CN108751733A - 一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃及其制备方法，该二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃包括三层，第一层为夹层玻璃，第二层中空结构，第三层为单层玻璃或夹层玻璃；第一层与第二层的接触面为第一接触面，第二层和第三层的接触面为第二接触面，第一接触面和第二接触面中至少一面设有二氧化硅溶胶涂层；该二氧化硅溶胶涂层的厚度为1‑20μm，该二氧化硅溶胶涂层的二氧化硅的含量不低于95％。该二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃抗弯强度和抗冲击能力强，消除自爆风险，降低成本。

Description

一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃及其制备方法，属于中空安全玻璃技术领域。
背景技术
目前，高层建筑门窗玻璃、幕墙玻璃一般使用钢化增强玻璃，但是钢化增强玻璃在使用过程中容易自爆，引起安全问题。硫化镍及其它异质相颗粒如单质硅是钢化玻璃自爆的源头，其原因是由于异质颗粒与玻璃的热膨胀系数不匹配，从而在降温过程中对单质硅颗粒周边的玻璃产生的拉应力导致玻璃破裂。通常，硫化镍引起的钢化玻璃自爆可以通过均质处理来排除，但是，如文献《幕墙玻璃安全与对策》(《玻璃》2012年第8期总第251期39-42页)所述，国内外钢化玻璃企业针对硫化镍所进行的均质处理并不能完全避免钢化玻璃使用过程中的自爆现象，而单质硅颗粒在降温过程中使玻璃产生局部应力，常规的均质处理过程很难排除其自爆现象。专利申请CN201710672962.5提供了一种通过贴膜防止自爆后玻璃碎片掉落导致安全事故的建筑门窗及幕墙用中空安全玻璃，但是，通过贴膜只是防止自爆后碎片的掉落，并不能防止玻璃自爆，也不能降低更换自爆的玻璃带来的高成本。专利申请CN201883881U公开了减薄减重的属于建筑用玻璃的一种三或四毫米薄玻贴膜中空安全玻璃，但是，贴膜是通过物理粘接，膜和玻璃之间没有形成化学键，使用过程中所贴的膜会出现老化、龟裂、脱离等问题，可靠性差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，包括三层，第一层为夹层玻璃，第二层为中空结构，第三层为单层玻璃或夹层玻璃；第一层与第二层的接触面为第一接触面，第二层和第三层的接触面为第二接触面，第一接触面和第二接触面中至少一面设有二氧化硅溶胶涂层；该二氧化硅溶胶涂层的厚度为1-20μm，该二氧化硅溶胶涂层的二氧化硅的含量不低于95％。
优选地，所述夹层玻璃和单层玻璃的单层玻璃为厚度为1.8-2.2mm的钠钙退火玻璃或半钢化玻璃。
优选地，所述夹层玻璃为PVB夹层玻璃。
优选地，所述PVB夹层玻璃包括两层厚度为1.8-2.2mm的单层玻璃以及夹持在该两层单层玻璃中间的厚度为1.50-1.54mm的PVB膜。
优选地，所述中空结构的厚度为11.8-12.2mm。
优选地，所述二氧化硅溶胶涂层由二氧化硅溶胶涂覆在所述单层玻璃上后固化形成。
优选地，所述具有二氧化硅涂层的夹层玻璃，由二氧化硅溶胶涂覆在单层玻璃上后固化形成具有二氧化硅溶胶涂层的单层玻璃，该具有二氧化硅溶胶涂层的单层玻璃与PVB膜与不具有二氧化硅溶胶涂层的单层玻璃，通过夹层工艺得到具有二氧化硅涂层的夹层玻璃；
优选地，所述二氧化硅溶胶通过以下方法制备得到：将13.5-14.5wt％主原料、11.5-12.5wt％偶联剂、73.5-74.5wt％溶剂混合搅匀后，加入占主原料、偶联剂和溶剂总量的1.8-2.2wt％的0.08-0.12mol/L硝酸，配制成二氧化硅溶胶，其中：主原料为正硅酸乙酯，偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，溶剂为水和醇类。
