CN105408109A - 具有高的玻璃-聚合物中间层粘附的层叠玻璃结构 - Google Patents

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Abstract

提供了薄的玻璃层叠，其包括至少一块或两块薄的(不超过2mm或者不超过1.5mm)外部玻璃片，以及层叠在两块薄的外部玻璃片之间的至少一层聚合物中间层。层叠体在两块玻璃片和中间层之间具有高水平的粘附，使得层叠体的捶打值至少为7，至少为8，或者至少为9。层叠体还具有至少20英尺中位破裂高度的高耐穿透性。聚合物中间层的厚度可以约为0.5-2.5mm，并且可以由离聚物、聚乙烯醇缩丁醛或聚碳酸酯形成。两块玻璃片中的至少一块或者两块可以是化学强化的。

Description

具有高的玻璃-聚合物中间层粘附的层叠玻璃结构
背景技术
本申请要求2013年4月22日提交的美国临时申请第61/814569号的优先权，其全文通过引用结合于此。
本发明一般地涉及层叠玻璃结构，更具体地涉及这样的层叠结构，其在聚合物中间层与至少一块玻璃片之间具有较高的粘附，该结构可用于汽车玻璃窗和其他车辆和建筑应用。
玻璃层叠可用作建筑和车辆或运输应用(包括汽车、机车、火车和飞机)中的窗和玻璃窗。玻璃层叠还可用作栏杆和阶梯中的玻璃面板，作为用于墙壁、柱子、电梯桥厢和其它建筑应用的装饰性面板或盖板。玻璃层叠还可用作用于标志牌、显示器、电器、电子设备和家具的玻璃面板或盖板。用于建筑和车辆应用中的玻璃层叠的一般类型包括透明的和着色的层叠玻璃结构。如本文所用，玻璃窗或层叠玻璃结构(玻璃层叠)是具有至少一块玻璃片层叠到聚合物层、膜或片的窗、面板、壁或者其他结构中的透明、半透明、半透明的或不透明部分。但是，此类层叠结构可用作标志牌、电子显示器、电子设备和家电以及许多其它应用的盖板玻璃。
可以采用2.27kg(5磅)落球测试来确定此类玻璃层叠的耐穿透性，其中可以通过梯或能量方法来测量中位破碎高度(MeanBreakHeight)(MBH)。例如，用于美国车辆中的汽车挡风玻璃必须符合ANSIZ26.1规范中的最小耐穿透性规格(12英尺下100％的通过)。在世界上的其他地区，需要符合类似的规范。在美国和欧洲，对于用于建筑应用的层叠玻璃，也存在具体规范要求，其中，必须符合最小耐穿透性。
梯法采用冲击塔，钢球从所述冲击塔以各种高度跌落到30.5x30.5cm的样品上。MBH定义为50％的样品接住球，50％的样品发生穿透的落球高度。将测试层叠体水平地支撑在类似于ANSIZ26.1规范所述的支撑框架中。如果需要的话，使用环境舱将层叠调节至所需的测试温度。通过将样品支撑在支撑框架中，并将球从接近预期MBH的高度跌落到层叠样品上，来进行测试。如果球穿透层叠，则结果记录为失败，如果接住球，则结果记录为接住。如果结果为接住，则从比之前测试高0.5m的跌落高度重复该过程。如果结果为失败，则从比之前测试低0.5m的跌落高度重复该过程。重复该过程直至使用了所有的测试样品。然后将结果制成表格，计算每个跌落高度的接住百分比。然后将这些结果以接住百分比vs.高度制图，在图上绘制出表示数据的最佳拟合的线。MBH是5磅的球以50％可能性穿透层叠的大致高度。
可以采用捶打粘附测试(捶打粘附值没有单位)测量聚合物中间层与玻璃片的粘附。捶打测试是测量层叠玻璃中玻璃与PVB或其他中间层的粘附的标准方法。测试包括将层叠体调节至0F(-18C)过夜，然后用1磅的锤子“捶打”或冲击样品，使得玻璃粉碎。通过与PVB中间层脱落的玻璃所得到的暴露的PVB的量来判断粘附。除去所有未粘附到中间层的破碎玻璃。将保持与中间层片粘附的玻璃与一组标准已知锤打规格进行视觉对比，数字越高，保持与片粘附的玻璃越多，即，捶打粘附值为零表示没有玻璃与中间层保持粘附，捶打值为10表示100％的玻璃保持与中间层粘附。对于典型玻璃/PVB/玻璃层叠，为了实现可接受的耐穿透性(或者冲击强度)，玻璃/PVB的界面粘附水平应该维持在约为3-7个捶打单位。对于典型玻璃/PVB/玻璃层叠，3-7(优选4-6)的捶打粘附值实现可接受的耐穿透性。对于小于2的捶打粘附值，在典型玻璃/PVB/玻璃的冲击过程中，从片和玻璃损失过多的玻璃，并且还可能发生层叠完整性(即，分离)和长期耐用性的问题。对于大于7的捶打粘附值，在典型玻璃/PVB/玻璃中玻璃与片材的粘附通常过高，可能导致层叠具有差的能量消散和低的耐穿透性。
玻璃窗构造通常包括两层2mm厚的钠钙玻璃(热处理或退火的)以及聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中间层。这些层叠构造具有一些优势，包括低成本、足以应用于汽车和其它应用的抗冲性和刚度。但是，因为它们有限的抗冲性，这些层叠体通常具有差的性能，并且当被路边石头撞击、故意破坏和/或遭遇其它冲击事件时，具有更高的破碎概率。大多数的汽车层叠玻璃结构使用PVB中间层材料。为了实现可接受的PVB中间层与玻璃的粘附以及耐穿透性，控制盐或向PVB制剂添加其他粘附抑制剂，以降低PVB膜与玻璃的粘附。但是，降低PVB中间层与玻璃的粘附具有降低破裂后的玻璃保留的不合乎希望的效果。对于广泛用于建筑应用的离聚物中间层(例如购自杜邦公司(DuPont)的)，通常需要粘附促进剂来增加离聚物中间层与玻璃的粘附。
本文的任何引用或所述背景并承认不构成现有技术。申请人明确保留质疑任何引用文件的准确性和针对性的权利。
发明内容
