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▶ 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 カンパニーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-26
(45)【発行日】2024-05-09
(54)【発明の名称】改善された比弾性率を有する高性能ガラス繊維組成物
(51)【国際特許分類】
C03C 13/00 20060101AFI20240430BHJP
C03C 13/02 20060101ALI20240430BHJP
【ＦＩ】
C03C13/00
C03C13/02
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021529314
(86)(22)【出願日】2019-11-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-18
(86)【国際出願番号】 US2019061917
(87)【国際公開番号】W WO2020112396
(87)【国際公開日】2020-06-04
【審査請求日】2022-11-14
(31)【優先権主張番号】62/771,245
(32)【優先日】2018-11-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】507220187
【氏名又は名称】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
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100119013
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 一夫
(74)【代理人】
【識別番号】100123777
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 さつき
(74)【代理人】
【識別番号】100111796
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 博信
(74)【代理人】
【識別番号】100218578
【弁理士】
【氏名又は名称】河井 愛美
(72)【発明者】
【氏名】コーウィン－エドソン ミシェル エル
【審査官】玉井 一輝
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１８－５２１９４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／１０４９９９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００３－１７１１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５２６６０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００９－５１４７７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０３Ｃ １／００ －１４／００
Ｇ０２Ｂ １／００
ＩＮＴＥＲＧＬＡＤ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
５０．０～５５．５質量％の量のＳｉＯ2；１９．５～２３．０質量％の量のＡｌ2Ｏ3；
２．０～９．０質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＳｒＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ2Ｏ；
０．０～１．０未満の質量％の量のＫ2Ｏ；
０．１～４．０質量％の量のＬｉ2Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ2；
０～１０．０質量％の量のＹ2Ｏ3；
０～１０．０質量％の量のＬａ2Ｏ3；
０～２．５質量％の量のＣｅ2Ｏ3；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ2Ｏ3を含むガラス組成物であって、２．１より大きいＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）比を有し、前記ガラス組成物から形成されるガラス繊維が３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、ガラス組成物。
【請求項2】
０～５．０質量％のＴａ2Ｏ5；０～７．０質量％のＧａ2Ｏ3；
０～５．０質量％のＮｂ2Ｏ5；及び
０～５．０質量％のＶ2Ｏ5、を更に含む、請求項１に記載のガラス組成物。
【請求項3】
前記組成物が、１．０～３．５質量％のＹ2Ｏ3を含む、請求項２に記載のガラス組成物。
【請求項4】
前記ＭｇＯ及びＣａＯの組み合わせた量が、１２．０～２０質量％である、請求項１～３のいずれか１項に記載のガラス組成物。
【請求項5】
前記組成物が、１９．５～２２．０質量％のＡｌ2Ｏ3を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載のガラス組成物。
【請求項6】
前記組成物が、Ｂ2Ｏ3
及びＦの内の１種又は複数を実質的に含まず、かつ、Ｋ
2
Ｏ及びＮａ
2
Ｏを含まない、請求項１～５のいずれか１項に記載のガラス組成物。
【請求項7】
前記組成物が、０．１～３．５質量％のＬｉ2Ｏを含む、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8】
前記組成物が、０．０５質量％未満のＳｍ2Ｏ3＋Ｇｄ2Ｏ3を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載のガラス組成物。
【請求項9】
前記組成物が、少なくとも１質量％のＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3を組み合わせた量を含む、請求項１～８のいずれか１項に記載のガラス組成物。
【請求項10】
前記組成物が、１，４５４℃（２，６５０°Ｆ）未満の繊維化温度を有する、請求項１～９のいずれか１項に記載のガラス組成物。
【請求項11】
５５．０～６０．５質量％の量のＳｉＯ2；１９．５～２３．０質量％の量のＡｌ2Ｏ3；
２．０～５．５質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ2Ｏ；
０．０～１．０質量％の量のＫ2Ｏ；
１．０超～４．０質量％の量のＬｉ2Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ2；
０～１０．０質量％の量のＹ2Ｏ3；
０～１０．０質量％の量のＬａ2Ｏ3；
０～２．５質量％の量のＣｅ2Ｏ3；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ2Ｏ3を含む組成物から形成されるガラス繊維であって、３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率及び少なくとも４４００ＭＰａのＡＳＴＭ Ｄ２３４３－０９による引張強度を有する、ガラス繊維。
【請求項12】
前記ガラス組成物が、２．０～５．０質量％のＣａＯを含む、請求項１１に記載のガラス繊維。
【請求項13】
前記組成物が、Ｂ2Ｏ3
及びＦの内の１種又は複数を実質的に含まず、かつ、Ｋ
2
Ｏ及びＮａ
2
Ｏを含まない、請求項１１又は１２に記載のガラス繊維。
【請求項14】
前記組成物が、１．５～３．５質量％のＬｉ2Ｏを含む、請求項１１～１３のいずれか１項に記載のガラス繊維。
【請求項15】
前記組成物が、少なくとも１質量％のＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3を組み合わせた量を含む、請求項１１～１４のいずれか１項に記載のガラス繊維。
【請求項16】
前記組成物が、２．０質量％より多いＣｅＯ2＋Ｓｃ2Ｏ3を含む、請求項１１～１５のいずれか１項に記載のガラス繊維。
【請求項17】
前記ガラス繊維が、３５～３６．５ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、請求項１１～１６のいずれか１項に記載のガラス繊維。
【請求項18】
連続ガラス繊維を形成する方法であって、請求項１に記載の融解組成物を用意すること；及び
前記融解組成物を、オリフィスを通して引き、連続ガラス繊維を形成すること、を含む方法。
【請求項19】
強化複合材料製品であって、ポリマーマトリックス；及び
５０．０～５５．５質量％の量のＳｉＯ2；
１９．５～２３．０質量％の量のＡｌ2Ｏ3；
２．０～９．０質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＳｒＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ2Ｏ；
０．０～１．０未満の質量％の量のＫ2Ｏ；
０．１～４．０質量％の量のＬｉ2Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ2；
０～１０．０質量％の量のＹ2Ｏ3；
０～１０．０質量％の量のＬａ2Ｏ3；
０～２．５質量％の量のＣｅ2Ｏ3；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ2Ｏ3を含むガラス組成物から形成される複数のガラス繊維を含み、前記ガラス組成物が２．１より大きいＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）比を有し、前記ガラス繊維が３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、強化複合材料製品。
【請求項20】
風力タービンブレードの形態である、請求項１９に記載の強化複合材料製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願
本出願は、２０１８年１１月２６日出願のＨＩＧＨ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ ＦＩＢＥＲＧＬＡＳＳ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＳＰＥＣＩＦＩＣ ＭＯＤＵＬＵＳと題する米国特許仮出願第６２／７７１，２４５号に対する優先権を主張し、その全開示が、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１８年１１月２６日出願のＨＩＧＨ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ ＦＩＢＥＲＧＬＡＳＳ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＳＰＥＣＩＦＩＣ ＭＯＤＵＬＵＳと題する米国特許仮出願第６２／７７１，２４５号に対する優先権を主張し、その全開示が、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
ガラス繊維は、所望の組成を得るために一般に「ガラスバッチ」と呼ばれる特定の比率で組み合わされた種々の原材料から製造される。このガラスバッチは、融解装置中で融解され得、溶融ガラスはブッシングプレート又はオリフィス板を通してフィラメントに引かれる（得られたフィラメントは、連続ガラス繊維とも呼ばれる）。次に、潤滑剤、カップリング剤及び膜形成バインダー樹脂を含むサイジング組成物をフィラメントに適用し得る。サイジング組成物を適用後、繊維を１本又は複数のストランドにギャザリングし、巻き付けて、パッケージにまとめ得る、あるいは、繊維を湿式細断し、集め得る。集めたチョップトストランドはその後、乾燥し、硬化させて乾燥チョップド繊維を形成する、又は湿潤状態で湿潤チョップド繊維としてパッケージできる。
【0003】
