JPS629539B2 - - Google Patents
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- JPS629539B2 JPS629539B2 JP53093838A JP9383878A JPS629539B2 JP S629539 B2 JPS629539 B2 JP S629539B2 JP 53093838 A JP53093838 A JP 53093838A JP 9383878 A JP9383878 A JP 9383878A JP S629539 B2 JPS629539 B2 JP S629539B2
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- fiber
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- Manufacture, Treatment Of Glass Fibers (AREA)
Description
本発明は、高い値の弾性係数を有するガラス質
の酸化物繊維を製造するための延伸方法、さらに
詳しくは限定された狭い温度範囲及びガラス質繊
維の結晶質化を制御すべく同温度範囲に繊維を曝
す時間を極度に限定して延伸を行なう改良された
ガラス質繊維の延伸方法に関するものである。
金属、金属酸化物、及び金属酸化物の混合体の
非粘性溶融物を細孔を通して大気中に押出し、繊
維の表面に作用させて繊維を安定させ、凝固する
前に繊維が小滴に分散しないようにするさや状の
被膜を形成することによつて繊維を連続的に製造
する方法は米国特許第3658979号及び再発行特許
第27123号に開示されている。
この方法で製造された繊維は非粘性溶融紡糸繊
維(inviscid melt spun fibres)と呼ばれるが、
以下の記述では“IMS繊維”と略記する。
このような繊維のあるものは、いくつかのもの
に応用するのに特に望ましい特質を有している。
現在特に望ましいと考えられる繊維は、溶融した
時の温度が通常1300℃以上である1つ若しくは複
数の耐火性のガラス質金属酸化物又は金属酸化物
の混合体より主として成つている溶融物から紡出
した繊維である。
〓〓〓〓
このようなIMS繊維、すなわちこのような溶融
物から作り出されたIMS繊維は、ある望ましい特
質を有している。まず第1にこの繊維は比較的高
い弾性係数を有していて、このためこの繊維は、
翼、下げ翼、発動機覆い等の飛行機部品のみなら
ず浴槽、ボート、つり棹等あらゆる種類の製品を
製造するために、種々の合成樹脂組織と結合して
補強材として使用するのに特に適している。
しかし先行技術のIMS繊維はあるものには適し
ているが、それだけにその弾性係数は多くのもの
に応用するにはまだ不十分であると考えられ、従
つて本発明の主たる目的は、上記の繊維の弾性係
数を著しく増大させる方法を提供することであ
る。上記の繊維とはすなわち、溶融温度が130℃
以上の非粘性の溶融ガラス質金属酸化物及びその
混合物より作られ、米国特許第3658979号に記述
されているように、1から50までの範囲、好まし
くは2から25までの範囲のレイリーの媒介変数
(Rayleigh parameter)を有するIMS繊維であ
り、レイリー媒介変数は
The present invention relates to a drawing method for producing glassy oxide fibers with high values of elastic modulus, and more particularly to a defined narrow temperature range and a drawing process for controlling the crystallization of the glassy fibers. The present invention relates to an improved method for drawing glass fibers in which drawing is carried out by extremely limiting the exposure time of the fibers. A non-viscous melt of metals, metal oxides, and mixtures of metal oxides is extruded through the pores into the atmosphere and acts on the fiber surface to stabilize the fibers so that they do not disperse into droplets before solidification. A method for continuously manufacturing fibers by forming sheath-like coatings is disclosed in U.S. Pat. No. 3,658,979 and Reissue Patent No. 27,123. Fibers produced by this method are called inviscid melt spun fibers.
In the following description, it will be abbreviated as "IMS fiber". Some of these fibers have properties that are particularly desirable for some applications.
