МНОГОСЛОЙНАЯ СТЕКЛОПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2002 года по МПК C03C27/12 B32B17/10 

Изобретение относится к строительной, стекольной промышленности и предназначено для защитных целей в качестве бронестекла.

Известна многослойная стеклополимерная композиция ( см. заявку Франции 2574779, кл. С 03 С 27/12 от 1986 г.), содержащая стеклопакет из слоев стекла, соединенных между собой клеевыми прослойками, и соединенные со стеклопакетом со стороны слоя стекла с меньшей толщиной слои полимерного материала.

Недостатком известной композиции является нетехнологичность сборки стеклопакета и большая толщина всей композиции.

Известна композиция по патенту РСТ NWO 93/1097, кл. В 32 В 17/10 от 10.06.93, содержащая стеклоблок из по крайней мере трех слоев стекла, соединенных между собой клеевыми прослойками, и по крайней мере две совмещенные между собой полимерные пленки, прикрепленные к стеклоблоку посредством клеевого слоя.

Недостатком данной композиции является низкая эффективность используемого стеклопакета, его большая толщина.

Наиболее близкой к предложенной многослойной стеклополимерной композиции является многослойная композиция, содержащая стеклоблок из по крайней мере трех слоев стекла, каждый из которых имеет толщину меньше предыдущего, соединенных между собой клеевыми прослойками, и, несколько полимерных пленок, прикрепленных к слою стекла наименьшей толщины посредством клеевого слоя (FR 2597857, кл. С 03 С 27/12, 1986 г.).

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении стеклопакета, увеличение стойкости к пулевому пробою и к откольному разрушению, повышение технологичности сборки.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в многослойной стеклополимерной композиции, содержащей стеклоблок из по крайней мере трех слоев стекла соединенных между собой клеевыми прослойками, и по крайней мере две совмещенные между собой полимерные пленки, прикрепленные к стеклоблоку посредством клеевого слоя, толщины слоев стекла в стеклоблоке не равны между собой и при этом каждый последующий слой стекла имеет толщину меньшую толщины предыдущего слоя, а полимерные пленки прикреплены к слою стекла, имеющего меньшую толщину, а клеевые прослойки имеют волновое сопротивление максимально приближенное к волновому сопротивлению стеклянных слоев. Уменьшение толщины слоя стекла от слоя к слою может составлять 25%, полимерные пленки могут иметь равные волновые сопротивления, а максимальная толщина клеевой прослойки равна 0,8 мм.

Первый слой стекла стеклоблока может быть выполнен с возможностью образования предразрушений при достижении нагрузки Р₁, второй слой стекла стеклоблока может быть выполнен с возможностью образования предразрушений при достижении нагрузки Р₂<Р₁, а третий слой стекла в стеклоблоке может быть выполнен с возможностью исключения образования предразрушений при достижении предельной для него нагрузки Р>Р₁.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Многослойная стеклополимерная композиция включает в себя:
1) верхний первый стеклянный слой;
2) средний стеклянный слой;
3) нижний стеклянный слой;
4) пленочный полимерный слой;
5) пленочный полимерный слой;
6) клеевая прослойка;
7) клеевая прослойка.

Пулестойкая стеклополимерная композиция, выдерживающая трехкратное воздействие пистолета ТТ без откольных явлений на тыльной стороне пакета со структурой по чертежу может состоять из следующих слоев:
- слой 1: стекло завода Салават, толщина 5 мм;
- слой 2: стекло завода Лисичанск, толщина 4 мм;
- слой 3: стекло завода Бор, толщина 3 мм.

- клеевые прослойки (поз. 6 и 7): фотополимеризующаяся клеевая композиция на основе акрилатов, тип ФПК-П1 (ТУ 2435-001-22890649-94), толщина 0,8 мм;
- полимерные пленки (поз. 4 и 5): количество - 2 шт., тип - полиэфирная Solargard, толщина 14 mil (0,355 мм).

Общая толщина композиции 14,3 мм.

Состав, конверсия отверждения, степень технологического уплотнения клеевых прослоек назначаются из условия оптимального (максимального) приближения их удельного волнового сопротивления (Z_s) к удельным волновым сопротивлениям стеклянных слоев. Под параметром Z_s понимается величина, определяемая соотношением:
Z_s=Z_a•S, (Па•с/м),
где Z_a - волновое сопротивление;
S - площадь поперечного сечения канала распространения упругой волны с уровнем давления на фронте Р и с объемной скоростью q.

Здесь Z_a является коэффициентом пропорциональности в равенстве:
P=Z_a•q,
Z_a (Па•с/м³);q (м³/с).

Например, проведем сопоставление свойств стеклослоев и клеевых прослоек по параметрам: Z_s - поперечное удельное волновое сопротивление; Z_l - продольное удельное волновое сопротивление; V_s - поперечная скорость упругой волны; V_l - продольная скорость упругой волны.

