JP3676818B2 - 耐高温性ガラス繊維 - Google Patents

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本発明は、絶縁（断熱または防音）材料として有用な耐高温性ガラス繊維に関するものであり、その使用温度限界は少なくとも1260℃である。さらに詳細には、本発明は、容易に製造することができ、かつ、使用温度に暴露しても低収縮であり良好な機械強度を保持するが、生理学的液体中では非耐性である、耐高温性ガラス繊維に関する。
本発明の背景
絶縁材料工業では、繊維の断熱及び防音への適用において、肺液のような生理学的液体内では耐性ではない繊維を使用することが望ましいとされてきた。候補となる物質が挙げられてきたが、これらの物質の使用温度限界は十分に高温ではなく、これらの耐性ガラス及びセラミック繊維を含む耐高温性繊維を様々な使用に応用することができなかった。特に、耐高温性繊維は、絶縁される物質に対して効果的な熱保護を提供するためには、目的の暴露温度において最小限の直線収縮を示さなければならない。
人工的なガラス繊維物質であり、生理学的な媒体中で分解する物質が多数提案されてきた。これらのガラス繊維は一般にかなりの量のアルカリ金属酸化物含有物を有し、これはしばしば低い使用温度限界をもたらす。
カナダ出願特許2017344には、生理学的溶解性を有し、必須成分としてシリカ、カルシア（calcia）及びNa₂Oを、好ましい成分としてマグネシア（magnesia）及びK₂O並びに任意成分としてボリア（boria）、アルミナ、チタニア、酸化鉄及びフッ素を含むガラスから製造される、ガラス繊維が記載されている。
国際公開特許WO 90/02713号には、生理食塩水に溶解する無機質繊維が記載されており、この繊維は、シリカ、アルミナ、酸化鉄、カルシア、マグネシア、Na₂O及びK₂Oを含む組成物を含有する。
米国特許5,108,957は、必須成分としてシリカ、カルシア、Na₂OプラスK₂O及びボリアを、並びに任意成分としてアルミナ、マグネシア、フッ素及びP₂O₅を含む、生理学的媒体中で分解し得るガラス繊維の製造に有用なガラス組成物について記載されている。また、リンの存在が、生理学的媒体中における繊維の分解速度を上昇させる効果をもたらすことが記載されている。
無機質繊維の生物学的溶解性を上昇させるリンの効果を述べた他の文献としては、国際公開特許WO 92/09536が挙げられ、実質的にシリカ及びカルシアを含むが、任意にマグネシア及びNa₂OプラスK₂Oを含む無機質繊維について述べられており、このような繊維において、酸化リンの存在はガラスマトリックスにおけるアルミニウム及び鉄の安定化効果を減少させるものであることが述べられている。これらの繊維は、典型的には、耐火性セラミック繊維よりも低い温度で製造される。発明者らは、耐高温性繊維（1700−2000℃）に必要な溶融温度において、２、３％という低レベルでも酸化リンは、重度の分解および／または炉成分の腐食を起こし得る。
カナダ出願特許2043699号には、生理学的媒体存在下において分解し、シリカ、アルミナ、カルシア、マグネシア、P₂O₅、及び任意に酸化鉄、及びNa₂OプラスK₂Oを含む繊維について記載されている。フランス特許出願2662687号には、生理学的媒体存在下において分解し、シリカ、アルミナ、カルシア、マグネシア、P₂O₅、酸化鉄、及びNa₂OプラスK₂OプラスTiO₂を含む繊維について記載されている。
米国特許4,604,097号には、生物が吸収可能なガラス繊維について記載されており、該繊維は、カルシア及び五酸化リンの二成分混合物を一般に含み、フッ化カルシウム、水、及びマグネシア、酸化亜鉛、酸化ストロンチウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化リチウムまたは酸化アルミニウムを例とする、一種以上の酸化物等の他の成分を含む。
国際公開特許WO 92/07801には、五酸化リン及び酸化鉄を含む生物が吸収可能なガラス繊維が記載されている。P₂O₅の一部をシリカで置換してもよく、酸化鉄の一部をアルミナで置換してもよい。該繊維は、任意に、Ca、Znおよび／またはMgから選択される二価のカチオン化合物及びNa、k、および／またはLiから選択されるアルカリ金属カチオン化合物を含む。
米国特許5,055,428号には、合成肺液に溶解する、ソーダライムアルミノホウ素−シリケートガラス繊維が記載されている。アルミナ含有量はボリアの増加、およびシリカ、カルシア、マグネシア、K₂O及び任意にNa₂Oの調節に伴い減少する。他の成分として、酸化鉄、チタニア、フッ素、酸化バリウム及び酸化亜鉛を含んでいてもよい。
国際公開特許WO 87/05007には食塩水に溶解性であり、シリカ、カルシア、マグネシアおよび任意にアルミナを含む無機質繊維について記載されている。国際公開特許WO 89/12032には、生理学的食塩水中に抽出し得るシリコンを含み、シリカ、カルシア、任意にマグネシア、アルカリ金属酸化物および一種以上のアルミナ、ジルコニア、チタニア、ボリア、および酸化鉄を含む、無機質繊維について述べられている。
国際公開特許WO 93/15028には食塩水に可溶であり、1000℃および／または800℃で24時間加熱した時に透輝石に結晶化するという有用性を有し、シリカ59-64重量％、アルミナ0-3.5重量％、カルシア19-23重量％、及びマグネシア14-17重量％からなる組成物を含み、また、珪灰石／擬珪灰石に結晶化するという他の有用性において、シリカ60-67重量％、アルミナ0-3.5重量％、カルシア26-35重量％、及びマグネシア4-6重量％からなる組成物を含む。
