DE102013214426A1

DE102013214426A1 - Verbundelement und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102013214426A1
Application number: DE102013214426.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Meiß; Clemens Ottermann; Hauke Esemann; Jörg Hinrich Fechner; Markus Heiss
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-01-29
Also published as: US20160137549A1; US10532946B2; WO2015010923A1; DE112014003412A5; CN105408108A; JP2016527108A; JP6533224B2; CA2919073A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leichtgewichtsverbundscheibe, welche eine mineralische Glasscheibe und eine organische Schicht umfasst. Das Flächengewicht der Leichtgewichtsverbundscheibe liegt im Bereich von 0,5 kg/m2 bis 5,5 kg/m2, das Verhältnis der Dicke der mineralischen Glasscheibe zu der Dicke der organischen Schicht beträgt 1:0,01 bis 1:1 und die Dicke der organischen Schicht ist kleiner gleich 500 µm. Die Leichtgewichtsverbundscheibe erfüllt die thermischen Sicherheitsanforderungen der Luftfahrtbehörden und weist einen „Total Heat Release“, gemessen in Übereinstimmung mit der JAR/FAR/CS 25, App. F, Part IV & AITM 2.0006, von kleiner 65 kW × Min./ m2 und eine Nachbrennzeit nach Entfernung der Flamme im „Vertical Bunsen Burner Test“, gemessen in Übereinstimmung mit der FAR/JAR/CS 25, App. F, Part I & AITM 2.0002A, von kleiner 15 Sek. auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundelement mit einer mineralischen Glasschicht und einer an die mineralische Glasschicht angrenzenden organischen Schicht mit einem niedrigen Gesamtflächengewicht und einer niedrigen Heat Release Rate sowie das Verfahren zur Herstellung und die Verwendung eines solchen Verbundelements.
Glas/Kunststoff Verbundscheiben für den Einsatz in Fahrzeugen zu Land, zu Wasser und zu Luft sowie auch für die Verwendung im Architekturbereich und Bereich der Inneneinrichtungen sind auf mancherlei Weise im Stand der Technik beschrieben und erfüllen manche Anforderungen, welche gestellt werden. Einige Anwendungen, vor allem solche im Bereich Transportation, wie im Flugzeugbau und Bau von Elektromobilen, stellen jedoch Anforderungsprofile, für die im Stand der Technik bisher keine Lösungen aufgezeigt wurden. Zu nennen sind hier vor allem Scheiben mit einem geringen Flächengewicht und gleichzeitig der Erfüllung hoher thermischer Sicherheitsanforderungen, gekoppelt mit einer hohen optischen Transparenz, guter Kratzfestigkeit und guter Chemikalienbeständigkeit.
Für besondere Anwendungen, wie beispielsweise in der Luftfahrt, sind spezielle Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, welche eine Verbesserung der bekannten Verbundmaterialien erfordern. Im Kabinenbereich, beispielsweise für Scheiben als Innenausstattungselemente wie Raumteiler oder Scheiben für Fenster und Türen werden hohe thermische Sicherheitsanforderungen gestellt, wie diese beispielsweise im „C. F. R. („Code of Federal Regulations"), Title 14 Aeronautics and Space, Chapter I Federal Aviation Administrations, Departement of Transportation, Part 25 Airworthiness Standards, Transport Categories Airplanes, Appendix F" oder in „Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment, der RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautics)/DO-160G" oder in den „Material Qualification Requirements Glass Materials" der Lufthansa Technik oder in den entsprechenden Regularien der EASA (European Aviation Safety Agency) wie der CS-25 („Certification Specifications for Large Aeroplanes") näher beschrieben sind. Maßgebende Werte zur Beurteilung der thermischen Sicherheits- bzw. Brandschutzanforderungen stellen die Heat Release (Wärmefreisetzung) dar und Eigenschaften wie Hitzefestigkeit, Entflammbarkeit, Brandlänge, Nachbrennzeit, Nachbrennzeit Tropfen, Rauchgasdichte und Toxizitätsgrenzen hinsichtlich der Rauchgase. Hierfür gibt es jeweils strenge Bestimmungen und enge Grenzen.
Bei dem „Heat Release Rate Test for Cabin Materials" in Übereinstimmung mit der Norm FAR (Federal Aviation Regulation) 25.853c/d App. F Part IV, wird der Probekörper während des Tests in einer Kammer definiert der Einwirkung von Wärme und Oberflächenbeflammung ausgesetzt. Gefordert wird eine „Peak Heat Release Rate“ von kleiner 65 kW/m² und eine „Total Heat Release“ von kleiner 65 kW·Min./ m² innerhalb von 2 Minuten. Weitere Anforderungen hinsichtlich der „flammability“, wie sie in der FAR 25.853a App. F Part I (a)(1)(i) beschrieben sind und mittels „Vertical Bunsen Burner Test“ ermittelt werden, fordern eine Brandlänge von kleiner 152 mm, eine Nachbrennzeit von kleiner 15 s und eine Nachbrennzeit von Tropfen, beim Brand abtropfenden Materials, von kleiner 3 s. Hier wird der Probekörper während des Tests mit einem Abstand von 19 mm für die Dauer von einer Minute direkt an der Kante mit einer definierten Flamme (Länge 38 mm, Bunsenbrenner mit 10 mm Innendurchmesser) beaufschlagt.
Daneben gibt es Grenzen bezüglich des Flächengewichts solcher Inneneinrichtungselemente, die aufgrund der Anforderungen z.B. aus der Luftfahrtindustrie einzuhalten sind. Mineralische Glasscheiben in bekannter Form scheiden bei ausreichender Festigkeit aufgrund ihres Flächengewichts aus oder bei Einhaltung des geforderten Flächengewichts scheiden sie aufgrund zu geringer Festigkeit oder ihrer Neigung zur Verbreitung von Splittern im Falle eines Bruches aus, wenn sie auch die thermischen Sicherheitsanforderungen erfüllen würden. Scheiben aus einem Polymerwerkstoff erfüllen zwar die Anforderungen an das Flächengewicht, aber nicht die geltenden Brandschutzanforderungen. Eine Verbesserung des Flammschutzes für solche Polymerscheiben geht jedoch immer mit Einbußen der Transparenz für solche Werkstoffe einher, was diese dann für Anwendungen z.B. als Sichtfenster unbrauchbar macht. Bekannte Scheiben aus einem Laminatverbund mineralisches Glas / Polymer erfüllen zwar die Anforderungen an die Transparenz und die thermische Sicherheit, aber nicht die des Flächengewichts, wie z.B. Verbundglasscheiben, wie sie als Frontscheibe für Kraftfahrzeuge oder als Verbundsicherheitsglas im Architekturbereich bekannt sind. Andere Laminatverbundscheiben mineralisches Glas / Polymer, wie sie nachfolgend in der Aufführung des Standes der Technik beschrieben sind, erfüllen nicht die geltenden Brandschutzanforderungen.