Для вариантов используемых стекол имеем диапазоны варьирования указанных параметров:
V_l=350-6000 м/с; V_s=1250-3800 м/с;
Z_l=(60-130)•10⁵ кг/(м•с); Z_s=(20-80)•10⁵ кг/(м•с).

Для вариантов метилметакрилатных клеевых композиций, пластифицируемых дибутилфталатом, указанные параметры варьируются в пределах:
V_l=1500-3200 м/с; V_s=1200-1500 м/с;
Z_l=(15-35)•10⁵ кг/(м•с); Z_s=(8-13)•10⁵ кг/(м•с).

Функционально назначаемые уровни последних параметров ограничены диапазонами:
V_l=2800-3200 м/с; V_s=1400-1500 м/с;
Z_l=(28-30)•10⁵ кг/(м²•c);
Z_s=(11-13)•10⁵ кг/(м²•с).

Многослойные системы, известные как аналоги предлагаемой системы, имеют минимальные толщины 15-16 мм, проявляют склонность к откольному разрушению после первой пули существенно меньшей мощности (например, пистолета 0,38 калибра).

Кроме того, известные многослойные системы изготавливаются с применением дорогостоящей и трудоемкой автоклавной технологии. Предлагаемое многослойное стекло изготавливается по технологии фотополимеризации совмещенных по периметру заготовок без применения технологического повышенного давления.

Рассмотренная композиция (многослойная система) имеет аналогичные характеристики стойкости к индентерному воздействию, как в плоском варианте исполнения, так и в молированном (изогнутом) варианте исполнения.

Как было отмечено выше, общая системность сочетания разнотолщинных стеклянных слоев, разделенных полимерными клеевыми прослойками и замкнутых многослойной пленочной системой, показана на чертеже. Сосредоточенное импульсное воздействие P(t) вызывает в данной системе сложную картину волн напряжений и деформаций обусловленную сочетанием сред с резкоразличающимися волновыми сопротивлениями Z_s и множественностью границ раздела этих сред.

Система состоит из наиболее толстого стеклянного слоя 1, промежуточной клеевой прослойки 7, стеклянного слоя с уменьшенной толщиной 2, промежуточной клеевой прослойки 6, наиболее тонкого стеклянного слоя 3, пленочной системы из двух элементов 4 и 5.

К факторам, прежде всего определяющим системность волновых процессов в рассматриваемом блоке, относятся:
1) физико-химические характеристики сочетаемых стеклянных и полимерных слоев;
2) соотношение толщин сочетаемых слоев стекла;
3) однородность и толщина замыкающей пленочной системы (4 и 5);
4) граничные соотношения волновых сопротивлений Z_s последовательно совмещаемых стеклянных и полимерных слоев. При этом значения их волновых сопротивлений должны быть максимально приближены друг к другу.

При значении слоев 1, 2, 3 используются данные о динамических характеристиках реальных стеклянных компонентов, полученных по специальной методике их ударных испытаний. Испытания образцов различных стекол на режимах нагрузки, примерно адекватных реальным эксплуатационным нагрузкам, показали, что стекла различных производителей имеют существенно различные физико-химические характеристики предельных разрушающих состояний. Прежде всего, заслуживает серьезного внимания то обстоятельство, что для некоторых исходных (сырьевых) стеклянных компонентов характерно явление предразрушений, т.е. развитие микрорастрескивания, на начальных этапах развития импульсной нагрузки и задолго до достижения предельной нагрузки разрушения образца в целом. Образцы других стекол не обнаружили явления предразрушения вплоть до уровня предельной нагрузки.

Стекла с предрастрескиванием использованы в рассматриваемой системе для слоев 1 и 2. Стекла этого типа обладают свойством относительной редукции уровня напряжений на фронте волны напряжений возбуждаемой нагрузкой P(t). Качественно поясним это соотношением, устанавливающим связь между уровнем напряжений на переднем фронте волны и параметрами нагружаемой волновым способом среды:
σ2i

По достижении T_i уровня напряжений начальных процессов микрорастрескивания исходная сплошность среды нарушается, скачкообразно изменяется средняя плотность среды ρ. Причем множественное микрорастрескивание зоны внедрения индентера в целом уменьшает сплошность среды и, следовательно, уменьшает плотность ρ в кинетических областях формирования волны напряжений. В соответствии с вышеприведенным соотношением происходит определенное занижение уровня напряжений на переднем фронте волны σ_i.
Заниженный уровень напряжений σ_i вызывает также уменьшенные Т_i, во втором слое стекла по компоненте прямой волны расширения. Стекло второго слоя также обладает свойством редукции напряжений, причем на еще более низком уровне начальных усилений предразрушений. Данное качество слоев 1 и 2 способствует некоторой разгрузке наиболее тонкого, третьего слоя стекла 3.