しかし、上記の特許に記載の繊維は、その使用温度が限られており、そのため、例えば、約1000℃より高い温度で使用する炉内面への適用のような高温断熱への適用、及び金属マトリックス成分のような補強適用及び摩擦適用には不適切である。
非耐久性繊維化学に基づいた生成物は、ユニフラックスコーポレーション（Niagara Falls，New York）により、インサルフラックス（INSULFRAX）という商標名の下に販売されており、65重量％SiO₂、31.1重量％CaO、3.2重量％MgO、0.3重量％Al₂O₃及び0.3重量％Fe₂O₃からなる組成物を有する。他の製品は、サーマルセラミックス（Augusta，Georgia）より、スーパーウール（SUPERWOOL）という商標名で販売されており、58.5重量％SiO₂、35.4重量％CaO、4.1重量％MgO、及び0.7重量％Al₂O₃からなる。この物質は、1000℃の使用限界を有し、ほぼ1240℃で溶融するが、上記に述べた高温断熱の目的で使用するには低過ぎる温度である。
国際出願特許WO 94/15883号には、添加成分としてAl₂O₃、ZrO₂、及びTiO₂を含むCaO/MgO/SiO₂繊維の食塩水への溶解性及び耐火性が研究されたことが記載されている。この文献には、MgOの含有量増加に伴い、食塩水溶解性が増加し、一方、ZrO₂及びAl₂O₃は溶解性に不利益であることが述べられている。TiO₂(0.71-0.74mol%)及びAl₂O₃(0.51-0.55mol%)の存在は、1260℃における繊維の収縮を3.5％以下にする。この文献はさらに、SiO₂の含有量が高すぎて形成することが困難あるいは不可能である繊維について述べており、70.04、73.28、及び78.07％のSiO₂を含む試料を繊維化することができない例として挙げている。
絶縁物として使用される繊維において重要な収縮性で表現される耐熱性に加え、使用または実用温度に暴露する間または暴露した後、繊維に構造的な保全性及び絶縁性質を保持させる、機械的強度特性を有することがまた必要である。
繊維の機械的保全性の一つの特性はその使用後の破砕性である。繊維がより破砕しやすければ（すなわち、より簡単に粉に粉砕あるいは砕かれれば）、繊維の機械的保全性は小さい。発明者らは、一般に、耐高温性及び生物学的液体中での非耐久性両方を示す絶縁繊維はまた、高度の使用後破砕性を示すこと見いだした。これは、繊維を使用温度に暴露した後に強度または機械的保全性の欠如を引き起し、絶縁の目的を果たす構造を与えることを可能にする。
我々は、使用温度に暴露した後に、良好な機械保全性を示す、耐高温性、非耐久性の繊維が、非常に小スケールまたは微細な結晶状マイクロ構造を有することを見いだした。繊維の機械的保全性の他の方法（測定法）としては、圧縮強度及び圧縮回復が挙げられる。
しかし、目的の耐久性、温度における収縮及び強度特性を示す耐火性ガラス組成物は、その成分の溶融物の紡糸または吹込形成どちらによっても繊維化されやすいものでなくてもよい。
従って、本発明の目的は、繊維の吹込形成または紡糸に適する粘度を有する溶融物から容易に製造することが可能であり、生物学的液体中で非耐久性である、耐高温性耐火性ガラス繊維を提供することである。
さらに、本発明の目的は、生物学的液体中で非耐久性であり、及び使用温度の暴露の後良好な機械的強度を示す、耐高温性耐火性ガラス繊維を提供することである。
さらに、本発明の目的は、生物学的液体中で非耐久性ではあるが、低い使用後破砕性を示す、耐高温性耐火性ガラス繊維を提供することである。
さらに、本発明の目的は、生物学的液体中で非耐久性であり、好ましくは最初の使用温度への暴露の後、小スケールまたは微細なマイクロ構造を示す、耐高温性耐火性ガラス繊維を提供することである。
さらに、本発明の目的は、生物学的液体中で非耐久性であり、かつ使用温度への暴露後に高い圧縮強度及び圧縮からの回復性を示す、耐高温性耐火性ガラス繊維を提供することである。
発明の概要
生物学的液体中で非耐久性である、耐高温性耐火性ガラス繊維が提供される。繊維は、実験的につくり出した肺液中で、標準アルミノシリケート耐火性セラミック繊維よりも、４〜150倍より可溶であり、かつ少なくとも1000℃から1260°、またはそれ以上の温度使用限界を示す。これらの高温下において、本発明の繊維は、以下に述べるように、24または168時間該温度中に置いた場合、約6％よりも弱い直線収縮を受け、好ましくは4.5％よりも弱く、最も好ましくは3％よりも弱い直線収縮を受ける。本発明の繊維は使用温度に暴露した後に機械的強度を保持する。従来技術に反して、繊維化可能性、耐火性及び非耐久性の要求に従う本発明の繊維は、SiO₂を70〜86重量％の範囲内で含む組成物であることが見いだされた。
本発明は、少なくとも1260℃の使用温度を有するマグネシウムシリケートシステムに基づく、低収縮性であり、耐火性であるガラス繊維を提供し、使用温度への暴露後も機械的強度を保持し、かつ肺液のような生物学的液体中で非耐久性である。
本発明の一態様において、非耐久性耐火性ガラス繊維は、約65〜約86重量％のシリカ、約14〜約35重量％のマグネシア、0〜約11重量％のジルコニア製品からなることが必須であり、任意に有効量の粘度改質剤を含む。粘度改質剤は、アルミナ、ボリア及びこれらの混合物から選択されてもよい。該繊維は、カルシア不純物を約１重量％より多く含んでいてはならず、また酸化鉄不純物（Fe₂O₃として計算）を0.4重量％より多く含んでいてはいけない。