Da Scheiben nach dem Stand der Technik die geltenden Bedingungen im Flugzeugbau nicht erfüllten, gelten dort bisher Sondergenemigungen der jeweils zuständigen Luftfahrtbehörde. So ist es derzeit Standard, für Fenster- oder Türenelemente oder Bestandteile eines Fensters oder einer Türe oder als Raumteiler Scheiben aus einem Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) zu verwenden. Diese werden beispielsweise hergestellt als extrudierte Platten, aus denen die entsprechende Kontur dann ausgeschnitten wird oder im Spritzgussverfahren, bei dem die Kontur direkt abgeformt wird. Zur Verbesserung der Brandschutzsicherheit können die Materialien mit Additiven ausgerüstet werden. Trotzdem erfüllen solche Scheiben jedoch in keinem Fall die gesamten Forderungen der internationalen Bestimmungen hinsichtlich Brandschutzsicherheit, wie sie z.B. von der FAA (Federal Aviation Administration) der USA aufgestellt wurden und international angewendet werden, wie z.B. die JAR („Joint Aviation Requirements“) bzw. die CS („Certification Specifications) der EASA wiedergeben. Auch besitzen solche Scheiben keine mit Glas vergleichbare Kratzfestigkeit trotz, trotz teilweise zusätzlicher Hartstoffbeschichtungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Vorteilhaft ist einzig ihr geringes Flächengewicht. Die Dicke einer solchen standardmäßig als Fensterscheibe der Innenausstattung in Flugzeugen eingesetzten PC- oder PMMA-Scheibe beträgt typischerweise etwa 2 mm mit einem Flächengewicht von 2,4 kg/m² und gilt als Maßgabe für entsprechende Weiterentwicklungen oder Alternativen.
Nach dem Stand der Technik offenbart die DE 44 15 878 A1 eine Verbundglasscheibe, die zur Verwendung bei Fahrzeugen vorgesehen ist. Diese Verbundglasscheibe ist dreischichtig mit zwei Glasschichten ausgebildet, zwischen denen die Kunststoffplatte angeordnet ist. Der Kunststoffkern mit einer Dicke zwischen 1 und 4 mm stützt die beiden Glasschichten, so dass trotz deren geringer Dicke zwischen 0,2 und 1,5 mm die Verbundglasscheibe eine gewisse Festigkeit aufweist. Die Glasschichten sind mit dem Kunststoffkern über einen elastischen Zwei-Komponenten-Silikonkautschuk mit einer Dicke zwischen 0,01 bis 0,5 mm verbunden, der als spannungsausgleichende Kleberschicht zwischen der Kunststoffplatte und der jeweiligen Glasschicht ausgeformt wurde. Hierdurch konnte bereits das Gewicht einer Verbundglasscheibe spürbar vermindert werden. Um äußeren Einwirkungen, wie beispielsweise einer Gefahr durch Steinschlag entgegen zu wirken, musste hier jedoch eine Mindestdicke der Glasschichten eingehalten werden, was die Gewichtseinsparung begrenzte. Die Gesamtdicke der vorgeschlagenen Verbundscheibe liegt hier theoretisch bei 1,42 bis 8,0 mm. Aufgrund der relativ dicken organischen Schicht besitzt diese Verbundscheibe keine ausreichende Brandschutzsicherheit, wie sie beispielsweise in den Anforderungen für die Luftfahrt gefordert werden.
Ebenso zeigt die DE 10 2009 021 938 A1 in einer Weiterentwicklung der DE 44 15 878 A1 eine Verbundglasscheibe, insbesondere zur Verwendung als Kraftfahrzeugscheibe oder Fassadenverkleidung, bestehend aus einer Kunststoffplatte aus durchsichtigem Kunststoff mit einer Dicke zwischen 1 mm und 10 mm und aus wenigstens einer Glasschicht, die mit der Kunststoffplatte fest verbunden ist. Zur weiteren Gewichtseinsparung wurde auf die Zwischenschicht verzichtet und die Glasschicht ist dünner ausgeführt mit einer Dicke zwischen 0,02 mm und 0,1 mm. Auch hier wird eine relativ dicke Kunststoffplatte vorgeschlagen, welche ebenfalls wesentlich dicker ist als die Glasschicht, sodass diese Verbundscheibe nicht die thermischen Sicherheitsanforderungen erfüllt, wie sie beispielsweise in den Anforderungen für die Luftfahrt gefordert werden.
Entsprechende Vorschläge machen auch beispielsweise die EP 0 669 205 , die DE 10 2010 037 und die WO 2011/152380 . Nachteilig ist immer, dass im Verhältnis zur Glasdicke die Kunststoffschicht zu dick ist. Solche Scheiben erfüllen nicht die thermischen Sicherheitsanforderungen der Luftfahrt, mindestens nicht die Anforderungen bezüglich der „heate release rate“, da immer eine zu hohe Wärmefreisetzung und damit Brandunterstützung gegeben ist, aber auch nicht die Anforderungen nach dem „vertical burner test“, da der Anteil der Organik in den Verbundscheiben zu hoch ist.
Die DE 20 2010 013 869 U1 zeigt Innenausstattungselemente für Fahrzeugkabinen, insbesondere von Flugzeugen. Es soll insbesondere ein verbessertes Innenausstattungselement für Fahrzeugkabinen, bereitgestellt werden, welches zumindest einen ersten Abschnitt umfasst, der ein transparentes Kunststoffträgersubstrat aufweisen kann, auf dessen Oberfläche eine Glasbeschichtung aufgebracht ist. Mit einer solchen Glasbeschichtung soll eine besonders kratzfeste Oberfläche, sowie Vorteile bezüglich der Hitzebeständigkeit und Brandhemmung erhalten werden. Der glasbeschichtete erste Abschnitt kann einen, vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff hergestellten zweiten Abschnitt, z.B. einen Rahmen umfassen, der mit dem ersten Abschnitt stoff-, form-, und/oder kraftschlüssig verbunden ist. Dabei können der erste und der zweite Abschnitt fest miteinander verbunden sein. Es wird zwar in allgemeiner Form der Begriff „Leichtbauelemente“ angegeben, jedoch weist auch hier die Dicke der Glasbeschichtung gegenüber der Dicke des Kunststoffträgermaterials eine vergleichsweise geringe Dicke auf. Die Dicke der Glasbeschichtung wird so gewählt, dass diese mechanisch ausreichend stabil ist und gegebenenfalls weitere Anforderungen erfüllt werden. Insgesamt werden in diesem Stand der Technik aber keine Maßangaben angegeben. Da die Dicke des Kunststoffträgermaterials jedoch gegenüber der Dicke der Glasbeschichtung eine vergleichsweise höhere Dicke aufweist, erfüllt diese Verbundscheibe ebenso nicht die Brandschutzerfordernisse, wie sie beispielsweise in den Anforderungen für die Luftfahrt gefordert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verbundelement bereitzustellen, welches neben einem ausreichend geringen Flächengewicht auch ausreichend den thermischen Sicherheitsanforderungen der gängigen Bestimmungen aus den Anforderungen für die Luftfahrt genügt. Hierbei gilt als Flächengewicht ein Vergleichswert von 2,4 kg/m² und als thermische Sicherheitsanforderungen ein Bezug auf die Bestimmungen der FAA entsprechend des „Aircraft Materials Fire Test Handbook“, insbesondere zu der „Total Heat Release Rate“.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfinderische Leichtgewichtsglasscheibe erfüllt die Anforderungen an die thermischen Sicherheitsanforderungen. Als kritischste Größe erfüllt die Leichtgewichtsglasscheibe die Anforderung bezüglich des „Total Heat Release" entsprechend der Vorgaben und Testbedingungen der FAA entsprechend des „Aircraft Materials Fire Test Handbook", DOT/FAA/AR-00/12, Chapter 5 „Heat Release Rate Test für Cabin Materials" und weist einen „Total Heat Release", gemessen in Übereinstimmung mit der JAR/FAR/CS 25, App.(Appendix) F, Part IV & AITM (Airbus Industries Test Method) 2.0006, von kleiner 65 kW × Min./ m², bevorzugt von kleiner 50 kW × Min./ m², besonders bevorzugt von kleiner 40 kW × Min./ m², insbesondere bevorzugt von kleiner 20 kW × Min./ m² auf. Als weitere Größe bezüglich der thermischen Sicherheitsanforderungen erfüllt die Leichtgewichtsglasscheibe die Anforderung bezüglich des „Vertical Bunsen Burner Test“ entsprechend der Vorgaben und Testbedingungen der FAA entsprechend des „Aircraft Materials Fire Test Handbook", DOT/FAA/AR-00/12, Chapter 1 „Vertical Bunsen Burner Test for Cabin and Cargo Compartment Materials" und weist eine Nachbrennzeit nach Entfernung der Flamme im Test, gemessen in Übereinstimmung mit der FAR/JAR/CS 25, App. F, Part I, von kleiner 15 Sek., bevorzugt kleiner 8 Sek., besonders bevorzugt kleiner 3 Sek., insbesondere bevorzugt kleiner 1 Sek. auf.
