CZ293094A3

CZ293094A3 - Shockproof glass structure

Info

Publication number: CZ293094A3
Application number: CZ942930A
Authority: CZ
Inventors: Darrel L Schindler; Charles Anthony Smith; Ramesh M Gohil
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1995-06-14
Also published as: CA2136415A1; EP0642417A1; WO1993024320A1; BR9207141A; AU2012192A; JPH07507247A; DE69223653D1; ATE161218T1; JP3126146B2; KR950701577A; KR100231745B1; DE69223653T2; EP0642417B1; ES2109999T3; CZ286222B6

Description

Oblast techniky

Vynález se týká skleněných struktur, které vykazují značnou odolnost vůči proražení předměty vrhanými lidmi nebo jiným způsobem. Tyto struktury v podstatě odolávají penetraci prudkým větrem hnanými předměty a předměty, obecně používanými zloději ve snaze vytvořit si vstup, přičemž takovými předměty jsou například cihly, kameny, hole, baseballové pálky a železné tyče.

Jbsgyadwf stav techniky

Do současné doby jiz bylo vyvinuto několik typu skleněných struktur, které jsou odolné vůči předmětům vrhaným proti povrchu uvedené struktury. Skleněné lamináty, obecně označované jako bezpečnostní sklo, obsahují množinu skleněných vrstev a mezivrstev. Tyto struktury jsou obvykle představují obvykle silné, těžké konstrukce, které nejsou vhodné pro obvyklé zasazení do rámu a jsou příliš drahé pro výrobu. Dále byly použity plastické vrstvy, jako například polykarbonátové vrstvy. Nicméně takové vrstvy jsou relativně drahé a mají omezenou odolnost vůči chemikáliím a vůči oočasr. I další známé sklo/olastické lamináty -f včetně izolačních skleněných struktur, vykazují stejné výše popsané nedostatky. Izolační struktury mají dále tendenci se zamlžovat v důsledku kondenzace vlhkosti, která vstupuje do plynového prostoru mezi skleněnými deskami. Co je tedy třeba, je lehká,., vůči nárazům odolná struktura, kterou lze rámovat běžným způsobem a která nevykazuje výše uvedené nedostatky.

. .... --------- · - ⁵

Podstata vynálezu

Tento vynález poskytuje skleněnou strukturu, která není pro výrobu příliš drahá a vykazuje dobrou rázovou houževnatost. Ve své nejjednoduší formě uvedená struktura obsahuje nosný rám a sklo/plastikový laminát upevněný v nosném rámu. Uvedený laminát je tvořen vrstvou skla, specielně orientovanou polyesterovou tenkou vrstvou a vrstvou adheziva, jakým je například polyvinylbutyralová vrstva vloženou mezi nimi. Laminát je adhezivně upevněn v nosném rámu. U provedení izolačního skla je sklo/plastický laminát skombinován s vrstvou hladkého skla, přičemž plastická vrstva se nachází na vnitřní straně struktury. V případě instalace, by měla být sklo/plastiková strana orientována směrem, ve kterém je očekáván náraz. Vnitřní hladké sklo nemá rázovou houževnatost. Je skutečně překvapivé, že tato tenká sklo/plastická struktura odolá nárazu projektilů a zajistí bezpečnost proti předmětům, větru, a dešti, stejně jako proti útokům vandalů.

P&foleJL ofere/zkt? «α výkresech rmiwiniiwiiTiwni·.·..............

Obr. 1 schematicky znázorňuje strukturu jednoho provedení sklo/plastického laminátu podle vynálezu, obr. 2 a obr. 2A schematicky znázorňuje provedení izolačního skla podle vynálezu, obr. 3 až 9 znázorňují grafickým způsobem vlastnosti polyesterové fólie použité v rámci vynálezu.

proveden' vynálezu

Obrázek 1 znázorňuje vůči nárazům odolnou skleněnou strukturu, která je tvořena nosným rámem 12 a vícevrstvým laminátem tvořeným vrstvou skla 1 4, polyesterovou vrstvou 16, která bude později popsána mnohem podrobněji a vrstvou adhezivní fólie 1 8, která je vložena mezi skleněnou a polyesterovou vrstvou. Laminát je upevněn v rámu 12 pomocí adhezivního těsnícího materiálu 20.