Fibers that are currently considered particularly desirable are spun from melts consisting primarily of one or more refractory vitreous metal oxides or mixtures of metal oxides whose melt temperatures are typically above 1300°C. This is the fiber produced. 〓〓〓〓
Such IMS fibers, ie, IMS fibers produced from such melts, have certain desirable attributes. First of all, this fiber has a relatively high modulus of elasticity, which makes it
Particularly suitable for use as a reinforcing material in combination with various synthetic resin systems to manufacture not only aircraft parts such as wings, lower wings, engine covers, etc., but also all kinds of products such as bathtubs, boats, fishing rods, etc. ing. However, while the prior art IMS fibers are suitable for some applications, their elastic modulus is still considered insufficient for many applications, and it is therefore a primary object of the present invention to The object of the present invention is to provide a method for significantly increasing the elastic modulus of. The above fibers have a melting temperature of 130℃
Rayleigh medium ranging from 1 to 50, preferably from 2 to 25, as described in U.S. Pat. No. 3,658,979; It is an IMS fiber with a variable (Rayleigh parameter), and the Rayleigh parameter is
【式】で表わさ
れる無次元数で、その値はよく知られたウエーバ
ー数(Weber number)の平方根である。(記号
は各々溶融物の、V=流速、D=流れの直径、ρ
=密度、γ=表面張力)。
更に、本発明が適用できる繊維は、極めてガラ
ス質であり、しかも後述する理由でシリカはほと
んど含まれていない繊維である。
上述の特許はそこに開示された方法が種々の金
属や多くの金属合金の繊維に応用できることを記
述しているが、本発明はそのような金属及び金属
合金の繊維とは関係なく、粘性を与えるシリカを
含む溶融物とも関係ない。すなわち、シリカがあ
ると混合物を、存在するシリカの量にほぼ正比例
して粘性にしてしまう傾向があり、これによつて
非粘性溶融物から繊維を延伸する方法を提供する
ことを目指している本発明は、粘性混合物を用い
た通常の延伸方法を用いる上記特許の方法の利用
を必要としなくなる。
一般的に、上記に定義したような1300℃以上の
温度で解け、しかも珪素や硼素などの酸化物を含
まない、1つあるいはそれ以上のガラス質金属酸
化物から成る溶融物から形成され、本発明の方法
が適用可能ないわゆるIMS繊維は、それらの混合
物に個有の溶融点よりもかなり低い温度(すなわ
ち、それらの混合物について一般的に決定された
固相温度より低い温度で一般的には経験的に確定
できる。)において、しかも極度に限定された温
度範囲内で、あたかも粘性があるかのように延伸
される。この温度においてIMS繊維の延伸は、絶
対最少限度の時間、すなわち、0.01秒から0.2〜
0.3秒以内の時間だけ上記の低い温度に曝すこと
によつて達成でき、またこの温度において、繊維
が細く延伸される部分で上記温度に曝されるべき
時間を望ましくは1/1000秒程度にまで短縮する
ことも可能である。延伸率及び延伸度は広く変え
ることができる。延伸度は本発明に従つて処理さ
れた繊維の始めと終わりの直径の比率である。一
方、延伸率は処理されていないIMS繊維の選ばれ
た線分長さと本発明に従つて処理された後の同じ
部分の長さとの比率として定義することができ
る。本発明において延伸率は2から恐らく200ま
での範囲になしうる。
延伸率はもちろん必要に応じて、あるいは延伸
部分に熱の形でエネルギーが供給されるのに応じ
て変えることができる。
2倍の弾性係数増加がすでに得られ、4倍もの
係数増加を予想することができる。特に、10×
106psiから24×106psiもの高さまでの範囲の係数
増加がいくつかの例証で得られており、10×106
から40×106psiの係数増加が予想されている。本
発明は、このようなかなり高い弾性係数の増加
が、広く組成を変化させた多くの繊維のいずれに
よつても得ることができる方法を提供している。
なお、1×106psiは約0.07×106Kg/cm2である。
本発明の第1の目的は、非粘性溶融紡糸繊維
(IMS繊維)の弾性率を増加させる延伸処理法を
提供することである。
本発明の第2の目的は、この処理法によつて重
合合成樹脂材料との複合組織の有用性を改善すべ
く、従来より2〜4倍も高い弾性率を有するガラ
ス質繊維を得るための延伸方法を提供することで
ある。
ガラス繊維強化プラスチツクは、その重さに対
する強度の高いことが重要なところに広範に使用
されている。一定限度以上には失透(結晶化)さ
れていないガラスは、一般に、そのセラミツク性
〓〓〓〓
と耐熱衝撃性及び強度により、広く利用されてい
る。
ガラス、言い変えれば通常透明なガラス状セラ
ミツクスは、強固な岩状の物質であり、様々な形
状に加工することができる。その1つの欠点であ
る脆さは、ガラスを繊維状に紡糸し、このガラス
繊維を低弾性率のマトリツクス内で強化材として
用いることにより克服される。低弾性率マトリツ
クスの役割は、ほとんどの合成物において応力集
中を分散させることによつて、各繊維に対する負
荷を均等に配分し、各単一の繊維に対する過負荷
を防ぐことである。
ガラスの強度は、繊維状として、特に合成物に
結合されたときに非常に高いものとなる。ガラス
の弾性率は、大多数の目的を果たすには充分高い
ものといえるが、その強度を全面的に利用するに
は低過ぎる。合成物製の建築用部材の実用性は、
たとえ破壊しなくても屈撓変形する程度によつて
失われてしまう。
通常のガラスの弾性率は、主として従来の製造
法、即ち粘性溶融体からの連続的延伸法における
粘性の必要性によつて決定付けられる。このよう
な延伸法では、約103ポアズの溶融粘性が必要と
されるのである。溶融糸の必須条件は、勿論、延
伸粘性を得るのに必要な温度において結晶化しな
いことである。
後者の条件を満たすために、従来は、ガラスを
構成する酸化物の混合物中に、かなり大量のシリ
カ(SiO2)を含める方法が採用されている。ま
た、ボリウムやゲルマニウム等の他の網目構造形
成体は、特殊な場合に利用されている。シリカ中
のSi―O結合の部分的共有特性は、大多数の金属
酸化物やその混合物が溶融点以上に熱せられた場
合、共通して粘性を10〜100センチポアズ引き上
げる働きをする。
ガラスを構成する耐火性酸化物の中でも、シリ
カの弾性率が10.5×106psiと最も低い。従つて、
シリカがガラス構成上に占める割合の大きさから
見ても、ガラスの弾性率は当然限定される。少数
のガラスの公式表示によればその弾性率は15×
106psiである。シリカを基礎としたガラスの場
合、得られる限り最高の弾性率は18×106psiとい
うことになつている。
耐火性により優れた結晶ガラスのあるものは、
40×106〜60〜106psiの弾性率を有しており、ガ
ラスの構成部分からシリカを除くことができれば
18×106psiを大きく上まわる弾性率を持たせるこ
とも可能であることを示している。しかし、シリ
カを除いてしまうと、溶融点における粘性が著し
く低下する。そして、粘性が低下すると、従来の
延伸法によるガラス繊維の形成が大変むずかしく
なる。結晶化や失透現象を起さずに融解点を通過
させるには、急速な冷却が必要とされる。
ダン(Dunn)他による米国特許第3658979号に
開示された非粘性溶融紡糸法等の押出し又は紡糸
法には、融解点付近での冷却中に起こる失透現象
を回避するための適当な冷却速度が示されてい
る。この方法によれば、流れの低粘性から派生す
る別の問題、いわゆるレイリー(Rayleigh)の分
散も回避される。即ち、固いさやを迅速に形成す
ることによつて、溶融物が固まるまで初期流の円
