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Asahi Glass Co., Ltd Nippon Sheet Glass HOYA Glass Nippon Electric Glass

ガラス特性の測定方法
特性測定方法 Menu
密度
弾性率
破壊強度
破壊靭性
熱衝撃抵抗
粘度
ガラス転移温度 Tg
線膨張係数
液相温度及び結晶化
蛍光
ソーラリゼーション
化学的耐久性
耐候性(または、やけ)



 密度
 適切に選んだガラス片を空気中と水中に浸かっている状態で秤量し、空気中の質量を浮力(体積に相当)で除することにより求める(アルキメデス法)。ガラスが水と反応する場合は、ケロシンのような不活性な液体を選んで媒体として用いる。測定精度は0.001 g/ml である。ブロック状のガラスに気泡が存在する場合は、粉砕した試料についてピクノメーターを用いて測定する。Heガスを置換媒体としたピクノメーター法による自動測定法もある。測定には数ミリグラム程度の粉末又は顆粒状の試料で足りる。測定精度は0.002 g/ml である。  高温の融液状態にあるガラスの密度を測定する代表的な方法としてはアルキメデス2球法がある。大きさが異なる2つのPt球を細い金属線で吊し、ガラス融液中での各重さの差をPt球の各体積の差で割って密度を求める。

 弾性率
 ガラスの弾性率(ヤング率、剛性率及びポワッソン比)の通常の測定法は、次の3種の原理に分類される。   (1) 応力−ひずみ曲線を利用する方法。   (2) 超音波の伝搬に基づく方法。   (3) 短冊状試料の固有振動を測定する方法 (ASTM C 623-2005)。

 破壊強度
 ガラスの強度は試験試料の表面状態に依存する。強度は、また、3点支持曲げ試験、4点支持曲げ試験(ASTM C158-2007)及び2軸環試験のような試験方法に密接に関連している。試料の寸法、加重速度及び試験雰囲気も規定しなければならない。  異なる種類のガラスを比較するためには、加傷強度を測定する。強度測定に先だって、ガラス試料や製品の表面欠陥の条件を規格化するか、制御する必要上多くの方法が使われている。代表的な手法には次のものがある。エッジ部をマスクで覆って、測定する試料面に一定の粒度の乾燥炭化珪素粒を規定の高さから落下させて傷をつける。(ASTM C158-2007)

 破壊靭性
 破壊靭性KICとは、亀裂伝搬速度が急速になる時点の臨界応力拡大係数の値を指す。破壊靭性の測定方法には二つの方法がある。  一つはノッチ(切り欠き)付き試料を使う方法で、他は微小圧痕付きの試料を使う方法である。静的疲労を示す材料の試料は、不活性雰囲気中で試験する。
ノッチ付き試料 測定はノッチ付きの試料に加える荷重を増大させて破壊に至らしめる方法で行う。ノッチの形状、力のかけ方によって種々の方法があるが、代表的な方法として、SEPB法がある。この方法では、直方体のビーム状試験片に片側貫通予亀裂(Single edge precracked beam)を導入し,3点曲げ破壊試験を行い,破壊荷重や予亀裂長さ、試験片寸法、支点間距離を用いて平面ひずみ破壊靭性KICを求める。(JIS R 1607)
圧入微小亀裂付き試料 この方法は、圧子圧入によって測定試料に微小亀裂を入れ、この亀裂の寸法からKICを求める方法(IF法)と、破壊起点として用いる曲げ試験による方法(IS法)がある。試験試料の特殊の加工が不必要で、操作が簡便であることが特徴である。
(a)
IF法 (indentation fracture method) 平滑な試料表面にビッカース圧子を押し込み,圧子押し込みによって発生した圧痕の寸法と,その圧痕の四隅から発生じたクラックの長さから,破壊報性値を算出する簡便な破壊靭性測定法(JIS R 1607)この方法は圧子の圧入によって著しい高密度化の起こるガラス、たとえばシリカガラスやほうけい酸ガラス、には適用できないことを注意する必要がある。
(b)
IS法 (indentation strength in bending method) ISB法ともいう。 平滑な試料表面にビッカース圧子を押し込み,その押し込み面に引張り応力が発生するように曲げ破壊試験を行う。押し込み荷重と曲げ強さ、ヤング率,及びビッヵ―ス硬さとから,残留応力を考慮した半経験式により破壊靭性を算出する。IS法は亀裂寸法を測定することなしに,簡便に破壊甑性値が測定できるという長所がある。