在许多车辆应用中，燃料经济性与车辆重量相关。因此，希望降低此类应用中玻璃窗的重量，而不有损它们的强度和声音衰减特性。鉴于前文所述，需要更薄的、经济的玻璃窗或玻璃层叠，其具有较厚、较重玻璃窗的耐久性、消音性能和破裂性能，或者更好。
本发明涉及用于汽车、建筑和其它应用的玻璃层叠，其在至少一块化学强化的薄玻璃片和至少一层聚合物层(例如PVB层或层)之间具有较高水平的粘附。与本发明相关的层叠体在玻璃和聚合物层之间具有较高的粘附，并且还具有杰出的破裂后的玻璃保留特性。本文所述的层叠体还证实了较高粘附和较高耐穿透性的良好组合，这不同于常规钠钙玻璃与PVB层叠所展现出的高粘附下差的耐穿透性。此外，本发明的层叠不需要粘附控制剂来提供可接受的耐穿透性或者PVB或层与玻璃的粘附。相比较而言，常规钠钙玻璃/PVB层叠在高粘附水平下展现出差的耐穿透性。此外，在使得PVB片与示例性玻璃片层叠的一些实施方式中，所得到的玻璃层叠体的高耐穿透性可消除对于粘结PVB和玻璃片时粘附抑制剂的需求。此外，在使得片与示例性玻璃片层叠的其他实施方式中，化学强化玻璃与的高粘附可消除对于粘结和玻璃片时粘附促进剂的需求。除此之外，薄的化学强化玻璃片和之间的较高粘附不依赖于所接触的玻璃片是哪一侧，而层叠和钠钙玻璃时具有上述情况。
根据本发明的一个实施方式，可以提供这样的玻璃层叠结构，其具有两块玻璃片(所述玻璃片的厚度小于2mm)以及两块玻璃片之间的聚合物中间层，其与两块玻璃片的粘附使得层叠的捶打值至少为7、至少为8或者至少为9。本文所述的玻璃层叠体中的聚合物中间层的厚度范围可以约为0.5-2.5mm。根据其它实施方式，层叠体的耐穿透性可以是至少20英尺的中位破碎高度(MBH)。两块玻璃片中的至少一块可以是化学强化的。当然，两块玻璃片都可以是化学强化的，并且可具有不超过1.5mm的厚度。在其他实施方式中，两块玻璃片中的至少一块的厚度可以不超过2mm、不超过1.5mm或者不超过1mm。示例性中间层可以由离聚物、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或者其他合适的聚合物形成。本文所述的玻璃层叠体中的离聚物中间层(例如购自杜邦公司的)的厚度范围可以约为0.5-2.5mm、或者0.89mm至约2.29mm。本文所述的玻璃层叠体中的PVB中间层的厚度范围可以约为0.38-2mm、或者约为0.76-0.81mm。
本发明还描述了形成玻璃层叠结构的方法，该方法包括如下步骤：提供第一玻璃片、第二玻璃片和聚乙烯醇缩丁醛中间层；将中间层堆叠到第一玻璃片的顶部上；以及将第二玻璃片堆叠到中间层上，以形成装配堆叠。该方法还包括：将装配堆叠加热至中间层的软化温度或者高于其的温度，来堆叠中间层与第一玻璃片和第二玻璃片，从而在中间层与第一玻璃片和第二玻璃片之间不采用粘附抑制剂，使得中间层与两块玻璃片粘结，具有至少为7的捶打值。
本发明还可描述了形成玻璃层叠结构的方法，该方法包括如下步骤：提供第一玻璃片、第二玻璃片和离聚物中间层；将中间层堆叠到第一玻璃片的顶部上；以及将第二玻璃片堆叠到中间层上，以形成装配堆叠。该方法还包括：将装配堆叠加热至中间层的软化温度或者高于其的温度，来堆叠中间层与第一玻璃片和第二玻璃片，从而在中间层与第一玻璃片和第二玻璃片之间不采用粘附促进剂，使得中间层与两块玻璃片粘结，具有至少为7的捶打值。
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的层叠玻璃结构的截面示意图。
图2是根据本发明的另一个实施方式的层叠玻璃结构的截面示意图。
图3是根据本发明实施方式的各种玻璃片的层深度与压缩应力关系图。
图4是对于钠钙玻璃/PVB层叠，耐穿透性与粘附的关系图。
具体实施方式
参见附图，相同元件具有相同附图标记以帮助理解本发明的主题，描述了具有高的玻璃-聚合物中间层粘附的层叠玻璃结构的各种实施方式。
提供以下对本发明主题的描述，作为按其目前已知实施方式来揭示本发明内容。本领域技术人员将会认识到，可以对所描述的实施方式做出许多改变，而还能获得本发明的主题内容有益的结果。还显而易见的是，本发明主题内容理想的有益结果中的一部分可以通过选择本发明的主题内容一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域技术人员会认识到，对本发明的主题内容的许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是理想的，并且是本发明的一部分。因此，提供的以下描述作为对本发明主题内容的原理的说明不构成对本发明的限制。
本领域技术人员应理解的是，本文所述的示例性实施方式可以具有各种改进而不背离本发明主题的精神和范围。因此，描述并不旨在也不应理解为限制于给出的例子，而是应该具有所附权利要求及其等价形式所提供的完全保护宽度。此外，还可使用本发明的主题内容的一些特征，而相应地不使用其它特征。因此，提供示例或示意实施方式的上述说明，来显示本发明的主题内容的原理，而不构成其限制，且可包括对本发明的主题内容的修改和置换。
图1是根据本文的实施方式的玻璃层叠结构(或者简称层叠)10的截面示意图。参见图1，层叠结构10可包括两块玻璃片12和14，它们层叠到聚合物中间层16的任一侧。玻璃片12和14中的至少一块可以由通过离子交换过程进行化学强化的玻璃形成。聚合物中间层16可以是例如由PVB形成，或者是离聚物材料，例如较刚性的PVB的例子是购自索鲁提亚公司(Solutia)的SaflexDG。举例来说，中间层可以由标准PVB、隔音PVB、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、热塑性聚氨酯(TPU)或者其他合适的聚合物或热塑性材料形成。
