JP4895149B2

JP4895149B2 - ガラス繊維の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP4895149B2
Application number: JP2001523327A
Authority: JP
Inventors: 慶二大滝; 幸義筱生; 能之原田
Original assignee: パラマウント硝子工業株式会社
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: KR100663401B1; US6862901B1; EP1142839A4; AU7314000A; WO2001019741A1; EP1142839A1; KR20010093081A

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心法によるガラス繊維の製造方法と製造装置に関するものであって、生産性を向上できると共に、延伸バーナーの燃料消費が抑えられ、なおかつ簡単な手段でガラス繊維製品の要求品質に合致したガラス繊維を連続的に紡糸できる製造方法及び製造装置を提供することにある。
【背景技術】
【０００２】
遠心法によるガラス繊維の製造方法と製造装置としては、特公昭４２−１３７４８号公報及び米国特許第４６８９０６１号明細書が公知である。特公昭４２−１３７４８号公報に開示されているものは、回転体周壁に穿設された上下方向２０列程度のオリフィスから遠心力の作用で射出する材料の細糸に、気体流を作用させて細繊維に引き延ばす際に、上方の繊維と下方の繊維が衝突し良質の繊維を得ることができない欠点を解決するために、周壁のオリフィス直径が、上側部分から下側部分に向けて小さく形成されたものである。
【０００３】
また、米国特許第４６８９０６１号明細書に開示されているものは、回転体周壁に、上下方向に２列以上のオリフィスを穿設した複数の孔列群を配置し、該オリフィス群の中間に無孔穿設部分を設け、かつオリフィス群の下側部分のオリフィス直径が上側部分のオリフィス直径より小さいものを配置したものである。
【０００４】
しかしながら、前者に開示された方法では、回転体単位当たりの生産性を上げるために、上下方向に４０列程度のオリフィスを設けた場合、オリフィスから射出された材料の細糸を細繊維に引き延ばす際に、繊維同士の衝突を回避できず、良質の繊維を得ることはできない。また、ガラス繊維には多数の品種があり（例えば、圧縮復元性を要求される低密度品、硬さを要求される中高密度品等）、夫々の要求品質に合致した繊維径、繊維径分布、繊維長のものを生産する場合には限界がある。
【０００５】
また、後者に開示されているものは、オリフィス群間に無孔穿設部分を設けており、従って、回転体当たりの生産性を上げるため、オリフィス数を多くすれば、回転体周壁の高さを必要以上に高くしなければならないことと、細繊維化に要するバーナー燃料消費が多くなり、生産コストの上昇になるばかりではなく、更に繊維の衝突も生じ易くなり、良質の繊維が得られないという欠点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の従来技術の現状に鑑み、本発明は回転体単位当たりの生産量を向上せしめるため、回転体周壁に穿設する孔の上下方向の列数を多くして繊維を増産でき、かつ延伸バーナーの燃焼消費が抑えられ、生産コストの上昇を抑えることを可能ならしめ、しかも各種ガラス繊維製品に要求される繊維径、繊維径分布、繊維長等の特性を有する良質のガラス繊維が紡糸できる製造方法及び製造装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、遠心法により中空円筒状回転体（以下回転体と略す）内の溶融ガラスを、該回転体を加熱しつゝ高速回転させ、遠心力の作用で周壁部の孔から吐出させてガラス繊維を製造する方法において、回転体の周壁部円周方向に、交互に配置された、直径差が0.02〜0.3mmである少なくとも２種類の孔から溶融ガラスを吐出させて、実質的に長さの異なる少なくとも２種類の一次線条に形成し、該一次線条を回転体の周壁外周域で、周壁部外周面母線方向と略平行方向に噴出する火炎流に導入させて二次繊維に細繊化し、該二次繊維を含む火炎流の進行方向に対し、鋭角方向から圧縮流体を噴出させて二次繊維に衝突させる方法が提供される。