 熱衝撃抵抗
 熱浴又は加熱室中で加熱したガラス製品試料を急速に冷浴に移して、破損したガラス製品の数量を数える。熱衝撃抵抗の表示は次のように表し、目的によって使い分ける。   (1) その温度差で全数破損なし。  (2) 所定の破損率に達するまで温度を求める。  (3) 全数破損の温度差を求める。

 粘度、軟化点、徐冷点、ひずみ点
 ガラスの粘度の値は大まかに14桁の大きさにわたっているので、測定は狭い範囲の粘度に対応した各種の手段によって行われている。これらの方法を、次表にまとめる。
表 粘度測定方法
領域 方法 粘度
溶融ガラス 球落下法又は球引き上げ法
回転粘度計
(a) 内筒回転式 (b) 外筒回転式
棒沈降式
<105 dPa・s
<106 dPa・s
   
=104 dPa・s
軟化点 から 徐冷温度域 平行平板式
貫入法

繊維引伸ばし

  軟化点
  徐冷点及びひずみ点
ビーム曲げ法

  徐冷点及びひずみ点
105 <粘度< 109 dPa・s
105 <粘度< 109 dPa・s
105 <粘度< 1016 dPa・s

=107.65 dPa・s

=1013及び1014.5 dPa・s

107 <粘度< 1014.7 dPa・s
=1013.2及び1014.7 dPa・s
転移温度 熱膨張計 示差熱分析(DTA)、走査熱量計(DSC)

球落下法又は球引き上げ法  溶融ガラス中の白金球の運動速度は、重力又は引き上げ力とストークスの法則による粘性抵抗力の釣り合いによって一定となる。粘度はこの運動速度の測定によって求まる。
回転粘度計
(a)
内筒回転式  粘性の測定は、白金るつぼ中の溶融ガラスの中に白金合金製のスピンドルを浸けて行う。スピンドルを一定の角速度で回転し、スピンドルにかかるトルクを測定し、角速度とトルクを用いて粘度と角速度を計算する。(ASTM C1351M-96)
(b)
外筒回転式 るつぼ又は外筒を一定速度で回転し、るつぼとスピンドルの間の角速度の差によって発生するトルクを測定する。(ASTM C1351M-R2007, ISO 7884-2) 
棒沈降式粘度計 鉛直にたてた細い金属棒をるつぼ中の溶融ガラス中で重力(又はそれ自身の重み)で沈降させる。棒は直径0.5 mm長さ20 mmで質量0.902 gの白金合金製のものである。棒が所定の長さ沈む時間を測定し、この沈降時間と棒の幾何学的条件から粘度を計算する。この方法は、約103.7〜104.5 dPa・sの粘度を求めるのに適する。(ISO 7884-5)
平行平板粘度計 直径6-8 mm 、厚さ 3-5 mm の試料ガラス円盤を断熱のよい炉中で水平な平行平板の間にサンドイッチ上に挟み、試料に鉛直に荷重をかける。粘性は、試料の厚み減少速度、荷重、試料の幾何学的寸法及び熱膨張係数から計算できる。, この方法は、〜約105〜109 dPa・sの範囲の粘度を求めるのに適する。 (ASTM C 338-93)
貫入式粘度計 措定の幾何学的寸法の球または円柱をガラス中に所定の深さだけ沈める。粘性は貫入速度から計算する。 (球:Douglas, R. W. et al., Glass Technology 6, 52 (1965)、円柱:Kunugi M. et al., Zairyou 15, 567 (1966)) (
軟化点の測定方法 直径 0.55 〜 0.75 mm のガラス繊維を引き伸ばす。 一端は溶かして丸める。繊維は長さ23.5 mm に切り, 炉の上から吊す。この炉は繊維の上部100 mmのみを加熱する。炉を5 C/minで昇温し、繊維を軟化させ、それ自身の重みで伸長させる。繊維下端の伸びの時間経過を望遠鏡で観察し、その伸び速度が1 mm/minとなる温度を軟化点とする。ガラスの密度は繊維の伸長力として、表面張力は収縮力として作用する。ソーダ石灰ガラスでは、1 mm/minは107.65 dPa・sの粘度に相当する。他の組成系のガラスでは、粘性値は若干異なる。(ISO 7884-6:1987、JIS R 3103-1:2001)
繊維引伸ばし法 高い粘度領域の測定には、繊維の下端に重りを取り付け、繊維の引伸ばす方法がとられる。この法で最高の粘度の測定限度は、実際的に約1016.5 dPa・s. である。(ISO 7884-3)
ビーム曲げ法 単純支持したビームの中点に荷重をかけ、中点の垂れ速度を記録する。粘度の計算には、3点支持の弾性変形の式を粘弾性的に類似させて導いた式を使う。この測定法では、試料ビームはブロックを使って切断や研削で作るので、硬質ガラスや結晶化ガラスのようにバーナー加工では繊維作成が困難なガラスに役立つ。(ISO 7884-4)
ビーム曲げ法による徐冷点及びひずみ点の測定方法 ビーム曲げ法では、温度を4 C/minで降下させる条件で測定する。徐冷点は粘度が1013.2 dPa・sに相当する温度である。ビーム中点の垂れ速度を低温側に外挿して、1014.7 dPa・sに相当する粘度の温度をひずみ点とする。徐冷点、ひずみ点に相当する温度では、ガラスの粘性は高度に時間に依存する。従ってこの方法によって測定した粘度は平衡状態の構造を代表するものではないので、徐冷点とひずみ点とは、VFTの式に使ってはならない。(ISO 7884-7:1987, JIS R 3103-2:2001)
繊維引伸ばし法による徐冷点及びひずみ点の測定方法 直径0.55 to 0.75 mm長さ508mmのガラス繊維を長さ368 mmの炉の上から吊すか(方法A)、又は直径は同じで長さ100〜200 mmの繊維を支持棒を使って炉の中心部に吊す(方法B)。1kgのおもりを引っ張りのために繊維にかけ、炉温を4 C/minで降下させつつ伸び速度を測定する。徐冷点は粘度が1013.0 dPa・sに相当する温度である。繊維の伸び速度を低温側に外挿して、1014.7 dPa・sに相当する粘度の温度をひずみ点とする。(JIS R 3103-2:2001, ASTM C336-2005)