Unter Erfüllung dieser Anforderungen umfasst die erfinderische Leichtgewichtsverbundscheibe eine mineralische Glasscheibe und eine organische Schicht A und weist ein Flächengewicht von 0,5 kg/m² bis 5,5 kg/m², bevorzugt 1 kg/m² bis 3 kg/m², besonders bevorzugt 1,5 kg/m² bis 2,5 kg/m², insbesondere bevorzugt 1,8 kg/m² bis 2,2 kg/m² auf. Um neben dem Flächengewicht die thermischen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, beträgt dabei in erfinderischer Weise das Verhältnis der Dicke der mineralischen Glasscheibe zu der Dicke der organischen Schicht 1:0,01 bis 1:1, bevorzugt 1:0,01 bis 1:0,6, besonders bevorzugt 1:0,01 bis 1:0,3, insbesondere bevorzugt 1:0,01 bis 1:0,1 und die Dicke der organischen Schicht ist kleiner gleich 500 µm, bevorzugt kleiner gleich 350 µm, bevorzugt kleiner gleich 200 µm, besonders bevorzugt kleiner gleich 100 µm, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 60 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner gleich 30 µm.
Zur Einhaltung der thermischen Sicherheitsanforderungen, insbesondere bezüglich des „Total Heat Release“ und der Nachbrennzeit im „Vertical Bunsen Burner Test“ bzw. „Bunsen Burner Test“ ist zum einen die absolute Menge an Wärme, die der Anteil der Organik in der Leichtgewichtsverbundscheibe freisetzt bzw. die brennbar ist entscheidend, weshalb die Gesamtdicke der organischen Schichten in erfinderischer Weise bei gegebenen Flächengewichten begrenzt ist. Aber es ist nicht nur die absolute Menge an Wärme freisetzender bzw. brennbarer Organik entscheidend, sondern innerhalb der angegebenen Flächengewichte ist auch das Verhältnis zwischen nicht brennbarem mineralischem Glas und dem Gesamtanteil an Organik in einer solchen Leichtgewichtsverbundscheibe von entscheidender Bedeutung, um die thermischen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Hierbei spielt es eine Rolle, wie viel an Wärmekapazität seitens des Glases in einer Leichtgewichtsverbundscheibe bereitgestellt ist.
Auch um solche Leichtgewichtsverbundscheiben für die verschiedenen Anwendungen vor allem in den Bereichen Transportation und Architektur wirtschaftlich einsetzen zu können, aber auch um den absoluten Anteil an Organik hinsichtlich der Brandschutzanforderungen begrenzt zu halten, wird die erfinderische Leichtgewichtsverbundscheibe von den angegebenen Flächengewichten unter Einhaltung der angegebenen Verhältnisgrenzen zwischen nicht brennbarem mineralischem Glas und dem Anteil an Organik gekennzeichnet.
Für viele Anwendungen sind die optischen Eigenschaften, insbesondere die Transparenz der Leichtgewichtsglasscheibe ein wesentliches Merkmal. Hierunter fallen Fenster- oder Türenelemente oder Bestandteile eines Fensters oder einer Türe oder z.B. Raumteiler im Bereich Architektur oder als Ausstattungselement für Fahrzeugkabinen im Bereich Transportation, wie Innenfensterscheiben in einem Flugzeug oder Verglasungen in einem Elektromobil. Gerade wo das Flächengewicht eine maßgebliche Rolle einnimmt, scheiterten bisher Versuche leichte Materialien den thermischen Sicherheitsanforderungen anzupassen an der Güte der optischen Eigenschaften. Eine deutliche Verbesserung der thermischen Eigenschaften von Polymermaterialien in Richtung Flammhemmung oder Entflammbarkeit ging immer in nicht tragbarer Weise auf Kosten der Transparenz.
Unter Transparenz wird die Eigenschaft einer Schicht, einer Scheibe oder einer Verbundscheibe mit einer Transmission größer gleich 80 Prozent im sichtbaren Wellenlängenbereich von 380 nm bis 900 nm, insbesondere von 420 nm bis 800 nm verstanden.
Es ist den Erfindern gelungen, unter Einhaltung der o.a. thermischen Sicherheitsanforderungen und der angegebenen niedrigen Flächengewichte eine Leichtgewichtsglasscheibe bereitzustellen, die den Anforderungen an die optischen Eigenschaften für eine Sichtscheibe für die verschiedenen Einsatzgebiet gerecht wird. So beträgt die Transparenz der Leichtgewichtsverbundscheibe in jeweils bevorzugten Ausführungsformen größer 80 %, bevorzugt größer 85 %, besonders bevorzugt größer 88 %, insbesondere bevorzugt größer 90 %. Die Transparenz der Leichtgewichtsglasscheibe kann hierbei auch größer 91% betragen. In erfinderischer Weise besitzt die mineralische Glasschicht eine entsprechende Transparenz und die Transparenz der organischen Schicht liegt, auch aufgrund ihrer begrenzten Schichtstärke, dabei zum Teil noch höher.
Daneben ist in der bevorzugten Ausführung der Leichtgewichtsglasscheibe mit guten optischer Eigenschaften aber auch eine hervorragende Schlierenfreiheit, geringe Trübung bzw. geringes Streuverhalten (haze), keine Verzerrungen bzw. neutrale Farbwiedergabe (entsprechend Farbwiedergabeindex DIN EN 410) gegeben. Auch hier ist das Verhältnis der Gesamtdicke der einen oder mehreren mineralischen Glasscheiben zu der Gesamtdicke aller organischen Schichten von Vorteil. So beträgt das optische Streuverhalten (haze) der Leichtgewichtsglasscheibe kleiner gleich 1,5%, bevorzugt kleiner gleich 1,0 %, besonders bevorzugt kleiner gleich 0,5%, gemessen mit einem HazeGard, Messung nach ASTM D1003 D1044. Der Farbwiedergabeindex der Leichtgewichtsglasscheibe nach DIN EN 410 beträgt größer gleich 95,0, bevorzugt größer gleich 98,0, besonders bevorzugt größer gleich 99,0.
Die Grundträgerplatte der erfinderischen Leichtgewichtsglasscheibe ist eine mineralische Glasscheibe wobei die Dicke der Glasscheibe kleiner gleich 1,1 mm, bevorzugt kleiner gleich 0,8 mm, besonders bevorzugt kleiner gleich 0,6 mm, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 0,55 mm und größer gleich 200 µm, bevorzugt größer gleich 350 µm, besonders bevorzugt größer gleich 450 µm insbesondere bevorzugt größer 500 µm beträgt. Bevorzugt sind Dicken von 0,2 mm, 0,21 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,55 mm, 0,7 mm, 0,9 oder 1,0 mm.
Bevorzugt wird hier ein Glas verwendet, das für seinen Gebrauch vorgespannt ist. Dieses Glas kann chemisch durch Ionenaustausch oder thermisch oder in einer Kombination thermisch und chemisch vorgespannt sein. Die Glasscheibe besteht bevorzugt aus einem Lithium-Aluminiumsilikatglas, Kalk-Natron-Silikatglas, Borosilikatglas, Alkali-Aluminosilikatglas, alkalifreien oder alkaliarmen Aluminosilikatglas, das beispielsweise mittels Ziehverfahren, wie ein Downdraw-Ziehverfahren, Overflow-Fusion oder mittels Float-Technologie gewonnen wird.
Vorteilhaft kann ein eisenarmes oder eisenfreies Glas, insbesondere mit einem Fe2O3-Gehalt kleiner 0,05 Gew.%, vorzugsweise kleiner 0,03 Gew.% verwendet werden, da dieses verminderte Absorption aufweist und somit insbesondere eine erhöhte Transparenz ermöglicht.
Für andere Anwendungen werden aber auch Graugläser oder gefärbte Gläser bevorzugt. Als Grundträgermaterial kann auch ein optisches Glas dienen, wie beispielsweise ein Schwerflintglas, Lanthanschwerflintglas, Flintglas, Leichtflintglas, Kronglas, Borosilikat-Kronglas, Barium-Kronglas, Schwerkronglas oder Fluorkronglas.