前記圧縮流体の噴出は、回転体の周壁部外周面母線方向に対し、15〜30度の角度であることが好ましい。
前記圧縮流体の噴出流の上縁と、回転体の周壁部の下端縁との間隔が、少なくとも30mmであることが好ましい。
【０００８】
また、本発明によれば、周壁部を有し、直径差が0.02〜0.3mmである少なくとも２種類の孔が周壁部の円周方向に交互に穿設されている、中空円筒状回転体と、前記回転体の周壁部上縁外周域に、回転体と同心円状に配置され、周壁部外周面母線方向と略平行に開口する吐出口を有する、環状の延伸バーナーと、前記延伸バーナーの外周に、前記回転体の周壁部外周上縁と同心円状に配置され、かつ周壁部外周面母線方向に対し、鋭角方向に開口する吐出口を有する、吐出ノズルとよりなるガラス繊維製造装置が提供される。
前記周壁部に、大径の孔と小径の孔とが穿設されており、大径の孔が、外周面母線方向に形成されて、第一の孔帯群を形成し、小径の孔が、外周面母線方向に形成されて、第二の孔帯群を形成し、前記第一の孔帯群と第二の孔帯群とが、回転体周壁部円周方向に、交互に配設されていることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１，図２は、本発明による装置の一実施例を示したものである。本発明のガラス繊維製造装置は、中空円筒状回転体１と、該回転体１上縁外周に配設された延伸バーナー９と、吐出ノズル１２とよりなる。図１に示す装置において、回転体１上部には、ガラス溶融炉４とこれに続く前炉５が配設されており、該前炉５下側に吐出ノズル６が形成され、該吐出ノズル６から溶融ガラスＢが、回転体１の中空円筒内部に供給される。
【００１０】
回転体１は周壁部２を有し、該周壁部２には複数の孔が穿設されている。図２は、回転体１の周壁部２に穿設された孔の配列の一例を示す。周壁部２円周方向には、大径の孔３１と小径の孔３２とが間隔を存して交互に穿設された孔緯列が形成されており、周壁部２の外周面の母線方向に沿って複数の孔緯列が形成されている。１つの緯列における孔３１と孔３２との間に、隣接する緯列における孔３１が配置されている。下側に形成された１又は２以上の緯列における大径の孔３１ａの各々は、上側の緯列における大径の孔３１の各々の直径よりも小さな直径を有する。図１、図２に示す実施例においては、各緯列は、２種類の直径を有する孔よりなるが、３種類以上の直径の孔よりなっていてもよい。
【００１１】
回転体１を回転させるための駆動装置（図示省略）がベルト７を回転させ、該ベルト７は回転軸８と連結し、該回転軸８に装着された回転体１が高速回転可能とされている。該回転体１上縁外周に、同心円状に環状の延伸バーナー９が配設されている。該延伸バーナー９は、吐出口１０と燃焼室１１とを有する。該延伸バーナー９の吐出口１０が周壁部２の外周面母線方向と略平行に下側に開口しており、燃焼室１１の燃焼排ガスの火炎流Ｇが延伸バーナー９から周壁部２の外周面母線方向に沿って噴出する。
【００１２】
燃焼室１１下側で、かつ延伸バーナー９の吐出口１０外周に、回転体１上縁外周と同心円状に圧縮流体の吐出ノズル１２の複数が配設されている。該吐出ノズル１２の各々には、回転体１の外周面母線方向に対し、鋭角方向に開口する吐出口１３が形成されている。従来技術においては、このような吐出ノズル１２は用いられていない。符号１４は回転体１内部を加熱するためのバーナーである。