本発明の繊維は実質的に（微量の不純物よりも多く）アルカリ金属を含まないことが好ましい。酸化鉄及びカルシアの存在は可能な範囲に限定するべきである。
本発明は、使用温度が少なくとも1260℃以下であり、使用温度に暴露した後機械的保全性を保持し、かつ生物学的液体中で非耐久性である、耐火性繊維の製造方法を提供するものであり、該方法は以下の工程を提供する。
必須成分として約65〜約86重量％のシリカ、約14〜約35重量％のマグネシア、０〜約11重量％のジルコニア及び、任意に有効量の粘度調節剤からなる成分を含む溶融物を形成する工程、及び
該溶融物から繊維を製造する工程、
である。
本発明の繊維を製造するために使用される溶融組成物は、繊維の吹込形成及び紡糸に適する粘度を有しており、及び得られた繊維の結晶構造が、使用温度に暴露した後に機械的強度を保持するように調節するのに適する粘度を有している。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、市販されている、紡糸アルミノシリケート繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図１Ｂは、市販されている、吹込形成アルミノシリケート繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図２は、75重量％のシリカを含む、マグネシア−シリカ−ジルコニア繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図３は、70重量％のシリカを含む、マグネシア−シリカ−ジルコニア繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図４は、75重量％のシリカ及び１重量％の添加アルミナを含む、マグネシア−シリカ−ジルコニア繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図５は、１重量％の添加アルミナを含む、マグネシア−シリカ−ジルコニア繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図６は、好ましいマグネシア−シリカ−ジルコニア繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図７は、好ましいマグネシア−シリカ−ジルコニア繊維の溶融化学について粘度対温度曲線を示したものである。
図８は、アルミニウムジルコニウムシリケート（ＡＺＳ）を含むセラミック繊維を、1426℃で24時間暴露した後の走査電子顕微鏡写真である。
図９は、カオリンを含むセラミック繊維を、1260℃で24時間暴露した後の走査電子顕微鏡写真である。
図10は、チタニウムカルシウムシリケートを含むガラス繊維を、1260℃で24時間暴露した後の走査電子顕微鏡写真である。
図11は、本発明のガラス繊維を、1260℃で24時間暴露した後の走査電子顕微鏡写真である。
図12は、本発明のガラス繊維の断面の走査電子顕微鏡写真である。
図13は、アルミニウムジルコニウムシリケート（ＡＺＳ）を含むセラミック繊維の断面の走査電子顕微鏡写真である。
本発明の詳細な説明
本発明は、断熱または防音物質として有用であり、1260℃より高い使用温度限界を有し、かつ肺液のような生理学的液体中で非耐久性である、耐火性ガラス繊維を提供する。生理学的液体中で非耐久性であるとは、繊維がインビトロ試験において、少なくともその一部がそのような液体中（例えば、人工的につくり出した肺液）に溶解することを意味する。
十分な対高温性繊維製品を製造するためのガラス組成物が、実際的な候補となり得るためには、繊維は製造可能であり、生理学的液体中に十分に溶解可能であり、かつ最小限の収縮及び最小限の保全性の損失で高温に耐えることが可能でなければならない。このような基準を満たす物質を単離するために、一連のスクリーニング試験を行い、目的の性質を示す繊維を単離した。これらの試験は、(a)粘度／繊維化、(b)耐久性、(c)各温度における収縮性、及び(d)使用後の破砕性、強度及び弾性に関する試験である。
“粘度”という用語は、ガラス溶融物の、流れに対して抵抗し得る力または応力を剪断し得る力を意味する。粘度−温度関係は、与えられたガラス組成物を繊維化することができるかどうか決定する上で重要である。最適の粘度曲線は、繊維化温度において、低粘度（5-50ポアズ）を有し、温度が低下するに従い、徐々に上昇する。もし、溶融物が繊維化温度において十分に粘性でない（すなわち、希薄過ぎる）場合には、結果は、非常に高い率で繊維化されていない物質を含む短く薄い繊維が得られる（ショット、shot）。もし、溶融物が繊維化温度において過度に粘性が高い場合には、得られる繊維は非常にきめが粗く（高直径）、短いものになる。
粘度は、溶融化学に依存性であり、また、粘度改質剤として機能する要素または化合物により影響を受ける。発明者らは、この繊維化学系において、アルミナ及びボリアが粘度改質剤として機能し、繊維の吹込形成または紡糸を可能にすることを見いだした。しかし、本発明によれば、そのような粘度改質剤は、種類または量どちらによっても、吹込形成または紡糸された繊維の溶解性、収縮抵抗性または機械的強度に逆方向に影響を与えない。