ガラスバッチの組成は、それから製造されたガラス繊維と共に、それに含まれる酸化物により表現されることが多く、通常、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｂ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｆｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｌｉ2Ｏ、などを含む。種々の量のこれらの酸化物から、又はガラスバッチ中の一部の酸化物を除去することにより、多くの種類のガラスが製造され得る。製造され得るこのようなガラスの例としては、Ｒガラス、Ｅガラス、Ｓガラス、Ａガラス、Ｃガラス、及びＥＣＲガラスが挙げられる。ガラス組成物は、ガラスの形成特性及び製品特性を調節する。ガラス組成物の他の特性には、原材料コスト及び環境影響が含まれる。
例えば、Ｅガラスは、アルミノケイ酸塩ガラスであり、通常、アルカリ不含で、電気用途によく使われる。Ｅガラスの利点の１つの特徴は、その液相温度により、ガラス繊維を製造するための作業温度を約１０３８℃（１９００°Ｆ）～１３１６℃（２４００°Ｆ）にすることが可能になることである。プリント回路基板及び航空宇宙用途で使われるＥガラス繊維ヤーンのＡＳＴＭ分類は、その組成を、５２～５６質量％のＳｉＯ2、１６～２５質量％のＣａＯ、１２～１６質量％のＡｌ2Ｏ3、５～１０質量％のＢ2Ｏ3、０～５質量％のＭｇＯ、０～２質量％のＮａ2Ｏ及びＫ2Ｏ、０～０．８質量％のＴｉＯ2、０．０５～０．４質量％のＦｅ2Ｏ3及び０～１．０質量％のフッ素と定義している。
ホウ素不含繊維は、ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）の登録商標で販売されている（Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｔｏｌｅｄｏ，Ｏｈｉｏ，ＵＳＡ）。ホウ素不含繊維は、その全体が本明細書に参照により組み込まれる、米国特許第５、７８９，３２９号明細書で開示され、作業温度の点でホウ素含有Ｅガラスにまさる大きな改善が提供される。ホウ素不含ガラス繊維は、一般的用途に使用するためのＥガラス繊維のＡＳＴＭ定義に含まれる。
Ｒガラスは、Ｅガラス繊維より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、及びカルシウムの酸化物から主に構成され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ＳｉＯ2、約２３．５～約２５．５質量％のＡｌ2Ｏ3、約１４～約１７質量％のＣａＯ＋ＭｇＯ、及び約２質量％未満の種々の成分を含む組成を有する。Ｒガラスは、Ｅガラスより多くのアルミナ及びシリカを含み、繊維形成中により高い融解温度及び処理温度を必要とする。通常、Ｒガラスのための融解温度及び処理温度は、Ｅガラスの温度より高い。この処理温度の上昇は、高コストの白金裏張り溶解装置の使用が必要となる。加えて、Ｒガラスでの液相温度と形成温度の近接は、１０００ポアズ又はその約１０００ポアズ近くで通例繊維化されるＥガラスより低い粘度でこのガラスが繊維化されることが必要である。通例の１０００ポアズ粘度でのＲガラスの繊維化は、工程の中断及び生産性の低下を起こし、ガラスの失透を生じるであろう。
例えば、Ｅガラスは、アルミノケイ酸塩ガラスであり、通常、アルカリ不含で、電気用途によく使われる。Ｅガラスの利点の１つの特徴は、その液相温度により、ガラス繊維を製造するための作業温度を約１０３８℃（１９００°Ｆ）～１３１６℃（２４００°Ｆ）にすることが可能になることである。プリント回路基板及び航空宇宙用途で使われるＥガラス繊維ヤーンのＡＳＴＭ分類は、その組成を、５２～５６質量％のＳｉＯ2、１６～２５質量％のＣａＯ、１２～１６質量％のＡｌ2Ｏ3、５～１０質量％のＢ2Ｏ3、０～５質量％のＭｇＯ、０～２質量％のＮａ2Ｏ及びＫ2Ｏ、０～０．８質量％のＴｉＯ2、０．０５～０．４質量％のＦｅ2Ｏ3及び０～１．０質量％のフッ素と定義している。
ホウ素不含繊維は、ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）の登録商標で販売されている（Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｔｏｌｅｄｏ，Ｏｈｉｏ，ＵＳＡ）。ホウ素不含繊維は、その全体が本明細書に参照により組み込まれる、米国特許第５、７８９，３２９号明細書で開示され、作業温度の点でホウ素含有Ｅガラスにまさる大きな改善が提供される。ホウ素不含ガラス繊維は、一般的用途に使用するためのＥガラス繊維のＡＳＴＭ定義に含まれる。
Ｒガラスは、Ｅガラス繊維より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、及びカルシウムの酸化物から主に構成され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ＳｉＯ2、約２３．５～約２５．５質量％のＡｌ2Ｏ3、約１４～約１７質量％のＣａＯ＋ＭｇＯ、及び約２質量％未満の種々の成分を含む組成を有する。Ｒガラスは、Ｅガラスより多くのアルミナ及びシリカを含み、繊維形成中により高い融解温度及び処理温度を必要とする。通常、Ｒガラスのための融解温度及び処理温度は、Ｅガラスの温度より高い。この処理温度の上昇は、高コストの白金裏張り溶解装置の使用が必要となる。加えて、Ｒガラスでの液相温度と形成温度の近接は、１０００ポアズ又はその約１０００ポアズ近くで通例繊維化されるＥガラスより低い粘度でこのガラスが繊維化されることが必要である。通例の１０００ポアズ粘度でのＲガラスの繊維化は、工程の中断及び生産性の低下を起こし、ガラスの失透を生じるであろう。
【0004】
高性能ガラス繊維は、従来のＥガラス繊維に比べて、より高い強度及び剛性を有する。特に、一部の製品では、剛性は造形及び特性にとって重要である。例えば、良好な剛性を有するガラス繊維から作製される風力発電施設の風力タービンブレードなどの複合材料は、ブレードの撓みを許容限度に保ちながら、より長い風力タービンブレードを可能とするであろう。
更に、所望の形成特性（例えば、液相温度及び繊維化温度）を維持しながら、好ましい機械的特性及び物理学的特性（例えば、比弾性率及び引張強度）を有する高性能ガラス組成物が望ましい。弾性率は、繊維剛性の尺度であり、材料に対する印加応力と、同一材料により生成される歪みとの関係を決定する。剛性材料は、高い弾性率を有し、弾性負荷時にほんのわずかに形状が変化する。可撓性材料は、低い弾性率を有し、その形状はかなり変化する。比弾性率は、ガラス繊維材料の質量密度当りの弾性率の尺度である。それは剛性対質量比としても知られ、剛性を犠牲にしない最小質量のガラス繊維を決定するために使用されることが多い。
更に、所望の形成特性（例えば、液相温度及び繊維化温度）を維持しながら、好ましい機械的特性及び物理学的特性（例えば、比弾性率及び引張強度）を有する高性能ガラス組成物が望ましい。弾性率は、繊維剛性の尺度であり、材料に対する印加応力と、同一材料により生成される歪みとの関係を決定する。剛性材料は、高い弾性率を有し、弾性負荷時にほんのわずかに形状が変化する。可撓性材料は、低い弾性率を有し、その形状はかなり変化する。比弾性率は、ガラス繊維材料の質量密度当りの弾性率の尺度である。それは剛性対質量比としても知られ、剛性を犠牲にしない最小質量のガラス繊維を決定するために使用されることが多い。
【発明の概要】
【0005】
本発明概念の種々の例示的実施形態は、５８．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ2；１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ2Ｏ3；１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；０．０～１．０未満の質量％の量のＮａ2Ｏ；０．０～１．０質量％の量のＫ2Ｏ；０．０～４．０質量％の量のＬｉ2Ｏ；０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ2；０～１０．０質量％の量のＹ2Ｏ3；０～１０．０質量％の量のＬａ2Ｏ3；０～２．５質量％の量のＣｅ2Ｏ3；及び０～４．０質量％の量のＳｃ2Ｏ3を含むガラス組成物に関する。
【0006】
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、２．１より大きい比率のＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物から形成されるガラス繊維は、３４～４０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する。
ガラス組成物は、０～５．０質量％のＴａ2Ｏ5、０～７．０質量％のＧａ2Ｏ3、０～５．０質量％のＮｂ2Ｏ5、及び０～５．０質量％のＶ2Ｏ5を更に含み得る。
種々の例示的実施形態では、ガラス組成物は、実質的にＢ2Ｏ3不含である。
種々の例示的実施形態では、ガラス組成物は、０．１～３．５質量％のＬｉ2Ｏを含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、少なくとも１質量％のＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3の１種又は複数を組み合わせた量を含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、０．０５質量％のＳｍ2Ｏ3＋Ｇｄ2Ｏ3を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物から形成されるガラス繊維は、３４～４０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する。
ガラス組成物は、０～５．０質量％のＴａ2Ｏ5、０～７．０質量％のＧａ2Ｏ3、０～５．０質量％のＮｂ2Ｏ5、及び０～５．０質量％のＶ2Ｏ5を更に含み得る。
種々の例示的実施形態では、ガラス組成物は、実質的にＢ2Ｏ3不含である。
種々の例示的実施形態では、ガラス組成物は、０．１～３．５質量％のＬｉ2Ｏを含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、少なくとも１質量％のＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3の１種又は複数を組み合わせた量を含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、０．０５質量％のＳｍ2Ｏ3＋Ｇｄ2Ｏ3を含む。
【0007】
さらなる本発明概念の例示的態様は、５５．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ2；１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ2Ｏ3；１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；０．０～１．０質量％の量のＮａ2Ｏ；０．０～１．０質量％の量のＫ2Ｏ；１．０超～４．０質量％の量のＬｉ2Ｏ；０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ2；０～１０．０質量％の量のＹ2Ｏ3；０～１０．０質量％の量のＬａ2Ｏ3；０～２．５質量％の量のＣｅ2Ｏ3；及び０～４．０質量％の量のＳｃ2Ｏ3を含む組成物から形成されるガラス繊維に関する。ガラス繊維は、３４～４０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する。ガラス繊維は、少なくとも４，４００ＭＰａのＡＳＴＭ Ｄ２３４３－０９による引張強度を更に有する。
種々の例示的実施形態では、組成物は、１．５～３．５質量％のＬｉ2Ｏを含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、１．０～５．０質量％のＣａＯを含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、少なくとも１質量％のＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3の１種又は複数を組み合わせた量を含む。
さらなる例示的実施形態は、３５～３６．５ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有するガラス繊維に関する。