Bevorzugt werden Lithium-Aluminiumsilikatgläser folgender Glaszusammensetzungen als Trägermaterial verwendet, bestehend aus (in Gew.%)

SiO2	55–69
Al2O3	19–25
Li2O	3–5
Summe Na2O + K2O	0–3
Summe MgO + CaO + SrO + BaO:	0–5
ZnO	0–4
TiO2	0–5
ZrO2	0–3
Summe TiO2 + ZrO2 + SnO2	2–6
P2O5	0–8
F	0–1
B2O3	0–2,

sowie ggf. Zusätzen von färbenden Oxiden, wie z.B. Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, Nd2O3, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, Selten-Erd-Oxide in Gehalten von 0–1 Gew.-%, sowie Läutermittel wie As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F, CeO2 von 0–2 Gew%.

Bevorzugt werden weiterhin Kalk-Natron-Silikatgläser folgender Glaszusammensetzungen als Trägermaterial verwendet, bestehend aus (in Gew.%)

SiO2 40–80

Al2O3 0–6

B2O3 0–5

Summe Li2O + Na2O + K2O 5–30

Summe MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO: 5–30

Summe TiO2 + ZrO2 0–7

P2O5 0–2,

sowie ggf. Zusätzen von färbenden Oxiden, wie z.B. Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, Nd2O3, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, Selten-Erd-Oxide in Gehalten von 0–5 Gew.-% bzw. für „Schwarzes Glas“ von 0–15 Gew.%, sowie Läutermittel wie As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F, CeO2 von 0–2 Gew%.
Bevorzugt werden weiterhin Borosilikatgläser folgender Glaszusammensetzungen als Trägermaterial verwendet, bestehend aus (in Gew.%)

SiO2 60–85

Al2O3 1–10

B2O3 5–20

Summe Li2O + Na2O + K2O 2–16

Summe MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO: 0–15

Summe TiO2 + ZrO2 0–5

P2O5 0–2,

sowie ggf. Zusätzen von färbenden Oxiden, wie z.B. Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, Nd2O3, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, Selten-Erd-Oxide in Gehalten von 0–5 Gew.-% bzw. für „Schwarzes Glas“ von 0–15 Gew.%, sowie Läutermittel wie As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F, CeO2 von 0–2 Gew%.
Bevorzugt werden weiterhin Alkali-Alumosilikatgläser folgender Glaszusammensetzungen als Trägermaterial verwendet, bestehend aus (in Gew.%)

SiO2 40–75

Al2O3 10–30

B2O3 0–20

Summe Li2O + Na2O + K2O 4–30

Summe MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO: 0–15

Summe TiO2 + ZrO2 0–15

P2O5 0–10,

sowie ggf. Zusätzen von färbenden Oxiden, wie z.B. Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, Nd2O3, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, Selten-Erd-Oxide in Gehalten von 0–5 Gew.-% bzw. für „Schwarzes Glas“ von 0–15 Gew.%, sowie Läutermittel wie As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F, CeO2 von 0–2 Gew%.
Bevorzugt werden weiterhin alkalifreie Aluminosilikatgläser folgender Glaszusammensetzungen als Trägermaterial verwendet, bestehend aus (in Gew.%)