筒形状を安定させておくのである。このさやは、
例えば、炭化水素を熱分解して得られる炭素によ
つて形成される。
上記の技術によつて形成されたセラミツク繊維
は、シリカを含有しなくともガラス質の特性を示
す。このガラス質特性は、肉眼による観察におい
ても、エツクス線回折パターンの拡散特性におい
ても明白である。また、その密度も、構成要素で
ある酸化物の結晶密度から予想されるものよりも
はるかに低い。
以上により、従来のガラス延伸技術において、
繊維がその直径を縮小されるときに繊維が必要温
度にさらされる時間を非常に短縮することによつ
て、IMS繊維をより微細な繊維に再加工又は延伸
することが可能であることが立証された。
ほとんどのガラスは熱力学的に不安定である。
ガラスは、結局硬質化し、より密度が高く、より
堅く、おそらくはより強い結晶質に再配列され
る。この現象は、融解点のすぐ下の温度で急速に
起り、温度が融解点よりもかなり低い場合には、
より緩慢に起る。
ガラス繊維の強度は、結晶質化すなわち失透化
の時、増加も減少も可能である。強度の増減のい
ずれが行なわれるか及びその程度は、失透特性に
よつて決定される。失透化が強く集中的に行なわ
れた場合、ガラスの強度は事実上全く失われてし
まうこともある。逆に、失透化が一様で、結晶分
〓〓〓〓
散が行なわれた場合、強度は増加する。
公知のように、その強度を左右するガラス中の
結晶子を一様に分配するには、核の濃度、過飽和
度、流動性、過飽和と流動性との維持時間、結晶
化される物質の濃度等のいくつかの助変数の間で
相互にバランスを取る必要がある。核の配分及び
一般成分は、初期において一様でなければならな
いことは言うまでもない。
IMS繊維又はその他のガラス繊維の延伸におい
て、延伸速度に対する引張り応力の割合は粘性に
よつて決定されるが、この粘性は、延伸の行なわ
れる温度によつて決定される。従つて、延伸され
た繊維の最終的引張り強度は、繊維の直径の下限
を決定する1つの要素となり、一方温度は、延伸
度を制御する追加の助変数を構成する。延伸度を
制御する最終的変数は、高温帯における滞留時間
であり、この時間は、通常、ガラスの供給速度即
ちIMS繊維の炉すなわち延伸される高温帯への供
給速度と、炉内の高温帯の長さによつて制御され
る。
IMS繊維又は他のガラス繊維からの延伸におい
て有用な粘性の範囲は、わずかに約103ポアズで
ある。粘性は温度の指数関数であるため、これは
温度に直せば摂氏数十度に相当するのみである。
従つて、IMS繊維の延伸と同時に行なわれる一定
限度の結晶化は、こうした温度限界に関連して制
御されなければならない。即ち、過飽和度及び流
動性もこれにならつて制御されるのである。この
ように、上述の制限を流動性及び過飽和度に適応
させて、IMS繊維の延伸中に一様な結晶化を得ら
るだけの十分な時間的余裕をもつて核形成及び合
成を行なうことができるかどうかは疑問である。
しかしながら、本願発明者は、ISM繊維をより
小径に延伸すると同時に、所定の限度(通常、結
晶率10±5%程度)内に制限され、一様に分散さ
れた結晶化を行なわしめ、しかも弾性率をも増加
させることのできる条件を発見した。この方法を
実施するための装置は非常に簡潔な構成であり、
上部に配置されIMS繊維を通常鉛直方向に押出す
自動供給機構、下方にあつて延伸された繊維を張
力を保つて巻取る機構及びこれらの中間に配置さ
れ通過する繊維に熱を与え、繊維をさらに細く延
伸させる加熱炉から成つている。
実施例 1
加熱手段として直径0.0081cmの白金線のコイル
(長さ0.59cm)を用いた。このコイルは直径が
0.159cmであつて、断熱材で囲い上下の中心に繊
維を通過させるために孔を設けた。温度は光高温
計によつて白金線と炉の内壁とで測定した。巻取
機構としては従来同様のローラを用いた。
送り装置からIMS繊維を垂直に炉をつき抜けて
送り、その端部を巻取手段に付着させた。次に送
り装置を始動させかつ炉の温度を所定の電圧とア
ンペア数とに急速に上げて延伸を行なつた。延伸
を行なう場合にはIMS繊維を鉛直方向に送つた
が、水平方向にまたは適宜の角度にしてもよい。
いくつかの長さの繊維をIMS繊維から延伸した
が、このIMS繊維はアルミナ53.5重量%とカルシ
ア46.5重量%とからなる試薬等級品から作つた融
成物から紡出したものであつた。IMS繊維は毎秒
0.25cmの速度で炉に送り込んだ。炉の内壁及びコ
イルの温度の測定によつて、IMS繊維を作つたセ
ラミツクの融点よりかなり低い摂氏1200〜1300℃
になるようにIMS繊維の延伸温度を制御した。結
果は次の第1表のようになつた。It is a dimensionless number expressed by the formula, whose value is the square root of the well-known Weber number. (Symbols are respectively for the melt, V = flow velocity, D = flow diameter, ρ
= density, γ = surface tension). Furthermore, the fibers to which the present invention can be applied are extremely glassy fibers, and furthermore, they contain almost no silica for reasons described below. Although the above-mentioned patent describes that the method disclosed therein is applicable to fibers of various metals and many metal alloys, the present invention is independent of fibers of such metals and metal alloys; It has nothing to do with the silica-containing melt that is given. That is, the presence of silica tends to make the mixture viscous in approximately direct proportion to the amount of silica present, and this book aims to provide a method for drawing fibers from non-viscous melts. The invention eliminates the need to utilize the method of the above patent using conventional stretching methods with viscous mixtures. It is generally formed from a melt of one or more glassy metal oxides, as defined above, which melts at temperatures above 1300°C and does not contain oxides such as silicon or boron. The so-called IMS fibers to which the method of the invention is applicable are generally produced at temperatures well below the melting point characteristic of their mixtures (i.e. below the generally determined solidus temperature for those mixtures). (which can be determined empirically) and within an extremely limited temperature range, it is stretched as if it were viscous. At this temperature, the drawing of IMS fibers takes an absolute minimum time, i.e. from 0.01 seconds to 0.2~