種々の例示的実施形態では、組成物は、１．５～３．５質量％のＬｉ2Ｏを含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、１．０～５．０質量％のＣａＯを含む。
種々の例示的実施形態では、組成物は、少なくとも１質量％のＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3の１種又は複数を組み合わせた量を含む。
さらなる例示的実施形態は、３５～３６．５ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有するガラス繊維に関する。
【0008】
またさらなる本発明概念の例示的態様は、溶融ガラス組成物を用意すること；及び融解組成物を、オリフィスを通して引いて連続ガラス繊維を形成することを含む、連続ガラス繊維の形成方法に関する。
またさらなる本発明概念の例示的態様は、ポリマーマトリックス；及び５８．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ2；１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ2Ｏ3；１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；０．０～１．０質量％の量のＮａ2Ｏ；０．０～１．０質量％の量のＫ2Ｏ；０．０～４．０質量％の量のＬｉ2Ｏ；０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ2；０～１０．０質量％の量のＹ2Ｏ3；０～１０．０質量％の量のＬａ2Ｏ3；０～２．５質量％の量のＣｅ2Ｏ3；及び０～４．０質量％の量のＳｃ2Ｏ3を含むガラス組成物から形成される複数のガラス繊維を含む強化複合材料製品に関する。
またさらなる本発明概念の例示的態様は、ポリマーマトリックス；及び５８．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ2；１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ2Ｏ3；１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；０．０～１．０質量％の量のＮａ2Ｏ；０．０～１．０質量％の量のＫ2Ｏ；０．０～４．０質量％の量のＬｉ2Ｏ；０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ2；０～１０．０質量％の量のＹ2Ｏ3；０～１０．０質量％の量のＬａ2Ｏ3；０～２．５質量％の量のＣｅ2Ｏ3；及び０～４．０質量％の量のＳｃ2Ｏ3を含むガラス組成物から形成される複数のガラス繊維を含む強化複合材料製品に関する。
【0009】
種々の例示的実施形態では、ガラス組成物は、２．１より大きい比率のＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）を含む。
ガラス繊維は、３４～４０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する。
いくつかの例示的実施形態では、強化複合材料製品は、風力タービンブレードの形態である。
本発明の前出及び他の目的、特徴、及び利点は、次の詳細な説明を考慮することにより以降で更に完全に明らかになろう。
ガラス繊維は、３４～４０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する。
いくつかの例示的実施形態では、強化複合材料製品は、風力タービンブレードの形態である。
本発明の前出及び他の目的、特徴、及び利点は、次の詳細な説明を考慮することにより以降で更に完全に明らかになろう。
【発明を実施するための形態】
【0010】
別に定めのない限り、本明細書で使われる全ての技術と科学用語は、これらの例示的実施形態が属する技術分野の当業者により一般に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で使用される用語は、例示的実施形態のみを説明する目的のためであり、例示的実施形態を制限することを意図していない。従って、一般的発明概念は、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。本明細書に記載されているものと類似又は同等の他の方法及び材料を本発明の実施又は試験に使用することが可能であるが、好ましい方法及び材料が本明細書で記載される。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈により別義が明示されない限り、複数形も同様に包含することが意図されている。
特に明示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される成分の量、化学的及び分子的特性、反応条件などを表す数値はすべて、あらゆる場合において、「約」という用語により修飾されるものとして理解されるべきである。従って、そうでない旨の指示がない限り、本明細書及び添付の範囲特許請求の範囲に記載される数値パラメーターは、本例示的実施形態によって得ようとする望ましい特性に応じて変更可能な近似値である。控えめに言っても、各数値パラメーターは、有効数字の数及び通常の丸め手法を適用して解釈すべきである。
例示的実施形態の広範な範囲を記載する数値範囲及びパラメーターは近似値であるが、特定の実施例で記載される数値は可能な限り正確に報告される。しかし、いずれの数値も、それらのそれぞれの試験測定で認められる標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を本質的に含む。本明細書及び特許請求の範囲を通して与えられる全ての数値範囲は、このようなより広い数値範囲に含まれる全てのより狭い数値的範囲を、あたかもこのようなより狭い数値的範囲が全て本明細書に明確に記載されるかのように含む。更に、実施例で報告されるいずれの数値も、本明細書で開示のより広い組成範囲の上端点又は下端点を決定するために使用し得る。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈により別義が明示されない限り、複数形も同様に包含することが意図されている。
特に明示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される成分の量、化学的及び分子的特性、反応条件などを表す数値はすべて、あらゆる場合において、「約」という用語により修飾されるものとして理解されるべきである。従って、そうでない旨の指示がない限り、本明細書及び添付の範囲特許請求の範囲に記載される数値パラメーターは、本例示的実施形態によって得ようとする望ましい特性に応じて変更可能な近似値である。控えめに言っても、各数値パラメーターは、有効数字の数及び通常の丸め手法を適用して解釈すべきである。
例示的実施形態の広範な範囲を記載する数値範囲及びパラメーターは近似値であるが、特定の実施例で記載される数値は可能な限り正確に報告される。しかし、いずれの数値も、それらのそれぞれの試験測定で認められる標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を本質的に含む。本明細書及び特許請求の範囲を通して与えられる全ての数値範囲は、このようなより広い数値範囲に含まれる全てのより狭い数値的範囲を、あたかもこのようなより狭い数値的範囲が全て本明細書に明確に記載されるかのように含む。更に、実施例で報告されるいずれの数値も、本明細書で開示のより広い組成範囲の上端点又は下端点を決定するために使用し得る。
【0011】
本開示は、改善された比弾性率を有する高性能ガラス組成物に関する。このようなガラス組成物は、より多くのエネルギーを生成するためのより長いブレードを必要としている風力タービンなどの風力製品の分野で特に関心を集めている。より長いブレードは、それらに加えられた力に破壊することなく、また過剰な追加の質量を付加することなく耐えるために、より高い比弾性率を有する材料を必要とする。対象のガラス組成物にはリチウム及び、任意選択で希土類元素酸化物を含む。更に、対象のガラス組成物は、この領域の他のガラス組成物より高レベルのマグネシウム及びアルミナを含む。
本明細書で開示のガラス組成物は、ガラス強化繊維の製造で広く使用されている従来の商業的に入手できる耐火物内張ガラス炉による融解に好適する。
本明細書で開示のガラス組成物は、ガラス強化繊維の製造で広く使用されている従来の商業的に入手できる耐火物内張ガラス炉による融解に好適する。
【0012】
ガラス組成物は、溶解装置中でガラス組成物の成分を融解して得られる融解形態であり得る。ガラス組成物は、低い繊維化温度を示し、この温度は、ＡＳＴＭ Ｃ９６５－９６（２００７）により測定して、約１０００ポアズの融解粘度に相当する温度と定義される。繊維化温度の低下は、ガラス繊維の製造コストを削減し得る。理由は、それがより長いブッシング寿命を可能とし、及びガラス組成物の成分の融解に必要なエネルギーの使用の低減を可能とするためである。従って、排出されるエネルギーは通常、多くの商業的に入手できるガラス配合物を融解するために必要なエネルギーより少ない。このようなより低いエネルギー要件はまた、ガラス組成物に関連する全体製造コストも下げ得る。
例えば、下段繊維化温度では、ブッシングはより低い温度で動作し、従って、通常認められる場合ほどは早く「サグ」しない。「サグ」は、ブッシングが高温で長時間保持されて確定した安定性を失う場合に起こる現象である。従って、繊維化温度を低下させることにより、ブッシングのサグ速度が低減され得、ブッシング寿命が最大化できる。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，４２７℃（２，６００°Ｆ）以下、１，３９９℃（２，５５０°Ｆ）以下、１３７１℃（２，５００°Ｆ）以下、１，３５４℃（２，４７０°Ｆ）以下、１，３２７℃（２，４２０°Ｆ）以下、１，３２１℃（２，４１０°Ｆ）以下、１，３１８℃（２，４０５°Ｆ）以下、１，３１６℃（２，４００°Ｆ）以下、及び１，３１０℃（２，３９０°Ｆ）以下、及び１，３０７（２，３８５°Ｆ）以下の繊維化温度を含む、１，４５４℃（２，６５０°Ｆ）未満の繊維化温度を有する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，３７１℃（２，５００°Ｆ）以下、及び１，２０４℃（２，２００°Ｆ）以下などの１，２６０℃（２，３００°Ｆ）以下の繊維化温度を有する。
例えば、下段繊維化温度では、ブッシングはより低い温度で動作し、従って、通常認められる場合ほどは早く「サグ」しない。「サグ」は、ブッシングが高温で長時間保持されて確定した安定性を失う場合に起こる現象である。従って、繊維化温度を低下させることにより、ブッシングのサグ速度が低減され得、ブッシング寿命が最大化できる。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，４２７℃（２，６００°Ｆ）以下、１，３９９℃（２，５５０°Ｆ）以下、１３７１℃（２，５００°Ｆ）以下、１，３５４℃（２，４７０°Ｆ）以下、１，３２７℃（２，４２０°Ｆ）以下、１，３２１℃（２，４１０°Ｆ）以下、１，３１８℃（２，４０５°Ｆ）以下、１，３１６℃（２，４００°Ｆ）以下、及び１，３１０℃（２，３９０°Ｆ）以下、及び１，３０７（２，３８５°Ｆ）以下の繊維化温度を含む、１，４５４℃（２，６５０°Ｆ）未満の繊維化温度を有する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，３７１℃（２，５００°Ｆ）以下、及び１，２０４℃（２，２００°Ｆ）以下などの１，２６０℃（２，３００°Ｆ）以下の繊維化温度を有する。
【0013】