SiO2 50–75

Al2O3 7–25

B2O3 0–20

Summe Li2O + Na2O + K2O 0–0,1

Summe MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO: 5–25

Summe TiO2 + ZrO2 0–10

P2O5 0–5,

sowie ggf. Zusätzen von färbenden Oxiden, wie z.B. Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, Nd2O3, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, Selten-Erd-Oxide in Gehalten von 0–5 Gew.-% bzw. für „Schwarzes Glas“ von 0–15 Gew.%, sowie Läutermittel wie As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F, CeO2 von 0–2 Gew%.
Bevorzugt werden weiterhin alkaliarme Aluminosilikatgläser folgender Glaszusammensetzungen als Trägermaterial verwendet, bestehend aus (in Gew.%)

SiO2 50–75

Al2O3 7–25

B2O3 0–20

Summe Li2O + Na2O + K2O 0–4

Summe MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO: 5–25

Summe TiO2 + ZrO2 0–10

P2O5 0–5,

sowie ggf. Zusätzen von färbenden Oxiden, wie z.B. Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, Nd2O3, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, Selten-Erd-Oxide in Gehalten von 0–5 Gew.-% bzw. für „Schwarzes Glas“ von 0–15 Gew.%, sowie Läutermittel wie As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F, CeO2 von 0–2 Gew%.
Besonders bevorzugt sind beispielsweise dünne Gläser wie sie die Schott AG, Mainz unter den Bezeichnungen D263, B270, Borofloat, Xensation Cover, Xensation cover 3D, AF45, AF37 oder AF32 vertreibt.
Zur Verbesserung vor allem der Bruchfestigkeit und der Kratzfestigkeit der mineralischen Glasscheibe wird diese in bevorzugter Ausführung der Erfindung thermisch und/oder chemisch vorgespannt. Insbesondere für die spezielle Anwendung als Inneneinrichtungselement in der Luftfahrt, wie z. B. als Innenfensterscheibe, muss solch eine Leichtgewichtsverbundscheibe einen „Abuse load test“ und einen „Ball drop test“ bestehen, wie er beispielsweise in den „Lufthansa Technik Material Qualifikation Requirements“ angegeben wird. Dies ist bei der Begrenzung der Dicke einer Glasscheibe für eine erfinderische Leichtgewichtsverbundscheibe einzuhalten, wenn diese thermisch und/oder chemisch vorgespannt ist.
Bekannt sind thermische und chemische Vorspannprozesse. Bei thermischen Vorspannprozessen wird der gesamte Glasgegenstand erhitzt und dann die Glasoberfläche durch Anblasen mit kalter Luft schnell abgeschreckt. Dadurch erstarrt die Oberfläche sofort, während das Glasinnere sich weiter zusammenzieht. So entsteht im Inneren eine Zugspannung und entsprechend an der Oberfläche eine Druckspannung. Thermische Vorspannprozesse eignen sich allerdings in der Regel weniger für dünne Gläser mit einer Dicke unterhalb von 1 mm oder 0,5 mm.
In einer Ausführung der Erfindung ist die Glasscheibe vorteilhaft vor einem chemischen Vorspannen thermisch vorgespannt.
Die Erfindung bezieht sich besonders bevorzugt auf eine Ausführung der Glasscheibe als chemisch vorgespanntes Substrat. Das chemische Vorspannen kann einstufig oder auch mehrstufig erfolgen. Insbesondere werden alkali- oder lithiumhaltige Gläser verwendet bei denen Natrium-Ionen gegen Kalium-Ionen bzw. Lithium-Ionen gegen Natrium-Ionen ausgetauscht werden. Durch den Austausch kleinerer Ionen gegen größere Ionen wird auf diese Weise in der Oberfläche der Glasscheibe eine Druckspannung erzeugt. Der Ionenaustausch erfolgt beispielsweise in einem entsprechenden Salzbad, wie KNO₃ oder NaNO₃ oder AgNO₃ oder einer beliebigen Mischung aus den Salzen oder in einem mehrstufigen Verfahren unter Verwendung von KNO₃ und/oder NaNO₃ und/oder AgNO₃. Die Vorspanntemperaturen liegen hier im Bereich von 350°C bis 490°C mit einer Temperzeit von 1 bis 16 Stunden. Der Ionenaustausch in einem AgNO₃-Salzbad erfolgt insbesondere, um durch Einlagerung von Silberionen die Oberfläche antibakteriell auszugestalten.
In der Ausführung der Erfindung mit einer einstufig vorgespannten Glasscheibe beträgt die Druckspannung an der Oberfläche mindestens 600 MPa, vorzugsweise mindestens 800 MPa bei einer Eindringtiefe der ausgetauschten Ionen von größer gleich 30 µm, bevorzugt größer gleich 40 µm.
In der Ausführung der Erfindung mit einer mehrstufig chemisch vorgespannten Glasscheibe kann die Druckspannung an der Oberfläche geringer sein, wobei beim mehrstufigen Vorspannen jedoch die Eindringtiefe der ausgetauschten Ionen erhöht wird, sodass die Festigkeit des vorgespannten Glases insgesamt höher sein kann. Insbesondere beträgt die Druckspannung an der Oberfläche der Glasscheibe mindestens 500 MPa bei einer Eindringtiefe von besonders bevorzugt größer gleich 50 µm und insbesondere bevorzugt größer gleich 80 µm. Mit mehrstufigem Vorspannen kann die Eindringtiefe auch über 100 µm betragen.
Die Ionenaustauschtiefe einer chemischen Härtung für eine Glasscheibe in einer Leichtgewichtsverbundscheibe beträgt größer gleich 30 µm, bevorzugt größer gleich 40 µm, besonders bevorzugt größer gleich 50 µm, insbesondere bevorzugt größer gleich 80 µm und die Oberflächendruckspannung einer Glasscheibe in einer Leichtgewichtsverbundscheibe beträgt größer gleich 500 MPa, bevorzugt größer gleich 600 MPa, bevorzugt größer gleich 700 MPa, besonders bevorzugt größer gleich 800 MPa, insbesondere bevorzugt größer gleich 900 MPa.
Die Eindringtiefe der ausgetauschten Ionen und damit die Oberflächenzonen einer höheren Druckspannung in der Glasscheibe erhöhen die Festigkeit der Glasscheibe. Sie ist jedoch jeweils auf die Gesamtdicke der Glasscheibe abzustimmen, denn wenn die Zugspannung, welche im Inneren der Glasscheibe beim chemischen Härten erzeugt wird zu hoch wird, würde die Glasscheibe brechen. Bei einer Beanspruchung der Glasscheibe auf Biegung durch Einwirken einer äußeren Kraft reagiert die Scheibe empfindlicher aufgrund ihrer inneren Zugspannung. Die innere Zugspannung beträgt bei der Glasscheibe deshalb kleiner gleich 50 MPa, bevorzugt kleiner gleich 30 MPa, besonders bevorzugt kleiner gleich 20 MPa, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 15 MPa. Die Oberflächendruckspannung der Glasscheibe ist größer gleich 500 MPa, bevorzugt größer gleich 600 MPa, bevorzugt größer gleich 700 MPa, besonders bevorzugt größer gleich 800 MPa, insbesondere bevorzugt größer gleich 900 MPa.
