ガラス繊維

ガラス繊維（またはガラス繊維）は、非常に細いガラス繊維が多数集まった材料です。

歴史を通じてガラス職人はガラス繊維の実験を行ってきたが、ガラス繊維の大量生産が可能になったのは、より精密な機械加工技術の発明によってのみである。1893年、エドワード・ドラモンド・リビーは、絹繊維の直径と質感を持つガラス繊維を組み込んだドレスをシカゴ万国博覧会に出品した。ガラス繊維は、ペレの髪の毛のように、自然界にも存在する。

今日「グラスファイバー」と呼ばれる製品の一つであるグラスウールは、1932年から1933年の間にオーウェンス・イリノイ社のゲームズ・スレイターによって、建物の断熱材として使用される材料として発明されました。^{[ 1 ]}これはファイバーグラスという商標名で販売されており、この商標は一般名詞化しています。断熱材として使用されるグラスファイバーは、多くの小さな気泡を閉じ込める結合剤で特別に製造され、その結果、特徴的な空気で満たされた低密度の「グラスウール」製品群が生まれます。

ガラス繊維は、ポリマーや炭素繊維などの他の繊維とほぼ同等の機械的特性を持っています。炭素繊維ほど剛性はありませんが、はるかに安価で、複合材料に使用した場合の脆性も大幅に低くなっています。ガラス繊維強化複合材料は、優れた耐環境性、衝撃荷重に対する優れた損傷許容性、高い比強度と剛性のため、海洋産業や配管産業で使用されています。^{[ 2 ]}

ガラス繊維は、シリカベースまたはその他の配合のガラスの細い糸を押し出して、繊維加工に適した直径の小さな繊維を多数作ることによって形成されます。ガラスを加熱して細い繊維に引き伸ばす技術は何千年も前から知られており、エジプトやベネチアで実践されていました。^{[ 3 ]}これらの繊維が最近繊維用途に使用されるようになる前は、すべてのガラス繊維はステープル（つまり、短い長さの繊維の束）として製造されていました。

グラスウールを製造する現代的な方法は、オーウェンス・イリノイ・グラス・カンパニー（オハイオ州トレド）に勤務していたゲームズ・スレイターの発明です。彼は1933年にグラスウールを製造する新しいプロセスの特許を初めて申請しました。ガラス繊維の最初の商業生産は1936年でした。1938年、オーウェンス・イリノイ・グラス・カンパニーとコーニング・グラス・ワークスが合併し、オーウェンス・コーニング・ファイバーグラス・コーポレーションが設立されました。両社が合併してガラス繊維を製造・販売する際に、連続フィラメントガラス繊維を導入しました。^{[ 4 ]}オーウェンス・コーニングは現在も市場における主要なガラス繊維メーカーです。^{[ 5 ]}

ガラス繊維に用いられる最も一般的なガラス繊維はEガラスで、これはアルカリ酸化物が1重量％未満のアルミノホウケイ酸ガラスであり、主にガラス強化プラスチックに使用されます。その他のガラスの種類としては、Aガラス（ホウ素酸化物がほとんどまたは全く含まれていないアルカリ石灰ガラス）、E-CRガラス（耐電気/耐薬品性、アルカリ酸化物が1重量％未満のアルミノ石灰ケイ酸塩で、耐酸性が高い）、Cガラス（ホウ素酸化物含有量が高いアルカリ石灰ガラスで、ガラス短繊維や絶縁材に使用）、Dガラス（ホウケイ酸ガラスで、誘電率が低いことから命名）、Rガラス（MgOとCaOを含まないアルミノケイ酸ガラスで、強化材として高い機械的要求を満たす）、Sガラス（CaOを含まないがMgO含有量が高く、引張強度が高いアルミノケイ酸ガラス）などがあります。^{[ 6 ]}