根据本文的一个实施方式，玻璃片可由薄的玻璃片形成，其采用离子交换过程进行化学强化，例如玻璃。在这种类型的工艺中，通常将玻璃片浸入熔盐浴中持续一段预定的时间。玻璃片中的玻璃片表面处或者靠近玻璃片表面处的离子被例如来自盐浴的较大金属离子交换。在一个非限制性实施方式中，熔融盐浴的温度约为430℃，预定的时间约为8小时。较大离子结合到玻璃中，在近表面区域产生压缩应力，从而强化玻璃片。会在玻璃片的中心区域内产生相应的拉伸应力，以平衡压缩应力。
本文以及所附权利要求书中关于玻璃片所用的“薄”指的是玻璃片的厚度不超过2.0mm，不超过1.5mm，不超过1.0mm，不超过0.7mm，不超过0.5mm，或者约为0.5-2.0mm，约为0.5-1.5mm，或者约为0.5-1.0mm，或者约为0.5-0.7mm。
本文所述的玻璃层叠体中的聚合物中间层的厚度范围可以约为0.5-2.5mm。本文所述的玻璃层叠体中的离聚物中间层(例如购自杜邦公司的)的厚度范围可以约为0.5-2.5mm、或者0.89mm至约2.29mm。本文所述的玻璃层叠体中的PVB中间层的厚度范围可以约为0.38-2mm、或者约为0.76-0.81mm。
如美国专利第7666511号、第4483700号和第5674790号所述，CorningGorilla玻璃通过熔合拉制玻璃片然后化学强化玻璃片来制备的。如下文进一步详述，玻璃具有较深的压缩应力层深度(DOL)，且提供的表面具有较高挠曲强度、耐刮性和抗冲击性。可以在层叠过程中将玻璃片12和14以及聚合物中间层16粘结到一起，在该过程中，将玻璃片12、中间层16和玻璃片14相互堆叠到顶部，压到一起，并加热至略高于中间层材料的软化温度的温度，使得中间层16与玻璃片粘附。
证实使用玻璃作为外部玻璃片12和14中的一块或两块以及PVB中间层16制造的玻璃层叠同时具有高粘附性(即，良好的破碎后玻璃保留)和优异的耐穿透性。采用0.76mm厚的高粘附等级(RA)PVB与两块1mm厚的玻璃制造的玻璃层叠的测试证实范围约为9-10的非常高的捶打粘附值。根据本发明的具有PVB中间层的薄玻璃层叠可展现出较高的捶打粘附值，约为7.5-10，约为7-10，约为8-10，约为9-10，至少7，至少7.5，至少8，或者至少9，其还证实具有非常好的冲击特性，MBH约为20-24英尺，或者至少20英尺。这与如上所述的关于MBH和冲击粘附关系的常规认知是相反的。在这类层叠结构的冲击数据中，在使用5磅的球从24英尺(7.32米)落下的落球测试中，3次测试有2次测试的球没有穿透玻璃层叠。
对于建筑应用，目标可以是使得负荷下的偏斜最小化并使得破裂后的玻璃保留最大化。对于这些应用，可广泛使用刚性中间层，例如聚碳酸酯或者购自杜邦公司的采用0.89mm厚的和两块1mm厚的玻璃制造的玻璃层叠的测试证实，采用玻璃和制得的层叠体具有约为10的特别高的捶打粘附值以及负荷之后降低的偏斜，这是由采用标准非刚性PVB制造的类似层叠的约为两倍的边缘强度所证实。根据本发明的具有离聚物中间层(例如)的薄玻璃层叠可具有较高的捶打粘附值，约为7.5-10，约为7-10，约为8-10，约为9-10，至少7，至少7.5，至少8，或者至少9，其还证实具有非常好的冲击特性，MBH约为20-24英尺，或者至少20英尺。
图2是根据本发明的另一个实施方式的层叠玻璃结构的截面示意图。参见图2，可以存在三块或更多块薄的玻璃片22、24、26，在相邻玻璃片之间具有聚合物中间层28和30。在该实施方式中，优选可只对外部玻璃片22和26进行化学强化，而内部玻璃片24(或多块玻璃片)可以是强化玻璃。在这种情况下，内部玻璃片可以由钠钙玻璃制得。如果需要额外的刚度，则内部或中央玻璃片24可以是较厚的玻璃片，其厚度至少为1.5mm，至少为2.0mm或者至少为3.0mm。或者，层叠20中的内部玻璃片中的一块或多块，或者所有的内部玻璃片可以是化学强化的玻璃片、薄玻璃片或者化学强化的薄玻璃片。
适合形成用于根据本发明的实施方式的玻璃层叠的化学强化的玻璃片的可离子交换玻璃的例子是碱性铝硅酸盐玻璃或者碱性铝硼硅酸盐玻璃，但是也考虑其他玻璃组成。本文所用的“可离子交换”是指玻璃能够通过尺寸更大或更小的同价态阳离子交换位于玻璃表面处或附近的阳离子。一种示例性玻璃组成包含SiO2、B2O3和Na2O，其中(SiO2+B2O3)≥66摩尔％并且Na2O≥9摩尔％。在一个实施方式中，玻璃片包含至少6重量％的氧化铝。在另一个实施方式中，玻璃片包含一种或多种碱土氧化物，使得碱土氧化物的含量至少为5重量％。在一些实施方式中，合适的玻璃组成还包含K2O、MgO和CaO中的至少一种。在一个特定实施方式中，玻璃可包含61-75摩尔％的SiO2；7-15摩尔％的Al2O3；0-12摩尔％的B2O3；9-21摩尔％的Na2O；0-4摩尔％的K2O；0-7摩尔％的MgO；以及0-3摩尔％的CaO。
适用于形成玻璃层叠的另一种示例性玻璃组成包含：60-70摩尔％的SiO2；6-14摩尔％的Al2O3；0-15摩尔％的B2O3；0-15摩尔％的Li2O；0-20摩尔％的Na2O；0-10摩尔％的K2O；0-8摩尔％的MgO；0-10摩尔％的CaO；0-5摩尔％的ZrO2；0-1摩尔％的SnO2；0-1摩尔％的CeO2；小于50ppm的As2O3；以及小于50ppm的Sb2O3；其中12摩尔％≤(Li2O+Na2O+K2O)≤20摩尔％，0摩尔％≤(MgO+CaO)≤10摩尔％。