Die 4-Punkt-Biegezugfestigkeit nach DIN EN 843-1 bzw. DIN EN 1288-3 der Glasscheibe, beziehungsweise einer Glasscheibe in einer Leichtgewichtsverbundscheibe, beträgt größer gleich 550 MPa, bevorzugt größer gleich 650 MPa, besonders bevorzugt größer gleich 800 MPa beträgt.
Der Young Modul bzw. Elastizitätsmodul der Glasscheibe, beziehungsweise einer Glasscheibe in einer Leichtgewichtsverbundscheibe, beträgt größer gleich 68 GPa, bevorzugt größer gleich 73 GPa, besonders bevorzugt größer gleich 74 GPa, insbesondere bevorzugt größer gleich 80 GPa.
Der Schubmodul der Glasscheibe, beziehungsweise einer Glasscheibe in einer Leichtgewichtsverbundscheibe, beträgt größer gleich 25 GPa, bevorzugt größer gleich 29 GPa, besonders bevorzugt größer gleich 30 GPa, insbesondere bevorzugt größer gleich 33 GPa.
Vor allem eine vorgespannte Glasscheibe hat eine hohe Oberflächenhärte und bietet einen hohen Widerstand gegen Verkratzen und Einritzen durch Krafteinwirkung von außen. Die Vickershärte einer nicht vorgespannten Glasscheibe beziehungsweise der Glasscheibe in einem nicht vorgespannten Zustand nach DIN EN 843-4 bzw. EN ISO 6507-1 ist größer gleich 500 HV 0,2/20 kgf/mm² (kilogram force per square meter), bevorzugt größer gleich 560 HV 0,2/20 kgf/mm², besonders bevorzugt größer gleich 610 HV 0,2/20 kgf/mm². Die Vickershärte einer vorgespannten Glasscheibe beziehungsweise der Glasscheibe in einem nicht vorgespannten Zustand ist größer gleich 550 HV 0,2/20 kgf/mm² (kilogram force per square meter), bevorzugt größer gleich 600 HV 0,2/20 kgf/mm², besonders bevorzugt größer gleich 650 HV 0,2/20 kgf/mm², insbesondere bevorzugt größer gleich 680 HV 0,2/20 kgf/mm² bei einer Prüfkraft von 2 N (entsprechend einer Masse von 200 g).
Die Verwendung einer Glasscheibe als Außenschicht für eine Leichtgewichtsverbundscheibe hat neben den Aspekten der Brandschutzsicherheit und Kratzfestigkeit auch den Vorteil der guten Chemikalienbeständigkeit, insbesondere gegenüber Reinigungsmitteln. Dies gewährleistet die Verwendung verschiedenster Reinigungsmittel ohne eine Begrenzung und die Langzeitstabilität der Oberflächengüte und optischen Eigenschaften trotz hoher Anzahl von Reinigungszyklen.
Die Glasscheibe, beziehungsweise eine Glasscheibe in einer Leichtgewichtsverbundscheibe, hat eine Transparenz größer 80 %, bevorzugt größer 85 %, besonders bevorzugt größer 88 %, insbesondere bevorzugt größer 90 %. Sie kann aber auch eine Transparenz von über 91% aufweisen.
Die erfindungsgemäße Leichtgewichtsverbundscheibe soll im Falle eines Bruches einen hohen Splitterschutz gewährleisten, d.h. es sollen keine Splitter an die Umgebung abgegeben werden. Deshalb wird die Glasscheibe, unter Einhaltung der thermischen Sicherheitsanforderungen, mit einer organischen Schicht kombiniert. Diese Schicht ist vor allem als Splitterschutzschicht vorgesehen, welche im Falle eines Bruches die Bruchteile der Glasscheibe zusammenhält bzw. festhält und welche außerdem die Elastizität und Zuverlässigkeit der Leichtgewichtsverbundscheibe erhöht.
Die Dicke der organischen Schicht beträgt, unter Berücksichtigung des Flächengewichts der Leichtgewichtsverbundscheibe und des Verhältnisses der Dicke der mineralischen Glasscheibe zu der Dicke der organischen Schicht kleiner gleich 350 µm, bevorzugt kleiner gleich 200 µm, besonders bevorzugt kleiner gleich 100 µm, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 50 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner 25 µm.
Die Transparenz der einen organischen Schicht beträgt größer 80 %, bevorzugt größer gleich 85 %, besonders bevorzugt größer gleich 88 %, insbesondere bevorzugt größer gleich 90 % und durch die organische Schicht nimmt die Trübung der Leichtgewichtsverbundscheibe (Haze, gemessen mit einem HazeGard, Messung nach ASTM D1003 D1044) um weniger als 1% (Haze absolut) zu. Entsprechend wird das Polymer für die organische Schicht ausgewählt.
Um insbesondere für Sichtfenster die optische Qualität der Leichtgewichtsverbundscheibe sicherzustellen, beträgt der Unterschied des Brechungsindex der Glasscheibe und der organischen Schicht kleiner gleich 0,3, bevorzugt kleiner gleich 0,25, besonders bevorzugt von kleiner gleich 0,2, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 0,15.
Weiterhin beträgt die optische Retardation der organischen Schicht nicht mehr als 20 nm, bevorzugt weniger als 15 nm.
Damit die optischen Eigenschaften und die Gebrauchseigenschaften der Leichtgewichtsverbundscheibe hoch sind, werden Grenzen bezüglich der Oberflächenwelligkeit und Oberflächenrauigkeit und die Elastizität der organischen Schicht eingehalten.
Sie hat die in der Leichtgewichtsverbundscheibe nach Außen weisende Oberfläche der organischen Schicht eine hohe Oberflächengüte und an ihrer Oberfläche eine Welligkeit kleiner gleich 100 nm, bevorzugt kleiner gleich 80 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 50 nm und eine Rauhigkeit R_T kleiner gleich 30 nm, bevorzugt kleiner gleich 20 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 10 nm aufweist.
Weiterhin beträgt der Streak der organischen Schicht geringer als 100 nm, bevorzugt kleiner gleich 50 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 30 nm.
Die Rauigkeit R_T, auch Rautiefe genannt, wird nach DIN 4762 Teil 1-08.60 bestimmt und entspricht dem maximalen Abstand zwischen Profilkuppe und Profiltal innerhalb einer Bezugsstrecke. Sie ist nicht zu verwechseln mit der Rauigkeit R_A, die dem arithmetischen Mittel aller Abstände entspricht und in der Regel nur einen Bruchteil von R_T beträgt. Die Rauigkeit beschreibt den kurzwelligen Anteil der Abweichung von einer ideal ebenen Oberfläche. Die Welligkeit bzw. Waviness (gemessen nach DIN/ISO 11562 mit einem cut-off von 0,8 bis 8,0 mm und 2CRPC 50-Filter) beschreibt den mittleren Wellenlängenanteil der Abweichung von einer ideal ebenen Oberfläche. Die Welligkeit wird über eine Messstrecke von 20 mm ermittelt. Der Streak wird mit denselben Geräteparametern wie die Welligkeit gemessen, die Auswertemessstrecke beträgt 2mm.