Skleněná fólie se orientujedo směru, ve kterém lze pravděpodobně očekávat náraz. Překvapením je, že tloušťka skla nemá podstatný vliv na nárazovou houževnatost uvedené struktury. Použité sklo může být temperované nebo nikoliv. Pro některé aplikace je temperované sklo výhodné. Tloušťka skla se může lišit od 2 mm do 12 mm, přičemž rozhodujícím faktorem pro rozhodování je u tloušťky dodržení rozměru, který bude odpovídat standardním zasklívacím rámům.

U dalš/ho provedení, znázorněného na obrázku 2, je těsnící skleněná struktura opatřena upevněním v rámu 3 0 a dvěma skleněnými vrstvami 32 a 34. Těsnící materiál 31 pomáhá utěsnit uvedené sklo do rámu 3 0 . Polyesterová vrstva 36 je laminována za použití adhezivní vrstvy 38 ke skleněné vťštvě 32 . Plynový prostor 4 0, široký asi 15,875 mm, od sebe odděluje dvě vrstvy skla. Rozpěrná vložka 42 obsahující sušidlo 4 4 odděluje skleněné vrstvy. Těsnící materiál 46 vytváří okolo skleněných vrstev ochrannou barieru proti vlhkosti. V uvedené rozpěrné vložce se nacházejí otvory vedoucí do plynového prostoru 4 0. Tyto otvory umožňují vlhkosti, která je uzavřena uvnitř jednotky během výroby, aby byla absorbována uvedeným sušidlem 4 4 a tedy zachycena tak, že nekondenzuje na skle anezamlžuje ho. Těsnící člen 4 8 prochází kolem obvodu uvedené struktury, čímž vzduchotěsně uzavírá prostor mezi uvedenými skleněnými vrstvami. I malá vada nebo trhlina

v těsnícím členu 48 může být příčinou nasátí vhlkosti do plynového prostoru 40.

Ve výhodném provedení podle vynálezu znázorněném na obrázku 2A zahrnuje izolační skleněná kompozice dvě skleněné vrstvy 52 a 54., které jsou upevněny v nosném rámu 50. Uvedené skleněné fólie jsou odsazeny a uvedená vrstva 54 má ke svému vnitřnímu povrchu připevněnu polyesterovou vrstvu 56 pomocí vrstvy adhezivní fólie 58. Hliníková rozpěrná vložka 60 obsahující sušidlo 62 od sebe odděluje uvedené skleněné vrstvy. Těsnící materiál 64 vytváří okolo skleněných vrstev ochranou barieru proti vlhkosti. V uvedené rozpěrné vložce se nacházejí otvory vedoucí do plynového prostoru 66. Tyto malé otvory umožňují vlhkosti, která je uzavřena uvnitř během výroby, aby mohla být absorbována uvedeným sušidlem, a tedy zachycena tak, že nekondenzuje na skla a toto sklo tedy nezamlžuje. Těsnící člen 68 prochází kolem obvodu uvedené struktury, čímž vzduchotěsně uzavírá prostor mezi uvedenými skleněnými vrstvami. Uvedená polyesterová vrstva 56 a vrstva adhezivní fólie 5 8 se sice blíží k těsnícímu členu, nicméně nejsou s ním ve styku. Izolační struktura je upevněna v rámu 50 za použití těsnícího materiálu 5 1 . Poměrně překvapivé je, že odsazení polyesterové vrstvy 56 a adhezivní vrstvy 58 od těsnícího členu 68 a rozpěrné vložky 60 nemá významný vliv na rázovou houževnatost uvedené struktury. Dále je překvapující, že toto provedení zmírňuje problémy s pronikáním vlhkosti do vzduchotěsného prostoru 6 6 mezi vrstvy skla. I když se sušidlo obvykle umísťuje mezi, stává se uvedené sušidlo brzy v důsledku nasycení vlhkostí neefektivním .