ガラス組成物の別の繊維化特性は、液相温度である。液相温度は、液体ガラスとその一次結晶相との間で平衡が存在する最も高い温度と定義される。いくつかの事例では、液相温度は、ガラス組成物を白金合金ボート中で温度勾配に１６時間曝露することにより測定し得る（ＡＳＴＭ Ｃ８２９－８１（２００５））。液相温度を超える全ての温度で、ガラスは完全に融解し、すなわち、結晶を含まなくなる。液相温度より低い温度では、結晶が形成され得る。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，３１５℃（２，４００°Ｆ）以下、１，３０２℃（２，３７５°Ｆ）以下、１，２８８℃（２，３５０°Ｆ）以下、１，２７４℃（２，３２５°Ｆ）以下、１，２６３℃（２，３０５°Ｆ）以下、１，２６０℃（２，３００°Ｆ）以下、１，２５４℃（２，２９０°Ｆ）以下、１，２３２℃（２，２５０°Ｆ）以下、１，２１８℃（２，２２５°Ｆ）以下、及び１，２１３℃（２，２１５°Ｆ）以下の液相温度を含む、１，４２７℃（２，６００°Ｆ）未満の液相温度を有する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，１７７℃～１，３６６℃（２，１５０°Ｆ～２，４９０°Ｆ）、１，１９９℃～１，３４３℃（２，１９０°Ｆ～２，４５０°Ｆ）、及び１，２３２℃～１，３４３℃（２，２５０°Ｆ～２，４５０°Ｆ）を含む、１，１２１℃～１３９９℃（２，０５０°Ｆ～２，５５０°Ｆ）の液相温度を有する。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，３１５℃（２，４００°Ｆ）以下、１，３０２℃（２，３７５°Ｆ）以下、１，２８８℃（２，３５０°Ｆ）以下、１，２７４℃（２，３２５°Ｆ）以下、１，２６３℃（２，３０５°Ｆ）以下、１，２６０℃（２，３００°Ｆ）以下、１，２５４℃（２，２９０°Ｆ）以下、１，２３２℃（２，２５０°Ｆ）以下、１，２１８℃（２，２２５°Ｆ）以下、及び１，２１３℃（２，２１５°Ｆ）以下の液相温度を含む、１，４２７℃（２，６００°Ｆ）未満の液相温度を有する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１，１７７℃～１，３６６℃（２，１５０°Ｆ～２，４９０°Ｆ）、１，１９９℃～１，３４３℃（２，１９０°Ｆ～２，４５０°Ｆ）、及び１，２３２℃～１，３４３℃（２，２５０°Ｆ～２，４５０°Ｆ）を含む、１，１２１℃～１３９９℃（２，０５０°Ｆ～２，５５０°Ｆ）の液相温度を有する。
【0014】
第３の繊維化特性は、「ΔＴ」である。これは、繊維化温度と液相温度との間の差として定義される。ΔＴが小さすぎると、溶融ガラスは繊維化装置内で結晶化し、製造工程中に破断を生ずる可能性がある。ΔＴは、所与の形成粘度に対し、可能な限り大きいのが望ましい。理由は、それが、繊維化の間により大きな程度の柔軟性を与え、ガラス供給システム及び繊維化装置中の両方で失透を回避するのに役立つためである。更に、大きなΔＴは、より長いブッシング寿命及びより影響され難い成形工程を可能にすることによりガラス繊維の製造コストを低減する。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも－２９℃（－２０°Ｆ）を含む、少なくとも４．４℃（４０°Ｆ）を含む、及び少なくとも２７℃（８０°Ｆ）を含む、少なくとも３７．８℃（１００°Ｆ）を含む、少なくとも４３．３℃（１１０°Ｆ）、少なくとも４８．９℃（１２０°Ｆ）、少なくとも５７．２℃（１３５°Ｆ）、少なくとも６５．６℃（１５０°Ｆ）、及び少なくとも７６．７℃（１７０°Ｆ）を含む、少なくとも－５１℃（－６０°Ｆ）のΔＴを有する。種々の例示的実施形態では、ガラス組成物は、４８．９℃～９３．３℃（１２０°Ｆ～２００°Ｆ）、及び６５．６℃～１０２℃（１５０°Ｆ～２１５°Ｆ）を含む３７．８℃～１２１℃（１００°Ｆ～２５０°Ｆ）のΔＴを有する。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも－２９℃（－２０°Ｆ）を含む、少なくとも４．４℃（４０°Ｆ）を含む、及び少なくとも２７℃（８０°Ｆ）を含む、少なくとも３７．８℃（１００°Ｆ）を含む、少なくとも４３．３℃（１１０°Ｆ）、少なくとも４８．９℃（１２０°Ｆ）、少なくとも５７．２℃（１３５°Ｆ）、少なくとも６５．６℃（１５０°Ｆ）、及び少なくとも７６．７℃（１７０°Ｆ）を含む、少なくとも－５１℃（－６０°Ｆ）のΔＴを有する。種々の例示的実施形態では、ガラス組成物は、４８．９℃～９３．３℃（１２０°Ｆ～２００°Ｆ）、及び６５．６℃～１０２℃（１５０°Ｆ～２１５°Ｆ）を含む３７．８℃～１２１℃（１００°Ｆ～２５０°Ｆ）のΔＴを有する。
【0015】
ガラス組成物は、約５５．０～約６８．０質量％のＳｉＯ2、約１８．０～約２３．０質量％のＡｌ2Ｏ3、約９．０～約１４．０質量％のＭｇＯ、０～約９．０質量％のＣａＯ、０．０～約１．０質量％のＮａ2Ｏ、０～約１．０質量％のＫ2Ｏ、０～約４．０質量％のＴｉＯ2、０～約０．８質量％のＦｅ2Ｏ3、及び約０．０～約４．０質量％のＬｉ2Ｏを含み得る。ガラス組成物は、０～約１０．０質量％のＹ2Ｏ3、０～約１０．０質量％のＬａ2Ｏ3、０～約２．５質量％のＣｅ2Ｏ3；及び０～約４．０質量％のＳｃ2Ｏ3を更に含み得る。ガラス組成物は、０～約５．０質量％のＴａ2Ｏ5、０～約７．０質量％のＧａ2Ｏ3、０～約５．０質量％のＮｂ2Ｏ5、及び０～約５．０質量％のＶ2Ｏ5を更に含み得る。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約５９．０～約６５．０質量％のＳｉＯ2、約１８．３～約２２．０質量％のＡｌ2Ｏ3、約９．３～約１２．０質量％のＭｇＯ、約１．０～約８．５質量％のＣａＯ、約０．０１～約０．５質量％のＮａ2Ｏ、約０．０１～約０．５質量％のＫ2Ｏ、約０．０１～約３．５質量％のＴｉＯ2、約０．０１～約０．６質量％のＦｅ2Ｏ3、及び約０．１～約３．５質量％のＬｉ2Ｏを含み得る。いくつかの実施形態では、ガラス組成物は、ＺｒＯ2不含である。ガラス組成物は、約０．０１～約７．０質量％のＹ2Ｏ3、約０．０１～約４．０質量％のＬａ2Ｏ3、約０．０１～約２．０質量％のＣｅ2Ｏ3、及び約０．０１～約３．５質量％のＳｃ2Ｏ3を更に含み得る。ガラス組成物は、約０．０１～約４．０質量％のＴａ2Ｏ5、約０．０１～約６．０質量％のＧａ2Ｏ3、約０．０１～約４．０質量％のＮｂ2Ｏ5及び約０．０１～約４．０質量％のＶ2Ｏ5を更に含み得る。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約５９．０～約６５．０質量％のＳｉＯ2、約１８．３～約２２．０質量％のＡｌ2Ｏ3、約９．３～約１２．０質量％のＭｇＯ、約１．０～約８．５質量％のＣａＯ、約０．０１～約０．５質量％のＮａ2Ｏ、約０．０１～約０．５質量％のＫ2Ｏ、約０．０１～約３．５質量％のＴｉＯ2、約０．０１～約０．６質量％のＦｅ2Ｏ3、及び約０．１～約３．５質量％のＬｉ2Ｏを含み得る。いくつかの実施形態では、ガラス組成物は、ＺｒＯ2不含である。ガラス組成物は、約０．０１～約７．０質量％のＹ2Ｏ3、約０．０１～約４．０質量％のＬａ2Ｏ3、約０．０１～約２．０質量％のＣｅ2Ｏ3、及び約０．０１～約３．５質量％のＳｃ2Ｏ3を更に含み得る。ガラス組成物は、約０．０１～約４．０質量％のＴａ2Ｏ5、約０．０１～約６．０質量％のＧａ2Ｏ3、約０．０１～約４．０質量％のＮｂ2Ｏ5及び約０．０１～約４．０質量％のＶ2Ｏ5を更に含み得る。
【0016】
ガラス組成物は、少なくとも５０質量％で、約７５質量％以下のＳｉＯ2を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも５７質量％、少なくとも５８質量％、少なくとも５８．５質量％、及び少なくとも５９質量％を含む、少なくとも約５５質量％のＳｉＯ2を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、６８質量％以下、６５．５質量％以下、６３質量％、６１質量％以下、及び６０．５質量％以下を含む、約７０質量％以下のＳｉＯ2を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約５９質量％～約６８質量％、又は約６０質量％～約６５質量％のＳｉＯ2を含む。
所望の機械的な特性及び繊維化特性の両方を達成するために、ガラス組成物の１つの重要な態様は、少なくとも約１６．０質量％で、約２５質量％以下のＡｌ2Ｏ3濃度を有することである。約２５質量％を超えるＡｌ2Ｏ3の含有は、ガラスの液相線を、繊維化温度を超えるレベルまで上昇させ、これは、負のΔＴをもたらす。１７質量％未満のＡｌ2Ｏ3の含有は、好ましくない低い弾性率のガラス繊維を形成する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも１８．０質量％、少なくとも１９．０質量％、少なくとも１９．５質量％、及び少なくとも２０．０質量％を含む、少なくとも約１７．０質量％のＡｌ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約１８．８～約２２質量％のＡｌ2Ｏ3を含む、約１８．３～約２３質量％のＡｌ2Ｏ3を含む。
所望の機械的な特性及び繊維化特性の両方を達成するために、ガラス組成物の１つの重要な態様は、少なくとも約１６．０質量％で、約２５質量％以下のＡｌ2Ｏ3濃度を有することである。約２５質量％を超えるＡｌ2Ｏ3の含有は、ガラスの液相線を、繊維化温度を超えるレベルまで上昇させ、これは、負のΔＴをもたらす。１７質量％未満のＡｌ2Ｏ3の含有は、好ましくない低い弾性率のガラス繊維を形成する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも１８．０質量％、少なくとも１９．０質量％、少なくとも１９．５質量％、及び少なくとも２０．０質量％を含む、少なくとも約１７．０質量％のＡｌ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約１８．８～約２２質量％のＡｌ2Ｏ3を含む、約１８．３～約２３質量％のＡｌ2Ｏ3を含む。
【0017】
ガラス組成物は、有利には、少なくとも約８．０質量％で、約１５質量％以下のＭｇＯを更に含む。約１５質量％を超えるＭｇＯの含有は、液相温度を高め、これは、ガラスの結晶化の傾向を高めることにもなる。約８．０質量％未満の含有は、ＣａＯに置換されると、好ましくない低い弾性率のガラス繊維を形成し、ＳｉＯ2により置換されると粘度の好ましくない上昇が伴う。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも９．２質量％、少なくとも９．５質量％、少なくとも１０質量％、少なくとも１１質量％、少なくとも１１．２５質量％、少なくとも１２．５質量％、及び少なくとも１３質量％のＭｇＯを含む、少なくとも約９．０質量％のＭｇＯを含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約９．３質量％～約１４質量％、又は約９．６質量％～約１２質量％のＭｇＯ濃度を含む。
ガラス組成物は、最大約１０．０質量％までの濃度のＣａＯを任意に含んでもよい。約１０質量％を超えるＣａＯの含有は、所望より低い弾性率のガラスを形成する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも０．５～８．８質量％、１．０～８．５質量％、１．５～８．０質量％、及び２．０～５．５質量％を含む、０～約９質量％のＣａＯを含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１．０質量％～５．５質量％のＣａＯ濃度を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ＭｇＯ及びＣａＯの合計濃度は、１２．０質量％～２０質量％、及び１４質量％～１９．５質量％を含む、少なくとも約１０質量％で、約２２質量％以下である。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＴｉＯ2を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１質量％～約３．５質量％及び約０．１～約０．７５質量％を含む、０質量％～約４．０質量％のＴｉＯ2を含む。
ガラス組成物は、最大約１．０質量％までのＦｅ2Ｏ3を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１質量％～約０．６質量％及び約０．１～約０．３５質量％を含む、０質量％～約０．８質量％のＦｅ2Ｏ3を含む。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＬｉ2Ｏを含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．１質量％～約３．５質量％及び約０．５～約３．０質量％を含む、約０．０質量％～約４．０質量％のＬｉ2Ｏを含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約１．０～約４．０質量％のＬｉ2Ｏ、又は約１．５～約３．８質量％のＬｉ2Ｏを含む。