Um die Leichtgewichtsverbundscheibe gegen punktuelle Belastung, wie z.B. Stöße mit spitzen Gegenständen unempfindlicher zu machen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Polymer für die organische Schicht derart auszuwählen, dass ihr Elastizitätsmodul kleiner 5 GPa, bevorzugt kleiner 2,6 GPa, ganz besonders bevorzugt kleiner 1,5 GPa beträgt. Die auftretende Spannungsbelastung wird durch die organische Schicht auf eine größere Fläche verteilt und wesentlich verringert. Das Elastizitätsmodul einer sehr dünnen Kunststoffschicht kann aus Krafteindringtiefenmessungen bestimmt werden. Dazu wird ein Prüfkörper definierter Geometrie, im allgemeinen ein pyramidal geschaffener Diamant, mit wachsender Last in die Oberfläche eingedrückt und anschließend wieder entlastet. Der Elastizitätsmodul ergibt sich dabei aus der Steigung der Entlastungsgeraden (Eindringtiefe in Abhängigkeit von der Last). Die Messungen werden mit einem sogenannten Pikoindentor durchgeführt, mit dem sehr kleine Eindrucktiefen zwischen 10 und 100 nm realisiert werden können. Dies ist notwendig da, wenn die Eindringtiefe ca. 10 % der Schichtdicke überschreitet, das Substrat die Messung zu beeinflussen beginnt.
Die organische Schicht besteht aus einem härtbaren duroplastischen Reaktionsharz, welches eine dauerhafte, zäh-elastische und klarsichtige Haftung mit dem Glas zur Steigerung des Splitterschutzes erzeugt. Die organische Schicht besteht bevorzugt aus einem Polymer der Gruppe der Phenoplaste, wie Phenol-Formaldehyd-Harze, Aminoplaste wie Harnstoff-Formaldehyd-Harze oder Melamin-Formaldehyd-Harze, Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinlyesterharze (Phenacrylatharze), Diallylphthalatharze, Silikonharze oder vernetztende Polyurethanharze. Besonders geeignet sind insbesondere Polymethacrylat- und Polyacrylat-Reaktionsharze.
Die organische Schicht kann zusätzlich Füllstoffe und andere notwendige Additive enthalten, um die Leichtgewichtsverbundscheibe besonderen Anforderungen anzupassen.
Um die guten optischen Eigenschaften der Leichtgewichtsverbundscheibe für bestimmte Anwendungen, wie z.B. als Sichtfenster für Fahrzeugkabinen sicherzustellen, sind in einer bevorzugen Ausführungsform die Brechwerte der Glasscheibe und der organischen Schicht aufeinander abgestimmt. Der Unterschied des Brechungsindex beträgt kleiner gleich 0,3, bevorzugt kleiner gleich 0,25, besonders bevorzugt von kleiner gleich 0,2, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 0,15. So sind beispielsweise typische Brechwerte für die Glasscheibe 1,502 (bei 780 nm), 1,506 (bei 633 nm) 1,508 (bei 588 nm) für ein Aluminosilikatglas, bzw. in seiner Druckspannschicht nach einem chemischen Vorspannen 1,510 (bei 780 nm), 1,514 (bei 633 nm) 1,516 (bei 588 nm) oder für ein Borosilikatglas 1,523 (bei 588 nm) oder für ein alkalifreies Aluminosilikatglas 1,510 (bei 588 nm) oder für ein Kalk-Natronglas 1,52 (bei 588 nm). Der Brechungsindex der organischen Schicht beispielsweise als PMMA (Polymethylmethacrylat) ist als Richtwert 1,49 oder beispielsweise als Polyacrylat ist als Richtwert 1,48.
Für die Bestimmung der Dicke der Schichten in einer erfindungsgemäßen Leichtgewichtsscheibe unter Einhaltung des Verhältnisses der Dicke der Glasscheibe zu der Dicke der organischen Schicht werden beispielhaft folgende Richtwert angegeben: Für ein Aluminosilikatglas eine Dichte von 2,39 bis 2,48 g/cm³, für ein Borosilikatglas eine Dichte von 2,51 g/cm³, für ein alkalifreies Aluminosilikatglas eine Dichte von 2,43 g/cm³, für ein Kalk-Natronglas eine Dichte von 2,5 g/cm³, für eine organische Schicht als PMMA eine Dichte von 1,19 g/cm³, beispielsweise als Silikonharz eine Dichte von 0,98 bis 1,07 g/cm³, beispielsweise als Polyacrylat ist als Richtwert 1,3 bis 1,6.
Zu der Erfindung gehört weiterhin auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leichtgewichtsverbundscheibe. Um eine Leichtgewichtsverbundscheibe herzustellen, muss erst die Glasscheibe selbst hergestellt und bereitgestellt werden. Um eine Glasfolie der benötigten Oberflächengüte herzustellen, sollte dies in einem Down-draw-Prozess, Overflowfusion-Prozess oder in einem Floatverfahren geschehen. Vorzugsweise wird die Glasscheibe vor ihrer Beschichtung gehärtet, insbesondere chemisch vorgespannt. Die Oberflächengüte der Glasfolie ist Voraussetzung für das Erreichen einer entsprechenden Oberflächengüte auf der Polymerseite der Leichtgewichtsverbundscheibe. Nach dem Herstellen der Glasfolie kann diese entweder direkt weiterbehandelt werden oder, falls die Schritte des Vorbehandelns der Glasfolienoberfläche und des Aufbringens der organischen Schicht räumlich von der Glasscheibenherstellung getrennt sind, erst vereinzelt werden, was bei der Herstellung kleinerer und mittlerer Mengen zu bevorzugen ist. Das Vorbehandeln der Glasscheibenoberfläche geschieht, um ein gutes Haften der organischen Schicht zu gewährleisten.
Beim Aufbringen der organischen Schicht auf die Glasscheibenoberfläche, und zwar in der flüssigen Phase wird die Viskosität der Reaktionsharze so eingestellt, dass eine exzellente Oberflächengüte der organischen Schicht nach ihrer Aushärtung vorliegt. Weiterhin wird zum Erreichen guter optischer Eigenschaften der Verguß der organischen Schicht so ausgeführt, dass in der Leichtgewichtsverbundscheibe eine blasenfreie organische Schicht vorliegt.
Durch das Aufbringen in der flüssigen Phase auf die starre Glasscheibe ist außerdem gewährleistet, dass sich in der organischen Schicht keine Verzugsrichtung ausbildet und somit die optische Retardation der organischen Schicht und damit der Leichtgewichtsverbundscheibe weniger als 20 nm beträgt.