Рассмотренное явление начальных предразрушений оказывает необходимо благоприятное влияние на функционирование всего пакета в целом при условии, если будут созданы условия быстрейшего задействования волн кинетических напряжений во всех нижележащих слоях стекла. Установлено, что частично эти условия реализуются при последовательном уменьшении толщин стеклослоев в направлении от зоны внедрения индентера.

Замыкающая многослойная пленочная система на тыльной стороне стеклянного блока оказывает значительное влияние на отражательное преобразование прямой волны расширения, возбуждаемое на нижней поверхности стеклоблока. При отсутствии пленочной системы возбуждается интенсивная волна обратного знака (растяжение), которая и является генератором откольных процессов в стеклоблоке. Причем интенсивность отраженной волны может быть настолько высокой, что даже непроявляющий предразрушений третий слой стеклоблока не будет успешно противостоять откольным процессам. Введение пленки устраняет резкое различие в волновых сопротивлениях стекла и воздушной среды. В частности, это приводит к некоторому занижению интенсивности отраженной волны обратного знака. При этом степень редуцирования отраженной волны возрастает с увеличением количества совмещенных полимерных пленок. В приведенном примере конкретной системы необходимо эффективным оказался полимерный замыкающий слой из двух последовательно наклеенных пленок. Следует, однако, учитывать, что совмещаемые пленки должны обладать одинаковым волновым сопротивлением, т. е. составной полимерный блок необходимо выполнять из однотипных пленок. Если этот блок собирать из пленок с различными Z_s, то как показывает апробации, наиболее вероятно произойдет расслоение многослойного полимерного блока после первого акта индентерного воздействия. То есть система отрабатывает в надежном защитном режиме только один раз. Вторичное нагружение этой же системы вызовет или прямой ее пробой, или интенсивные откольные разрушения.

По п.4 отметим, что важное значение имеет оптимальное соотношение волновых сопротивлений Z_s стеклянных и промежуточных клеевых прослоек. Каждый промежуточный клеевой слой вносит свои возмущения на фронте прямой волны расширения. Эти возмущения тем больше, чем больше граничные несоответствия в параметрах Z_s. Слишком резкое различие в уровнях этих параметров у сочетаемых слоев может приводить к значительной локализации энергии воздействия в зоне кратерообразования и к ускоренному переходу многослойной системы к стадии резко локализованного разрушения.

Оптимально подобранная клеевая прослойка по уровню Z_s должна иметь и оптимальную толщину, так как апробации различных клеевых фрагментов по способу испытания стеклоблоков в соответствии с техникой контроля волновых процессов показали, что толщина клеевых слоев существенно влияет на развитие волновых процессов уноса энергии воздействия из зоны кратерообразования. Испытания по способу отчетливо указывают, что существует некоторая критическая толщина клеевого слоя, при превышении которой эффективность волновых процессов энергоуноса в индивидуальных стеклослоях резко падает.

Область использования: защита помещений, автомобилей от несанкционированного проникновения и от ручного стрелкового оружия. Многослойная стеклополимерная композиция состоит из стеклоблока, имеющего стеклянные слои различной толщины, соединенные между собой клеевыми прослойками, и из по крайней мере двух полимерных пленок, соединенных со слоем стекла наименьшей толщины. Клеевые прослойки имеют волновое сопротивление, максимально приближенное к волновому сопротивлению стеклянных слоев. Волновое сопротивление клеевых прослоек (11-13)•10⁵ кг/(м²•с), а стеклянных слоев (30-50)•10⁵ кг/(м²•с). Каждый последующий слой стекла имеет толщину меньше предыдущего. Первый и второй слои стекла могут быть выполнены с возможностью предразрушений. Технический результат изобретения - уменьшение толщины стеклопакета, увеличение стойкости к пулевому пробою и к откольному разрушению и упрощение способа изготовления стеклопакета. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Многослойная стеклополимерная композиция, содержащая стеклоблок из по крайней мере трех слоев стекла, каждый из которых имеет толщину меньше предыдущего, соединенных между собой клеевыми прослойками, и по крайней мере две совмещенные между собой полимерные пленки, прикрепленные к слою стекла наименьшей толщины посредством клеевого слоя, отличающаяся тем, что клеевые прослойки имеют волновое сопротивление, максимально приближенное к волновому сопротивлению стеклянных слоев: волновое сопротивление клеевых прослоек (11-13)•10⁵ кг/(м²•с), а стеклянных слоев (30-50)•10⁵ кг/(м²•с), причем первый слой стекла стеклоблока выполнен с возможностью образования предразрушений при достижении нагрузки Р₁, второй слой стекла стеклоблока выполнен с возможностью образования предразрушений при достижении нагрузки Р₂<Р₁, а третий слой стекла в стеклоблоке выполнен с возможностью исключения образования предразрушений при достижении предельной для него нагрузки Р>Р₁. 2. Композиция по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждый последующий слой стекла стеклоблока имеет толщину на 25% меньше толщины предыдущего слоя. 3. Композиция по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что максимальная толщина клеевой прослойки равна 0,8 мм.