ガラス組成物は、最大約１０．０質量％までの濃度のＣａＯを任意に含んでもよい。約１０質量％を超えるＣａＯの含有は、所望より低い弾性率のガラスを形成する。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも０．５～８．８質量％、１．０～８．５質量％、１．５～８．０質量％、及び２．０～５．５質量％を含む、０～約９質量％のＣａＯを含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、１．０質量％～５．５質量％のＣａＯ濃度を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ＭｇＯ及びＣａＯの合計濃度は、１２．０質量％～２０質量％、及び１４質量％～１９．５質量％を含む、少なくとも約１０質量％で、約２２質量％以下である。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＴｉＯ2を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１質量％～約３．５質量％及び約０．１～約０．７５質量％を含む、０質量％～約４．０質量％のＴｉＯ2を含む。
ガラス組成物は、最大約１．０質量％までのＦｅ2Ｏ3を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１質量％～約０．６質量％及び約０．１～約０．３５質量％を含む、０質量％～約０．８質量％のＦｅ2Ｏ3を含む。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＬｉ2Ｏを含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．１質量％～約３．５質量％及び約０．５～約３．０質量％を含む、約０．０質量％～約４．０質量％のＬｉ2Ｏを含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約１．０～約４．０質量％のＬｉ2Ｏ、又は約１．５～約３．８質量％のＬｉ2Ｏを含む。
【0018】
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、０～約１．５質量％、０．０５～０．７５質量％、及び０．１～０．３質量％を含む、約２．０未満の質量％のアルカリ金属酸化物Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏを含む。ガラス組成物は、各酸化物が約０．０１質量％をそれぞれ超える量のＮａ2Ｏ及びＫ2Ｏの両方を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約０．５質量％、約０．０３～約０．３質量％、及び０．０４～約０．１５質量％を含む、約０～約１質量％のＮａ2Ｏを含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約０．５質量％、約０．０３～約０．３質量％、及び０．０４～約０．１５質量％を含む、約０～約１質量％のＫ2Ｏを含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、０．７５質量％未満、又は０．５０質量％未満などの１．０質量％未満のＫ2Ｏを含む。
【0019】
ガラス組成物は、最大約１．５質量％までのＺｒＯ2を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約０．８質量％及び約０．１～約０．５質量％を含む、約０．０１質量％～約１．０質量％のＺｒＯ2を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、０～１０．０質量％、又は１．０～７．０質量％を含む、最大約１０．０質量％の希土類元素酸化物Ｙ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3（「Ｒ2Ｏ3」」を含む。ガラス組成物は、約０．０１質量％を超える量のいずれかのＲ2Ｏ3酸化物を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約７．０質量％、約０．０５～約４．０質量％、及び０．８～約３．５質量％を含む、約０～約１０質量％のＹ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約４．０質量％、約０．０５～約３．５質量％、及び０．１～約３．０質量％を含む、約０～約１０質量％のＬａ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約２．０質量％、約０．０５～約１．８質量％、及び０．１～約１．５質量％を含む、約０～約２．５質量％のＣｅ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約３．５質量％、約０．０５～約３．２質量％、及び０．１～約３．０質量％を含む、約０～約４質量％のＳｃ2Ｏ3を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも１．５質量％、少なくとも１．７５質量％、少なくとも２．０質量％、少なくとも２．１質量％、少なくとも２．２質量％、及び少なくとも２．５質量％を含む、少なくとも１．０質量％であるＣｅＯ2＋Ｓｃ2Ｏ3の合計濃度を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、０～１０．０質量％、又は１．０～７．０質量％を含む、最大約１０．０質量％の希土類元素酸化物Ｙ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、及びＳｃ2Ｏ3（「Ｒ2Ｏ3」」を含む。ガラス組成物は、約０．０１質量％を超える量のいずれかのＲ2Ｏ3酸化物を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約７．０質量％、約０．０５～約４．０質量％、及び０．８～約３．５質量％を含む、約０～約１０質量％のＹ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約４．０質量％、約０．０５～約３．５質量％、及び０．１～約３．０質量％を含む、約０～約１０質量％のＬａ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約２．０質量％、約０．０５～約１．８質量％、及び０．１～約１．５質量％を含む、約０～約２．５質量％のＣｅ2Ｏ3を含む。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１～約３．５質量％、約０．０５～約３．２質量％、及び０．１～約３．０質量％を含む、約０～約４質量％のＳｃ2Ｏ3を含む。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも１．５質量％、少なくとも１．７５質量％、少なくとも２．０質量％、少なくとも２．１質量％、少なくとも２．２質量％、及び少なくとも２．５質量％を含む、少なくとも１．０質量％であるＣｅＯ2＋Ｓｃ2Ｏ3の合計濃度を含む。
【0020】
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＴａ2Ｏ5を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約３．５質量％及び約０．１～約３．０質量％を含む、約０．０１質量％～約４．０質量％のＴａ2Ｏ5を含む。
ガラス組成物は、最大約７．０質量％までのＧａ2Ｏ3を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約５．５質量％及び約０．１～約５．０質量％を含む、約０．０１質量％～約６．０質量％のＧａ2Ｏ3を含む。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＮｂ2Ｏ5を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約３．５質量％及び約０．１～約３．０質量％を含む、約０．０１質量％～約４．０質量％のＮｂ2Ｏ5を含む。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＶ2Ｏ5を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約３．５質量％及び約０．１～約３．０質量％を含む、約０．０１質量％～約４．０質量％のＶ2Ｏ5を含む。
ガラス組成物は、最大約１．０質量％までのＳｍ2Ｏ3及び／又はＧｄ2Ｏ3を含み得る。しかし、種々の例示的実施形態は、Ｓｍ2Ｏ3及びＧｄ2Ｏ3の合計濃度を０．１質量％未満、及び０．０５質量％未満などの０．５質量％未満に制限する。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＺｎＯを含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１質量％～約２．０質量％及び約０．１～約１．０質量％を含む、０質量％～約２．５質量％のＺｎＯを含む。
ガラス組成物は、最大約７．０質量％までのＧａ2Ｏ3を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約５．５質量％及び約０．１～約５．０質量％を含む、約０．０１質量％～約６．０質量％のＧａ2Ｏ3を含む。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＮｂ2Ｏ5を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約３．５質量％及び約０．１～約３．０質量％を含む、約０．０１質量％～約４．０質量％のＮｂ2Ｏ5を含む。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＶ2Ｏ5を含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０５質量％～約３．５質量％及び約０．１～約３．０質量％を含む、約０．０１質量％～約４．０質量％のＶ2Ｏ5を含む。
ガラス組成物は、最大約１．０質量％までのＳｍ2Ｏ3及び／又はＧｄ2Ｏ3を含み得る。しかし、種々の例示的実施形態は、Ｓｍ2Ｏ3及びＧｄ2Ｏ3の合計濃度を０．１質量％未満、及び０．０５質量％未満などの０．５質量％未満に制限する。
ガラス組成物は、最大約５．０質量％までのＺｎＯを含み得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、約０．０１質量％～約２．０質量％及び約０．１～約１．０質量％を含む、０質量％～約２．５質量％のＺｎＯを含む。
【0021】
本発明のガラス組成物は、Ｂ2Ｏ3及びフッ素を不含、又は実質的に不含であり得るが、いずれかを少量添加して、繊維化及び完成品ガラス特性を調節してもよく、以下のいくつかのパーセントが維持される場合、特性に悪影響を与えないであろう。本明細書で使用される場合、「実質的にＢ2Ｏ3及びフッ素不含」は、存在するＢ2Ｏ3及びフッ素の合計が、組成物の１．０質量％未満であることを意味する。存在するＢ2Ｏ3及びフッ素の合計が、組成物の、約０．２質量％未満、約０．１質量％未満、及び約０．０５質量％未満を含む、約０．５質量％未満であってもよい。
ガラス組成物は、ガラス又は繊維に悪影響を及ぼすことなく、不純物及び／又は微量の材料を更に含み得る。これらの不純物は、ガラス中に原材料不純物として入り得、又は溶融ガラスと炉成分との化学反応により形成された生成物であり得る。微量材料の非限定的例には、ストロンチウム、バリウム、及びこれらの組み合わせが含まれる。微量材料は、それらの酸化物形態中にも存在し得、また、フッ素及び／又は塩素を更に含み得る。いくつかの例示的実施形態では、本発明のガラス組成物は、０．５質量％未満、０．２質量％未満、及び０．１質量％未満を含む、約１．０質量％以下のＢａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、及びＳＯ3をそれぞれ含む。特に、少しでも存在する場合は、約５．０質量％未満のＢａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、及び／又はＳＯ3の組み合わせを含み得、ガラス組成物は、各ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、及びＳＯ3は、１．０質量％未満の量で存在する。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも１．７、少なくとも２．０、少なくとも２．１、少なくとも２．２、少なくとも２．３を含む、少なくとも１．５の比率のＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）を含む。