This can be achieved by exposing the above-mentioned low temperature for a time of 0.3 seconds or less, and at this temperature, the time during which the fiber is exposed to the above-mentioned temperature at the part where it is thinly drawn is preferably about 1/1000 second. It is also possible to shorten it. The stretching ratio and degree of stretching can vary widely. Drawability is the ratio of the starting and ending diameters of the fibers treated according to the invention. On the other hand, the draw ratio can be defined as the ratio of the length of a selected segment of untreated IMS fiber to the length of the same segment after being treated according to the present invention. In the present invention, the stretch ratio can range from 2 to perhaps 200. The stretching rate can of course be varied as required or as energy is supplied in the form of heat to the stretched section. A 2-fold increase in the elastic modulus has already been obtained, and a 4-fold increase in modulus can be expected. In particular, 10×
Factor increases ranging from 10 6 psi to as high as 24×10 6 psi have been obtained in some instances, with 10×10 6
A modulus increase of 40×10 6 psi is expected. The present invention provides a method by which such fairly high modulus increases can be obtained with any of a number of fibers of widely varying composition.
Note that 1×10 6 psi is approximately 0.07×10 6 Kg/cm 2 . A first object of the present invention is to provide a drawing process that increases the modulus of inviscid melt spun fibers (IMS fibers). A second object of the present invention is to obtain glass fibers having an elastic modulus 2 to 4 times higher than conventional ones, in order to improve the usefulness of composite structures with polymerized synthetic resin materials by this treatment method. An object of the present invention is to provide a stretching method. Glass fiber reinforced plastics are widely used where high strength to weight is important. Glass that has not been devitrified (crystallized) beyond a certain limit generally has ceramic properties.
It is widely used due to its thermal shock resistance and strength. Glass, or in other words, usually transparent glassy ceramics, is a strong, rock-like material that can be fabricated into a variety of shapes. One drawback, brittleness, is overcome by spinning the glass into fibers and using the glass fibers as reinforcement in a low modulus matrix. The role of the low modulus matrix in most composites is to spread out the stress concentrations, thereby evenly distributing the load on each fiber and preventing overloading on each single fiber. The strength of glass is very high in fibrous form, especially when combined into composites. The modulus of glass is high enough to serve most purposes, but too low to take full advantage of its strength. The practicality of composite building components is
Even if it does not break, it will be lost depending on the degree of bending and deformation. The elastic modulus of conventional glasses is determined primarily by the viscosity requirements of conventional manufacturing methods, ie, continuous drawing from a viscous melt. Such stretching methods require a melt viscosity of approximately 10 3 poise. The prerequisite for molten threads is, of course, that they do not crystallize at the temperatures necessary to obtain drawing viscosity. In order to satisfy the latter condition, a method has conventionally been adopted in which a considerable amount of silica (SiO 2 ) is included in the oxide mixture constituting the glass. Other network formers, such as volium and germanium, have also been used in special cases. The partially covalent nature of the Si--O bonds in silica commonly serves to increase the viscosity of most metal oxides and mixtures thereof by 10 to 100 centipoise when heated above their melting points. Among the refractory oxides that make up glass, silica has the lowest elastic modulus of 10.5×10 6 psi. Therefore,
Considering the large proportion of silica in the glass composition, the elastic modulus of glass is naturally limited. According to the official designation of a few glasses, their modulus of elasticity is 15×
106 psi. For silica-based glasses, the highest modulus obtainable is 18 x 10 6 psi. Crystal glass with superior fire resistance is
It has an elastic modulus of 40×10 6 to 60 to 10 6 psi, and if silica can be removed from the glass components.