优选地，该醇类为乙醇或异丙醇。
优选地，该二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃的实测抗压强度大于6000Pa。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃的制备方法，包括如下步骤：
(1)将13.5-14.5wt％主原料、11.5-12.5wt％偶联剂、73.5-74.5wt％溶剂混合搅匀后，加入占主原料、偶联剂和溶剂总量的1.8-2.2wt％的0.08-0.12mol/L硝酸，配制成二氧化硅溶胶，其中：主原料为正硅酸乙酯，偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，溶剂为水和醇类；
优选地，该醇类为乙醇或异丙醇；
(2)在所述单层玻璃的单面，用线棒涂布器以刮涂方式涂抹步骤(1)配制的二氧化硅溶胶，湿膜厚度为20-400μm，静置流平后在178-182℃热固化55-65min，得到单面有涂层的单层玻璃；
(3)单面有涂层的单层玻璃与PVB膜与单层玻璃，在143-148℃、9.5-10.5个大气压下保温55-65min，得到单面有涂层的夹层玻璃；
(4)将夹层玻璃和单层玻璃或两块夹层玻璃重叠在一起，让有涂层的一面朝向夹层玻璃和单层玻璃之间或两块夹层玻璃之间，并保证夹层玻璃和单层玻璃相对的两面至少一面有涂层，或两块夹层玻璃相对的两面至少有一面有涂层，并在夹层玻璃和单层玻璃之间或两块夹层玻璃之间留下中空结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：
一种二氧化硅溶胶，含有13.5-14.5wt％主原料、11.5-12.5wt％偶联剂、73.5-74.5wt％溶剂、以及占主原料、偶联剂和溶剂总量的1.8-2.2wt％的0.08-0.12mol/L硝酸，其中：主原料为正硅酸乙酯，偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，溶剂为水和醇类，该醇类为乙醇或异丙醇。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
中空安全玻璃，与室外接触的夹层玻璃主要需要有足够强度抵制来自室外的作用力，与室内接触的单层玻璃或夹层玻璃主要需要有足够的强度抵制来自室内的作用力，为了满足强度，通常需要6mm的钢化玻璃，用于夹层玻璃以及用于单层玻璃，既有自爆风险，而且重量大，材料成本及安装更换成本都很高。专利申请CN201710672962.5及CN201883881U中，通过贴膜提高中空安全玻璃的强度来实现减薄减重的目的，但是，贴膜是通过物理粘接，膜和玻璃之间没有形成化学键，服役过程中出现老化、龟裂、脱离等问题，可靠性差。本发明提高中空安全玻璃的强度来实现减薄减重，来防止自爆，其原理和方法与专利申请CN201710672962.5及CN201883881U根本不同。本发明注意到玻璃受硬物冲击时，其受冲击面所受的力是压应力，而受冲击面的背面所受的力是张应力，玻璃是脆性材料，抗张能力弱于抗压能力，玻璃受冲击破碎首先从其受冲击面的背面开始破碎，微观上，玻璃受冲击面的背面表面的微裂纹受张应力扩张直到玻璃破碎。无论玻璃组分的不同、无论浮法或溢流法的制备方法的不同、无论化学或物理强化方法的不同、无论表面研磨或抛光或刻蚀的不同，所得玻璃的表面都存在微裂纹。本发明通过大量实验，发现玻璃受硬物冲击时，在玻璃受冲击面的背面有涂层，涂层的厚度为1～20μm，涂层的SiO2的含量≥95％，此时，抗弯强度大幅提高，抗冲击大幅提升。发现涂层位于玻璃受冲击面正面时，抗弯强度有提高，但提高幅度小于涂层位于玻璃受冲击面的背面。