ガラス組成物は、ガラス又は繊維に悪影響を及ぼすことなく、不純物及び／又は微量の材料を更に含み得る。これらの不純物は、ガラス中に原材料不純物として入り得、又は溶融ガラスと炉成分との化学反応により形成された生成物であり得る。微量材料の非限定的例には、ストロンチウム、バリウム、及びこれらの組み合わせが含まれる。微量材料は、それらの酸化物形態中にも存在し得、また、フッ素及び／又は塩素を更に含み得る。いくつかの例示的実施形態では、本発明のガラス組成物は、０．５質量％未満、０．２質量％未満、及び０．１質量％未満を含む、約１．０質量％以下のＢａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、及びＳＯ3をそれぞれ含む。特に、少しでも存在する場合は、約５．０質量％未満のＢａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、及び／又はＳＯ3の組み合わせを含み得、ガラス組成物は、各ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｐ2Ｏ5、及びＳＯ3は、１．０質量％未満の量で存在する。
いくつかの例示的実施形態では、ガラス組成物は、少なくとも１．７、少なくとも２．０、少なくとも２．１、少なくとも２．２、少なくとも２．３を含む、少なくとも１．５の比率のＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）を含む。
【0022】
本明細書で使用される場合、「質量パーセント（ｗｅｉｇｈｔ ｐｅｒｃｅｎｔ）」、「質量％（％ ｂｙ ｗｅｉｇｈｔ）」、「ｗｔ．％（ｗｔ．％）」及び「質量％（ｐｅｒｃｅｎｔ ｂｙ ｗｅｉｇｈｔ）」という用語は、同じ意味で用いられ、総組成物を基準にした質量パーセント（ｗｅｉｇｈｔ ｐｅｒｃｅｎｔ）（又は質量パーセント（ｐｅｒｃｅｎｔ ｂｙ ｗｅｉｇｈｔ））を表すことを意味する。
上記で示したように、本発明のガラス組成物は、意外にも、最適化された比弾性率を示し、同時に、所望の形成特性を維持することを示す。
上記で示したように、本発明のガラス組成物は、意外にも、最適化された比弾性率を示し、同時に、所望の形成特性を維持することを示す。
【0023】
繊維引張強度は、本明細書では単に「強度」とも呼ばれる。いくつかの例示的実施形態では、引張強度は、ＡＳＴＭ Ｄ２３４３－０９に準拠して、インストロン引張試験装置を用いて、初期の状態の繊維（すなわち、サイジングされていない、無傷の研究室作製繊維）で測定される。上記発明のガラス組成物から形成した例示的ガラス繊維は、少なくとも４，０００ＭＰａ、少なくとも４，４００ＭＰａ、少なくとも４，５００ＭＰａ、少なくとも４，８００ＭＰａ、少なくとも４，９００ＭＰａ、少なくとも４，９５０ＭＰａ、少なくとも５，０００ＭＰａを含む、少なくとも５，１００ＭＰａ、少なくとも５，１５０ＭＰａ、及び少なくとも５，２００ＭＰａを含む、少なくとも約３，５００ＭＰａの繊維引張強度を有し得る。いくつかの例示的実施形態では、上記の組成物から形成したガラス繊維は、約４，０００ＭＰａ～約５，３５０ＭＰａ、約４，６００ＭＰａ～約５，３１５ＭＰａを含む、約３，５００ＭＰａ～約５，５００ＭＰａの繊維引張強度を有する。有利には、本明細書で開示の組成パラメーターの組み合わせは、少なくとも４，９００ＭＰａ、及び少なくとも５，０００ＭＰａを含む、少なくとも約４，８００ＭＰａの引張強度を有するガラス繊維を作製することを可能にする。このような強度は、所望の繊維化特性を有するガラス組成物の先行技術によりまだ達成されたことがない。
【0024】
ガラス繊維の弾性率は、報告書「Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｄｒａｗｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ａｔ ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．Ｎａｖａｌ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ」報告書番号ＮＯＬＴＲ６５－８７、１９６５年６月２３日、に概要が記載されている音響測定法により測定された５本の単一ガラス繊維に対する平均測定値を取得することにより決定され得る。
本発明のガラス組成物から形成される例示的ガラス繊維は、少なくとも約８８ＧＰａ、少なくとも約８８．５ＧＰａ、少なくとも約８９ＧＰａ、及び少なくとも約８９．５ＧＰａを含む、少なくとも約８５ＧＰａの弾性率を有し得る。いくつかの例示的実施形態では、本発明のガラス組成物から形成される例示的ガラス繊維は、約８７ＧＰａ～約１００ＧＰａ及び約８８ＧＰａ～約９８ＧＰａを含む、約８５ＧＰａ～約１１５ＧＰａの弾性率を有する。
弾性率は、その後、比弾性率を決定するために使用し得る。最終製品に剛性を付与する軽量複合材料を得るために可能な限り高い比弾性率を有することが望ましい。比弾性率は、風力エネルギー及び航空宇宙用途などの製品の剛性が重要なパラメーターである用途では、重要である。本明細書で使用される場合、比弾性率は次の式により計算される：
比弾性率（ＭＪ／ｋｇ）＝弾性率（ＧＰａ）／密度（ｋｇ／立方メートル）
本発明のガラス組成物から形成される例示的ガラス繊維は、約３４．５ＭＪ／ｋｇ～約３７ＭＪ／ｋｇ、及び約３５．８ＭＪ／ｋｇ～約３６．５ＭＪ／ｋｇを含む、約３３．０ＭＪ／ｋｇ～約４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する。
本発明のガラス組成物から形成される例示的ガラス繊維は、少なくとも約８８ＧＰａ、少なくとも約８８．５ＧＰａ、少なくとも約８９ＧＰａ、及び少なくとも約８９．５ＧＰａを含む、少なくとも約８５ＧＰａの弾性率を有し得る。いくつかの例示的実施形態では、本発明のガラス組成物から形成される例示的ガラス繊維は、約８７ＧＰａ～約１００ＧＰａ及び約８８ＧＰａ～約９８ＧＰａを含む、約８５ＧＰａ～約１１５ＧＰａの弾性率を有する。
弾性率は、その後、比弾性率を決定するために使用し得る。最終製品に剛性を付与する軽量複合材料を得るために可能な限り高い比弾性率を有することが望ましい。比弾性率は、風力エネルギー及び航空宇宙用途などの製品の剛性が重要なパラメーターである用途では、重要である。本明細書で使用される場合、比弾性率は次の式により計算される：
比弾性率（ＭＪ／ｋｇ）＝弾性率（ＧＰａ）／密度（ｋｇ／立方メートル）
本発明のガラス組成物から形成される例示的ガラス繊維は、約３４．５ＭＪ／ｋｇ～約３７ＭＪ／ｋｇ、及び約３５．８ＭＪ／ｋｇ～約３６．５ＭＪ／ｋｇを含む、約３３．０ＭＪ／ｋｇ～約４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する。
【0025】
密度は、当該技術分野において既知の、一般に認められている任意の方法、例えば、未アニールバルクガラスを用いたアルキメデス法（ＡＳＴＭ Ｃ６９３－９３（２００８））などにより測定され得る。ガラス繊維は、約２．０～約３．０ｇ／ｃｃの密度を有する。他の代表的実施形態では、ガラス繊維は、約２．４～約２．７８ｇ／ｃｃ、及び約２．４９～約２．７５ｇ／ｃｃを含む、約２．３～約２．８ｇ／ｃｃの密度を有する。
いくつかの代表的実施形態では、上記ガラス組成物からガラス繊維を作製する方法が提供される。ガラス繊維は、当該技術分野において既知で、従来から使用されているいずれかの手段で形成し得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス繊維は、原料成分を入手し、適切な量の成分を混合して、所望の質量％の最終組成物を得ることにより形成される。方法は、融解形態の本発明のガラス組成物を用意し、その融解組成物をブッシング中のオリフィスを通して引いてガラス繊維を形成することを更に含む。
ガラス組成物の成分は、限定されないが、ＳｉＯ2の場合は砂又は葉蝋石、ＣａＯの場合は石灰岩、生石灰、ウォラストナイト、又はドロマイト、Ａｌ2Ｏ3の場合はカオリン、アルミナ又は葉蝋石、ＭｇＯの場合はドロマイト、軽焼ドロマイト、水滑石、エンスタタイト、滑石、焼きマグネサイト、又はマグネサイト、及びＮａ2Ｏの場合は炭酸ナトリウム、ナトリウム長石又は硫酸ナトリウムを含む好適な成分又は原材料から得られ得る。いくつかの例示的実施形態では、粉砕ガラス屑を用いて、１種又は複数の必要な酸化物を供給し得る。
混合バッチは、その後、炉中で又は溶解装置中で融解され、得られた溶融ガラスはフォアハースに沿って通され、フォアハースの底部に配置されたブッシングのオリフィスを通して引かれて、個別のガラスフィラメントが形成される。いくつかの例示的実施形態では、炉又は溶解装置は従来の耐熱性溶解装置である。耐熱性ブロックから形成された耐熱性タンクを利用することにより、本発明の組成物により製造されるガラス繊維の製造に関連する製造コストが削減され得る。いくつかの例示的実施形態では、ブッシングは白金合金系のブッシングである。その後、個別のフィラメントを一緒に集めることによりガラス繊維のストランドが形成され得る。繊維ストランドは、巻き取られ、目的の用途に好適する従来の方式で更に処理され得る。
いくつかの代表的実施形態では、上記ガラス組成物からガラス繊維を作製する方法が提供される。ガラス繊維は、当該技術分野において既知で、従来から使用されているいずれかの手段で形成し得る。いくつかの例示的実施形態では、ガラス繊維は、原料成分を入手し、適切な量の成分を混合して、所望の質量％の最終組成物を得ることにより形成される。方法は、融解形態の本発明のガラス組成物を用意し、その融解組成物をブッシング中のオリフィスを通して引いてガラス繊維を形成することを更に含む。
ガラス組成物の成分は、限定されないが、ＳｉＯ2の場合は砂又は葉蝋石、ＣａＯの場合は石灰岩、生石灰、ウォラストナイト、又はドロマイト、Ａｌ2Ｏ3の場合はカオリン、アルミナ又は葉蝋石、ＭｇＯの場合はドロマイト、軽焼ドロマイト、水滑石、エンスタタイト、滑石、焼きマグネサイト、又はマグネサイト、及びＮａ2Ｏの場合は炭酸ナトリウム、ナトリウム長石又は硫酸ナトリウムを含む好適な成分又は原材料から得られ得る。いくつかの例示的実施形態では、粉砕ガラス屑を用いて、１種又は複数の必要な酸化物を供給し得る。
混合バッチは、その後、炉中で又は溶解装置中で融解され、得られた溶融ガラスはフォアハースに沿って通され、フォアハースの底部に配置されたブッシングのオリフィスを通して引かれて、個別のガラスフィラメントが形成される。いくつかの例示的実施形態では、炉又は溶解装置は従来の耐熱性溶解装置である。耐熱性ブロックから形成された耐熱性タンクを利用することにより、本発明の組成物により製造されるガラス繊維の製造に関連する製造コストが削減され得る。いくつかの例示的実施形態では、ブッシングは白金合金系のブッシングである。その後、個別のフィラメントを一緒に集めることによりガラス繊維のストランドが形成され得る。繊維ストランドは、巻き取られ、目的の用途に好適する従来の方式で更に処理され得る。
【0026】
溶解装置、フォアハース、及びブッシング中のガラスの作業温度は、ガラスの粘度を適切に調節するように選択され、制御装置などの好適な方法を用いて維持され得る。溶解装置の前端部の温度は自動的に制御され、失透を減らす、又は除去され得る。溶融ガラスはその後、ブッシングの底部又は先端プレートの孔又はオリフィスを通して引かれ、ガラス繊維が形成され得る。いくつかの例示的実施形態では、ブッシングオリフィスを通して流れ出る絶え間なく続く溶融ガラスは、複数の個別のフィラメントから形成されたストランドを巻線機の回転可能コレット上に取り付けられた巻管に巻き取ることにより、フィラメントに対し減速される、又は適応速度で細断される。本発明のガラス繊維は、本明細書記載のいずれかの方法により、又はガラス繊維形成のための任意の既知の方法により、得ることができる。