 ガラス転移温度 Tg
 ガラス転移温度では、ある種の物理的性質は温度とともに急激な変化をする。観測したTgは、測定のために選んだ特性と実験技法の詳細に多いに依存するので、観測したTgは、特定した測定法と一連の実験条件に対してのみ妥当である。ソーダ石灰ガラスに対して、Tgは粘度が1013.3 dPa・sに相当する温度と言われているが、実際にはTgは徐冷点ひずみ点とは関係がない。
熱膨張法による測定 Tgは、通常、熱膨張曲線の固体ガラス側の接線と転移温度域の急峻な位置の接線との交点と定義されている。(ISO 7884-8:1987, JIS R 3103-3:2001)
示差熱分析(DTA)又は示差走査熱量計(DSC)による測定 ガラス粉末を試験容器に入れ、装置を一定速度で昇温する。Tgは、DTA曲線又はDSC曲線におけるベースラインの接線及びガラス転移による吸熱領域の急峻な下降位置の接線との交点と定義されている。

 線膨張係数
 測定方法は次の3種類ある。押し棒式連続測定。押し棒式2点温度。光干渉式。
押し棒式連続測定 たて型、斜め型及び水平型の3タイプの装置がある。試料棒は、測定用さや中の先端に突き合わせ、ばねのついた押し棒でその後ろから押す。測定用さやと押し棒は通常溶融シリカかアルミナ製である。試料と同じ長さの白金製の試料が標準試料として使われることがある。炉温を一定速度で上昇し、伸びと温度を同時に連続記録する。ガラスが固体である領域の特定の2点の温度における伸びから平均線膨張係数を計算する。(ISO 7991:1987)
押し棒式2点温度 両端を鉛筆の先のように細めた直径5 mm、長さ100 mmのガラス試料を用意する。溶融シリカ製の鉛直においた試料保持具にガラス試料及び押し棒を挿入し、押し棒の上にダイヤルゲージをセットする。保持具を氷水の浴(0 ℃)及び加熱炉(300℃) の中に交互に入れ、ダイヤルゲージの位置を読みとる。得られた長さの変化と温度差及び試料の長さを用いて、0 〜 300 ℃の平均線膨張係数を計算する。(JIS R 3102:1978)
干渉計式 一つは熱膨張係数未知の試料、他は熱膨張係数既知のガラスでできた二つで、三個の厚みの等しい磨き試料を用意し、二枚のオプティカルフラットの間に置く。温度を上げると共に、オプティカルフラットに現れた干渉縞の動きを観察して、線熱膨張係数を求める。(JIS R 3251-1995)