【００１３】
回転体１は、駆動装置で高速回転すると共に、バーナー１４で回転体１内部が加熱されており、前記吐出ノズル６から溶融ガラスＢが回転体１の中空円筒内部に供給される。溶融ガラスＢは、前炉５の吐出ノズル６から先細り状の円錐形状として吐出され、その後、線状となって円筒体１内部へ供給される。
【００１４】
回転体１内部へ供給された溶融ガラスＢは、回転体１の高速回転を受け、遠心力によって周壁部２内周面にせり上がり、該周壁部２に穿設された複数の大径の孔３１（又は３１ａ）と小径の３２（又は３２ａ）とから該周壁部２外部へ吐出され、孔３１（又は３１ａ）から吐出された大径の一次線条と孔３２（又は３２ａ）から吐出された小径の一次線条とに形成される。大径の一次線条は質量が大きく、小径の一次線条は質量が小さい。従って、同じ運動エネルギー（回転体１の遠心力）を加えられた時には、大径の一次線条３１１は、小径の一次線条３１２に比較して、より遠くに飛ばされることとなる（図４）。従って、大径の孔３１（又は３１ａ）から吐出された一次線条は、小径の孔３２（又は３２ａ）から吐出された一次線条に比較して長くなる。
【００１５】
本発明に係る方法、装置は、前述の如き構成とされたものであって、回転体１の周壁部２の円周方向に延びる一つの緯列には、少なくとも２種類の直径を有する孔が交互に穿設されている（換言すれば、大径の孔３１は、２つの小径の孔３２に隣接し、小径の孔３２は、２つの大径の孔３１に隣接する）。該回転体１の遠心力により一つの孔３１（又は３２）から吐出されて形成された一次線条は、隣接する孔３２（又は３１）から吐出されて形成された一次線条とは異なる長さを有し、互いに隣接する一次線条が異なる長さを有した状態で一次線条を延伸バーナーの火炎流の中に導入できる。従って、後述図４に示すように、相隣接する一次線条３１１，３１２が絡まり又は衝突するおそれはなく、また、火炎流の有効な伝熱、引き延ばし作用を受けることができる。
【００１６】
外周面母線方向下側に位置する緯列における孔３１ａ，３２ａは、上側の緯列において対応する孔３１，３２よりも小さな直径を有するので、上側の孔から吐出された一次線条と下側の孔から吐出された一次線条と衝突しない。或る孔と隣接する孔との間隔は周壁円周方向、外周面母線方向の何れも、従来技術と同じ間隔でよく、従って、本発明においては、生産量の減少、或いは周壁の高さが高くなる等の問題は全く生じない。
【００１７】
また、図３は、周壁部２に穿設されたの配列の別の一例を示す。周壁部２外周面母線方向に上側から第１列、第３列等、奇数列の緯列の各々は、大径の孔３１と小径の孔３２とを有し、大径の孔３１は、母線方向において同じ位置に配置されており、小径の孔３２は、母線方向において同じ位置に配置されている。一方、第２列、第４列等、偶数列の緯列の各々は、大径の孔３１と小径の孔３２とを有し、偶数列の孔３１，３２の各々は、奇数列の孔３１と孔３２との中間に位置させている。その結果、周壁部２には、外周面母線方向に対し、２列の大径の孔３１の経列よりなる孔経列群Ｘと、２列の小径の孔３２の経列の２列の孔列群Ｙが外周面母線方向に沿って交互に形成されている。図２に示す実施例と同様、母線方向下側に位置する孔３１ａ，３２ａの直径は、上側に位置する孔３１，３２よりも小さい。周壁部２における孔の配列は、図２又は図３に限られるものではなく、その他各種の配列が適用できる。この場合、周壁部２の外周面円周方向において直径の異なる２種類以上の孔を配設すること及び母線方向下側に位置する孔の直径を上側に位置する孔より小さく形成することが必要である。
【００１８】