Uvedenou pólyvinylbutyralovou adhezivní fólii lze zvolit z mnoha komerčně dostupných druhů pláštifikovaného polyvinylbutyralu. Velmi vhodným je výrobek popsaný v

patentu US (Moynihan) a prodáván firmou E. I. du Pont de Nemours Co. pod obchodním označením Butacite. Polyvinylbutyralová fólie by bělá mít tloušťku od 0,25 mm až 1,52 mm. Polyvinylbutyralovou fólii lze nahradit některými jinými adhezivními fóliovými materiály, jako například polyurethany.

Polyesterová fólie s asymetrickou orientací je obecně popsána v Knoxově patentu US 4 072 779, nicméně

Knox se nezabývá speciálními požadavky pro polystyrénovou fólii využívanou tímto vynálezem. Polyesterová fólie je která je používána v tomto vynálezu je asymetricky orientována výhodně v příčném směru (TD) a tepelně vytvrzena. Uvedená orientace krystalitů v rovině a amfoterních molekul a doprovodné vlastnosti jsou velmi důležité pro rázovou houževnatost skleněných laminátů podle vynálezu. Příčný směr (TD) a podélný směr (MD) jsou zde použity k označení směru pohybu polyesterového rouna v průběhu výroby. Uvedená polyesterová fólie by měla mít tloušťku od 0,10 mm do 0,36 mm. Vnější povrch polyesterové fólie může být potažen materiál odolný vůči obrusu, jako je tomu v případě fólie popsané Knoxem.

Polyesterová folie použitá podle vynálezu by měla mít speciální distribuci krystalitů v rovině a amorfní fáze. Všechny roviny (100) polyesterových krystalů by měly ležet v rovině fólie a krystaly s molekulární nebo neboli osou řetězce jsou orientovány směrem k TD. Kromě toho molekuly v amfotemí oblasti jsou výhodně orientovány v TD. Celková orientace jak krystalické tak amorfní fáze, měřeno indexem lomu, převládá ve směru podél TD. Distribuce orientace kristalické a amorfní orientace se může měnit, jak může být změřeno pomocí indexu lomu, fluorescenční spektroskopií a rentgenové analýzy (wide angle xray pole figuře analysis), až o 20 % hodnot znázorněných na obrázcích 3 až 11 a stále bude poskytovat fólii, která v případě zabudování do laminátové struktury podle vynálezu poskytne vynikající rázovou houževnatost.

Obrázky 3 a 4 znázorňují krystalickou orientaci pro polyethylentereftalátové fólie použité podle vynálezu. Obrázek 3 znázorňuje rentgenovou analýzu (wide angel x-ray pole figuře analysis) polyethylen tereftalátové fólie z (°105) rovin, která ukazuje absenci jakékoliv intenzity ve středu diagramu, což indikuje absenci krystalů orientovaných v podélném směru (MD) v analyzované fólii. To ukazuje , že osy molekulárních řetězců krystalů jsou orientovány směrem TD. V případě, že je'.protažení ve směru podélném i ve směru příčném TD shodné v :ravině .‘fólie,! .označuje se taková fólie jako fólie s '· rovnovážnými vlastnostmi; a přísluná hodnota TD protažení jako rovnovážný bod . Uvedená fólie podle vynálezu je výhodně, tO je. převážně orientovány ve směru TD po dosažení rovnovážného bodu .

Folie je vysoce uniplanární. tato skutečnost byla zjištěna na základě sledování orientace benzenového jádra, které leží v uvedených (100) rovinách. Jak ukazuje obrázek 4, svírá úhel (phi) vyjadřující vzrůst intenzity s rovinami (100) asi 15°.

Obrázek 5 znázorňuje polární diagram ukazující amorfní orientaci molekul v amorfní fázi uvedené fólie, jak byla stanovena fluorescenční spektroskopií řetězců při 390 nm. Rozložení vzrůstající intenzity stanovené opie ukazuje, že amorfní orientace při uvedené fólie převládá v příčném směru obrázek 6, celková molekulární orientace amorfní fázi je rovněž dominantní v příčcomoci spektrosl· různých úhlech TD. Jak ukazuje v krystalické a ném směru.