 液相温度及び結晶化
温度傾斜炉 ガラスの結晶化傾向はこの装置で肉眼的に観察する。ガラス試料を白金製の保持具上にセットし、定まった温度傾斜を保った炉中で熱処理する。処理後、ガラス中に成長して結晶を顕微鏡で観察し、液相温度及び結晶成長と温度の関係を求める。試料保持具には二つのタイプがある。一つは溝形の白金容器で、この中にふるい分けした微粒のガラスを敷き詰める。他は一列に多数の孔を開けた白金製の台で、比較的粗い粒を一粒づつこの孔に置いて使う。(ASTM C 829-81(1995))
DTA(示差熱分析), DSC(示差熱量計) 比較的結晶化しやすいガラスの結晶化挙動の研究に使う。結晶化の始まり、結晶化速度のピーク温度がDTA又は DSCを使って測定できる。

 蛍光
 超高圧水銀灯の光線を 330 〜 400 nmを透過し、他は不透過のUVフィルターガラスを通すこの紫外線を光学ガラスにあて、発生する蛍光のスペクトル強度を紫外線と直交する方向から分光計で測定する。蛍光の相対強度でガラスを分類する。(JOGIS 07-1994)

 ソーラリゼーション
 光学ガラス試料を超高圧水銀灯で100 ℃で4時間 照射してから、分光透過率を測定する。紫外線照射前後の光線透過率の変化をもって、ソーラリゼイション傾向とする。(JOGIS 04-1994)

 化学的耐久性
 ガラスの化学的耐久性は次のような単純な実験で測定する。;たとえば、温度制御した振盪機付きウオーターバスにふたをした不活性の容器に入れた一定量の流体中にガラス試料を浸ける。溶出した物質の量は、試料の質量の変化、溶出液の滴定、あるいは溶出液の炎光分析、原子吸光分析、ICP分析で求める。実験はバルクのガラスあるいは粉末ガラスで行うことができる。粉末ガラスでは時間が短い。溶出ガラス成分が浸食液の性質を変えることもあるので、実験は密閉系(定量の液)、又は、液が絶えず更新する開放系(流過系)を選んで行うこともできる  次に代表的な化学的耐久性の工業規格を示す。
 [耐水性]
規格 ISO 719-1985 ISO 720-1985 DIN 12111
試料 粉末 300-500 um, 2 g 粉末 300-500 um, 10 g 粉末 315-500 um, 2 g
浸食液 蒸留水50 ml シリカガラスフラスコ中 蒸留水50 ml シリカガラスフラスコ中 蒸留水50 ml シリカガラスフラスコ中
温度   98 C 121 C オートクレーブ中 98 C
時間  60 min 30 min 60 min
定量  0.01N HClで滴定 0.02N HClで滴定 0.01N HClで滴定
報告  ml HCl/ mg 粒 ml HCl/ mg 粒 ml HCl/ mg 粒
分類(等級) 耐水等級: HGB 1 HGB 2 HGB 3 HGB 4 HGB 5 耐水等級: HGA 1 HGA 2 HGA 3

規格 ASTM C 225-2004 JIS R 3502-1995 JOGIS 06-1999
試料 びん 粉末300-425 um 10 g 粉末250-420 um 密度に相当する質量 粉末425-600 um ガラスの比重グラムの量 メタノール中で微粉除去後乾燥
浸食液   純水 50 ml 三角フラスコ (250ml) 蒸留水50 ml ガラスフラスコ pH6.5-7.5の純水80 ml 冷却器付き丸底フラスコ
温度   121 C オートクレーブ中 90 C 121 C オートクレーブ中 100 C  100 C 
時間  1 h 24 h 1 h 60 min 60 min
定量   0.020N H2SO4で滴定 0.005mol/LH2SO4で滴定 メタノール中で所定方法で洗浄し、乾燥後、減量率を測定
報告   ml  0.020N H2SO4 mg Na2O 耐水等級(1,2,3,4,5,6) 1: <0.05wt%, 6: >1.1wt%