粘度−温度プロファイルは上昇した温度で測定することが可能な粘度計によって測定してもよい。さらに、適する粘度プロファイルは、製造された繊維の性質（インデックス、直径、長さ）を測定するルーチン実験により、推定してもよい。耐久性試験は、ヒト肺中に見いだされる温度及び化学環境を人工的につくり出した条件下において、繊維からの質量の減少速度（ng/cm²・hr）を測定する。この試験は、約0.1gのデショット(de-shotted)繊維を、0.3ml/分の人工的につくり出した肺液（ＳＬＦ）の流れに暴露させる。全ての試験系は、人体の温度を模倣して37℃に維持される。試験は約２ないし４週間続けることが好ましい。
ＳＬＦが繊維を通過して流れた後、これを集め、誘導結合型プラズマスペクトルを使用してガラス成分の分析を行った。“ブランク”ＳＬＦ試料も測定され、ＳＬＦ内に存在する成分を集めるために使用される。一度このデータが得られると、この研究の時間間隔において繊維の質量減少速度の計算を行うことが可能である。
繊維をパッド（pad）内へ湿式形成を行い、カリパスでパッドの長さ及び幅方向（典型的には３×５インチ(7.6×12.7cm)）を測定し、パッドを炉内に設置し、温度勾配を設け、所定の時間維持することにより、繊維の収縮試験を行った。加熱後、パッドを再び計測し、生じた寸法の変化を測定した。
そのような試験において、427gの繊維、27.2gのフェノール性バインダー及び約４ガロン（15L）の水を混合し、混合物をシート型内に流し込み、水を型の底から排出することによって、パッドを作成した。パッドを乾燥し、３インチ×５インチ×１インチ(7.6cm×12.7cm×2.5cm)の大きさの断片に切断した。この断片の長さ及び幅を注意深く測定し、炉内に設置し、1260℃の温度で24時間、168時間または672時間保持した。冷却後、外側の寸法を測定し、測定“前”及び測定“後”の寸法を比較して、直線収縮を決定した。もし、繊維がブランケット形態で入手可能であるならば、測定はブランケット上で直接行ってもよくパッドを形成する必要はない。（このようなブランケット収縮測定は、パッド収縮測定と同一ではないが、関連している。）
使用後破砕性(after-service friability)とは、高温に暴露した後の、繊維の機械的保全性を保持する能力を意味する。繊維はどのような適用においても自身の重みを支えなければならず、また空気またはガスの動きによる剥離に抵抗し得るものでなくてはならないので、これは重要な性質である。繊維の保全性及び機械的強度の表示は、視覚及び触覚の観察及び使用温度に暴露した後の繊維のこれらの性質を機械的に測定することにより得られる。
収縮パッドの使用後保全性を、圧縮強度及び圧縮回復という二種類の試験によって示す。これらの試験は、それぞれ、どのように容易にパッドが変形されるか、及び50％圧縮を行った後にパッドが示す弾性量（または圧縮回復）を測定する。
本発明の繊維から製造された収縮パッドを1260℃で24時間または168時間加熱を行い、インストロン試験装置を用いて圧縮試験を行った。2.5インチ(6.4cm)直径の円筒型のラムを、パッドが元の半分の厚さに圧縮されるまで、圧縮パッド内に押し入れた。この時点でクロスヘッドを停止し、圧縮の間に得られたピーク負荷（psi）を記録した。
クロスヘッドの移動方向をゆっくりと反対方向にし、負荷が０となるまで圧縮パッドから円筒型ラムを後退させて、圧縮回復を次に測定した。50％圧縮点から負荷が０となるまでの移動距離を記録し、元のパッドの厚さに対する割合（％）で表した。この数値は繊維パッドの弾性量（回復性）を示すものである。
この試験基準において、劣等な結果のパッドは低い圧縮強度を示し、これは容易に圧縮されることを示唆している。また弱い圧縮回復率は、一度変形されると殆ど回復しないことを示唆している。逆に、これらのパラメーターが非常に高い数値を示すパッド／繊維組成物は、高い機械強度を示し、良好な性質を示すものであると考えられる。理想的な繊維は、標準の市販されているアルミノシリケート繊維と比較して目的の範囲内の圧縮強度が同等であり、さらに高圧縮回復性または弾性を有する。
使用温度に加熱されると、製造される際には一般にアモルファスであるガラス繊維は結晶化を受ける。一部、得られる結晶のサイズは繊維の機械的特性に影響する。強力な弾性のある繊維は、焼成後、非常に小さな粒子サイズを示す。焼成後に弱い繊維は典型的に非常に巨大な粒子を有する。
使用後の粒子サイズについて以下のように測定を行った。繊維試料を1260℃にて焼成する（典型的には24時間）。焼成した試料を次にエポキシ内にマウントし、エポキシを硬化させる。エポキシマウントを次に磨いて繊維に平滑な横断面を与える。この磨きマウントを次に、走査電子顕微鏡を後方散乱または二次電子画像モード（結晶相間においてベストコントラストを与えるどちらかの方法）を用いて、電子顕微鏡写真を撮る。
顕微鏡写真に線を引き（通常コーナーからコーナーまで）、この線に交差する結晶の数を計測する。線の長さを測定して、顕微鏡写真のスケールを基にしてミクロンに換算する。例えば、1000倍の顕微鏡写真上に引かれた5cmの線は、5/1000cmまたは50ミクロンとして測定される。線の長さを、結晶の交差の数で割り、結晶のおよそのサイズを得る。
幾つかのケースにおいては、結晶のサイズが小さすぎるかまたは散乱しすぎるため、この方法での測定が不可能である。このようなケースでは、“典型的な”結晶のサイズは、顕微鏡写真上のミクロンバーとの比較から推定してもよい。