This shows that it is possible to have an elastic modulus significantly greater than 18×10 6 psi. However, if silica is removed, the viscosity at the melting point is significantly reduced. When the viscosity decreases, it becomes very difficult to form glass fibers by conventional drawing methods. Rapid cooling is required to pass the melting point without crystallization or devitrification phenomena. Extrusion or spinning processes, such as the non-viscous melt spinning process disclosed in U.S. Pat. It is shown. This method also avoids another problem deriving from the low viscosity of the flow, the so-called Rayleigh dispersion. That is, the rapid formation of a hard sheath stabilizes the cylindrical shape of the initial stream until the melt solidifies. This pod is
For example, it is formed from carbon obtained by thermally decomposing hydrocarbons. Ceramic fibers formed by the above technique exhibit glassy properties even without containing silica. This glassy property is evident both in visual observation and in the diffusive properties of the X-ray diffraction pattern. Its density is also much lower than what would be expected from the crystal density of its constituent oxides. As a result of the above, in the conventional glass drawing technology,
It has been demonstrated that it is possible to rework or draw IMS fibers into finer fibers by greatly reducing the time that the fibers are exposed to the required temperature when the fibers are reduced in their diameter. Ta. Most glasses are thermodynamically unstable.
The glass eventually hardens and rearranges itself into a denser, harder, and possibly stronger crystalline structure. This phenomenon occurs rapidly at temperatures just below the melting point;
Occurs more slowly. The strength of glass fibers can be increased or decreased upon crystallization or devitrification. Whether and to what extent the intensity increases or decreases is determined by the devitrification properties. If devitrification is intense and intensive, the glass may lose virtually all of its strength. On the contrary, the devitrification is uniform and the crystal content is
If dispersion takes place, the intensity increases. As is known, in order to uniformly distribute the crystallites in the glass, which determines its strength, the concentration of nuclei, the degree of supersaturation, fluidity, the time for maintaining supersaturation and fluidity, and the concentration of the substance to be crystallized are required. It is necessary to mutually balance several parameters such as. It goes without saying that the distribution and general composition of the nuclei must be uniform initially. In drawing IMS fibers or other glass fibers, the ratio of tensile stress to drawing rate is determined by the viscosity, which in turn is determined by the temperature at which the drawing is carried out. The ultimate tensile strength of the drawn fiber is thus one factor determining the lower limit of the fiber diameter, while temperature constitutes an additional parameter controlling the degree of drawing. The final variable that controls the degree of drawing is the residence time in the hot zone, which is usually determined by the glass feed rate, i.e., the IMS fiber, into the furnace or hot zone where it is drawn, and the temperature of the hot zone in the furnace. controlled by the length of The range of viscosities useful in drawing from IMS fibers or other glass fibers is only about 10 3 poise. Since viscosity is an exponential function of temperature, this is only equivalent to several tens of degrees Celsius.
Therefore, a certain limit of crystallization that occurs simultaneously with the drawing of IMS fibers must be controlled in relation to these temperature limits. That is, the degree of supersaturation and fluidity are also controlled accordingly. Thus, nucleation and synthesis should be carried out with sufficient time to obtain uniform crystallization during drawing of the IMS fiber, adapting the above limitations to flowability and supersaturation. It is doubtful whether it can be done. However, the inventor of the present application has developed a method that allows ISM fibers to be drawn to a smaller diameter, and at the same time, to achieve uniformly dispersed crystallization within a predetermined limit (usually about 10 ± 5% crystallinity), and to achieve elasticity. We have discovered conditions that can also increase the rate. The equipment for carrying out this method has a very simple configuration;
An automatic feeding mechanism is placed at the top to extrude the IMS fibers in a vertical direction, a mechanism is placed at the bottom to wind up the stretched fibers while maintaining tension, and a mechanism is placed in between these to apply heat to the fibers passing through them, thereby increasing the strength of the fibers. It consists of a heating furnace that stretches it even thinner. Example 1 A platinum wire coil (length 0.59 cm) with a diameter of 0.0081 cm was used as a heating means. This coil has a diameter of
It was 0.159 cm in diameter, and was surrounded by heat insulating material, with holes provided in the center of the top and bottom to allow the fibers to pass through. The temperature was measured by an optical pyrometer at the platinum wire and the inner wall of the furnace. As the winding mechanism, a roller similar to the conventional one was used. The IMS fiber was fed vertically through the furnace from the feeding device and its ends were attached to the winding means. The feeder was then started and the furnace temperature was rapidly raised to the desired voltage and amperage to effectuate the drawing. In the case of drawing, the IMS fibers were fed vertically, but they may also be fed horizontally or at an appropriate angle. Several lengths of fiber were drawn from the IMS fiber, which was spun from a melt made from a reagent grade product consisting of 53.5% alumina and 46.5% calcia by weight. IMS fibers per second
It was fed into the furnace at a speed of 0.25 cm. By measuring the temperature of the inner wall of the furnace and the coil, it was found to be between 1200 and 1300 degrees Celsius, which is considerably lower than the melting point of the ceramic from which the IMS fibers were made.