純粋なシリカ（二酸化ケイ素）は、溶融石英として冷却されて真の融点を持たないガラスになると、グラスファイバーの繊維として使用できますが、非常に高い温度で加工する必要があるという欠点があります。必要な作業温度を下げるために、他の材料が「融剤」（つまり、融点を下げる成分）として導入されます。通常のAガラス（「A」は「アルカリ石灰」の略）またはソーダ石灰ガラスは、粉砕されて再溶解できる状態になり、いわゆるカレットガラスとして、グラスファイバーに使用された最初のタイプのガラスでした。Eガラス（「E」は当初の電気用途に由来）はアルカリを含まず、連続フィラメント形成に使用された最初のガラス配合でした。現在では世界のグラスファイバー生産の大部分を占めており、また、世界で最大のホウ素鉱物の消費源でもあります。塩化物イオンによる腐食を受けやすく、海洋用途には適していません。 Sガラス（「S」は「強度」の略）は、高い引張強度（弾性率）が重要な場合に使用され、そのため建築や航空機構造用の複合材料において重要です。同じ物質は、ヨーロッパではRガラス（「R」は「補強材」の略）として知られています。Cガラス（「C」は「耐薬品性」の略）とTガラス（「T」は「断熱材」の略で、Cガラスの北米版）は耐薬品性があり、どちらも吹き込み式グラスファイバーの断熱グレードによく見られます。^{[ 7 ]}

繊維用ガラス繊維の主成分はシリカ、SiO₂_{です。純粋な状態では、}ポリマー(SiO₂ ₎ n_として存在します。真の融点はありませんが、1200  ℃まで軟化し、そこで分解 が始まります。1713 ℃では、ほとんどの分子が自由に動き回ることができます。この温度でガラスを押し出して急速に冷却すると、規則的な構造を形成することができません。^{[ 9 ]} ポリマーでは、中心にケイ素原子、角に4つの酸素原子を持つ四面体として構成されたSiO₄グループ_{を形成します。これらの原子は、}酸素原子を共有することによって角で結合したネットワークを形成します。

シリカのガラス状態と結晶状態（ガラスと石英）は分子レベルではエネルギー準位が似ており、ガラス状態が極めて安定していることも示唆している。結晶化を 誘発するには、1200 ℃以上の温度で長時間加熱する必要がある。 ^{[ 4 ]}

純粋なシリカは完全に実用的なガラスおよびガラス繊維ですが、非常に高い温度で加工する必要があり、特定の化学的特性が必要でない限り、これは欠点となります。作業温度を下げるために、他の材料の形で不純物をガラスに導入するのが一般的です。これらの材料は、さまざまな用途で有益となる可能性のある、さまざまな他の特性もガラスに与えます。繊維に使用された最初のタイプのガラスは、ソーダ石灰ガラスまたはAガラス（「A」は含まれるアルカリを表します）でした。これはアルカリに対する耐性があまり高くありません。新しいアルカリを含まない（2%未満）タイプのEガラスは、アルミノホウケイ酸ガラスです。^{[ 10 ]} Cガラスは、主にEガラスを破壊する酸などの化学物質による攻撃に耐えるように開発されました。 ^{[ 10 ]} Tガラスは、Cガラスの北米版です。ARガラスはアルカリ耐性ガラスです。ほとんどのガラス繊維は水への溶解度が限られていますが、 pHに大きく依存します。塩化物イオンもEガラスの表面を攻撃して溶解します。

Eガラスは実際には溶融せず、軟化します。軟化点は、「直径0.55～0.77 mm、長さ235 mmの繊維を垂直に吊り下げ、毎分5 °Cの速度で加熱したときに、自重で毎分1 mm伸びる温度」です。^{[ 11 ]}歪み点は、ガラスの粘度が10 ^14.5ポアズに達したときに達成されます。アニーリング点は、内部応力が15分で許容可能な商業的限界まで減少する温度であり、粘度が10 ¹³ポアズで示されます。^{[ 11 ]}  

ガラス繊維は、アスベストが癌を引き起こすことが発見され、その後ほとんどの製品から除去されて以来、人気が高まっています。この人気上昇に伴い、ガラス繊維の安全性も疑問視されるようになりました。研究によると、ガラス繊維の組成は、どちらもケイ酸塩繊維であるため、アスベストと同様の毒性を引き起こす可能性があります。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