発明者らは、ジルコニアをマグネシウムシリケート繊維へ、約11重量％までのレベルで添加すると、使用後の微細構造を改良し、得られる非耐久性の耐火性ガラス繊維の破砕性を低下することを見いだした。また、このようなジルコニアの繊維に対する添加は、繊維を1260℃以下で24時間以下暴露した時に非常に小さなスケールの微細構造の形成をもたらすことを見いだした。この小さなスケールまたは細かい微細構造は、使用温度に暴露した後に、良好な機械的繊維保全性を与える。この微細構造を、使用温度に長く暴露を行って、若干粗くしてもよいが、これらの繊維は、そのような延長された暴露の後にも、他の非耐久性で耐熱性の繊維と比較して、改良された機械的特性を保持する。
小さい粒子サイズが繊維強度を改良するメカニズムは、より少ない不規則性（凹凸）を有する繊維を作成できることにある。何故なら、小さな粒子繊維は、粗い粒子の繊維より滑らかな表面を有するからである。表面のきずは圧力を生じる役割を果たし、繊維が容易に破壊されてしまうかもしれない点を与える。
ジルコニアはＳＬＦ中でのガラス溶解率を低下させることが知られているが、本発明の繊維において、この効果は十分に小さく、得られた繊維はＳＬＦ中で目的の溶解度を示す。
非耐久性、すなわち、ＳＬＦ中の溶解度と、1260℃の使用温度に暴露した後の機械的保全性の組合せは、この業界における他者により記載または使用される繊維を用いて示されていない。本発明は、失透、すなわち使用温度への加熱における繊維の微細構造を、溶融生成物に、結晶化を改良する11重量％以下のZrO₂を添加することにより調節する。
疑似肺液中の上記の繊維の耐久性の分析は、これらの繊維が、アルミノシリケート（約50/50重量％）およびアルミノ−ジルコニア−シリケートまたはＡＺＳ（約30/16/54重量％）のような正常の耐火性セラミック繊維に比べて明らかに低い耐火性であることを示している。
本発明の非耐久性耐火性ガラス繊維は、標準ガラスおよびセラミック繊維の製造方法により作成される。シリカ、適するマグネシア源（例えばガン化輝石、フォアステライト、マグネシア、マグネサイト、焼成マグネサイト、マグネシウムジルコネート、ペリクレース、ステアタイト）、および適するジルコニア源（例えばバデレー石、マグネシウムジルコネート、ジルコンまたはジルコニア）のような原料を、ビンから炉内に選択された比率で押し出し、溶融し、および繊維化ノズルを使用して吹きつけるか、または紡糸をバッチまたは連続モードで行う。粘度改質剤の存在下に、溶融物の粘度を、目的の適用に必要な繊維化を行うのに十分になるように任意に調節してもよい。粘度改質剤は、溶融物の主要成分を供給する原料内に存在してもよく、または少なくとも一部を分離して添加してもよい。望ましい原料の粒子サイズは、炉のサイズ（ＳＥＦ）、注入速度、溶融温度、炉内での滞在時間等の炉内での加熱条件により決定される。
本発明の一実施態様によれば、耐火性ガラス繊維は、少なくとも1260℃までの使用温度に耐用性であり、約６％の直線収縮、より好ましくは約4.5％より小さい直線収縮を有し、小さい使用後破砕性を示し、および肺液のような生理学的液体中で非耐久性である。繊維の直線収縮が約３％より小さいことが最も好ましい。本発明の非耐久性耐火性ガラス繊維は、約65〜約86重量％のシリカ、約14〜約35重量％のマグネシア、０〜約11重量％のジルコニアを必須成分とし、任意に有効量の粘度改良剤を含む。繊維は約１重量％より多くカルシア不純物を含んでいてはならず、及び約0.4重量％より多い量の酸化鉄不純物（Fe₂O₃として計算）を含んでいてはいけない。粘度改質剤は、アルミナ、ボリアおよびその混合物から選択されてもよい。下記の述べるように、溶融物に添加した時に、溶融物の粘度／温度曲線の特性または形状が容易に繊維化される溶融物のそれに近似するように、溶融物粘度に影響する他の成分または化合物を粘度改質剤として用いてもよい。
実施例１−２
下記の組成物をさらに、マグネシウムシリケート組成物の性質におけるジルコニアの効果を評価するために試験を行った。下記に定義した重量％の組成物を有する試料を1260℃において24時間加熱した。

これらの試料の試験を行い、要求される良好な使用後機械強度を提供する、良好な微細構造を有することを見いだした。
比較例Ａ
SiO₂を71.5重量％、CaOを24.5重量％、Al₂O₃を3.2重量％およびTiO₂を0.1重量％含む表示組成物（nominal composition）を含む繊維の試験を行い、目的の耐久性および収縮性を有することを見いだした。しかし、この繊維は急速に加熱した場合に分解した。この試料の分解は繊維内の結晶核の劣化したためであるか、および／または過剰なアルミナ不純物を含むためであると我々は分析した。
比較例Ｂ
SiO₂を75.3重量％およびCaOを21.0重量％を含み、1.5重量％のTiO₂を核剤として添加した組成物を含む繊維が作成され、これは目的の耐久性および収縮性を有し、かつ急速な加熱に対しても耐久性であった。しかし、この物質は過剰な使用後破砕性を示し、接触（軽く力を加える）に対して弱い弾力性と砕けやすさを示した。
これらの試料を1260℃で24時間加熱処理を行った。走査電子顕微鏡微による微細構造分析から、チタニア−含有構造はより粗い微細構造を有することが判明した。
チタニアは、カルシウムシリケート繊維の使用後保全性において、強力な負の耐衝撃性（strong negative impact）を有した。1.5重量％のレベルにおいて、チタニアは物質的な粒子成長を引き起し、非常に高い使用後破砕性（すなわち、低機械強度）を示した。これに対して、ジルコニア含有繊維の使用後破砕性は、短期間加熱（約１カ月より短期間）においてチタニア含有繊維と比べて改良された。
粘度と温度との関係