The drawing temperature of the IMS fiber was controlled so that The results were as shown in Table 1 below.
【表】
〓〓〓〓
[Table] 〓〓〓〓
【表】
弾性率はリード振動法を用い、その基本(最低
振動数)及び第1〜第3ハーモニツクスを用いる
ことによつて決定した。第1表に見られるよう
に、延伸された繊維の弾性率は非常に増大した。
同じIMS繊維原料から延伸した別の繊維のX線
回折を行なつた。X線図では結晶率が10±5%で
あり、微結晶は直径10-3〜10-5cmの範囲内にあつ
た。親のIMS繊維のX線図では結晶がなかつた。
さらに別の延伸繊維のサンプルを垂直方向に垂
らして、この繊維の下端にアルミニウム製のコツ
プをつり下げた。繊維が切れるまでコツプに超皮
膚針(hyperdermic needle)でゆつくりとかつ
注意深く水を入れた。コツプ、水及び切れた繊維
の端の重さは3.957gであつた。切れた繊維の直
径は0.00081cm(8.1ミクロン)で最終引張り強さ
は109×103psi(7.66×103Kg/cm2)であつた。繊
維はコツプ及び支持手段につないだ箇所では切れ
なかつた。
酸化アルミニウム64.5%、酸化カルシウム35.5
%から成るIMS繊維を同じ装置で繊維化する場合
には組成の影響が見られる。装置の性能の限界に
よる失透過多によつて失敗した。送り速度を最大
にしても非常に短い繊維以外は延伸しただけで繊
維は切れた。酸化アルミニウム(Al2O3)を53.5%
含んでいる混合物の融点は最低であつたが、酸化
アルミニウムを64.5%含んでる混合物は酸化アル
ミニウムと酸化カルシウムとの化合物と対応す
る。結晶格子の組成は他の種(Species)が混じ
つていないので、格子はより速く結晶する。長さ
が上記炉の1/3で加熱帯が0.20cmである炉で繊維
を延伸することができる。すなわち上記装置の3
倍の送り速度毎秒0.75cmを有する改良装置で同じ
効果を得ることができる。
この理由及び他の理由によつて、炉の長さをよ
り短くしおよび/または送り速度をより速くする
ことが酸化アルミニウム80.7%、酸化カルシウム
19.3%から成るIMS繊維から繊維を延伸するため
に必要である。酸化アルミニウムだけのIMS繊維
の場合はなおさらである。
酸化アルミニウムと酸化カルシウムとから成る
IMS繊維の弾性率は、酸化アルミニウム含有量が
増えれば増えるほどほぼ直線的に増大する。弾性
率は次の式で表わされる。
弾性率(psi)=(0.396×−10.0)×106
(Xは酸化アルミニウム含有率%)
延伸された繊維の弾性率は各々の親のIMS繊維
のそれよりもかなり大きい。
融成物には核形成剤を添加しなかつたが、この
融成物から繊維を次々に紡糸して延伸した。炉の
加熱コイルから白金の蒸気が発生したために、核
形成がいくらか行なわれた。しかしこの核形成は
表面で起るだけであつて、恐らく認められるほど
の強度増加を与えないであろう。より一様な分散
すなわち測定された強さとより調和した分散が、
延伸工程すなわち繊維を細くする工程で、本来の
剪断作用に関連してあるいはIMS繊維を引き出し
たタングステンのるつぼからの分散タングステン
によつて行なわれた。
ガラス質のIMSセラミツク繊維は作ることがで
きる。そしてこれからその延伸を制御して、シリ
カまたは他のたとえばボリア、ゲルマニアのよう
な網状組織(結晶構造)を形成する酸化物をほと
んど含まない金属酸化物またはこの金属酸化物の
2種以上の混合物から成る失透(結晶化)の程度
〓〓〓〓
をある所定限度以内に制御された繊維を作ること
ができる。少量のシリカまたは他の網状組織形成
物を除くのは困難であるし、かりに1%ぐらいな
らば残つていても害にはならない。第2表は本発
明方法を適用できる融点の高い金属酸化物の表で
あるが、これらの金属酸化物は弾性率が高いので
繊維にし易い。
多くの場合、結晶質の金属の酸化物の弾性率は
それらの融点に対応して変化する。共融混合物及
び他の混合物に適用した本発明方法は、比較的低
温で行なう作業によつて融点の高い金属酸化物か
らいくつかの堅い繊維を作る方法を示している。
第3表にはたくさんの共融混合物が示してある
が、この共融混合物は融点が低い上に、結晶化を
幾分妨げる作用を有するので、延伸の場合の加熱
帯での持続時間を短くする必要が緩和される。し
かし全くの共融混合物ではなくて一部が共融混合
物であるような酸化物である組成が本発明方法に
は最適である。
単一の組成物と共融混合物は正確な融点を有す
るが、本発明に従う他の組成物は若干幅のある融
点を有する。すなわち各溶融範囲の上限は液化点
であり、各溶融範囲の下限は固化点である。液化
点と固化点とが一致すると、組成の融点が正確に
わかる。本発明の延伸条件を限定するためには、
融点と固化点とは同じものと見なしてもよい。[Table] The elastic modulus was determined using the Reed vibration method using its fundamental (lowest frequency) and first to third harmonics. As seen in Table 1, the elastic modulus of the drawn fibers increased significantly. X-ray diffraction was performed on another fiber drawn from the same IMS fiber stock. The X-ray diagram showed that the crystallinity was 10±5%, and the microcrystals had a diameter of 10 -3 to 10 -5 cm. There were no crystals in the X-ray diagram of the parent IMS fiber. Another drawn fiber sample was hung vertically, and an aluminum tip was suspended from the lower end of the fiber. Water was slowly and carefully added to the tip with a hyperdermic needle until the fibers broke. The weight of the tip, water and cut fiber ends was 3.957 g. The cut fiber diameter was 0.00081 cm (8.1 microns) and the final tensile strength was 109 x 103 psi (7.66 x 103 Kg/ cm2 ). The fibers did not break at the points where they were connected to the tips and support means. Aluminum oxide 64.5%, calcium oxide 35.5%
% IMS fibers are fiberized using the same equipment, compositional effects can be seen. Failure occurred due to high devitrification due to limitations in equipment performance. Even at the maximum feed speed, all but the very short fibers were stretched and the fibers broke. 53.5% aluminum oxide (Al 2 O 3 )
