特許ウォッチ

公開番号2025166000
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-05
出願番号2025125413,2022540735
出願日2025-07-28,2020-12-30
発明の名称より高い弾性率のための繊維ガラス組成物
出願人オウェンスコーニングインテレクチュアルキャピタルリミテッドライアビリティカンパニー
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類C03C 13/02 20060101AFI20251028BHJP(ガラス;鉱物またはスラグウール)
要約【課題】高い弾性率のガラス組成物よりも製造費用が削減され、かつ適度に高い弾性率および低い繊維化温度を有するガラス組成物、ガラス繊維、および連続ガラス繊維を形成する方法を提供する。
【解決手段】約57.0～62.0質量%のSiO₂、約20.0～25.0質量%のAl₂O₃、約8.0～12.5質量%のMgO、約7～9.0質量%のCaO、約0.4～1.0質量%のLi₂O、0.0～約1.0質量%のNa₂O、約0～0.5質量%のK₂O;および0.2～約1.5質量%のTiO₂を含む、ガラス組成物が提供される。本ガラス組成物は、約1,300C以下の繊維化温度しか有さない。このような用途には、ウインドブレードを形成する際に使用するための不織布、および航空宇宙用構造体が含まれる。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
５７．０～６２．０質量％の量のＳｉＯ
2
、
２０．０～２５．０質量％の量のＡｌ
2
Ｏ
3
、
７．０～９．０質量％の量のＣａＯ、
８．０～１２．５質量％の量のＭｇＯ、
０～１．０質量％の量のＮａ
2
Ｏ、
０～０．５質量％の量のＫ
2
Ｏ、
０．４～１．０質量％の量のＬｉ
2
Ｏ、および
０．２～１．５質量％の量のＴｉＯ
2
を含む、ガラス組成物であって、質量パーセント比（Ｒ１）（ＭｇＯ＋Ａｌ
2
Ｏ
3
）／（ＳｉＯ
2
＋ＣａＯ）が、少なくとも０．４７であり、質量パーセント比（Ｒ３）（ＭｇＯ／ＳｉＯ
2
）が、少なくとも０．１９であり、１，３００℃以下の繊維化温度を有する、ガラス組成物。
続きを表示（約 720 文字）【請求項２】
５７．１質量％～５９質量％未満のＳｉＯ
2
を含む、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項３】
７．９質量％～９．０質量％未満のＣａＯを含む、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項４】
ＳｉＯ
2
、Ａｌ
2
Ｏ
3
、ＭｇＯおよびＣａＯの合計量が、少なくとも９８質量％、かつ９９．５質量％未満である、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項５】
希土類元素酸化物を含まない、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項６】
２０質量％超～２１質量％のＡｌ
2
Ｏ
3
を含む、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項７】
０．４５質量％～０．８質量％のＬｉ
2
Ｏを含む、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項８】
Ｂ
2
Ｏ
3
を本質的に含まない、請求項１～６のいずれか１項に記載のガラス組成物。
【請求項９】
０．１～０．８質量％のＮａ
2
Ｏを含む、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項１０】
０．４６より大きな質量パーセント比（Ｒ２）（ＭｇＯ＋Ａｌ
2
Ｏ
3
＋Ｌｉ
2
Ｏ）／（ＣａＯ＋ＳｉＯ
2
＋Ｎａ
2
Ｏ＋Ｋ
2
Ｏ）を含む、請求項１に記載のガラス組成物。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、その全開示が参照により本明細書に組み込まれている、２０２０年１月２日に出願の米国仮特許出願第６２／９５６，４２２号への優先権およびすべての利益を主張する。
続きを表示（約 5,000 文字）【背景技術】
【０００２】
ガラス繊維は、一般に、「ガラスバッチ」と称される、所望の組成物を得るよう特定の割合で組み合わされた様々な原料から製造される。このガラスバッチは、溶融装置中で溶融されることができ、溶融ガラスは、ブッシングまたはオリフィスプレートを介して、フィラメントへと延伸される（得られたフィラメントは、連続ガラス繊維とも称される）。次に、潤滑剤、カップリング剤およびフィルム形成性結合剤樹脂を含有するサイジング組成物を上記のフィラメントに適用することができる。サイジングが施された後、繊維を１本または複数のストランドに集めて、パッケージに巻き取ってもよく、あるいは、湿潤している間に繊維を刻んで収集してもよい。次に、この収集したチョップドストランドは乾燥して硬化され、乾燥したチョップド繊維を形成することができるか、または、湿潤チョップド繊維としてその湿潤状態で包装され得る。