ガラス組成物の粘度−温度曲線の形状は、溶融物の繊維化の容易性を表しており、従って得られた繊維の品質（例えば、繊維のショットコンテント（shot content）、繊維の直径および繊維の長さ）を表している。ガラスは一般に高温において低粘度を有する。温度が低下するに従い、粘度は増加する。ある温度における粘度の値は組成物の因子として変化し、全体に渡って急勾配の粘度−温度曲線となる。
所定の組成物の繊維は許容される品質レベルにおいて容易に製造することができるかどうかの試験方法の一つは、実験化学的粘度曲線が、容易に繊維化することができる既知の製品のそれに匹敵するかどうかを測定することである。そのような目的の粘度曲線は図１Ａ（市販されている紡糸アルミノシリケート繊維の粘度曲線）、および図１Ｂ（市販されている吹込アルミノシリケート繊維の粘度曲線）に示されている。
図２は、75％のSiO₂、5.5％のZrO₂、および19.5％のMgO（重量％）からなるマグネシア−ジルコニア−シリカ繊維溶融物の化学的性質に対する粘度曲線を示している。1800〜1900℃の曲線の“雑音（noisy）”領域は相分離または凝固の開始のためであると考えられる。図３は70％のSiO₂、5.5％のZrO₂、および24.5％のMgOを含む溶融物の化学性質の同様の曲線を示している。図２および図３の比較からSiO₂レベルが５％低下すると粘度が増加することが示されるが、曲線も目的の図１Ａの粘度曲線に接近しない。図４は１重量％のAl₂O₃を図２の組成物に添加することによる影響を示している。Al₂O₃の少量の添加は粘度曲線を下向きに変え、相分離領域を低温方向にシフトさせる。ここには示されていないが、同様の粘度シフトは少量のB₂O₃の添加（約１重量％まで）と共に観察される。
マグネシア−ジルコニア−シリカ化合物のSiO₂およびAl₂O₃レベル両方を調整することにより、72.3重量％のSiO₂、5.4重量％のZrO₂、21.3重量％のMgOおよび１重量％のAl₂O₃溶融化合物に対する粘度曲線（図５）を得ることができ、この1800℃および2000℃の間（効果的な紡糸範囲）の形状は、図１Ａに示されるアルミノシリケート紡糸化合物の粘度曲線とほぼ同じである。このような低レベルにおいて、Al₂O₃およびB₂O₃添加剤は本発明の繊維使用特性において最小限の効果しか示さないが、溶融物粘度の調整かつ繊維の性質の改良において有効である。
図６は、73.5重量％のシリカ、23重量％のマグネシアおよび3.5重量％のジルコニアを含むマグネシア−ジルコニア−シリカ繊維溶融物化合物に対する粘度曲線を示している。図７は73.5重量％のシリカおよび26.5重量％のマグネシアを含むマグネシア−シリカ繊維溶融化合物に対する粘度曲線を示している。これらの曲線は市販されている吹込アルミノシリケート繊維に対する図１Ｂの目的粘度曲線に近似している。本発明のこれらの繊維溶融化合物は従来の吹込または紡糸技術による繊維化によく適している。
実施例３
少なくとも1260℃の使用温度において、目的の収縮性および機械的強度特性を有する本発明の非耐久性耐火性ガラス繊維は、下記の表２に示される組成物を産生する溶融物から繊維化されるのに適している。

本発明の非耐久性耐火性ガラス繊維は、約65〜約85重量％のシリカ、約14〜約35重量％のマグネシア、0〜約11重量％のジルコニア、0〜約3重量％のアルミナおよび0〜約2重量％のボリアを必須成分とすることが好ましい。約2重量％より少なくアルミナを含む繊維はより優れた性質を示す。
より好ましい範囲において、非耐久性耐火性ガラス繊維は、約69〜約80重量％のシリカ、約20〜約31重量％のマグネシア、０〜約７重量％のジルコニア、０〜約２重量％のアルミナおよび０〜約１重量％のボリアからなる製品を必須成分とする。
最も好ましい範囲において、非耐久耐火性ガラス繊維は、約70〜約79重量％のシリカ、約20〜約29重量％のマグネシア、約１〜約５重量％のジルコニア、０〜約1.5重量％のアルミナおよび０〜約１重量％のボリアからなる製品を必須成分とする。
本発明の溶融物および繊維において、実施可能なシリカレベルは約65〜約86重量％の間であり、上限レベルは製造性によってのみ制限される。これは従来の技術における知見（すなわち、約70％より上のシリカレベルを有する繊維は製造可能ではない）に反するものである。
本発明の繊維は好ましくは、実質的に（痕跡量の不純物より多く）アルカリ金属を含まない。これらの繊維のアルカリ金属含有量は、アルカリ金属酸化物として計算を行った場合、一般に痕跡量の範囲内もしくは多くとも百分率（％）の１００分の１である。他の不純物としては、カルシア（約１重量％より少ないか、または可能な限り低い値である）、および酸化鉄（Fe₂O₃として計算して約0.4重量％より少ないかまたは可能な限り低い値である）が挙げられる。
一連の試験において、次の耐火性繊維組成物が、紡糸または吹込のどちらかの方法により製造され、かつ、これらの1260℃における熱的特性およびＳＬＦ中での溶解性の試験を行った。個々の組成物を表IIIAに挙げ、その熱的特性および溶解性データを以下の表IIIBに詳細に述べる

実施例４のジルコニア−含有マグネシウムシリケート繊維について行った試験から、繊維が1260℃において24時間後に4.3％のみの収縮を示し、60.4ng/cm²-hrの溶解速度を有し、同様に処理された従来の機械的強度の大きい耐火性セラミック繊維（比較実施例Ｃ，ＤおよびＥ）と比較して機械的保全性が好ましいことが見いだされた。使用または実用温度において弱い収縮を示す本発明の他の実施例としては、実施例５〜８、１０〜１２および２５〜３９が挙げられる。成分範囲が本発明の範囲外である比較実施例１３〜１６は、使用温度においてより強い収縮を示す。
