淺談夾層類玻璃抗沖擊性能

郭佳欣

（1. 中國建材檢驗認證集團秦皇島有限公司 秦皇島 066004；2. 國家玻璃質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 秦皇島 066004）

0 引言

夾層玻璃是在兩片玻璃（或有機透明材料）或多片玻璃（或有機透明材料）中間夾一層或多層有機聚合物中間膜，經(jīng)脫氣（輥壓或抽真空）去除玻璃之間的空氣后再經(jīng)高溫高壓處理，使剛性的玻璃和彈性的中間膜永久粘合為一體的復合材料。由于玻璃是脆性材料，在受到?jīng)_擊破壞時會形成鋒利的尖角可能傷害到人身，夾層玻璃作為剛體與彈性體相復合的復合體具有在受到撞擊破碎后能保持一整體，不會像普通玻璃破碎后產(chǎn)生鋒利的碎片傷人的特性，因此它是一種安全玻璃，保持了普通玻璃的透光、透像，不使光線發(fā)生多次反射的性能。由于夾層玻璃的復合結(jié)構(gòu)特征，在玻璃夾層中間置入其他功能材料或元器件便使夾層玻璃產(chǎn)生各種功能，如隔音降噪、阻擋紫外線和吸收紅外光線、除霧除霜、防彈防盜等，因此夾層類玻璃具有更廣泛的用途。夾層類玻璃安全性主要是從良好的抗沖擊強度獲得。

1 夾層類玻璃相關(guān)標準

（1）GB 15763.3—2009《建筑用安全玻璃 第3部分：夾層玻璃》；

（2）GB 9656—2003《汽車安全玻璃》；

（3）GB 14681.1—2006《機車船舶用電加溫玻璃 第1部分：船用矩形窗電加溫玻璃》，GB 14681.2—2006《機車船舶用電加溫玻璃 第2部分：機車用電加溫玻璃）；

（4）GB 17840—1999《防彈玻璃》；

（5）GJB 3030—1997《裝甲車輛用防彈玻璃規(guī)范》；

（6）TB/T 1451—2017《機車、動車前窗玻璃》；

（7）JC/T 2455—2018《建筑用電加溫玻璃》；

（8）GA 165—2016《防彈透明材料》（GA 165防彈復合玻璃）；

（9）GA 844—2018《防砸復合玻璃通用技術(shù)要求》等。

在這些標準中均將抗沖擊性作為重要性能加以規(guī)定。

2 各類夾層玻璃抗沖擊要求

針對典型的汽車玻璃執(zhí)行標準GB 9656—2003《汽車安全玻璃》和火車玻璃執(zhí)行標準TB/T 1451—2017《機車、動車前窗玻璃》對沖擊性的相關(guān)要求進行分析。

2.1 GB 9656 —2003《汽車安全玻璃》

GB 9656—2003《汽車安全玻璃》的抗沖擊性要求有三方面：人頭模型沖擊、抗穿透、抗沖擊。人頭模型沖擊試驗后樣品應符合：①樣品應破壞，并產(chǎn)生環(huán)狀和放射狀裂紋；②人頭模型不得穿透玻璃或中間層的裂口長度應小于35 mm；③無大面積中間層裸露；抗穿透性能要求直徑約為82 mm，質(zhì)量為2 260 g±20 g鋼球自4 m高度自由落下，沖擊后5 s內(nèi)鋼球不應穿透樣品。抗沖擊性能要求直徑約為38 mm，質(zhì)量為227 g±2 g的鋼球自規(guī)定高度（8.8～12 m）自由落體沖擊玻璃沖擊夾層玻璃；對于風窗玻璃用夾層玻璃，沖擊后樣品應符合下列規(guī)定： 鋼球不應穿透試樣；樣品不應斷成分離的幾塊；沖擊面反側(cè)剝落碎片的總質(zhì)量應符合規(guī)定。

2.2 TB/T 1451—2017《機車、動車前窗玻璃》

TB/T 1451—2017《機車、動車前窗玻璃》對沖擊性的相關(guān)要求首先是沖擊試驗。前窗玻璃溫度分別在（0±0.5）℃、（27±5）℃時，應能承受質(zhì)量1 000 g+200 g鋁合金拋射體的沖擊。沖擊速度取決于機車運行速度，機車最高速度小于160 km/h時，拋射體的速度為機車最高速度與160 km/h之和，機車最高速度大于160 km/h時，拋射體的速度為機車最高速度與200 km/h之和。沖擊性能試驗后，不應被拋射體穿透，且前窗玻璃仍位于其框架內(nèi)。其次是抗礫石沖擊試驗，玻璃樣品應能承受比列車最高速度高20 km/h（（vmax+20）km/h），由鋁合金制成的質(zhì)量為20 g的拋射體沖擊，沖擊后玻璃不應有破裂。1 000 g鋁彈沖擊不被拋射體穿透是保證駕駛員免受傷害的一項重要的安全指標，20 g鋁彈沖擊不破裂是可靠性指標，保證玻璃在受到礫石沖擊時不會損壞正常使用。