【０００３】
ガラスバッチ、およびそれから製造される繊維ガラスの組成物は、多くの場合、その中に含まれている酸化物に関して表現され、それらの酸化物は、一般に、ＳｉＯ
2、
Ａｌ
2
Ｏ
3
、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｂ
2
Ｏ
3
、Ｎａ
2
Ｏ、Ｋ
2
Ｏ、Ｆｅ
2
Ｏ
3
、ＴｉＯ
2
、Ｌｉ
2
Ｏなどを含む。これらの酸化物の量を変え、またはガラスバッチ中の酸化物の一部を除くことにより、多数の種類のガラスを生成することができる。生成することができるこのようなガラスとしては、Ｒ－ガラス、Ｅ－ガラス、Ｓ－ガラス、Ａ－ガラス、Ｃ－ガラスおよびＥＣＲ－ガラスが挙げられる。ガラス組成により、ガラスの形成および製品の特性が制御される。ガラス組成物の他の特徴は、原料の費用および環境影響を含む。
例えば、Ｅ－ガラスとは、アルミノホウケイ酸塩ガラスであり、一般に、アルカリを含まず、電気用途に一般に使用される。Ｅ－ガラスの利点の１つは、その液相温度によって、ガラス繊維を生成するための操作温度を約１９００°Ｆ～２４００°Ｆ（１０３８℃～１３１６℃）にすることができることである。プリント回路基板および航空宇宙用途に使用される、Ｅ－ガラス繊維の糸に関するＡＳＴＭ分類により、その組成は５２～５６質量％のＳｉＯ
2
、１６～２５質量％のＣａＯ、１２～１６質量％のＡｌ
2
Ｏ
3
、５～１０質量％のＢ
2
Ｏ
3
、０～５質量％のＭｇＯ、０～２質量％のＮａ
2
ＯおよびＫ
2
Ｏ、０～０．８質量％の量のＴｉＯ
2
、０．０５～０．４質量％のＦｅ
2
Ｏ
3
、ならびに０～１．０質量％のフッ素と定義されている。
【０００４】
ホウ素不含繊維は、ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）（ＯｗｅｎｓＣｏｍｉｎｇ、Ｔｏｌｅｄｏ、Ｏｈｉｏ、米国）という商標で販売されている。その全体が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許第５，７８９，３２９号に開示されているようなホウ素不含繊維は、ホウ素含有Ｅ－ガラスよりも操作温度の点で有意な改善をもたらす。ホウ素不含ガラス繊維は、一般使用用途に使用するためのＥ－ガラス繊維に関するＡＳＴＭ定義に該当する。
Ｒ－ガラスは、Ｅ－ガラス繊維よりも高い機械的強度を有するガラス繊維を生成する化学組成を有する、ケイ素、アルミニウム、マグネシウムおよびカルシウムの酸化物から主に構成されているガラスのファミリーである。Ｒ－ガラスは、約５８～約６０質量％のＳｉＯ
2
、約２３．５～約２５．５質量％のＡｌ
2
Ｏ
3
、約１４～約１７質量％のＣａＯおよびＭｇＯ、ならびに約２質量％未満の多様な構成成分を含有する組成を有する。Ｒ－ガラスは、Ｅ－ガラスよりもアルミナおよびシリカを多く含有しており、繊維を形成する間、より高い溶融温度および加工温度を必要とする。通常、Ｒ－ガラスの場合の溶融温度および加工温度は、Ｅ－ガラスのそれらの温度よりも高い。このような高い加工温度は、費用が高価な白金線の内張りされた溶融装置の使用を必要とする。さらに、Ｒ－ガラスにおいて、液相温度が成形温度に近づけるには、ガラスは、約１０００ポアズまたはそれ近くで慣用的に繊維化されるＥ－ガラスよりも低い粘度で繊維化されることが必要となる。慣用的な１０００ポアズの粘度でＲ－ガラスを繊維化することにより、ガラスの失透がもたらされる可能性が高く、これは、プロセスの中断および生産性の低下を引き起こす。
【０００５】
高性能ガラス繊維は、従来のＥ－ガラス繊維と比べて、より高い強度および剛性を有する。特に、一部の製品の場合、剛性は、モデル化および性能にとって重要である。例えば、発電ウインドステーションにおいて、ウインドタービンブレードなどの、良好な剛性特性を有するガラス繊維から調製されるコンポジットにより、ウインドブレードのたわみを許容される限界値の範囲内に維持しながら、より長いブレードを使用することが可能となる。弾性率（「ヤング弾性率」と互換可能）は、繊維剛性の尺度であり、ある材料にかけられた応力とその同一材料によって生じた歪みとの間の関係を定義するものである。堅い材料は、高い弾性率を有しており、弾性負荷下では、その形状をわずかしか変えない。柔らかい材料は、低い弾性率を有しており、その形状はかなり変化する。
【０００６】
様々なタイプの高性能ガラス組成物が開発されているが、このようなガラス組成物では、弾性率および引張強度を最大化する試みが行われていることが多い。しかし、ガラス繊維の弾性率は、ある度合いを過ぎて向上すると（すなわち、９２ＧＰａより高い）、コンポジットウインドブレードの鋳型が長くなる恐れがあり、これには、新しい鋳型の作製が必要となる。低い繊維化温度を維持しながら、現在のコンポジット鋳型と適合可能な、中程度の弾性率を達成することは有益であり、かつ費用効果が高いと思われる。約１，３００℃未満の繊維化温度により、現在の最先端材料および技術の大部分をガラス繊維の製造に使用することが可能となり、したがって、既に確立されている製造設備との適合が可能となる。さらに、既に作製された他のガラス組成物に繊維化温度が類似していることにより、成形技術を変更する必要なしに、炉を１種のガラスの作製から別のものに切り替えるという、迅速な作戦を行うことが可能となる。エネルギー使用の観点、やはりまた白金揮発の観点から、繊維化温度が低いほど優れている。白金は、より高い温度では、より急速に揮発し、成形技術の寿命が低下する。