発明者らは、本発明の特定の非耐久性耐火性ガラス繊維を、使用温度に暴露した後、約4.5％以下のオーダーの非常に弱い収縮性を示し、アルミナを粘度調節剤として含有し、約69.75〜約73.5重量％のシリカ、約16.75〜約22.25重量％のマグネシア、0〜約7.5重量％のジルコニア、および約１〜約３重量％のアルミナを含む組成物を含有する溶融物から製造されるものである、と特徴付けた。
発明者らはさらに、本発明の特定の非耐久性耐火性ガラス繊維を、使用温度に暴露した後、約4.5％以下のオーダーの非常の弱い収縮度を示し、アルミナおよびボリアを粘度調節剤として含有し、約71.5〜約73.5重量％のシリカ、約19〜約21.5重量％のマグネシア、約５〜約６重量％のジルコニア、約0.5〜約２重量％のアルミナおよび約0.2〜約１重量％のボリアを含む組成物を含有する溶融物から製造されるものである、と特徴付けた。
本発明の方法に従い製造された繊維の使用後微細構造は、表IIIの実施例１２に示されるように、1260℃の温度に暴露した後に、上記に記載された試験方法に従い、粒子サイズの試験を行った。これは、上記の比較実施例Ｂの組成物を含むチタニア含有カルシウムシリケート繊維、および耐火性ＡＺＳ（比較実施例Ｃ）およびカオリン（比較実施例Ｄ）セラミック繊維と比較を行った。
試験結果は図８〜１３に顕微鏡写真により示されている。比較実施例Ｂ（図１０）のチタニア−カルシウム−シリケート繊維は、比較実施例Ｃ（図８）およびＤ（図９）の従来の耐火性セラミック繊維並びに本発明の繊維である実施例１２（図１１）両方と比較して、非常に破砕性であり、顕著な表面のざらつき、及び大きな表面結晶粒子サイズを示した。本発明の実施例１２の繊維は、滑らかな表面、および比較的小さな表面結晶を示した。表面の粗さおよび大きな表面結晶は、繊維の破砕性と低機械的強度を伴い、望ましくない。
しかし、使用後破砕性が顕著に減少した本発明のＳＬＦ−可溶性繊維は、非常に細かい粒子状微細構造を示しており、結晶粒子サイズは通常、表III（実施例４、５、１２、１７〜１９および２１〜２４）に示されるように1.9ミクロン以下のオーダーを有している。チタニア−カルシウム−シリケート繊維である比較実施例Ｂおよびマグネシア−ジルコニア−シリケート繊維であり本発明の組成物範囲外である比較実施例２０はより大きく粒子化された使用後微細構造を示した。
図１２は、本発明の繊維を1260℃の使用温度に24時間暴露した後に存在する、横断面における小さな粒子状の結晶（用語の絶対的意味においても、繊維の直径においても）を示している。この高い機械的強度を示す繊維は、図１３の横断面図に示されているように、1426℃の使用温度で24時間暴露した後に、非常に強固なＡＺＳ繊維とほぼ同じ結晶サイズを示す。
さらに一連の試験において、以下の耐火性繊維組成物を、吹込技術により製造し、1260℃における熱特性およびＳＬＦへの溶解性の試験を行った。各組成物を表IVAに挙げ、その熱特性および溶解性を詳細に以下の表IVBに示した。

本発明の、吹込技術により製造された非耐久性繊維において、最も良好な熱特性は、約70％以上のシリカを有し、約35以上の繊維インデックスを示す溶融組成物から吹込形成により製造され、かつ約２ミクロン以上の直径を有する繊維から得られる。本発明の繊維直径に対する実質的な上限は目的の直径を有する製品を紡糸または吹込形成する能力であるが、この特性は約10ミクロンまでの繊維直径から得られる。
溶融物から繊維を形成するための特に好ましい組成物としては、約70〜約77.5重量％のシリカ、約15.5〜約30重量％のマグネシア、および０〜約６重量％のジルコニアを含むものが挙げられる。繊維製品を形成するための適する溶融組成物は、約73.5重量％のシリカ、約23〜約26.5重量％のマグネシア、０〜約3.5重量％のジルコニア、並びに約0.15〜約0.3重量％のカルシア不純物および約0.32〜約1.86重量％、通常は約0.32〜約0.92重量％のアルミナ不純物である。これらの繊維は、表IVBの収縮性のデータに示されるように、デルタ収縮性または使用温度における一日および一週間の収縮性の変化を含めて、良好な収縮性を示す。この繊維は、表IVBに示されるようにＳＬＦへの顕著な溶解性を示す。上記に述べた方法により、54から1450ng/cm²-hrを超える溶解性を測定した。（表における“＋”は非常に迅速で直接検出不能な繊維の溶解速度を示している。示されている値は試料の溶解速度の下限を示している。）
本発明の非耐久性、低収縮耐火性ガラス繊維を、従来のカオリン、ＡＺＳおよびアルミノシリケート耐久性耐火性セラミック繊維と、使用温度に暴露した後の機械的強度において比較した。本発明の繊維は、一般に、５０％圧縮強度試験および圧縮回復試験においてカオリン繊維と同等な範囲で試験を行った。本発明の繊維は、比較実験Ｂのチタニア−カルシウム−シリケート繊維と比較して、顕著に改良された機械的強度（圧縮強度および圧縮回復性として測定された）を示す。
特定の割合のジルコニアを添加することにより改質されたマグネシウムシリケートを必須成分とし、Al₂O₃およびB₂O₃のような粘度改質剤添加物を任意に含み、1260℃の使用温度に暴露した後に細かく粒子化した微細構造を示す本発明の耐火性ガラス繊維は、標準耐火性セラミック繊維と比較して、疑似肺液中において150倍までの溶解性を示す。また1000℃より高く1260℃までの温度に耐久性を示し、その際6％より小さい直線収縮を示す。