【0027】
繊維は、目的の用途に好適する従来の方式で更に処理され得る。例えば、いくつかの例示的実施形態では、ガラス繊維は当業者に既知のサイジング組成物でサイジングされる。サイジング組成物は、全く限定されたものではなく、ガラス繊維への適用に好適する任意のサイジング組成物でよい。サイジングされた繊維は、製品の最終用途が高強度及び剛性及び軽量を必要とする種々のプラスチックなどの基材の強化に使用し得る。このような用途には、限定されないが、風力タービンブレード；強化コンクリート、橋、などの社会基盤構造物；及び航空宇宙構造物の形成に使用するための織物類が挙げられる。
これに関して、本発明のいくつかの例示的実施形態としては、硬化性マトリックス材料と組み合わせた、上述の本発明のガラス繊維を組み込んだ複合材料が挙げられる。これは、本明細書においては、強化複合材料製品とも呼ばれる。マトリックス材料は、限定されないが、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、及びポリブチレンなどの熱可塑性樹脂；及びエポキシ樹脂類、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、ビニルエステル、及びエラストマーなどの熱硬化性樹脂などの当業者に既知の任意の好適な熱可塑性又は熱硬化性樹脂であり得る。これらの樹脂は、単独又は組み合わせて使用し得る。強化複合材料製品は、風力タービン、鉄筋、パイプ、フィラメントワインディング、マフラー充填剤、吸音材、などに使用し得る。
さらなる例示的実施形態では、本発明は、上述の複合材料製品の作製方法を提供する。方法は、少なくとも１種のポリマーマトリックス材料を複数のガラス繊維と組み合わせることを含み得る。ポリマーマトリックス材料及びガラス繊維の両方は、上述の通りであり得る。
これに関して、本発明のいくつかの例示的実施形態としては、硬化性マトリックス材料と組み合わせた、上述の本発明のガラス繊維を組み込んだ複合材料が挙げられる。これは、本明細書においては、強化複合材料製品とも呼ばれる。マトリックス材料は、限定されないが、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、及びポリブチレンなどの熱可塑性樹脂；及びエポキシ樹脂類、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、ビニルエステル、及びエラストマーなどの熱硬化性樹脂などの当業者に既知の任意の好適な熱可塑性又は熱硬化性樹脂であり得る。これらの樹脂は、単独又は組み合わせて使用し得る。強化複合材料製品は、風力タービン、鉄筋、パイプ、フィラメントワインディング、マフラー充填剤、吸音材、などに使用し得る。
さらなる例示的実施形態では、本発明は、上述の複合材料製品の作製方法を提供する。方法は、少なくとも１種のポリマーマトリックス材料を複数のガラス繊維と組み合わせることを含み得る。ポリマーマトリックス材料及びガラス繊維の両方は、上述の通りであり得る。
【0028】
実施例
本発明による例示的ガラス組成物を、下表１～８に記載の酸化物質量％を有する最終ガラス組成を達成するように合わせた量のバッチ成分を混合することにより作製した。
原材料を電気加熱炉中の白金るつぼで、１，６５０℃で３時間融解した。
繊維化温度を「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ａｂｏｖｅ ｔｈｅ Ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ」と題するＡＳＴＭ Ｃ９６５－９６（２００７）に記載のようにして、回転シリンダー法で測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。液相温度は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄｕｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｇｌａｓｓ」と題するＡＳＴＭ Ｃ８２９－８１（２００５）で定義のようにして、ガラスを白金合金ボート中で温度勾配に１６時間曝露することにより測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。密度は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ｂｕｏｙａｎｃｙ」と題するＡＳＴＭ Ｃ６９３－９３（２００８）に詳述のようにして、アルキメデス法により測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明による例示的ガラス組成物を、下表１～８に記載の酸化物質量％を有する最終ガラス組成を達成するように合わせた量のバッチ成分を混合することにより作製した。
原材料を電気加熱炉中の白金るつぼで、１，６５０℃で３時間融解した。
繊維化温度を「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ａｂｏｖｅ ｔｈｅ Ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ」と題するＡＳＴＭ Ｃ９６５－９６（２００７）に記載のようにして、回転シリンダー法で測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。液相温度は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄｕｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｇｌａｓｓ」と題するＡＳＴＭ Ｃ８２９－８１（２００５）で定義のようにして、ガラスを白金合金ボート中で温度勾配に１６時間曝露することにより測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。密度は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ｂｕｏｙａｎｃｙ」と題するＡＳＴＭ Ｃ６９３－９３（２００８）に詳述のようにして、アルキメデス法により測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【0029】
比弾性率は、ＧＰａ単位の測定した弾性率を、ｋｇ／ｍ3の単位の密度で除算することにより計算した。
強度は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｓｔｒａｎｄｓ，Ｙａｒｎｓ，ａｎｄ Ｒｏｖｉｎｇｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ」と題するＡＳＴＭ Ｄ２３４３－０９に従って、初期の状態の繊維を用いて、インストロン引張試験装置で測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。
強度は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｓｔｒａｎｄｓ，Ｙａｒｎｓ，ａｎｄ Ｒｏｖｉｎｇｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ」と題するＡＳＴＭ Ｄ２３４３－０９に従って、初期の状態の繊維を用いて、インストロン引張試験装置で測定した。このＡＳＴＭの内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【表1】
【表2】
【表3-1】
【表3-2】
【表4-1】
【表4-2】
【表5-1】
【表5-2】
【表6-1】
【表6-2】
【表7-1】
【表7-2】
【表8-1】
【表8-2】
【0030】
表１～８は、本発明のガラスが市販の高性能ガラス（比較例）に比較して改善された比弾性率を有することを示す。比較例は、３３．５ＭＪ／ｋｇの比弾性率を示し、これは、本発明のいずれの組成物で認められる最小比弾性率より低い。有益なことに、本発明の組成物のそれぞれは、少なくとも３４ＭＪ／ｋｇの比弾性率、更には、少なくとも３５ＭＪ／ｋｇの比弾性率を示す。
【0031】
本出願の発明を一般的及び特定の実施形態の両方に関して記述してきた。本発明は、好ましい実施形態と考えられるものについて記載してきたが、一般的開示の範囲内で当業者に既知の多種多様の代替物を選択可能である。本発明は、以降で記載される特許請求の範囲の詳細説明を除き、限定されるものではない。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕５８．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ 2 ；
１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ 2 Ｏ 3 ；
１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＳｒＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ 2 Ｏ；
０．０～１．０未満の質量％の量のＫ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＬｉ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ 2 ；
０～１０．０質量％の量のＹ 2 Ｏ 3 ；
０～１０．０質量％の量のＬａ 2 Ｏ 3 ；
０～２．５質量％の量のＣｅ 2 Ｏ 3 ；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ 2 Ｏ 3 を含むガラス組成物であって、２．１より大きいＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）比を有し、前記ガラス組成物から形成されるガラス繊維が３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、ガラス組成物。
〔２〕０～約５．０質量％のＴａ 2 Ｏ 5 ；
０～約７．０質量％のＧａ 2 Ｏ 3 ；
０～約５．０質量％のＮｂ 2 Ｏ 5 ；及び
０～約５．０質量％のＶ 2 Ｏ 5 、を更に含む、前記〔１〕に記載のガラス組成物。
〔３〕前記組成物が、１．０～３．５質量％のＹ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔２〕に記載のガラス組成物。
〔４〕前記ＭｇＯ及びＣａＯの組み合わせた量が、１２．０～２０質量％である、前記〔１〕～〔３〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔５〕前記組成物が、１８．３～２２．０質量％のＡｌ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔１〕～〔４〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔６〕前記組成物が、Ｂ 2 Ｏ 3 、Ｆ、Ｋ 2 Ｏ、及びＮａ 2 Ｏの内の１種又は複数を実質的に含まない、前記〔１〕～〔５〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔７〕前記組成物が、０．１～３．５質量％のＬｉ 2 Ｏを含む、前記〔１〕～〔６〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔８〕前記組成物が、０．０５質量％未満のＳｍ 2 Ｏ 3 ＋Ｇｄ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔１〕～〔７〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔９〕前記組成物が、少なくとも１質量％のＹ 2 Ｏ 3 、Ｌａ 2 Ｏ 3 、Ｃｅ 2 Ｏ 3 、及びＳｃ 2 Ｏ 3 を組み合わせた量を含む、前記〔１〕～〔８〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔１０〕前記組成物が、１，４５４℃（２，６５０°Ｆ）未満の繊維化温度を有する、前記〔１〕～〔９〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔１１〕５５．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ 2 ；