Obrázky 7 až 9 znázorňují polární diagramy ukazující distribuci mechanických vlastností, jakými jsou napří-

ízem pn klad tahový modul, · pevnost v tahu a F-5 protažení v křivce vyjadřující závislost napětí na poměrném protaženíj při různých úhlech v rovině fólie

v závislosti na různé výše popsané molekulární orientaci. Ve všech případech se se ukázalo, že dominantními jsou vlastnosti v příčném směru.

Uvedenou polyesterovou fólii lze vyrobit vytlačováním na studený chladící válec, čímž vznikne amorfní fólie, a přičemž je použit způsob a zařízení popsané v patentu US 3 223 757. Uvedená amorfní fólie je nejprve při zvýšené teplotě protažena v podélném směru MD, a následně s vyšší intenzitou v příčném směru TD. Protežení může být prováděno v obou směrech, tO je jak v příčném tak podélném, současné až do okamžiku, kdy se uvedená fólie stane výhodně asymetricky orientovanouza účelem poskytnutí dominantních fyzikálních vlastností v příčném směru TD.

Přesto, že byl vynález popsán a objasněn s ohledem na použití polyethylentereftalátové fólie, je zřejmé, že do rozsahu vynálezu spadá i použití jakýchkoliv podobných výhodně asymetricky orientovaných polyesterových fólií, kopolyesterů, jakámi jsou například kopolymery polyethylentereftalátu a polyethylenisoftalátu, stejně jako další polyestery, například polyethylenaftalát. Kromě toho mohou být polyesterové fólie_potaženy, například reflexní potahovou vrstvou, která reguluje sluneční teplo, a zabarveny, popřípadě opatřeny potiskem ať již z důvodů estetických nebo komerčně reklamních.

Při výrobě skleněných struktur podle vynálezu je polyesterová fólie spojena za použití adheziva, jakým je například polivynilbutyral a aplikování tepla a tlaku na uvedenou strukturu se sklem. Na vnější polyesterový povrch lze aplikovat materiál odolný vůči oděru a kombinovanou strukturu vytvrdit při teplotách od 130 do 150 °C během 7 až 180 minut. Výsledná struktura je opticky čirá.

Za použití sklo/plastického laminátu podle vynálezu lze vyrobit pomocí známých složek a známých způsobů výroby isolační skleněné struktury.

Adekvátní opatrnost je třeba věnovat bezpečnému ukotvení uvedené skleněné struktury do rámového členu, který může být vyroben z různých materiálů, například ze dřeva, plastů, například pólyvinylchloridu, hliníku nebo oceli. Bylo zjištěno, že pro bezpečné udržení skleněné struktury v uvedeném rámovém prostředku je nezbytné, aby tento rámový prostředek překrýval asi 0,95 mm až asi 1,9 mm uvedené skleněné struktury na každé straně. Uvedená skleněná struktura je v rámu upevněna pomocí známého těsnícího materiálu, jakým mohou například být silikonové těsnící materiály vulkanizující při pokojové teplotě, tzv. RTV silikony.

Vynález bude dále popsán a podrobněji objasněn pomocí příkladů, které však mají pouze ilustrativní charakter a niktera kneomezují rozsah vynálezu, který je jednoznačně vymezen přiloženými patentovými nároky.

Příklad 1

Za použití dřevěných rámů a skleněných struktur byla vyrobena celá řada skel o rozměrech 0,9m x 1,2 m, t. j. 1,1 m , přičemž uvedena skleněná struktura měla následující skladbu, kterou tvoří:

(1) 5 mm silné chlazené sklo (2) 5 mm silné temperované sklo (3) 5 mm silné chlazené sklo, jehož povrch byl potažen 0,0762 mm silnou polyethylentereftalátovou (PET) fólií, která byla k uvedenému

z/'-/

I sklu přichycena pomocí samolepícího akrylového adheziva (PSA) (4) dvě vrstvy 5 mm silného skla laminované s 0,76 mm silnou polyvinylbutyralovou fólií (PVB) jako mezivrstvou (klasická kontrukce bezpečnostního skla) a (5) 5 mm silným chlazeným sklem laminovaným s plastickým kompozitem 0,76 mm silné polyvinylbutyralové fólie a 0,178 mm silné polyethylentereftalátové fólie.