发现该涂层厚度小于1μm时，没有明显效果。发现该涂层厚度大于20μm时，涂层外观容易起桔皮，外观质量不好。发现涂层的SiO2的含量＜95％时，涂层与玻璃表面的结合力差，容易剥落。该涂层可通过溶胶凝胶方法制备。发现以磁控溅射镀膜原理的表面镀膜方法不适合该涂层的制备，磁控溅射镀膜没有增强效果。本发明能够提高玻璃的抗弯强度，从而能够提升玻璃的抗冲击能力，原理在于涂层与玻璃表面之间通过化学反应产生了Si-O-Si的化学键结合，结合牢固，填补了受冲击面的背面的玻璃表面微裂纹，抑制了玻璃受硬物冲击时，受冲击面的背面的玻璃表面微裂纹的扩张。本发明，通过SiO2溶胶涂层增强，因此可以采用薄玻璃满足强度要求，达到减薄增强，而且可以不采用钢化玻璃，而采用半钢化或退火玻璃，满足强度要求，消除自爆风险，大幅降低了材料重量，大幅降低了材料成本，大幅降低了更换成本。
附图说明
图1是由PVB夹层玻璃+中空结构+单层玻璃构成的中空安全玻璃，二氧化硅溶胶涂层位于图中第4面或第6面中的至少一面。
图2是由PVB夹层玻璃+中空结构+PVB夹层玻璃构成的中空安全玻璃，二氧化硅溶胶涂层位于图中第4面或第8面中的至少一面。
附图标记：第1面1，第2面2，第3面3，第4面4，第5面5，第6面6，第7面7，第8面8，单层玻璃10，中空结构11，PVB膜12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：本发明对单层玻璃的单面实施涂覆SiO2溶胶，玻璃基板用通常的钠钙退火玻璃，为厚度2mm的薄玻璃。以溶胶凝胶法制备涂层。溶胶以正硅酸乙酯主原料、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)为偶联剂、水和醇类(乙醇或异丙醇)为溶剂，该溶剂中水和醇类比例为1:3(重量比)，按主原料14％、偶联剂12％、溶剂74％(以重量比计)的比例混合，添加主原料、偶联剂和溶剂总质量的2％的0.1mol/L的硝酸，配制成酸性SiO2溶胶。在单层玻璃的单面，用线棒涂布器以刮涂方式涂抹该溶胶，湿膜厚度为100μm，静置流平后在180℃热固化1h，得到单面有涂层的单层玻璃：单层玻璃+5μmSiO2涂层。对所得的涂层通过扫描电镜测得涂层厚度，通过X射线荧光光谱测得涂层SiO2含量，通过红外光谱FT-IR测试，测试结果显示位于波数为1104cm-1的吸收峰存在，该峰属于Si-O-Si，证实涂层与单层玻璃之间形成了Si-O-Si化学键合，通过参照JIS D0205进行涂层耐候测试，测试结果显示涂层没有老化、龟裂和脱离问题；对由单层玻璃和涂层构成的玻璃，按EN1288-5:2000标准进行抗弯强度测试；对由单层玻璃和涂层构成的玻璃，进行130g钢球自由落下的硬物冲击实验，涂层所在的面为玻璃受钢球冲击面的背面，以耐冲击不破碎的高度为评价玻璃抗冲击能力。结果是没有涂层的单层玻璃的抗弯强度为102MPa。对于带涂层的单层玻璃，当涂层所在的面为玻璃的受冲击面的背面，抗弯测试时，涂层所在的面为测试设备载荷压头与玻璃接触面的背面，测得的抗弯强度为248MPa，相比没有涂层的单层玻璃，提高了143％；而当涂层所在的面为玻璃的受冲击面的正面，抗弯测试时，涂层所在的面为测试设备载荷压头与玻璃接触面的正面，测得的抗弯强度为152MPa，相比没有涂层的单层玻璃提高了49％。抗冲击实验结果同样表明，涂层位于抗冲击的背面，抗冲击能力大幅提高，涂层位于抗冲击的正面，抗冲击能力有所提高，但提高幅度小于涂层位于抗冲击的背面。单层玻璃+1μmSiO2涂层、单层玻璃+20μmSiO2涂层，其增强效果类同单层玻璃+5μmSiO2涂层。单层玻璃+0.6μmSiO2涂层，其增强效果不明显。单层玻璃+23μmSiO2涂层、其涂层容易脱落。单层玻璃+5μmSiO2涂层、其SiO2含量为96％时，涂层与玻璃表面的化学结合力好，增强效果明显，但当SiO2含量为94％时，涂层与玻璃表面的化学结合力差，增强效果不明显。