綜合夾層類玻璃的抗沖擊要求，夾層玻璃的抗沖擊性主要分為三個方面：一是玻璃的抗穿透要求；二是玻璃的完整性要求；三是玻璃的不被破壞要求。汽車玻璃的人頭模型沖擊、抗穿透、火車窗玻璃沖擊性要求以及GB 15763.3—2009《建筑用安全玻璃 第3部分：夾層玻璃》的霰彈袋沖擊等是檢驗玻璃的抗穿透性的，汽車玻璃的抗沖擊性、GB 15763.3—2009《建筑用安全玻璃 第3部分：夾層玻璃》的霰彈沖擊性等是檢驗玻璃受到損壞時的完整性的，火車玻璃的抗礫石沖擊是檢驗玻璃不被損壞的。

3 影響夾層玻璃抗沖擊性的主要因素

3.1 夾層玻璃結(jié)構(gòu)

夾層玻璃結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在中間層厚度、玻璃的厚度、夾層層數(shù)等。對于玻璃的抗穿透性所有標準考核的指標均是沖擊物是否將玻璃穿透，由于普通玻璃是脆性材料，對玻璃是否破碎未進行要求，通常情況下玻璃進行抗穿透試驗后一般是被破壞至少產(chǎn)生裂紋，只要沖擊物體在規(guī)定的時間內(nèi)不穿透過玻璃，其安全性就得到了體現(xiàn)，產(chǎn)品已經(jīng)達到了合格水平，因此中間層是否被穿透起決定作用。因為玻璃的強度較低，玻璃在受到?jīng)_擊時很容易產(chǎn)生裂紋，裂紋一旦產(chǎn)生抵抗沖擊物的能力幾乎為零，提高普通玻璃厚度對提高夾層玻璃組件的抗穿透性影響不明顯。提高夾層玻璃的抗穿透性最有效的手段是改善中間層作用，提高中間層的厚度對提高夾層玻璃的抗穿透性至關(guān)重要，中間層的厚度越大其抵抗穿透的能力越強。但其成本隨著厚度的增加而增加，實際夾層玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計中選擇能滿足沖擊要求的最小厚度。

汽車玻璃生產(chǎn)中間層厚度一般為0.76 mm，不論玻璃單片的厚度為3 mm還是2 mm，中間層厚度為0.76 mm 的夾層玻璃均能通過各種試驗考核，這是最佳選擇。而對于滿足鐵路機車、動車高鐵等耐高強度的沖擊要求，就得隨著速度的提高增加中間層厚度，部分高速列車玻璃的中間層的厚度達到13 mm以上。

夾層層數(shù)對玻璃的安全性影響主要體現(xiàn)在保持玻璃的完整性方面，夾層層數(shù)越多，玻璃被破壞時產(chǎn)生的裂紋重合度不可能一樣，玻璃裂交織存在，能夠很好地保持玻璃組件的完整性，例如屋頂玻璃和棧道玻璃宜采用多層玻璃結(jié)構(gòu)，但對抗穿透性影響不明顯。在夾層玻璃結(jié)構(gòu)中引入高強度剛性有機板材其抗穿透性也會得到較大提高，如在夾層玻璃結(jié)構(gòu)中選擇一層聚碳酸酯板或在玻璃內(nèi)表面復合一層抗飛濺膜，由于聚碳酸酯板和飛濺膜的強度遠高于玻璃且其具有較好的塑性，在受到?jīng)_擊時聚碳酸酯板的高強度特性和可塑性能夠很好的吸收沖擊能量，阻止沖擊物穿透玻璃，在高鐵玻璃上已經(jīng)普遍采用聚碳酸酯和防飛濺膜。

3.2 夾層材料選擇

提高玻璃的厚度對提高夾層玻璃的抗穿透性影響有限，但對于鈍器沖擊如霰彈沖擊，提高玻璃強度和厚度有一定的作用，因為夾層玻璃受到?jīng)_擊物沖擊時玻璃首先產(chǎn)生彈性變形，變形過程中能夠吸收部分沖擊勢能，減少沖擊體對玻璃的破壞，相同條件下采用增強的玻璃對提高夾層玻璃的抗穿透性有一定的影響，但不是最主要的；若要大幅度提高夾層玻璃的抗沖擊性，需改善中間層材料的強度和彈性，強度越高夾層玻璃抗沖擊能力越強。