１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ 2 Ｏ 3 ；
１～５．５質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ 2 Ｏ；
０．０～１．０質量％の量のＫ 2 Ｏ；
１．０～４．０質量％の量のＬｉ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ 2 ；
０～１０．０質量％の量のＹ 2 Ｏ 3 ；
０～１０．０質量％の量のＬａ 2 Ｏ 3 ；
０～２．５質量％の量のＣｅ 2 Ｏ 3 ；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ 2 Ｏ 3 を含む組成物から形成されるガラス繊維であって、３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率及び少なくとも４４００ＭＰａのＡＳＴＭ Ｄ２３４３－０９による引張強度を有する、ガラス繊維。
〔１２〕前記ガラス組成物が、１．０～５．０質量％のＣａＯを含む、前記〔１１〕に記載のガラス繊維。
〔１３〕前記組成物が、Ｂ 2 Ｏ 3 、Ｆ、Ｋ 2 Ｏ、及びＮａ 2 Ｏの内の１種又は複数を実質的に含まない、前記〔１１〕又は〔１２〕に記載のガラス繊維。
〔１４〕前記組成物が、１．５～３．５質量％のＬｉ 2 Ｏを含む、前記〔１１〕～〔１３〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１５〕前記組成物が、少なくとも１質量％のＹ 2 Ｏ 3 、Ｌａ 2 Ｏ 3 、Ｃｅ 2 Ｏ 3 、及びＳｃ 2 Ｏ 3 を組み合わせた量を含む、前記〔１１〕～〔１４〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１６〕前記組成物が、２．０質量％より多いＣｅＯ 2 ＋Ｓｃ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔１１〕～〔１５〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１７〕前記ガラス繊維が、３５～３６．５ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、前記〔１１〕～〔１６〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１８〕連続ガラス繊維を形成する方法であって、
前記〔１〕に記載の融解組成物を用意すること；及び
前記融解組成物を、オリフィスを通して引き、連続ガラス繊維を形成すること、を含む方法。
〔１９〕強化複合材料製品であって、
ポリマーマトリックス；及び
５８．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ 2 ；
１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ 2 Ｏ 3 ；
１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＳｒＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ 2 Ｏ；
０．０～１．０未満の質量％の量のＫ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＬｉ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ 2 ；
０～１０．０質量％の量のＹ 2 Ｏ 3 ；
０～１０．０質量％の量のＬａ 2 Ｏ 3 ；
０～２．５質量％の量のＣｅ 2 Ｏ 3 ；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ 2 Ｏ 3 を含むガラス組成物から形成される複数のガラス繊維を含み、前記ガラス組成物が２．１より大きいＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）比を有し、前記ガラス繊維が３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、強化複合材料製品。
〔２０〕風力タービンブレードの形態である、前記〔１９〕に記載の強化複合材料製品。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕５８．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ 2 ；
１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ 2 Ｏ 3 ；
１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＳｒＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ 2 Ｏ；
０．０～１．０未満の質量％の量のＫ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＬｉ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ 2 ；
０～１０．０質量％の量のＹ 2 Ｏ 3 ；
０～１０．０質量％の量のＬａ 2 Ｏ 3 ；
０～２．５質量％の量のＣｅ 2 Ｏ 3 ；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ 2 Ｏ 3 を含むガラス組成物であって、２．１より大きいＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）比を有し、前記ガラス組成物から形成されるガラス繊維が３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、ガラス組成物。
〔２〕０～約５．０質量％のＴａ 2 Ｏ 5 ；
０～約７．０質量％のＧａ 2 Ｏ 3 ；
０～約５．０質量％のＮｂ 2 Ｏ 5 ；及び
０～約５．０質量％のＶ 2 Ｏ 5 、を更に含む、前記〔１〕に記載のガラス組成物。
〔３〕前記組成物が、１．０～３．５質量％のＹ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔２〕に記載のガラス組成物。
〔４〕前記ＭｇＯ及びＣａＯの組み合わせた量が、１２．０～２０質量％である、前記〔１〕～〔３〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔５〕前記組成物が、１８．３～２２．０質量％のＡｌ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔１〕～〔４〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔６〕前記組成物が、Ｂ 2 Ｏ 3 、Ｆ、Ｋ 2 Ｏ、及びＮａ 2 Ｏの内の１種又は複数を実質的に含まない、前記〔１〕～〔５〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔７〕前記組成物が、０．１～３．５質量％のＬｉ 2 Ｏを含む、前記〔１〕～〔６〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔８〕前記組成物が、０．０５質量％未満のＳｍ 2 Ｏ 3 ＋Ｇｄ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔１〕～〔７〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔９〕前記組成物が、少なくとも１質量％のＹ 2 Ｏ 3 、Ｌａ 2 Ｏ 3 、Ｃｅ 2 Ｏ 3 、及びＳｃ 2 Ｏ 3 を組み合わせた量を含む、前記〔１〕～〔８〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔１０〕前記組成物が、１，４５４℃（２，６５０°Ｆ）未満の繊維化温度を有する、前記〔１〕～〔９〕のいずれか１項に記載のガラス組成物。
〔１１〕５５．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ 2 ；
１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ 2 Ｏ 3 ；
１～５．５質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ 2 Ｏ；
０．０～１．０質量％の量のＫ 2 Ｏ；
１．０～４．０質量％の量のＬｉ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ 2 ；
０～１０．０質量％の量のＹ 2 Ｏ 3 ；
０～１０．０質量％の量のＬａ 2 Ｏ 3 ；
０～２．５質量％の量のＣｅ 2 Ｏ 3 ；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ 2 Ｏ 3 を含む組成物から形成されるガラス繊維であって、３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率及び少なくとも４４００ＭＰａのＡＳＴＭ Ｄ２３４３－０９による引張強度を有する、ガラス繊維。
〔１２〕前記ガラス組成物が、１．０～５．０質量％のＣａＯを含む、前記〔１１〕に記載のガラス繊維。
〔１３〕前記組成物が、Ｂ 2 Ｏ 3 、Ｆ、Ｋ 2 Ｏ、及びＮａ 2 Ｏの内の１種又は複数を実質的に含まない、前記〔１１〕又は〔１２〕に記載のガラス繊維。
〔１４〕前記組成物が、１．５～３．５質量％のＬｉ 2 Ｏを含む、前記〔１１〕～〔１３〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１５〕前記組成物が、少なくとも１質量％のＹ 2 Ｏ 3 、Ｌａ 2 Ｏ 3 、Ｃｅ 2 Ｏ 3 、及びＳｃ 2 Ｏ 3 を組み合わせた量を含む、前記〔１１〕～〔１４〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１６〕前記組成物が、２．０質量％より多いＣｅＯ 2 ＋Ｓｃ 2 Ｏ 3 を含む、前記〔１１〕～〔１５〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１７〕前記ガラス繊維が、３５～３６．５ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、前記〔１１〕～〔１６〕のいずれか１項に記載のガラス繊維。
〔１８〕連続ガラス繊維を形成する方法であって、
前記〔１〕に記載の融解組成物を用意すること；及び
前記融解組成物を、オリフィスを通して引き、連続ガラス繊維を形成すること、を含む方法。
〔１９〕強化複合材料製品であって、
ポリマーマトリックス；及び
５８．０～６８．０質量％の量のＳｉＯ 2 ；
１８．０～２３．０質量％の量のＡｌ 2 Ｏ 3 ；
１．０～９．０質量％の量のＣａＯ；
９．０～１４．０質量％の量のＭｇＯ；
０．０～１．０質量％の量のＳｒＯ；
０．０～１．０質量％の量のＮａ 2 Ｏ；
０．０～１．０未満の質量％の量のＫ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＬｉ 2 Ｏ；
０．０～４．０質量％の量のＴｉＯ 2 ；
０～１０．０質量％の量のＹ 2 Ｏ 3 ；
０～１０．０質量％の量のＬａ 2 Ｏ 3 ；
０～２．５質量％の量のＣｅ 2 Ｏ 3 ；及び
０～４．０質量％の量のＳｃ 2 Ｏ 3 を含むガラス組成物から形成される複数のガラス繊維を含み、前記ガラス組成物が２．１より大きいＭｇＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ）比を有し、前記ガラス繊維が３４．０～４０．０ＭＪ／ｋｇの比弾性率を有する、強化複合材料製品。
〔２０〕風力タービンブレードの形態である、前記〔１９〕に記載の強化複合材料製品。