Uvedená polyethylentereftalátová fólie se připravila protahováním amorfní fólie 3,4X v podélném směru při teplotě 90 až 95°C a v příčném směru TD 3,8X při teplotě 105 až 110°C. Takto zpužnělá fólie se vytvrdila při teplotě 200 až 205°C a tepelně uvolnila za sníženého napětí, čímž. poskytla při teplotě 150°C asi 0,8% smrštění v podélném směru MD.

U takto vyrobených skleněných struktur byly provedeny testy, které zahrnovaly simulaci rychlosti větru 100 m/hod vytvořením vákua za uvedeným oknem a následné vrhání pěti standardních basenallových míčů majících hmotnost 145,15 gramů na okno za použití komerčně dostupného baseballového házecího stroje. Uvedený test byl navržen tak, aby byl reprodukovatelný a náročný a aby mohl simulovat předměty,které jsou vrhány proti uvedeném oknu buď vandaly nebo větrnou bouří.

Zajištění uvedených skleněných struktur do rámových členů je třeba věnovat adekvátní pozornost. Rámy byly navrženy tak, ře překrývaly alespoň 19 mm struktury na každé hraně, přičemž tato skleněná struktura byla v uvedeném rámovém členu upevněna pomocí TRV silikonového těsnícího materiálu.

Získané výsledky byly shrnuty do následující tabulky 1:

TABULKA 1

Příklad ( 1 ) chlazené sklo (2) temperované sklo (3) Chlazené sklo chráněné 0,0762 mm silnou vrstvou PET přilepenou pomocí akrylového lepidla (4) Laminované bezpečnostní sklo (5) Sklo laminované s PET/PVBc plastickým kompozitem

Počet zásahů baseballovým míčkem nezbytný k proražení sklo/plastické kompozice rozsáhlé proražení po prvním- zásahu + rozsáhlé proražení po druhém zásahu + proražení po prvním zásahut proražení po pátém zásahut žádný z pěti zásahů nezpůso bil proražení (+ po proražení okna došlo ke zrušení-vákua) .·.

Po ukončení testu by mohlo přístupu vody nebo větru zabránit pouze okno č. 5, zahrnující skleněnou strukturu podle vynálezu. Ve všech případech vznikly ve skle v průběhu testu trhliny.

Příklad 2

Za účelem ilustrace rázové odolnosti skleněných struktur vůči útokům, se kterými se zpravidla setkáváme při bouračkách nebo násilných vloupáních.

Bylo vyrobeno dvanáct oken majících následující skladbu majících rozměr 1,12 ,která je tvořena:

m

-1 1(1) 5 mm silným chlazeným sklem, (2) 5 mm silným temperovaným sklem a (3) 5 mm silným chlazeným sklem laminovaným s plastickým kompozitem obsahujícím 0,76 mm silnou vrstvu PVB a 0,178 mm silnou PET vrstvu popsanou v příkladu 1.

Test zjišťující odolnost uvedeného okna vůči proražení spočíval v tom, že osoba mající hmotnost 9é,72 kg útočila na uvedené okno 0,9 m dlouhým kusem balastu o jehož další dva rozměry byly 0,6 m x 1,22 m. Jak v případě chlazeného, tak temperovaného skla, došlo v průběhu několikasekundového útoku k rozsáhlému porušení materiálu. V případě sklo/plastického kompozitu podle vynálezu odolávalo uvedené okno až do vyčerpání útočníka. I když se v uvedeném skle během útoku vytvořily malé otvory, přibližně mající rozměry 25,4 mm x 50,8 mm , nejsou dostatečně veliké, aby útočníkovy umožnily prostrčit skrze ně svou paži.