對于中間層的強度選擇首先是選擇材料品種。目前用于夾層類玻璃中間層的材料主要有聚氨酯（PU）膠片、聚乙烯醇縮丁醛（PVB）膠片、EVA膠片和SGP膠片等，其中聚氨酯（PU）膠片的拉伸強度和SGP膠片較大，聚乙烯醇縮丁醛（PVB）膠片次之，其他膠片如EVA等較小。使用聚氨酯（PU）膠片做中間層其玻璃的抗穿透效果由于其良好的強度和彈性，制作的夾層玻璃的抗沖擊效果遠高于聚乙烯醇縮丁醛（PVB）膠片，對于特殊用途的夾層玻璃應首先考慮使用PU膠片。SGP膠片的強度高，但其彈性較低且低溫環(huán)境下呈現(xiàn)更多的特性是剛度較高，沖擊破碎后會發(fā)生散落。

若玻璃有抗礫石要求，為滿足玻璃的抗礫石沖擊性，提高玻璃的強度和厚度是非常必要的。玻璃的厚度越大、強度越高，其抗沖擊破壞的能力越強。同時抗礫石沖擊能力還與緊鄰的中間層的剛性有關(guān)，中間層的剛性越大，當玻璃受到?jīng)_擊時越能將沖擊力傳遞給下層玻璃，抗破壞能力越強。

3.3 夾層材料性能

中間層對玻璃的粘接力是決定夾層玻璃質(zhì)量和強度特性的重要因素, 粘接力過大，使玻璃與中間層形成一整體，玻璃受到?jīng)_擊破碎時，玻璃的裂紋斷口處的中間層不能有效伸長，中間層容易斷裂，抗穿透性下降；粘接力過小，玻璃受到?jīng)_擊破碎時，玻璃與中間層不能有效粘接，玻璃碎片從中間層脫落而形成不安全因素，且長期使用易發(fā)生脫膠。

玻璃/中間層/玻璃的粘接是在夾層玻璃生產(chǎn)中形成的，將中間層材料置于玻璃中間，用真空法或輪式輥壓并在中間層處于高彈態(tài)的溫度下排出玻璃之間的氣體（用輥壓機預壓或真空袋排除空氣），使玻璃得到預粘接并使玻璃邊部得到密封，再將玻璃置于高壓釜中進一步提高溫度使中間層處于粘流狀態(tài)，讓中間層材料在壓力作用下充分浸潤玻璃表面，并在其界面發(fā)生化學或物理作用形成氫鍵或化學鍵使玻璃與中間層適當粘接形成一復合結(jié)構(gòu)。粘附力取決于中間層材料的物理化學特性如增塑劑含量、黏度、化學組成和含濕量度等；同時也取決于高壓溫度、壓力和保持時間等工藝因素。

中間層材料的增塑劑含量、黏度和化學組成是由中間層材料的制造商決定的，一般是無法改變的，但中間層材料的含濕量是受操作環(huán)境影響的，特別是對于PVB膠片和SGP膠片尤其顯著，因為隨著膠片在不同濕度的環(huán)境下暴露時間的延長，膠片中的活性官能團與水分發(fā)生化學作用增加，從而改變其性質(zhì)，嚴重影響中間層材料的粘接，導致粘接力下降。

夾層玻璃生產(chǎn)時，隨著加熱溫度的提高，中間層材料的黏度隨之下降，材料內(nèi)應力松弛過程的速度加快內(nèi)應力隨之減小，中間層材料浸潤玻璃表面越多，玻璃表面與中間層材料接觸也就越充分，玻璃與中間層的粘附力增加。壓力對粘附力值的影響較復雜，隨著壓力的增加，該值開始顯著提高，隨著加壓時間的延長，粘附力開始增加變得緩慢，最后再進一步増加壓力對粘接力影響不大；保持時間的目的是讓中間層材料盡量充分接觸，并不斷消除應力増加粘接力，但一定時間后粘接力不再隨溫度的增加而增加。

4 結(jié)語

對于夾層類玻璃的生產(chǎn)首先應明確玻璃的抗穿透要求具體內(nèi)容，通過合理設(shè)計夾層玻璃結(jié)構(gòu)，選擇理想的材料對夾層玻璃的生產(chǎn)工藝認真控制才能獲得合格的產(chǎn)品，才能使夾層玻璃的安全性得到體現(xiàn)。