1970年代に行われたラットを用いた研究では、直径3μm未満かつ長さ20μmを超えるガラス繊維は「強力な発がん物質」であることが判明した。同様に、国際がん研究機関も1990年に「発がん物質であると合理的に予測できる」と結論付けた。しかし、ガラス繊維は通常、直径が3μmより大きいものを製造する。一方、米国産業衛生専門家会議は、証拠が不十分であり、ガラス繊維はグループA4「ヒト発がん物質として分類できない」としている。   

北米断熱材製造業者協会（NAIMA）は、ガラス繊維は天然のものではなく人工物であるため、アスベストとは根本的に異なると主張している。^{[ 22 ]}彼らは、ガラス繊維は「肺で溶解する」のに対し、アスベストは体内に一生残ると主張している。ガラス繊維とアスベストはどちらもシリカ繊維から作られているが、NAIMAは、アスベストは結晶構造のため、より小さく危険な破片に割れるため、より危険であると主張している。これは米国保健福祉省の見解を引用している。

合成ガラス繊維（グラスファイバー）は、アスベストとは2つの点で異なり、その毒性の低さを少なくとも部分的に説明できる可能性がある。ほとんどの合成ガラス繊維はアスベストのように結晶質ではないため、縦方向に割れて細い繊維を形成しない。また、溶解や横方向の破断を起こすことができるため、一般的にアスベスト繊維よりも生体組織内での生体残留性が著しく低い。 ^{[ 23 ]}

1998年にラットを用いて行われた研究では、合成繊維の1年後の生体内残留率は0.04～13%であったのに対し、アモサイトアスベストでは27%であったことが分かった。残留期間が長い繊維ほど発がん性が高いことが分かった。^{[ 24 ]}

ガラス繊維強化プラスチック（GRP）は、プラスチックを細いガラス繊維で強化した複合材料または繊維強化プラスチックです。ガラスは、チョップドストランドマット（CSM）または織布の形をとることができます。^{[ 6 ] [ 25 ]}

他の多くの複合材料（鉄筋コンクリートなど）と同様に、2つの材料は互いに補完し合い、それぞれの欠点を補い合います。プラスチック樹脂は圧縮荷重に対しては強いものの、引張強度は比較的弱い一方、ガラス繊維は引張強度には非常に強いものの、圧縮には弱い傾向があります。この2つの材料を組み合わせることで、GRPは圧縮力と引張力の両方によく耐える材料となります。^{[ 26 ]} 2つの材料は均一に使用することも、引張荷重を受ける構造物の部分にガラスを特に配置することもできます。^{[ 6 ] [ 25 ]}

通常のガラス繊維の用途には、断熱材、電気絶縁材、遮音材、高強度繊維、耐熱・耐腐食性繊維用のマットや布地などがあります。また、テントポール、棒高跳びポール、矢、弓、クロスボウ、半透明の屋根パネル、自動車のボディ、ホッケースティック、サーフボード、ボートの船体、紙ハニカムなど、さまざまな材料の補強にも使用されています。医療用としてギプスにも使用されています。ガラス繊維は、FRPタンクや容器の製造に広く使用されています。^{[ 6 ] [ 25 ]}

オープンウィーブのガラス繊維グリッドは、アスファルト舗装の補強に使用されます。^{[ 27 ]}不織布のガラス繊維/ポリマーブレンドマットは、アスファルト乳剤で飽和させ、その上にアスファルトを重ねることで、防水性、耐亀裂性の膜を形成します。鋼鉄の腐食を避けたい地域では、鋼鉄の鉄筋の代わりにガラス繊維強化ポリマー鉄筋を使用することが有望視されています。 ^{[ 28 ]}

ガラス繊維断熱材の製造業者は、再生ガラスを使用することができます。再生ガラス繊維には、最大40%の再生ガラスが含まれています。^{[ 31 ] [ 32 ]}

• CDC – 繊維ガラス – NIOSH 職場安全衛生トピック
• グラスファイバーと健康（2017年11月3日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• 国際ジオシンセティックス協会（International Geosynthetics Society）は、ジオテキスタイルおよびジオシンセティックス全般に関する情報を提供しています。