对2mm半钢化钠钙玻璃单层玻璃的单面实施涂覆SiO2溶胶，其抗弯强度的增强幅度，类同上述对2mm退火钠钙玻璃单层玻璃的单面实施涂覆SiO2溶胶。
由具有单面SiO2涂层的厚度为2mm的单层玻璃和没有涂层的厚度为2mm的单层玻璃将厚度为1.52mm的PVB膜夹持在中间，在145℃、10个大气压下保温60min，形成PVB夹层玻璃(2mm单层玻璃+1.52PVB+2mm单层玻璃+SiO2涂层)。
SiO2涂层在该夹层玻璃的单面(例如图1中的第4面)，其抗弯强度的增强幅度，类同上述对2mm退火钠钙玻璃单层玻璃的单面实施涂覆SiO2溶胶。
在此实验基础上，由(2mm半钢化玻璃)+1.52PVB+(2mm半钢化玻璃+5μmSiO2涂层)+12mm中空结构+(4mm半钢化玻璃)，按该组合重叠在一起做成如图1所示的中空安全玻璃，SiO2涂层位于图1的第4面，实测抗压强度>6000Pa，达到建筑设计规范所要求的抗风压强度(6mm单层玻璃片抗压强度不小于5000Pa)，满足JC846-2007标准中所规定的A类及B类安全玻璃的要求。
实施例2：由(2mm半钢化玻璃)+1.52PVB+(2mm半钢化玻璃+1μmSiO2涂层)+12mm中空结构+(1μmSiO2涂层+4mm半钢化玻璃)，按该组合重叠在一起做成如图1所示的中空安全玻璃，SiO2涂层位于图1的第4面和第6面，其他同实施例1，实测抗压强度>6000Pa，达到建筑设计规范所要求的抗风压强度(6mm单层玻璃片抗压强度不小于5000Pa)，满足JC846-2007标准中所规定的A类及B类安全玻璃的要求。
实施例3：由(2mm半钢化玻璃)+1.52PVB+(2mm半钢化玻璃+15μmSiO2涂层)+12mm中空结构+(2mm半钢化玻璃)+1.52PVB+(2mm半钢化玻璃)，按该组合重叠在一起做成如图2所示的中空安全玻璃，SiO2涂层位于图2的第4面，其他同实施例1，实测抗压强度>6000Pa，达到建筑设计规范所要求的抗风压强度(6mm单层玻璃片抗压强度不小于5000Pa)，满足JC846-2007标准中所规定的A类及B类安全玻璃的要求。
实施例4：由(2mm半钢化玻璃)+1.52PVB+(2mm半钢化玻璃+20μmSiO2涂层)+12mm中空结构+(20μmSiO2涂层+2mm半钢化玻璃)+1.52PVB+(2mm半钢化玻璃)，按该组合重叠在于做成如图2所示的中空安全玻璃，5μmSiO2涂层位于图2的第4面和第8面，其他同
实施例1，实测抗压强度>6000Pa，达到建筑设计规范所要求的抗风压强度(6mm单层玻璃片抗压强度不小于5000Pa)，满足JC846-2007标准中所规定的A类及B类安全玻璃的要求。
以上实施例说明，没有用6mm钢化钠钙玻璃，而采用SiO2溶胶增强的、厚度小于6mm的薄的半钢化或退火钠钙玻璃构成的中空安全玻璃，其SiO2溶胶涂层，有以下特点：①涂层的厚度为1～20μm；②该涂层位于中空安全玻璃受冲击的背面，如图1的中空安全玻璃，涂层位于第4面或第6面中的至少一面；如图2的中空安全玻璃，涂层位于第4面或第第8面中的至少一面；③涂层的SiO2的含量≥95％，本发明所得的中空安全玻璃，达到建筑设计规范所要求的抗风压强度，满足JC846-2007标准中所规定的A类及B类安全玻璃的要求。本发明所得的中空安全玻璃，消除了自爆的安全隐患，大幅降低了材料重量，大幅降低了材料成本，大幅降低了更换成本。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：包括三层，第一层为夹层玻璃，第二层为中空结构，第三层为单层玻璃或夹层玻璃；第一层与第二层的接触面为第一接触面，第二层和第三层的接触面为第二接触面，第一接触面和第二接触面中至少一面设有二氧化硅溶胶涂层；该二氧化硅溶胶涂层的厚度为1-20μm，该二氧化硅溶胶涂层的二氧化硅的含量不低于95％。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：所述单层玻璃为厚度为1.8-2.2mm的钠钙退火玻璃或半钢化玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：所述夹层玻璃为PVB夹层玻璃。