Claims

PATENTOVÉ

NÁROKY iAiOíívj St)/·,

OKSACTSAísTifc d □ VMQ í: 6 6 3 · 10 ^y ί tvořena narazum

1. Sklenena strukturaodolná vuci * vícevrstvým laminátem, vyznačená tím, že uvedený laminát zahrnuje vrstvu (14) skla, polyesterovou fólii (16) a mezi ně vloženou vrstvit ««Ihezivní fólie//#), přičemž uvedená polyesterová fólieýne výhodně asymetricky orientována s dominantními mechanickými vlastnostmi v příčném směru.
2. Skleněná struktura podle nároku 1, vyznačená tím, že uvedená adhezivní vrstva má tloušťku 0,25 až

1,5 2 mm a uvedená vrstváv^íkla má tloušťku od 3,8 mm do 12 mm.
3. Skleněná struktura podle nároku 2, vyznačená tím, že uvedenou polyesterovou fólii^e polyethylentereftalátová fólie a uvedenou adhezivní fólií e polyvinylbutyralová fólie.
4. Skleněná fólie podle nároku 3, vyznačená tím, že molekuly v libovolné amorfní oblasti uvedené fólie jsou výhodně orientovány v příčném směru.
5. Skleněná struktura odolná vůči nárazům, vyznačená t i m , že je tvořena nosným rámem (4SL) a.

-43 vícevrstvým laminátem upevněným v uvedeném nosném rámu (Ψ, přičemž uvedený laminát zahrnuje vrstvu (14) skla, polyesterovou fólii (16), která je orientována protažením v podélném a v příčném směru, a vrstvu adhezivní fólie (18)^vloževrsť nou mezi uvedenou vrstvů\<skla a uvedenou polyesterovou fólii ty* že je adhezivně upevněn v nosném rámu^J^přičemž uvedená polyesterová fólíeyíie výhodně asymetricky orientována a poskytuje tedy dominantní fyzikální vlastnosti v příčném směru.
6. Skleněná struktura podle nároku 5, vyznačená tím, že uvedenou polyesterovou fólii\^e polyethylentereftalátová fólie a uvedenou adhezivní fólií polyvinylbutyralová fólie.
7. Skleněná struktura podle nároku 6, vyznačená tím, že,krystalické a amorfní oblasti uvedené polyestev oříčném směru.

u x πι , j\í yó a. ctiiují.-t-iiJrove folievjsou výhodné orientovaný
8. Izolační skleněná struktura odolná vůči nárazům, vyznačená tím, že je tvořena dvěmi vrstvami (32), ( 34 ) skla odsazenými pomocí rozpěrné vložky (42 )^ uspořádané podél obvodu uvedených vrstev skla a vytváře jících tak mezi uvedenými vrstvami plynový prostor (40), přičemž jedna vrstva skla (34) má na vnějším povrchu přilepenu pomocí vrstvy adhezivní fólie (38) polyesterovou fólii (36), a přičemž uvedená struktura má těsnící člen (48 )y uspořádaný okolo jejího obvodu a udržující tak mezi uvedenými vrstvami skla vzdušný prostor, a uvedená polyesterová fólie je výhodně asymetricky orientována a poskytuje dominantní fyzikální vlastnosti v příčném směru.
9.

izolační skleněná struktura odolná vůči nárazům

V^T,r V¹? JF}’

a mající zvýšenou odolnost vůči vlhkosti, vyznačená tím, že je tvořena nosným rámem (50) a vícevrstvým kompozitem^upevněným v uvedeném nosném rámu, přičemž uvedený kompozit zahrnuje dvě vrstvy (52), (54) sklaodsazené od sebe vnitřní rozpěrnou vložkou (60 )^ uspořádanou podél obvodu uvedených vrstev skla a vytvářející tak mezi oběma vrstvami skla plynový prostor (66), přičemž jedna z uvedených vrstev (54) skla má na svém vnitřním povrchu pomocí vrstvy adhezivní fólie (58) přilepenu polyesterovou fólii (56), a přičemž uvedený kompozit má těsnící člen (6 8 )y uspořádaný okolo jejího obvoduja udržuje tak mezi uvedenými vrstvami skla vzduchotěsný prostor, uvedená polyesterová fólie a uvedená adhezivní fólie se blíží uvedené rozpěrné vložce ale nedotýkají se jí, a uvedená polyesterová fólie je výhodně asymetricky orientovaná appskytuje tedy dominatní fyzikální vlastnosti v příčném směru.