[耐酸性]
規格   ISO 1776-1985 ASTM C 225-2004 DIN 12116 JOGIS 06-1999
試料   板  30-40 cm2 びん 板  300 cm2 粉末425-600 um ガラスの比重グラムの量 メタノール中で微粉除去後
浸食液 6 mol/L HCl, 25 Ml 0.0005N または0.0002N H2SO4 6N HCl 0.01 N HNO3, 80 ml 冷却器付き丸底フラスコ
温度   100 C 121 C オートクレーブ中 Boiling 100 C 
時間  3 h 1 h 6 h 60 min 
定量 Na2O 炎光分析、原子吸光、ICP 0.020N NaOH で滴定 質量減 メタノール中で所定方法で洗浄し、乾燥後、質量減小率を測定 
報告  Na2O ug/dm2 酸の減量 Ml mg/dm2 耐酸等級(1,2,3,4,5,6)
分類     耐酸性等級 1 (最低), 2, 3 及び 4 1: <0.2wt%, 6: >2.2wt% 

 [耐アルカリ性]
規格 ISO 695-1991 DIN 52322
試料 板 10-15 cm2 板 10-15 cm2
浸食液 1mol/L NaOH :0.5 mol/L Na2CO3
 =1:1
冷却器付きの銀容器
1mol/L NaOH :0.5 mol/L Na2CO3
 =1:1
冷却器付きの銀容器
温度  102.5 C 102.5 C
時間  3 h 3 h
定量  重量減 重量減
報告  mg/dm2 mg/dm2
分類 耐アルカリ等級: A1 A2 A3 耐アルカリ等級: A1 A2 A3

ISO 695:1991 Glass Resistance to attack by a boiling aqueous solution mixed alkali - Method of test and classification
ISO 719:1985 Glass Hydrolytic resistance of glass grains at 98 degree C. Method of test and classification.
ISO 720:1985 Glass Hydrolytic resistance of glass grains at 121 degree C. Method of test and classification.
ISO 1776:1985 Glass Resistance to attach by hydrochloric acid at 100 degree C. - Flame emission or flame atomic absorption.
ISO: 4802-1:1988 Glassware Hydrolytic resistance of the interior surface of glass container - Part 1: determination by titration method and classification.
ISO 4802-2:1988 Glassware Hydrolytic resistance of the interior surface of glass container - Part 2: determination by flame spectroscopy and classification.
ISO 7086-1:1987 Glass ware and glass ceramic ware in contact with food-release of lead and cadmium.
ISO 9686:1990 Raw optical glass Resistance to attack by aqueous alkaline phosphate-containing detergent solutions at 50 degrees C Testing and classification.
ISO 10629:1996 Raw optical glass Resistance to attack by aqueous alkaline solutions at 50 degrees C-Testing and classification.
ASTM C225-2004 Resistance of glass containers to chemical attack
JIS R 3502-1995 Test method of glass apparatus for chemical analysis
JOGIS 06-1999 Measuring method for chemical durability of optical glass (powder method)
DIN 12111 Testing of glass Powder method for testing of water-durability of glass product at 98 C and classification of glass in hydrolytic class
DIN 12116 Testing of glass Determination of acid-resistance (gravimetric method) and classification of glass in acid class
DIN 52322 Testing of glass Determination of alkali-resistance and classification of glass in alkali class

 耐候性(または、やけ)
 耐候性、又は、やけの試験は湿潤雰囲気の箱中、あるいは特定の時間間隔で湿潤―乾燥を繰り返す箱中に保持したガラス試料の表面の変化を測定することからなる。化学的浸食の程度と様式は、光散乱(又は、ヘイズ)の測定で評価する。また、IRRS, AES, SIMS 及び EDAXのようなキャラクタリゼーション測定装置で表面の分析をする。  JOGIS 07-1975では、研磨ガラス板を50 ℃の飽和蒸気圧の箱中に24時間おいた後、乾燥して、ヘイズメーターで表面からの散乱光の硬度を測定する。