回転体１周壁部２の外部では、該回転体１の回りの吐出口１０から周壁部２外周面母線方向と略平行に火炎流Ｇが噴出しており、前記一次線条が火炎流Ｇ中に導入され、該一次線条は細繊化されて二次繊維に形成される。図４は、本発明による一次線条を火炎流Ｇ中に導入する場合の説明図であり、図５は、圧縮流体流噴出の説明図である。図５において、上側の緯列の孔から吐出された一次線条と下側の緯列の孔から吐出された一次線条とが、火炎流Ｇの幅(a)内において間隔(b)を保って導入されるため、これら一次線条は火炎流の有効な伝熱、引き延ばし作用を充分に受けて細繊化することができる。
【００１９】
細繊化された二次繊維に、吐出ノズル１２の吐出口１３から噴出する圧縮流体を衝突させて、二次繊維を切断する。図示実施例においては、圧縮流体は、吐出口１３から圧力3Kg/cm²程度の高速で噴出される。その際の噴出の角度（鋭角）αは、火炎流Ｇの流れ方向に対して15〜30度程度が好ましい。尚、二次繊維に圧縮流体を衝突させて二次繊維を切断する場合、該圧縮流体の噴出角度、噴出圧力を適宜採択すれば、得られる二次繊維長を自由にコントロールすることができる。
【００２０】
二次繊維と圧縮流体との衝突は、図５に示すように、周壁部２の最下端縁Ｒの温度が圧縮流体の噴出流Ｓによって低下しないこと、及び周壁部２の最下端縁Ｒが前記細繊化に影響を与えないようにすることが必要である。従って、圧縮流体流Ｓの上縁Ｐが、回転体１の周壁部２外側の最下端縁Ｒに衝突しないように、周壁部２外側の最下端縁Ｒと圧縮流体流Ｓの上縁Ｐとの間隔Ｌは、30〜50mm程度或いはそれ以上とする。かくすることによって、該周壁部２の最下端縁Ｒが圧縮流体流Ｓとの衝突による温度低下の影響を避けることができる。
【００２１】
即ち、本発明は、圧縮流体の噴出角度（鋭角）αを15〜30度程度とすること及び回転体１の周壁部２外側の最下端縁Ｒと圧縮流体の噴出流Ｓの上縁Ｐとの間隔Ｌを少なくとも30〜50mm程度とすることによって、周壁部２の温度低下が可及的に避けられ、また、噴出流Ｓと火炎流Ｇとの衝突が細繊化後の位置で行われるため、細繊化形成に何等妨げとはならず、適正な繊維長の二次繊維を連続的に製造することができる。
【００２２】
また、運転中の繊維長のコントロールは圧縮流体の吐出力の調節によって行われる。一般的に、圧縮復元性を要求される低密度品の場合は、繊維長を長めにコントロールし、硬さ・剛性を要求される中高密度品の場合には、繊維長を短めにコントロールすることが好ましい。
【００２３】
回転体１の直径が400mmの場合、２０〜３０ケの吐出ノズル１２を設けることが望ましい。２０ケより少ない吐出ノズル１２を設けると、繊維長が長くなり、好ましくない。３０ケより多い吐出ノズル１２を設けると、繊維長を短くする顕著な効果は認められず、逆に圧縮流体の消費量が増大し、コストアップになるため好ましくない。吐出口１３は、スロット形状とされ、短辺が0.4〜1.0mm、長辺が7〜15mmの範囲、好ましくは0.5mm×10mmのスロットを使用する。これより小さい場合、繊維長が長くなり、また、これより大きい場合は顕著な効果は認められず、逆に圧縮流体の消費量が増大し、コストアップになるため好ましくない。
【００２４】
表１に示した条件において、本発明により、標準ガラスと硬質ガラスとからガラス繊維を製造した。例えば、標準ガラスからガラス繊維を製造する場合、大径の孔３１の直径は0.9mm、小径の孔３２の直径は0.75mm、大径の孔３１ａの直径は0.8mm、小径の孔３２ａの直径は0.7mmであった。大径の孔３１と小径の孔３２とを有する、６つの緯列が形成され、大径の孔３１ａと小径の孔３２ａとを有する、４０の緯列が形成された。該実施例においては、上側に形成された孔の直径と下側に形成された孔の直径とが段階的に小さくなっているが、本発明は、上から下にいくにしたがって、孔の径を徐々に小さくしていく構成を含む。
【００２５】
比較のために、表１に示した条件において、従来技術により、標準ガラスと硬質ガラスとからガラス繊維を製造した。