另一种示例性玻璃组成包含：63.5-66.5摩尔％的SiO2；8-12摩尔％的Al2O3；0-3摩尔％的B2O3；0-5摩尔％的Li2O；8-18摩尔％的Na2O；0-5摩尔％的K2O；1-7摩尔％的MgO；0-2.5摩尔％的CaO；0-3摩尔％的ZrO2；0.05-0.25摩尔％的SnO2；0.05-0.5摩尔％的CeO2；小于50ppm的As2O3；以及小于50ppm的Sb2O3；其中14摩尔％≤(Li2O+Na2O+K2O)≤18摩尔％，且2摩尔％≤(MgO+CaO)≤7摩尔％。
在另一个实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含以下组分、基本由以下组分组成、或者由以下组分组成：61-75摩尔％的SiO2；7-15摩尔％的Al2O3；0-12摩尔％的B2O3；9-21摩尔％的Na2O；0-4摩尔％的K2O；0-7摩尔％的MgO；以及0-3摩尔％的CaO。
在一个具体实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含氧化铝、至少一种碱金属以及在一些实施方式中大于50摩尔％的SiO2，在其他实施方式中至少为58摩尔％的SiO2，以及在其他实施方式中至少为60摩尔％的SiO2，其中其中组分的比例以摩尔％计，改性剂是碱金属氧化物。在一些特定实施方式中，所述玻璃包含以下组分、基本由以下组分组成或者由以下组分组成：58-72摩尔％的SiO2、9-17摩尔％的Al2O3、2-12摩尔％的B2O3、8-16摩尔％的Na2O以及0-4摩尔％的K2O，其中
在另一个实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃基材包含以下组分、主要由以下组分组成、或者由以下组分组成：60-70摩尔％的SiO2；6-14摩尔％的Al2O3；0-15摩尔％的B2O3；0-15摩尔％的Li2O；0-20摩尔％的Na2O；0-10摩尔％的K2O；0-8摩尔％的MgO；0-10摩尔％的CaO；0-5摩尔％的ZrO2；0-1摩尔％的SnO2；0-1摩尔％的CeO2；小于50ppm的As2O3；以及小于50ppm的Sb2O3；其中12摩尔％≤Li2O+Na2O+K2O≤20摩尔％，0摩尔％≤MgO+CaO≤10摩尔％。
在另一个实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含以下组分、主要由以下组分组成、或者由以下组分组成：64-68摩尔％的SiO2；12-16摩尔％的Na2O；8-12摩尔％的Al2O3；0-3摩尔％的B2O3；2-5摩尔％的K2O；4-6摩尔％的MgO；以及0-5摩尔％的CaO，其中66摩尔％≤SiO2+B2O3+CaO≤69摩尔％；Na2O+K2O+B2O3+MgO+CaO+SrO>10摩尔％；5摩尔％≤MgO+CaO+SrO≤8摩尔％；(Na2O+B2O3)-Al2O3≤2摩尔％；2摩尔％≤Na2O-Al2O3≤6摩尔％；以及4摩尔％≤(Na2O+K2O)-Al2O3≤10摩尔％。
在一些实施方式中，化学强化玻璃和非化学强化玻璃可以配料成具有0-2摩尔％的选自下组的至少一种澄清剂：Na2SO4、NaCl、NaF、NaBr、K2SO4、KCl、KF、KBr和/或SnO2。
在一个示例性实施方式中，玻璃中的钠离子可以被熔浴中的钾离子替换，但是具有较大原子半径的其他碱金属离子(例如铷或铯)也可以替换玻璃中的较小的碱金属离子。根据具体实施方式，玻璃中的较小碱金属离子可以被Ag+离子替换。类似地，其它碱金属盐(例如但不限于硫酸盐以及卤化物等)可以用于离子交换过程。
在玻璃网络会发生松弛的温度下用较大离子替换较小离子，产生在玻璃表面上的离子分布，这导致应力曲线。进入的离子的较大的体积在表面上产生压缩应力(CS)，在玻璃中心区域内产生张力(中心张力(CT))。压缩应力与中心张力的关系如下式所示：
C S = C T ( t - 2 D O L D O L )
其中t表示玻璃片的总厚度，DOL表示交换深度，也称为层深度。
根据各个实施方式，包含一块或多块离子交换玻璃片并且具有特定层深度和压缩应力分布关系的薄的玻璃层叠可具有所需性质的配置，包括低重量、高的抗冲击性和改进的声衰减。
在一个实施方式中，化学强化玻璃片的表面压缩应力可以至少为300MPa，例如至少400、500或者600MPa，层深度至少约为20μm(例如，至少约为20、25、30、35、40、45或者50μm)和/或中心张力大于40MPa(例如，大于40、45或者50MPa)且小于100MPa(例如，小于100、95、90、85、80、75、70、65、60或者55MPa)。