The mixture containing 64.5% aluminum oxide had the lowest melting point, corresponding to a compound of aluminum oxide and calcium oxide. Because the composition of the crystal lattice is unmixed with other species, the lattice crystallizes faster. The fibers can be drawn in a furnace whose length is 1/3 that of the above furnace and whose heating zone is 0.20 cm. In other words, 3 of the above devices
The same effect can be obtained with an improved device having twice the feed rate of 0.75 cm per second. For this and other reasons, shorter furnace lengths and/or faster feed rates are recommended for aluminum oxide 80.7%, calcium oxide
It is necessary to draw fibers from IMS fibers consisting of 19.3%. This is especially true for IMS fibers made entirely of aluminum oxide. Consists of aluminum oxide and calcium oxide
The elastic modulus of IMS fibers increases approximately linearly with increasing aluminum oxide content. The elastic modulus is expressed by the following formula. Modulus of Elasticity (psi) = (0.396 x -10.0) x 106 (X is % aluminum oxide content) The elastic modulus of the drawn fibers is significantly greater than that of each parent IMS fiber. No nucleating agent was added to the melt, but fibers were sequentially spun and drawn from the melt. Some nucleation took place due to the generation of platinum vapor from the heating coils of the furnace. However, this nucleation will only occur at the surface and will probably not provide any appreciable strength increase. A more uniform dispersion, i.e. a dispersion more consistent with the measured strength,
The drawing step, or fiber thinning step, was carried out either in conjunction with the native shearing action or with dispersed tungsten from the tungsten crucible from which the IMS fibers were drawn. Vitreous IMS ceramic fiber can be made. And from this, by controlling the stretching, from a metal oxide containing almost no oxides forming a network (crystalline structure) such as silica or other oxides such as boria, germania, or a mixture of two or more of these metal oxides. Degree of devitrification (crystalization)
can be made into controlled fibers within certain predetermined limits. Small amounts of silica or other network formers are difficult to remove, and only about 1% can remain without causing harm. Table 2 is a list of metal oxides with high melting points to which the method of the present invention can be applied, and since these metal oxides have a high modulus of elasticity, they can be easily made into fibers. In many cases, the elastic modulus of crystalline metal oxides varies with their melting point. The method of the invention, applied to eutectic mixtures and other mixtures, shows how some stiff fibers can be made from high melting point metal oxides by operating at relatively low temperatures.
Table 3 shows a number of eutectic mixtures, which have a low melting point and have the effect of somewhat inhibiting crystallization, resulting in a shorter duration in the heating zone during drawing. The need to do so is alleviated. However, compositions in which the oxide is not entirely eutectic, but are partially eutectic, are optimal for the process of the invention. While single compositions and eutectic mixtures have precise melting points, other compositions according to the invention have melting points that vary somewhat. That is, the upper limit of each melting range is the liquefaction point, and the lower limit of each melting range is the solidification point. When the liquefaction point and solidification point match, the melting point of the composition can be determined accurately. In order to limit the stretching conditions of the present invention,
Melting point and solidification point may be regarded as the same thing.