「標準ガラス」とは、図６に示すように、1070℃で約1000ポイズの粘度を有するほう酸（B₂O₃）を含有するガラス又は無ほう酸ガラスである。「硬質ガラス」とは、1200℃で約1000ポイズの粘度を有するほう酸（B₂O₃）を含有するガラス又は無ほう酸ガラスである。
【００２６】
上述のようにして得られたガラス繊維を成型して、10K×50mm×430mm×1370mmの低密度のガラス繊維成型物（断熱材として用いられる）を製造した。また、該断熱材の復元率を測定した。復元率は、断熱材を、体積で８７％に圧縮し、圧縮保持後１ヶ月を経過した後に測定した。開梱後、圧縮力をはずし、４時間放置後のグラスウール断熱材の厚さを測定し、規定寸法厚さ（50mm）に対する比率を求めることにより復元率を得た。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１から明らかなように、同じ量のガラス繊維を製造した場合、本発明は従来法と比較して燃料消費量が少ない。本発明においては、吐出ノズル１２から圧縮流体を噴出させて二次繊維に衝突させる。この場合、圧縮流体によって二次繊維は、互いに絡まらずに分散される、何故ならば、従来技術に比べて本発明により得られる繊維長が短目だからである。本発明の実施例における吐出ノズルからの吐出圧力に関して、標準ガラスの場合、1.5Kg/cm²、硬質ガラスの場合、2.0Kg/cm²と圧力設定値を変えているのは、ガラス粘性を考慮したものである。
【００２９】
回転体１周壁部２に穿設する大径の孔３１と小径の孔３２（更に大きな又は小さな孔がある場合を含む）の直径の差は、0.02〜0.3mmとする。その差が0.02mmより小さい場合には、吐出される一次線条の長さに実質的な差異はない。0.3mmを超えた場合には、１個の孔からの紡糸量（g/孔、Hr）が、孔の直径の４乗に比例するので、小孔径と大孔径の紡糸量の差が大きくなりすぎ、同一の紡糸条件下（延伸バーナー条件、中空回転体条件、溶融ガラス条件、吐出ノズル条件等）で良質な繊維を生産できない。従って、直径の異なる少なくとも２種類の孔の直径の差は、0.02〜0.3mmとする。上記実施例においては、標準ガラスの場合、上段に配置された大径の孔の直径は0.9mm、上段に配置された小径の孔の直径は0.75mmであり、直径の差は0.15mmである。
【００３０】
表２に示した条件において、本発明により、標準ガラスと硬質ガラスとからガラス繊維を製造した。比較のために、表２に示した条件において、従来技術により、標準ガラスと硬質ガラスとからガラス繊維を製造した。標準ガラス及び硬質ガラスは、表１の実施例（及び比較例）において用いられたものと同じである。
【００３１】
上述のようにして得られたガラス繊維を成型して、32K×50mm×605mm×910mm及び96K×50mm×605mm×910mmの中高密度のガラス繊維成型物（断熱材として用いられる）を製造した。また、該断熱材を、体積50％に圧縮して、その圧縮強度を測定した。
【００３１】
【表２】

【００３２】
表２から明らかなように、本発明の方法と従来の方法で同じ量のガラス繊維を製造した場合、本発明の方法では燃料消費量が少なく、得られたガラス繊維成型物の圧縮強度も改善されていること。従って、本発明により、中高密度ガラス繊維成型物の要求品質によく合致したガラス繊維が得られることがわかる。
【００３３】
低密度ガラス繊維成型物の場合、良好な圧縮復元性を確保するためには、繊維径分布を小さくすることが必要である。図７ａは、本発明によって得られた、圧縮復元性を要求される低密度ガラス繊維成型物の繊維径分布である。本発明によって得られた低密度ガラス繊維成型物において要求される繊維径分布Ａは、比較的小さい。図７ｂは、本発明によって得られた、硬さ・剛性を要求される中高密度品の繊維径分布Ｂであり、繊維径分布Ｂは、低密度品の繊維径分布Ａより大きい。即ち、本発明によれば、低密度品、中高密度品等、何れの品種に対しても、要求される製品品質特性に応じた繊維径分布のものを簡単に得ることができる。