【０００７】
ウインドタービンブレードの製造業者は、ウインドブレードを形成するために使用される鋳型を作製する際に大きな投資を行う。さらに、ウインドブレードが非常に大きくなるので、プラント全体が、特定のサイズのブレードの製造部周辺で建設される。目的は、一般に、ガラス繊維の弾性率の増大を維持して、より長いブレードの製造を可能にすることであるが、既に存在する鋳型および施設の最良の可能な使用を行うことができればやはり望ましい。これを行うため、ガラス繊維は、性能域の範囲内の特性をもたらさなければならない。ガラスの弾性率があまりに良すぎる場合、倫理的に、より高い性能を利用するために新しい鋳型を作製する必要がある。これらの繊維により、これらの同じ鋳型の製造上の欠点に対するより高い許容が可能となる。したがって、ウインドブレードのサイズを必然的に大きくすることなく、性能を最適化することが望ましい。
中程度であるが、９０～９２ＧＰａの間などの高すぎない弾性率を実現しながらも、十分に低い繊維化温度を有するなどの、許容される形成特性を有する高性能ガラス組成物が当分野において必要とされている。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の概念の様々な例示的な実施形態は、ガラス組成物であって、全組成物の質量に対して、質量百分率として表すと、５７．０～６２．０質量％の量のＳｉＯ
2
；２０．０～２５．０質量％の量のＡｌ
2
Ｏ
3
；７．０～９．０質量％の量のＣａＯ；８．０～１２．５質量％の量のＭｇＯ；０～１．０質量％の量のＮａ
2
Ｏ；０～０．５質量％の量のＫ
2
Ｏ；０．４～１．０質量％の量のＬｉ
2
Ｏ；および０．２～１．５質量％の量のＴｉＯ
2
を含む、ガラス組成物を対象とする。質量パーセント（Ｒ１）（ＭｇＯ＋Ａｌ
2
Ｏ
3
）／（ＳｉＯ
2
＋ＣａＯ）は、少なくとも０．４７であり、質量パーセント比（Ｒ３）（ＭｇＯ／ＳｉＯ
2
）は、少なくとも０．１９である。本ガラス組成物は、１，３００℃以下の繊維化温度しか有さない。
【０００９】
様々な実施形態のいずれかにおいて、ＳｉＯ
2
、Ａｌ
2
Ｏ
3
、ＭｇＯおよびＣａＯの合計量は、少なくとも９８質量％、かつ９９．５質量％未満とすることができる。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本組成物は、５７．１質量％～５９質量％未満のＳｉＯ
2
を含む。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本組成物は、７．９質量％～９．０質量％未満のＣａＯを含む。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本組成物は、２０質量％超～２１質量％のＡｌ
2
Ｏ
3
を含む。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本組成物は、０．４５質量％～０．８質量％のＬｉ
2
Ｏを含む。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本ガラス組成物は、希土類元素酸化物を含まない。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本組成物は、Ｂ
2
Ｏ
3
を本質的に含まない。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本組成物は、０．１～０．８質量％のＮａ２Ｏを含む。
様々な実施形態のいずれかにおいて、本組成物は、０．４６よりも大きな、質量パーセント比（Ｒ２）（ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｌｉ２Ｏ）／（ＣａＯ＋ＳｉＯ２＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）を含む。
【００１０】
本発明の概念のさらに例示的な態様は、５８．０～６．２０質量％の量のＳｉＯ
2
；２０．０～２５．０質量％の量のＡｌ
2
Ｏ
3
；７．９～１２．０質量％の量のＣａＯ；８．０～１２．５質量％の量のＭｇＯ；０～１．０質量％の量のＮａ
2
Ｏ；０～０．５質量％の量のＫ
2
Ｏ；０．４～１．０質量％の量のＬｉ
2
Ｏ；および０．２～１．５質量％の量のＴｉＯ
2
を含む、ガラス組成物を対象とする。様々な例示的な実施形態では、本組成物は、０．４６より大きな質量パーセント比（Ｒ２）（ＭｇＯ＋Ａｌ
2
Ｏ
3
＋Ｌｉ
2
Ｏ）／（ＣａＯ＋ＳｉＯ
2
＋Ｎａ
2
Ｏ＋Ｋ
2
Ｏ）を含み、質量パーセント比（Ｒ３）（ＭｇＯ／ＳｉＯ
2
）は、少なくとも０．１９である。一部の実施形態では、本ガラス組成物は、１，３００℃以下の繊維化温度しか有さない。
（【００１１】以降は省略されています）

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