【表】【table】
【表】【table】
【表】
〓〓〓〓
[Table] 〓〓〓〓
【表】
上述の物質の代わりにこれらの同等物を使用し
ても良いことは当業者には明らかであろう。
かくて、本発明方法においては、その原材料に
かかわらず、前記の処理条件によりIMS繊維はあ
たかも粘性があるかのように延伸され、その延伸
された繊維の弾性率は従来品の平均値に対し2〜
4倍に増大することが例証されている。一方、延
伸された繊維の強度は、延伸が完了した時点での
ガラス質の結晶化が一様に分散されて行なわれた
か否かに係り、延伸時の加熱処理温度例えば1300
℃に近い温度における許容範囲は数十度差であ
り、その滞留時間は0.01〜0.3秒が望ましい。滞
留時間は延伸のために繊維を通過させる所定の高
温帯の長さと、走行速度によつて制御することが
できる。
従つて本発明の延伸方法は比較的簡単な装置で
実施可能であり、それによつて得られたガラス質
繊維は充分な強度と従来品以上の高弾性係数を有
し、種々の用途に広く利用可能となつた。
〓〓〓〓
It will be clear to those skilled in the art that equivalents thereof may be used in place of the substances mentioned above. Thus, in the method of the present invention, regardless of the raw material, the IMS fibers are drawn as if they were viscous under the above processing conditions, and the elastic modulus of the drawn fibers is lower than the average value of conventional products. 2~
A four-fold increase has been demonstrated. On the other hand, the strength of the drawn fibers depends on whether or not the glassy crystallization is uniformly dispersed at the time of completion of the drawing.
The permissible range at temperatures close to °C is several tens of degrees, and the residence time is preferably 0.01 to 0.3 seconds. The residence time can be controlled by the length of the predetermined high temperature zone through which the fibers are passed for drawing, and by the running speed. Therefore, the drawing method of the present invention can be carried out using relatively simple equipment, and the glass fibers obtained thereby have sufficient strength and a higher elastic modulus than conventional products, and can be widely used in various applications. It became possible. 〓〓〓〓
Claims (1)
ユームおよび隣の酸化物を含まない耐火性金属酸
化物の少なくとも1つから成り、1300℃以上の固
相点若しくは溶融点を有する組成の非粘性溶融紡
糸繊維を延伸する方法であつて、連続して定量送
り出されるこのガラス質繊維を加熱して延伸する
加熱区域でのすべての温度が、前記の組成体の固
相点若しくは溶融点より実質的に低いように、該
組成体が溶融する温度より100℃未満低い温度で
繊維の延伸粘性を保ちつつ、かつ充分な強度と高
い弾性率を得るためにガラス質の結晶化を所定の
限度内に制御すべく、前記の溶融点より低い温度
に延伸中の繊維を曝す時間を0.01〜0.3秒に制限
して、該繊維を延伸することを特徴とするガラス
質繊維の延伸方法。 2 前記組成が前記金属酸化物の共融混合物であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載
のガラス質繊維の延伸方法。 3 前記共融混合物が53.5重量パーセントの酸化
アルミニユームと46.5重量パーセントの酸化カル
シウムであることを特徴とする特許請求の範囲第
2項に記載のガラス質繊維の延伸方法。[Scope of Claims] 1 Consisting of at least one refractory metal oxide substantially free of about 1% or more of silicon, boron, germanium, and neighboring oxides, and having a solidus point or melting point of 1300°C or more A method for drawing non-viscous melt-spun fibers having a composition, wherein all temperatures in the heating zone where the glassy fibers, which are continuously fed out in a fixed quantity, are heated and drawn, are below the solidus point of the composition. or glassy crystallization to maintain the drawing viscosity of the fiber at a temperature substantially below the melting point, less than 100°C below the temperature at which the composition melts, and to obtain sufficient strength and high modulus. In order to control the temperature within a predetermined limit, the time during which the fiber is exposed to a temperature lower than the melting point is limited to 0.01 to 0.3 seconds, and the fiber is drawn. Method. 2. The method for drawing glass fibers according to claim 1, wherein the composition is a eutectic mixture of the metal oxides. 3. The method of drawing glass fibers according to claim 2, wherein the eutectic mixture is 53.5 weight percent aluminum oxide and 46.5 weight percent calcium oxide.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9383878A JPS5523007A (en) | 1978-08-01 | 1978-08-01 | Method of yarning glassy fiber |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9383878A JPS5523007A (en) | 1978-08-01 | 1978-08-01 | Method of yarning glassy fiber |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5523007A JPS5523007A (en) | 1980-02-19 |
| JPS629539B2 true JPS629539B2 (en) | 1987-02-28 |
Family
ID=14093523
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9383878A Granted JPS5523007A (en) | 1978-08-01 | 1978-08-01 | Method of yarning glassy fiber |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5523007A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61189722U (en) * | 1985-05-13 | 1986-11-26 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5213583B2 (en) * | 1973-07-26 | 1977-04-15 | ||
| JPS5032327B2 (en) * | 1973-07-27 | 1975-10-20 |
-
1978
- 1978-08-01 JP JP9383878A patent/JPS5523007A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5523007A (en) | 1980-02-19 |
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