图3是根据本发明实施方式的各种玻璃片的层深度与压缩应力关系图。参见图3所示是对于各种玻璃片的层深度与压缩应力关系图。来自对比钠钙玻璃的数据用菱形SL表示，而来自化学强化的铝硅酸盐玻璃的数据用三角形GG表示。如示意性实施方式所示，化学强化的玻璃片的层深度与表面压缩应力数据关系可被限定为压缩应力大于约600MPa，层深度大于约20微米。可将区域200限定为表面压缩应力大于约600MPa、层深度大于约40微米、拉伸应力在约40-65MPa之间。独立于上述的关系或者与上述关系结合，化学强化的玻璃的层深度可以用相应的表面压缩应力表示。在一个例子中，近表面区域从第一玻璃片的表面延伸到至少65-0.06(CS)的层深度(单位为微米)，其中CS是表面压缩应力且其值至少为300MPa。在图3中用斜线来表示这种线性关系。令人满意的CS和DOL水平在图中的线65-0.06(CS)以上，其中y轴表示DOL，x轴表示CS。
在另一个例子中，近表面区域从第一玻璃片的表面延伸到值至少为B-M(CS)的层深度(单位为微米)，其中CS是表面压缩应力并且至少为300MPa，B可以约为50-180(例如，60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160±5)，M可以独立地是约为-0.2至-0.02(例如，-0.18、-0.16、-0.14、-0.12、-0.10、-0.08、-0.06、-0.04±-0.01)。
化学强化玻璃片的弹性模量可以约为60-85GPa(例如，60、65、70、75、80或85GPa)。聚合物中间层以及玻璃片的弹性模量可同时影响所得到的玻璃层叠的机械性质(例如，偏斜和强度)和声性质(例如，穿透损耗)。
示例性玻璃片成形方法可包括熔合拉制和狭缝拉制工艺，其例子分别是下拉法和浮法。熔合拉制法使用拉制容器，其具有用来接受熔融玻璃原料的通道。通道包括在通道两侧上沿着通道的长度开口的堰。当用熔融材料填充通道时，熔融玻璃从堰溢流。在重力的作用下，熔融玻璃从拉制容器的外表面流下。这些外表面向下和向内延伸，使得它们在拉制容器下方的边缘处结合。两个流动玻璃表面在该边缘处结合，以熔合并形成单个流动片材。熔合拉制法的优点在于，由于从通道上流过的两块玻璃膜熔合在一起，因此所得到的玻璃片的任一外表面都没有与设备的任意部件相接触。因此，熔合拉制玻璃片的表面性质不受到此类接触的影响。
狭缝拉制法与熔合拉制法不同。在此方法中，将熔融的原料玻璃提供到拉制容器。拉制容器的底部具有开放的狭缝，其具有沿着狭缝的长度延伸的喷嘴。熔融玻璃流过狭缝/喷嘴，以连续的板材下拉进入退火区。狭缝拉制法通常提供比熔合拉制法更薄的片材，因为通过狭缝仅仅拉制了单片，而不是将两片熔合在一起。
下拉法生产具有均匀厚度和较原始加工表面的玻璃片。因为玻璃表面的强度受到表面瑕疵的量和尺寸的控制，因此接触程度最小的原始表面具有较高的初始强度。当随后对这种高强度玻璃进行化学强化时，所得到的强度可高于已经进行过磨光和抛光的玻璃的表面的强度。下拉玻璃可以拉制成厚度小于约2mm。此外，下拉玻璃具有非常平坦、光滑的表面，使得可用于其最终应用无需耗费成本的研磨和抛光。
在浮法玻璃工艺中，可通过使得熔融玻璃在熔融金属(通常是锡)床上浮动，来制造可表征为具有光滑表面和均匀厚度的玻璃片。在一个示例性过程中，将熔融玻璃进料到熔融锡床的表面上，形成浮动带。随着玻璃带沿着锡浴流动，温度逐渐降低直至可以将固体玻璃片从锡上举起到辊上。一旦离开浴，可以对玻璃片进行进一步冷却和退火以降低内应力。
可使用各种方法来形成用于汽车玻璃窗和其它应用的玻璃层叠。在一个示例性过程中，将一块或多块化学强化玻璃片与聚合物中间层装配成预压制件，粘结成(tackinto)预层叠体，最终精整成为光学透明的玻璃层叠。在具有两块玻璃片的示例性实施方式中，可以由如下方式形成装配：敷设第一玻璃片，将聚合物中间层(例如PVB片)铺在其上，敷设第二玻璃片，然后裁剪超出玻璃片边缘的过量PVB。示例性粘结步骤可包括从界面处排出大部分的空气，并使PVB与玻璃片部分粘合。通常在提升的温度和压力下进行的示例性精整步骤完成各块玻璃片与聚合物中间层的匹配。
可以将热塑性材料(例如PVB)用作预先形成的聚合物中间层。在某些实施方式中，热塑性层的厚度可以至少为0.125mm(例如，0.125、0.25、0.375、0.5、0.75、0.76或者1mm)。热塑性层可以覆盖玻璃的两个相反主表面的大部分或者基本上全部。它还可覆盖玻璃的边缘面。可以将与热塑性层接触的玻璃片加热至高于热塑性材料的软化点，例如比软化点高至少5℃或者10℃，以促进热塑性材料与玻璃的粘合。可以在玻璃板与热塑性层在压力下接触时进行加热。
选择用于示例性中间层的市售可得聚合物中间层材料总结见表1，其还提供每种产品样品的玻璃转化温度和模量。从供应商的技术数据页或者采用DSC200差示扫描量热仪(日本精工仪器公司(SeikoInstrumentsCorp.,Japan))或者通过用于玻璃转化和模量数据的ASTMD638方法，来分别确定玻璃转化温度和模量数据。用于ISD树脂的丙烯酸类/硅酮树脂材料的详细描述见美国专利第5,624,763号，吸声改性的PVB树脂的描述见日本专利第05138840号，其全文通过引用结合入本文。
表1：示例性聚合物中间层材料
聚合物中间层的弹性模量可以约为1-300MPa(例如，约为1、5、10、20、25、50、100、150、200、250或300MPa)。对于1Hz的负荷速率，标准PVB中间层的弹性模量可以约为15MPa，吸声等级PVB中间层的弹性模量可以约为2MPa。
在其他实施方式中，可以在玻璃层叠中结合一层或多层聚合物中间层。多层中间层可以提供互补或不同的功能性，包括促进粘附、控制吸声、控制UV透射率和/或控制IR透射率。