本発明のＳＬＦ可溶性繊維は、非常に安定なＳＬＦ−耐久性アルミノシリケートおよびアルミノ−ジルコニアシリケート繊維と比較して明らかに低減した使用後破砕性、すなわち高機械強度を示した。本発明の繊維は一般に細かい微細構造を示し、低い破砕性を示し高機械強度を示し、また使用温度に暴露した際に弱い収縮性を示しかつＳＬＦ中で高い溶解性を示す。
そのため、本発明の繊維は、アルミノシリケート繊維のような従来の耐火性セラミック繊維の有利な使用特性、すなわち、高使用温度において制限された収縮を起こすという特性を示す。本発明の耐火性ガラス繊維は、1260℃の使用温度において約６％より弱い収縮性を示し、使用後において良好な機械強度を保持する。本発明の繊維は弱い使用後破砕性を示し、使用温度に最初に暴露した後に小さなまたは細かい粒子化した微細構造を示し、高圧縮強度および圧縮回復性を示す。
本発明の繊維は、既存の繊維化技術のより製造され、縫製されたブランケット、紙、フェルトおよびバルク繊維を含む（しかしこれらに限定されない）様々な製品に形成されてもよい。従来の耐火性セラミック繊維に加えて、本発明の繊維は疑似肺液中で４〜150倍もより溶解性であり、そのため繊維吸入における問題を最小限にする。
以上のように、本発明により目的は達成されるが、本発明は上記に記載された特定の態様に制限されず、様々な改良および次の特許請求の範囲に述べられる同等な実施態様を含む。

Claims (6)

1. 低収縮性であり、少なくとも1260℃までの使用温度を有する耐高温性ガラス繊維であって、
   使用温度に暴露した後に機械的保全性を保持し、かつ生理学的液体中において非耐久性であり、
   69〜86重量％のシリカ、14〜35重量％のマグネシア、0〜7重量％のジルコニア、生成物を繊維化させるのに有効量の粘度改質剤、１重量％未満のCaO、及び0.4重量％未満のFe₂O₃を含む溶融物の繊維化物を含み、
   前記繊維が痕跡量の不純物であるアルカリ金属酸化物を含む、上記ガラス繊維。
2. 該繊維が以下の少なくとも一つの溶融物の繊維化物を含む、請求項１に記載の繊維：
   (i)69〜80重量％のシリカ、20〜31重量％のマグネシア、及び０〜７重量％のジルコニア、
   (ii)70〜79重量％のシリカ、20〜29重量％のマグネシア、及び1〜5重量％のジルコニア、
   (iii)70〜77.5重量％のシリカ、15.5〜30重量％のマグネシア、及び0〜6重量％のジルコニア、
   (iv)69.75〜73.5重量％のシリカ、16.75〜22.25重量％のマグネシア、及び0〜7.5重量％のジルコニア、
   (v)71.5〜73.5重量％のシリカ、19〜21.5重量％のマグネシア、及び5〜6重量％のジルコニア、
   (vi)73.5重量％のシリカ、23〜26.5重量％のマグネシア、及び0〜3.5重量％のジルコニア、
   (vii)75.6〜76.6重量％のシリカ、19.5〜23.5重量％のマグネシア、及び0〜3.3重量％のジルコニア。
3. 該繊維が以下の少なくとも一つの溶融物の繊維化物を含む、請求項１に記載の繊維：
   (i)69〜80重量％のシリカ、20〜31重量％のマグネシア、０〜７重量％のジルコニア、2重量％以下のアルミナ、及び1重量％以下のボリア、
   (ii)70〜79重量％のシリカ、20〜29重量％のマグネシア、1〜5重量％のジルコニア、1.5重量％以下のアルミナ、及び1重量％以下のボリア、
   (iii)70〜77.5重量％のシリカ、15.5〜30重量％のマグネシア、0〜6重量％のジルコニア、2重量％以下のアルミナ、及び1重量％以下のボリア、
   (iv)69.75〜73.5重量％のシリカ、16.75〜22.25重量％のマグネシア、0〜7.5重量％のジルコニア、及び1〜3重量％のアルミナ、
   (v)71.5〜73.5重量％のシリカ、19〜21.5重量％のマグネシア、5〜6重量％のジルコニア、0.5〜2重量％のアルミナ、及び0.2〜1重量％のボリア、
   (vi)73.5重量％のシリカ、23〜26.5重量％のマグネシア、及び0〜3.5重量％のジルコニア、
   (vii)75.6〜76.6重量％のシリカ、19.5〜23.5重量％のマグネシア、0〜3.3重量％のジルコニア、及び2重量％以下のアルミナ。
4. 1.5重量％未満のアルミナを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維。
5. 下記の少なくとも一つにより特徴付られる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維：
   (i)2ミクロン未満の結晶粒子サイズを有する、
   (ii)1260℃において4.5％未満の収縮を示す、及び
   (iii)0.1gの試料を37℃において0.3ml／分の疑似肺液に暴露した場合、少なくとも30ng／cm²・hrの溶解性を示す。
6. 少なくとも1260℃までの使用温度を有し、使用温度に暴露した後も機械的保全性を保持し、かつ生理学的液体中で非耐久性である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の低収縮性耐火性ガラス繊維の製造方法であって、
   溶融物を形成させる工程、および
   i)溶融物からの繊維の紡糸、及びii)溶融物からの繊維の吹込み形成、のうち一つの方法により溶融物から繊維を生成させる工程を含む、上記製造方法。

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