【００３４】
以上の如く、本発明の方法は、回転体周壁部円周方向各列に、交互に直径の異なる少なくとも２種類以上の複数の孔を穿設し、遠心力によって該複数の孔から一次線条を吐出させ、周壁部外周で、該一次線条を火炎流に導入して細繊化された二次繊維に形成することができ、更に該二次繊維に鋭角方向から圧縮流体を衝突させることによって、周壁部から吐出する一次線条を所望の繊維長を有する二次繊維に細繊化することができ、低密度品又は中高密度品の如何にかかわらず、要求される繊維径、繊維径分布、繊維長等が得られるから、各種品質特性を満足する良質な繊維を簡単に得ることができる。また、本発明の方法は、生産性を向上できると共に、延伸バーナーの燃料消費量が抑えられ、コストを低減ならしめることができるという効果がある。
【００３５】
また、本発明の装置は、回転体周壁部円周方向に交互に孔径の異なる少なくとも２種類以上の複数を穿設することによって、細繊維に引き延ばす際に、繊維同士の衝突を回避でき、良質の二次繊維を増産できると共に、火炎流に対して鋭角方向から圧縮流体を噴出することによって、細繊化時に圧縮流体流との衝突が避けられ、一次線条から所望の長さの二次繊維までの工程を連続的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】装置の要部断面図である。
【図２】孔の配列の一例である。
【図３】他の孔の配列の一例である。
【図４】一次線条を火炎流に導入する場合の説明図である。
【図５】圧縮流体流噴出の説明図である。
【図６】ガラス温度に対する粘度のグラフである。
【図７】（ａ）は、低密度品の繊維径分布のグラフ、（ｂ）は中高密度品の繊維径分布のグラフである。
【符号の説明】
１：中空円筒状回転体、
２：周壁部、
９：延伸バーナー、
１０：吐出口、
１２：吐出ノズル、
３１，３２，３１ａ，３２ａ：孔、

Claims

中空円筒状回転体内の溶融ガラスを、該回転体を加熱しつゝ高速回転させ、遠心力の作用で周壁部の孔から吐出させてガラス繊維を製造する方法において、
中空円筒状回転体周壁部円周方向に、交互に配置された、直径差が0.02〜0.3mmである少なくとも２種類の孔から溶融ガラスを吐出させて、実質的に長さの異なる少なくとも２種類の一次線条に形成し、
該一次線条を中空円筒状回転体の周壁外周域で、周壁部外周面母線方向と略平行方向に噴出する火炎流に導入させて二次繊維に細繊化し、
該二次繊維を含む火炎流の進行方向に対し、鋭角方向から圧縮流体を噴出させて二次繊維に衝突させることを特徴とする、ガラス繊維の製造方法。
圧縮流体の噴出が、中空円筒状回転体の周壁部外周面母線方向に対し、15〜30度の角度であることを特徴とする、請求項１記載のガラス繊維の製造方法。
圧縮流体の噴出流の上縁と、中空円筒状回転体の周壁部の下端縁との間隔が、少なくとも30mmであることを特徴とする、請求項１記載のガラス繊維の製造方法。
周壁部を有し、直径差が0.02〜0.3mmである少なくとも２種類の孔が周壁部の円周方向に交互に穿設されている、中空円筒状回転体と、
前記回転体の周壁部上縁外周域に、回転体と同心円状に配置され、周壁部外周面母線方向と略平行に開口する吐出口を有する、環状の延伸バーナーと、
前記延伸バーナーの外周に、前記回転体の周壁部外周上縁と同心円状に配置され、かつ周壁部外周面母線方向に対し、鋭角方向に開口する吐出口を有する、吐出ノズル
とよりなることを特徴とする、ガラス繊維製造装置。
前記周壁部に、大径の孔と小径の孔とが穿設されており、
大径の孔が、外周面母線方向に複形成されて、第一の孔帯群を形成し、
小径の孔が、外周面母線方向に形成されて、第二の孔帯群を形成し、
前記第一の孔帯群と第二の孔帯群とが、回転体周壁部円周方向に、交互に配設されていることを特徴とする、請求項４記載のガラス繊維製造装置。