在示例性层叠过程中，通常将中间层加热至实现中间层软化的温度，这促进中间层与玻璃片的相应表面的共形匹配以及中间层与玻璃片的粘附。例如，对于PVB，层叠温度可以约为140℃。中间层材料中的可移动聚合物链建立起了与玻璃表面的结合，这促进了粘附。提升的温度还加速了残留空气和/或水分从玻璃-聚合物界面扩散出去。
任选地施加压力同时促进了中间层材料的流动并抑制了气泡的形成，否则水的蒸汽压力与界面处俘获的空气结合起来可能会导致气泡的形成。为了抑制气泡的形成，可以同时对高压釜中的组件进行加热加压。
可以采用基本相同的玻璃片形成玻璃层叠，或者在替代实施方式中，单块玻璃片的特性(例如，组成、离子交换曲线和/或厚度)可以独立地发生变化，以形成不对称玻璃层叠。
玻璃层叠可用于提供有益的效果，包括噪声衰减、降低UV和/或红外光的透射率，和/或增加窗口的美观性。包含在所揭示的玻璃层叠中的单片玻璃以及所形成的层叠可以用以下一个或多个属性进行表征，包括组成、密度、厚度、表面形貌以及各种性质，包括机械性质、光学性质和/或声衰减性质。
参见下表2可以发现与使用较薄玻璃片相关的重量减轻，其提供了实际尺寸为110cmx50cm且包含聚合物中间层的示例性玻璃层叠的玻璃重量、中间层重量以及玻璃层叠重量，所述聚合物中间层包含0.76mm厚、密度为1.069g/cm3的PVB片。
表2：玻璃片/PVB/玻璃片层叠的物理性质
厚度(mm) 玻璃重量(g) PVB重量(g) 层叠重量(g)
4 5479 445 11404
3 4110 445 8664
2 2740 445 5925
1.4 1918 445 4281
1 1370 445 3185
0.7 959 445 2363
0.5 685 445 1815
参见表2，通过降低单块玻璃片的厚度，可以使得层叠总重量急剧下降。在一些应用中，较轻的总重量直接转化为更高的燃料经济性。
玻璃层叠可被用作例如面板、盖板、窗或者玻璃窗，并且构造成任意合适的尺寸和大小。在某些实施方式中，玻璃层叠的长度和宽度可以独立地从10cm变化至1m或更大(例如，0.1、0.2、0.5、1、2或5m)。独立地，玻璃层叠可具有大于0.1m2的面积，例如大于0.1、0.2、0.5、1、2、5、10或25m2。当然，这些尺寸仅仅是示例性的，且不应限制本文所附权利要求的范围。
示例性玻璃层叠可以是基本平坦的或者对于某些应用是具有形状的。例如，用于挡风玻璃或盖板的玻璃层叠可以成形为弯曲或者具有形状的部件。具有形状的玻璃层叠的结构也可以是简单或复杂的。在某些实施方式中，具有形状的玻璃层叠可以具有复杂曲率，其中，玻璃片在两个独立方向上具有不同的曲率半径。从而此类具有形状的玻璃片可以表征为具有“交叉曲率”，其中玻璃沿着平行于给定维度的轴弯曲，还沿着垂直于相同维度的轴弯曲。例如，通常测得的汽车天窗约为0.5mx1.0m，沿短轴的曲率半径为2-2.5m，沿长轴的曲率半径为4-5m。
根据某些实施方式的具有形状的玻璃层叠可以由弯曲因子限定，其中，对于给定部件的弯曲因子基本等于沿着给定轴的曲率半径除以该轴的长度。因此，对于沿0.5m和1.0m的各轴的曲率半径分别为2m和4m的汽车天窗，沿各轴的弯曲因子是4。具有形状的玻璃层叠还可具有2-8(例如，2、3、4、5、6、7或8)的弯曲因子。
用于使得玻璃层叠弯曲和/或成形的方法可包括重力弯曲、压制弯曲，以及它们的混合方法。在重力弯曲的常规方法中，可以将薄的平坦玻璃片成形为弯曲形状，例如汽车挡风玻璃、冷的预切割单片或多片玻璃片，将它们放到弯曲固定件的刚性、预成形、周围支撑表面上。弯曲固定件可以用金属或耐火材料制造。在示例性方法中，可以使用活动连接的弯曲固定件。在弯曲之前，通常仅在数个接触点上支撑玻璃。通常通过在玻璃韧化炉中暴露于提升的温度，来加热玻璃，这使得玻璃软化，实现玻璃重力弯垂或跌落成与周围支撑表面一致。通常，整个支撑表面会与玻璃外周接触。
相关的技术是按压弯曲，在其中，将平坦玻璃片加热至基本对应于玻璃软化点的温度。然后在具有互补成形表面的阳模和阴膜元件之间，将经过加热的玻璃片压制或者成形为所需曲率。在一些实施方式中，可以使用重力弯曲和按压弯曲技术的组合。
在其他实施方式中，化学强化的玻璃片的厚度可以不超过1.4mm，或者小于1.0mm。在其他实施方式中，化学强化玻璃片的厚度可以基本等于第二玻璃相反外部玻璃片或者内部玻璃片的厚度，从而各自的厚度变化不大于5％，例如小于5、4、3、2或1％。根据其他实施方式，第二玻璃片(例如，内部玻璃片)的厚度可以小于2.0mm或者小于1.4mm。不希望受到理论的限制，申请人相信，包含基本相同厚度的相对玻璃片的玻璃层叠可提供最大符合频率以及对应的符合频率下垂处最大的声穿透损耗。该设计可以为例如车辆应用中的玻璃层叠提供有益的声学性能。
本文所揭示的层叠玻璃结构证实了优异的耐用性、抗冲击性、韧性和耐划痕性。玻璃片或层叠的强度和机械冲击性能可能受到玻璃中缺陷的限制，同时包括表面和内部缺陷。当玻璃层叠受到冲击时，冲击点处于压缩，同时冲击点周围的环或者“环带”以及受到冲击的玻璃片的相对表面处于拉伸状态中。通常，可能从裂纹处开始发生破坏，这常常位于玻璃表面上的最高张力点或者最高张力点附近。这可能发生在相对表面上，但是也可能发生在环内。如果在冲击事件中，玻璃中的裂纹处于拉伸，则裂纹可能会扩展，玻璃会破裂。因此，高量级和深度的压缩应力(层深度)是优选的。将受控的瑕疵添加到本文所述的实施方式的示例性表面和本文所述的实施方式的表面的酸蚀刻处理，提供了在发生内部和外部冲击事件时具有所需破碎性能的这种层叠。
