フロート法とは何か？平滑性に優れる理由は何か？ガラスの製品にどのような影響があったのあか？

この記事で分かること

フロート法

　ガラスの用途は多岐にわたります。主な用途は、建物の窓ガラスや自動車のフロントガラスなどの建築・輸送機器です。また、ビール瓶や食品容器などの包装材、テレビやスマホのディスプレイ基板、光ファイバーなどのエレクトロニクス分野でも不可欠な素材です。

　そのためガラス製造市場の規模は非常に大きく、2024年時点で2,350億米ドル（約35兆円）を超えると推定されており、今後も年平均成長率（CAGR）5%以上で着実に拡大すると予測されています。

　この成長は主に、世界的な建設・建築分野での需要増加や、包装（リサイクル可能なガラス瓶の需要増）および自動車分野での用途拡大に牽引されています。

　前回はクラウン法に関する記事でしたが、今回は、フロート法に関する記事となります。

フロート法は何か

　フロート法（Float Process）は、現在、板ガラス製造の世界的な主流となっている画期的な技術です。この製法により、研磨作業なしに、両面が極めて平坦で高品質な板ガラスを大量に連続生産できるようになりました。

　この技術は、1959年にイギリスのピルキントン社（Pilkington Brothers Ltd.）のエンジニア、アラステア・ピルキントン卿によって確立されました。

---

フロート法の製造原理

　フロート法（Floatは「浮かぶ」の意）の核心は、比重の違いと表面張力を利用してガラスを自己成形させる点にあります。

1. 溶融ガラスの注入: 原料を溶かして約$1,000℃になった溶融ガラスを、巨大な浴槽（フロートバス）に流し込みます。
2. スズの上で浮遊: フロートバスの底には、ガラスより比重が重く、高温でも液体でいられる溶融スズ（錫）が敷き詰められています。
3. 自己成形: 溶融ガラスはスズの上に浮遊し、スズの完璧に水平な液面の上で、自身の重力と表面張力によって自動的に極めて平坦な板状に広がります。
4. 連続引き出し: 板状になったガラスは、徐々に温度を下げながらスズの上を流れ、固まったところで連続して引き出されます。

---

フロート法の意義

　シリンダー法などの従来の製法と異なり、フロート法には以下の画期的な利点があります。

• 研磨不要: 溶融スズの表面が完璧な定規となるため、ガラスが固まった時点で両面とも平滑な鏡面になっており、手間とコストのかかる研磨作業が不要になりました。
• 高品質・大量生産: 厚さが均一で歪みのない高品質な板ガラスを、途切れることなく連続的に大量生産できます。
• 用途: 製造されたガラス（フロート板ガラス）は、建築物の窓、自動車のガラス、鏡、液晶ディスプレイの基板など、幅広い分野で使用されています。

スズが用いられる理由は何か

　フロート法においてスズ（錫）が用いられる理由は、溶融ガラスを完璧に平坦な板状に成形するために必要な複数の物理的・化学的条件を、溶融金属の中で最も満たしているためです。主な理由は以下の3点です。

1. 比重（密度）の条件

　スズは、溶融状態のガラスよりも十分に密度が高いため、溶融スズの上に溶融ガラスが文字通り「浮かぶ（Float）」ことができます。これにより、ガラスはスズの液面という完璧な水平面を写し取ることができます。

• （比重の例） 溶融スズ の比重は約 $6.5 g/cm³、溶融ガラスの比重は約 g/cm³です。

2. 成形温度における安定性

　ガラスを成形する温度範囲（約 $1,000℃〜$600℃）において、スズは以下の重要な特性を持ちます。

• 液体であること: スズの融点は約 $232^\circ \text{C}$ と低いため、ガラスの成形温度で安定して液体（溶融状態）を保てます。
• 蒸気圧が低いこと: 高温でも気化しにくく、バス内の雰囲気を乱したり、ガラスに気泡を残したりするのを防ぎます。

3. 反応性の低さ（不活性）

• ガラスとの反応性: 溶融スズと溶融ガラスは互いに濡れ合わず、化学的な反応性が非常に低い（親和性が低い）ため、ガラスの品質を損なうことなく、滑るように広がり、剥がすことができます。

　これらの理由から、スズは「研磨不要な平滑性」を実現するための、溶融ガラスの台座として最適な金属とされています。ただし、スズは高温で酸化しやすい性質があるため、フロートバス内は水素ガスと窒素ガスを混ぜた還元性雰囲気で満たされ、酸化を防いでいます。

フロート法が平滑性に優れる理由は何か

　フロート法が平滑性に優れる理由は、溶融ガラスが完璧に平らな溶融スズの液面に浮かび、自身の重力と表面張力によって自然に成形されるためです。

---

理由の詳細

　フロート法で製造されるガラスの平滑性（平らで歪みがないこと）は、以下の物理現象を利用することで、研磨なしで実現されます。

1. 溶融スズの利用と完璧な水平面（定規）
   • 溶融スズ（錫）は、高温下でも液体であり続け、液体の表面は重力の影響で完全に水平になります。
   • 溶融ガラスはこのスズの上に浮かびます。このとき、ガラスの下面は溶融スズの完璧な水平面を写し取るため、非常に平滑になります。
2. 自己成形による上下面の平滑化
   • ガラスがスズの表面に流れ込むと、ガラス自体の重力により広がり、さらに表面張力が作用して、液体（ガラス）の表面は自然に最小のエネルギー状態、つまり極めて平坦な状態になろうとします。
   • 従来の製法（シリンダー法など）のように物理的な力で引き伸ばしたり、ローラーで挟んだりしないため、歪みや波打ちが原理的に発生しません。

　「溶融スズの水平面」と「ガラスの自然な自己成形」の組み合わせにより、研磨工程を経ることなく、高品質で歪みのない鏡のような表面を持つ板ガラスが製造されます。

フロート法のガラス製品への影響はどうか

　フロート法は、板ガラス製造に革命をもたらし、ガラス製品の品質、サイズ、用途に劇的な変化をもたらしました。

平滑性と品質の向上

• 研磨不要な高品質化: 従来、高品質な板ガラスには必須だった研磨作業が不要になり、低コストで両面が極めて平坦で歪みのない鏡面品質のガラスが大量に得られるようになりました。
• 透明度の向上: 歪みや気泡が大幅に減少したことで、ガラスの透明度と視認性が格段に向上しました。

製品の大型化と用途の拡大

• 大型窓の実現: 連続生産が可能となり、シリンダー法では難しかった大面積で均一な板ガラスが容易に製造できるようになったため、建築物の窓は大きく、広くなりました。これにより、ガラス張りの高層ビルなどの近代建築デザインが普及しました。
• 多様な製品の土台: フロートガラスは、自動車のフロントガラス、鏡、薄型テレビやコンピューターの液晶ディスプレイ（LCD）用ガラス基板など、精密な平坦性が求められる多様な製品の基礎材料となりました。

生産効率とコストの変化

• コストダウン: 連続生産が可能となり、研磨工程が削減されたことで、板ガラスの生産効率が大幅に向上し、コストが低下しました。これにより、ガラスが一般家庭や幅広い建築用途に普及しました。