. 【請求項3】ガラス原料供給部、該原料供給部と連結
    し、前記ガラス原料を熔融する熔融部、該熔融部と連結
    し、熔融部より供給された熔融ガラスと不活性ガスとを
    混合する紡糸部からなり、前記原料供給部、熔融部およ
    び紡糸部が酸素濃度200ppm以下の不活性ガス雰囲気であ
    ることを特徴とする前記請求項1記載のガラス短繊維の
    製造装置。
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