由于化学强化，本文所述的玻璃层叠的一个或两个外表面可处于压缩。为了使裂纹扩展以及失效发生，来自冲击的拉伸张力必须在裂纹尖端处超过表面压缩应力。在一些实施方式中，化学强化的玻璃片的高压缩应力和高层深度可以允许使用比非化学强化玻璃的情况下更薄的玻璃。
在其它实施方式中，玻璃层叠可包括内部和外部玻璃片，例如但不限于，化学强化的玻璃片，其中朝向外部的化学强化玻璃片的表面压缩应力至少为300MPa(例如至少400、450、500、550、600、650、700、750或800MPa)，层深度至少约为20μm(例如，至少约为20、25、30、35、40、45或50μm)，和/或中心张力大于40MPa(例如，大于40、45或50MPa)且小于100MPa(例如，小于100、95、90、85、80、75、70、65、60或55MPa)。此类实施方式还可包括朝向内部的玻璃片(例如，化学强化的内部玻璃片)，其表面压缩应力是化学强化的外部玻璃片的表面压缩应力的三分之一到二分之一，或与外部玻璃片相等。
除了它们的机械性质之外，还评估了示例性玻璃层叠的声衰减性质。如本领域技术人员所理解，具有中间吸声层16(例如市售可得的吸声PVB中间层)的层叠结构可用来阻尼声波。本文所揭示的化学强化的玻璃层叠虽然使用较薄(且较轻)的结构，但可以显著地降低声波传输，所述较薄(且较轻)的结构还拥有许多玻璃窗应用所需的机械性质。
本发明的一个实施方式包括薄的玻璃层叠结构10和20，其使用较为硬的刚性中间层结合至少一块或多块薄的化学强化的外部玻璃片以及一块或多块内部玻璃片制得。刚性中间层可以为采用较薄的玻璃制造的层叠提供改进的负荷/变形性质。其它实施方式可包括较软的中间层，例如吸声阻尼中间层。其它实施方式可使用较软的吸声(例如，声阻尼)中间层结合较硬的中间层(例如中间层)。
可以通过中间层剪切模量和中间层材料的损耗因子来确定声阻尼。当中间层占总层叠厚度的大部分时，弯曲刚性(负荷变形性质)可极大地由杨氏模量所确定。使用多层中间层，可独立地调节这些性质，得到具有令人满意的刚性和吸声阻尼的层叠。
用作根据本发明的玻璃层叠中的聚合物中间层的市售材料的候选物包括，但不限于，离聚物、吸声PVB(例如，积水公司(Sekisui)的薄的、0.4mm厚吸声PVB)、EVA、TPU、刚性PVB(例如SaflexDG)和标准PVB。在多层中间层的情况下，全部使用PVB层可能是有利的，这是因为层之间的化学相容性。与其他中间层材料(例如EVA或PVB)的化学相容性较差，在层之间可能需要粘合剂膜(例如，聚酯膜)。
在第一个实验中，制备包含PVB中间层的玻璃层叠和包含中间层的层叠，其采用真空袋去除空气，并粘结层叠，在首诺公司(PVB供应商)和杜邦公司(供应商)规定的范围内循环运行高压釜。片储存在金属箔内衬的袋子中直到使用，由此确保片是干燥的(<0.2％湿度)。对于PVB中间层，示例实施方式可具有<0.6％的片湿度水平。采用标准捶打测试对层叠进行测试，来测量层叠玻璃中玻璃与中间层的粘附。捶打测试包括将层叠体调节至0F(-18C)过夜，然后用1磅的锤子冲击样品，使得玻璃粉碎。通过来自与中间层脱落的玻璃所得到的暴露的中间层材料的量(例如捶打粘附值)来判断粘附。
对于PVB层叠标准车用玻璃(例如2.1mm厚或2.3mm厚的钠钙玻璃)，耐穿透性和捶打粘附之间的关系如图4所示。随着粘附增加，通过MBH测得的耐穿透性可能下降至不可接受的水平。已知，对于较厚的钠钙玻璃层叠，主要由PVB-玻璃粘附以及PVB中间层的性质确定抗冲击性，玻璃几乎没有贡献。如图4所示，钠钙玻璃-PVB层叠要求在可接受的耐穿透性和粘附之间做出妥协。
本发明的实施方式可提供用于汽车、车辆、电子器件、建筑和其他应用的玻璃层叠，其在至少一块玻璃片和聚合物层之间具有较高水平的粘附，捶打粘附值约为7-10，约为8-10，约为9-10，至少7，至少8，或者至少9。此类在玻璃和聚合物层之间具有高粘附的层叠展现出杰出的破裂后玻璃保留性。这些层叠体还证实了高粘附和至少20英尺MHB的高水平耐穿透性的良好结合，这不同于常规钠钙玻璃层叠所展现出的高粘附下差的耐穿透性。本文所述的示例性层叠不需要粘附控制剂来提供可接受的耐穿透性或者与玻璃的粘附。对于诸如汽车和建筑玻璃窗的应用，相比于采用钠钙玻璃制造的层叠玻璃，采用化学强化玻璃(例如，玻璃)以及聚(乙烯丁缩醛)(PVB)或离聚物中间层制造的层叠玻璃具有不同寻常的高粘附。高粘附是有益的，因为其提供了破裂之后高水平的玻璃保留。此外，采用玻璃和PVB中间层制造的层叠同时结合了高粘附和高穿透高度(高耐穿透性)的所需性质。
相比较而言，钠钙玻璃/PVB层叠在高粘附水平下具有差的耐穿透性。此外，玻璃与的高粘附消除了对于粘合促进剂的需求，并且不依赖于所接触的玻璃是哪一侧，而钠钙玻璃层叠具有上述情况。
示例性实施方式包括轻量化、薄玻璃层叠，其具有可接受的机械和/或声阻尼性质。其它实施方式可包括聚合物中间层和层叠玻璃结构，其可通过较为简单地调节聚合物中间层的单个层的性质，来独立地改造它们的机械性能和吸声性。本文所述的层叠玻璃结构的层可以是在层叠过程中结合在一起的单独的片层。本文所述的中间层结构的层可以共挤出在一起，以形成具有多层的单个中间层片。
虽然本文可包含许多具体情况，但是它们不应该理解为对本发明的范围的限制，而是对于具体的特定实施方式的特征的描述。在本说明书的单独的实施方式中描述的某些特征也可以组合起来在单个实施方式中实现。反之，在单一实施方式的内容中描述的各种特征也可以在多个实施方式中独立地或者以任何适当次级组合的形式实现。而且，虽然上述特征被描述成以某些组合的形式起作用，而且甚至最初也是这样要求权利的，但所要求权利的组合中的一种或多种特征在一些情况下可以从该组合中去除，所要求权利的组合可以针对次级组合或者次级组合的变化。