4.根据权利要求3所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：所述PVB夹层玻璃包括两层厚度为1.8-2.2mm的单层玻璃以及夹持在该两层单层玻璃中间的厚度为1.50-1.54mm的PVB膜。
5.根据权利要求1所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：所述中空结构的厚度为11.8-12.2mm。
6.根据权利要求1所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：所述二氧化硅溶胶涂层由二氧化硅溶胶涂覆在所述单层玻璃上后固化形成。
7.根据权利要求1所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：所述二氧化硅溶胶通过以下方法制备得到：将13.5-14.5wt％主原料、11.5-12.5wt％偶联剂、73.5-74.5wt％溶剂混合搅匀后，加入占主原料、偶联剂和溶剂总量的1.8-2.2wt％的0.08-0.12mol/L硝酸，配制成二氧化硅溶胶；其中：主原料为正硅酸乙酯，偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，溶剂为水和醇类。
8.根据权利要求7所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃，其特征在于：所述醇类为乙醇或异丙醇。
9.一种权利要求1所述的二氧化硅溶胶增强的中空安全玻璃的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将13.5-14.5wt％主原料、11.5-12.5wt％偶联剂、73.5-74.5wt％溶剂混合搅匀后，加入占主原料、偶联剂和溶剂总量的1.8-2.2wt％的0.08-0.12mol/L硝酸，配制成二氧化硅溶胶，其中：主原料为正硅酸乙酯，偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，溶剂为水和醇类；
(2)在单层玻璃的单面，涂抹步骤(1)配制的二氧化硅溶胶，静置流平后在179-181℃热固化55-65min，得到单面有涂层的单层玻璃；
(3)单面有涂层的单层玻璃与PVB膜与单层玻璃，在143-148℃、9.5-10.5个大气压下保温55-65min，得到单面有涂层的夹层玻璃；
(4)将夹层玻璃和单层玻璃或两块夹层玻璃重叠在一起，让有涂层的一面朝向夹层玻璃和单层玻璃之间或两块夹层玻璃之间，并保证夹层玻璃和单层玻璃相对的两面至少一面有涂层，或两块夹层玻璃相对的两面至少有一面有涂层，并在夹层玻璃和单层玻璃之间或两块夹层玻璃之间留下中空结构。
10.一种二氧化硅溶胶，其特征在于：含有13.5-14.5wt％主原料、11.5-12.5wt％偶联剂、73.5-74.5wt％溶剂、以及占主原料、偶联剂和溶剂总量的1.8-2.2wt％的0.08-0.12mol/L硝酸，其中：主原料为正硅酸乙酯，偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，溶剂为水和醇类。
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