类似地，虽然在图中或附图中以特定的顺序来描述操作或工艺，但是这不应理解为要求此类操作以所示特定顺序或者连续顺序进行，或者进行所有所示的操作，以实现所需的结果。在某些情况下，多任务化和平行操作可能是有利的。
如图1-4所示的各种配置和实施方式所示，描述了具有高的玻璃-聚合物中间层粘附的层叠玻璃结构的各种实施方式。
虽然已经描述了本发明的优选实施方式，但是应理解的是，所述的实施方式仅仅是示意性的，本发明的范围仅由所附权利要求书以及在阅读本发明的基础上本领域技术人员自然获得的等价形式、许多变形和改进的全部范围所限定。

Claims (19)

1.一种玻璃层叠结构，其包括：
两块厚度小于2mm的玻璃片；
位于所述两块玻璃片之间的聚合物中间层，所述聚合物中间层与所述两块玻璃片的粘附具有至少7的捶打值。
2.如权利要求1所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述中间层与所述两块玻璃片的粘附具有至少8的捶打值。
3.如权利要求2所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述中间层与所述两块玻璃片的粘附具有至少9的捶打值。
4.如权利要求2所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述层叠的耐穿透性至少为20英尺的中位破裂高度(MBH)。
5.如权利要求4所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块是化学强化的。
6.如权利要求5所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块的厚度不超过1.5mm。
7.如权利要求6所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块的厚度不超过1mm。
8.如权利要求1所述的薄的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块是化学强化的。
9.如权利要求8所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块的厚度不超过2mm。
10.如权利要求9所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块的厚度不超过1.5mm。
11.如权利要求10所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块的厚度不超过1mm。
12.如权利要求10所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片都是化学强化的，并且厚度都不超过1.5mm。
13.如权利要求10所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述中间层由离聚物形成。
14.如权利要求10所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述中间层由聚碳酸酯形成。
15.如权利要求1所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述中间层由选自离聚物和聚乙烯醇缩丁醛的材料形成。
16.如权利要求15所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述层叠的耐穿透性至少为20英尺的中位破裂高度(MBH)。
17.如权利要求16所述的玻璃层叠结构，其特征在于，所述两块玻璃片中的至少一块的厚度不超过1.5mm。
18.一种形成玻璃层叠结构的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一玻璃片、第二玻璃片以及聚乙烯醇缩丁醛中间层；
将所述中间层堆叠到所述第一玻璃片的顶部；
将所述第二玻璃片堆叠到所述中间层上，以形成装配堆叠；以及
将所述装配堆叠加热至所述中间层的软化温度或者加热至高于该软化温度的温度，以堆叠所述中间层与所述第一玻璃片和所述第二玻璃片；
在所述中间层与所述第一玻璃片和所述第二玻璃片之间不采用粘附抑制剂，使得所述中间层与两块玻璃片粘结，所述粘结具有至少为7的捶打值。
19.一种形成玻璃层叠结构的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一玻璃片、第二玻璃片以及离聚物中间层；
将所述中间层堆叠到所述第一玻璃片的顶部；
将所述第二玻璃片堆叠到所述中间层上，以形成装配堆叠；以及
将所述装配堆叠加热至所述中间层的软化温度或者加热至高于该软化温度的温度，以堆叠所述中间层与所述第一玻璃片和所述第二玻璃片；
在所述中间层与所述第一玻璃片和所述第二玻璃片之间不采用粘附促进剂，使得所述中间层与两块玻璃片粘结，所述粘结具有至少为7的捶打值。
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