Sind das Herstellen der Glasscheibe sowie das Vorbehandeln und Beschichten als kontinuierlicher Prozess geplant, wird die mit der organischen Schicht beschichtete Glasscheibe nach dem Beschichtungsprozess vereinzelt.
Ist die Glasscheibe vor dem Beschichten vereinzelt worden und möchte man extrem dünne organische Schichten erreichen, geschieht das Beschichten vorzugsweise durch Schleudern oder Sprühschleudern. Beschichtungsmethoden, die sich auch für einen kontinuierlichen Prozess eignen, sind das Aufgießen (Dispensen), das Aufwalzen oder das Sprühen.
Vorteilhaft im Hinblick auf die Eigenschaften der herzustellenden Leichtgewichtsverbundscheiben ist die Verwendung von Glasscheiben von kleiner gleich 1 mm, bevorzugt kleiner gleich 0,8 mm, besonders bevorzugt kleiner gleich 0,6 mm, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 0,55 mm und größer gleich 200 µm, bevorzugt größer gleich 350 µm, besonders bevorzugt größer gleich 450 µm insbesondere bevorzugt größer 500 µm sowie das Aufbringen von Polymerschichten von kleiner gleich 350 µm, bevorzugt kleiner gleich 200 µm, besonders bevorzugt kleiner gleich 100 µm, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 50 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner 25 µm.
Um die Haftung der organischen Schicht auf der Glasscheibe zu erhöhen, werden die besten Ergebnisse erzielt durch Oberflächenbehandlung vor dem Beschichten mittels eines oder einer Kombination der Verfahren wie UV-Bestrahlung der Glasscheibenoberfläche in einer ozonhaltigen Atmosphäre, durch Corona-Behandlung, durch Flammpyrolyse, durch Beflammen und/oder durch Plasmabehandlung.
Zur Unterstützung des Aushärtens der organischen Schicht sollte die aufgetragene organische Schicht vorzugsweise mit Hilfe von einem oder einer Kombination der Mittel Wärme, UV-Strahlung, IR-Strahlung, Mikrowelle und/oder Elektronenstrahlenvernetzung ausgehärtet werden. Hilfreich sind weiterhin Vakuum und/oder ein RIM (Reaction Injection Molding)-Verfahren.
Zu der Erfindung gehört weiterhin auch die Verwendung einer solchen Leichtgewichtsverbundscheibe. Insbesondere eignet sich eine solche Leichtgewichtsverbundscheibe als Ausstattungselement für Fahrzeugkabinen im Bereich Transportation, insbesondere für Fahrzeugkabinen eines Luftfahrzeugs oder eines Elektromobils, aber auch für Anwendungen in der Schifffahrt oder anderer Transportmittel. Gegenüber der im Stand der Technik bekannten Scheiben ermöglicht die erfindungsgemäße Leichtgewichtsverbundscheibe Anwendungen, wo es neben einem geringen Flächengewicht auf eine hohe Kratzfestigkeit, Oberflächenhärte, Oberflächengüte, gute Chemikalienbeständigkeit gegenüber Reinigungsmittel und sehr gute Brandschutzeigenschaften ankommt, wie sie jeweils oben stehend beschrieben sind.
In der besonders bevorzugten Ausführungsform mit einem geringen Flächengewicht, einer hohen Kratzfestigkeit, Oberflächenhärte, Oberflächengüte, guter Chemikalienbeständigkeit gegenüber Reinigungsmittel und sehr guten Brandschutzeigenschaften und weiterhin noch mit hoher optischer Transparenz und sehr guten optischen Eigenschaften wie beispielsweise Schlierenfreiheit und sehr geringe Trübung, wie sie jeweils oben stehend beschrieben sind, ermöglicht die erfindungsgemäße Leichtgewichtsverbundscheibe Anwendungen als Fenster- oder Türenelement oder Bestandteil eines Fensters oder einer Türe oder als Raumteiler in dem Bereich der Luftfahrt, wo besonders strenge Anforderungen gestellt sind. Durch Erfüllung all dieser Anforderungen, wie sie in den behördlichen Richtlinien und Regularien wie der FAA, RTCA, EASA oder den Vorgaben der Flugzeughersteller gestellt sind, ist eine Verwendung als Ausstattungselement für ein Luftfahrzeug gegeben.
Weiterhin eignet sich eine solche Leichtgewichtsverbundscheibe auch als Gestaltungselement, Raumteiler, Fenster- oder Türenelement oder Bestandteil eines Fensters oder einer Türe im Architekturbereich. Hier sind beispielhaft vor allem Anwendungen als Vitrinenscheibe, Wandverkleidungselement, Deckenelement, Abtrennungselement oder als Bestandteil eines Möbelstücks zu nennen.
Die Erfindung soll durch nachfolgendes Beispiele näher verdeutlicht werden.
1 zeigt den Aufbau einer Leichtgewichtsverbundscheibe 1. Das Grundträgersubstrat bildet eine erste Glasscheibe 11 aus einem chemisch vorgespannten Aluminosilikatglas, wie sie die Fa. Schott AG / Mainz unter der Bezeichnung Xensation^® Cover anbietet, mit einer Dicke von 0,55 mm und Dichte von 2,48 g/cm³, als organische Schicht A 21 wurde ein Polymethylmethacrylat mit einer Dicke von 150 µm und Dichte von 1,19 g/cm³ verwendet. Es ergab sich ein Flächengewicht von 1,54 kg/m² und somit eine Gewichtseinsparung von 35% gegenüber einer Standardfensterscheibe aus reinem PC- oder PMMA in einem Flugzeuginnenraum mit 2,4 kg/m² als Vergleichswert. Das Verhältnis der Verhältnis der Dicke der Glasscheibe zur Dicke der organischen Schicht betrug 1:0,273. Diese Leichtgewichtsverbundscheibe 1 bestand den Bunsen Burner Test, der in Übereinstimmung mit den Bestimmungen und Regelungen der FAR/JAR/CS 25, App. F, Part I & AITM 2.0002A durchgeführt wurde. Und sie bestand auch den Heat Release Test. Dieser Test wurde in Übereinstimmung mit den Bestimmungen und Regelungen der FAR/JAR/CS 25, App. F, Part IV & AITM 2.0006 durchgeführt.
Nachfolgende Beispiele 2 und 3 zeigen weitere alternative Ausführungen einer Leichtgewichtsverbundscheibe entsprechend der Ausführung 1, welche den Bunsen Burner Test und den Heat Release Test bestanden. Beispiel 2

Material Dicke

Glasschicht chemisch vorgespanntes Aluminosilikatglas 1,0 mm

Organische Schicht Polyurethan mit flammhemmendem Additiv, im RIM-Verfahren aufgetragen 200 µm

Flächengewicht: 2,72 kg/m²
Verhältnis der Dicke der Glasscheibe zur Dicke der organischen Schicht: 1:0,200 Beispiel 3

Material Dicke

Glasschicht chemisch vorgespanntes Aluminosilikatglas 0,2 mm

Organische Schicht Silikonharz 100 µm

Flächengewicht: 0,60 kg/m²
Verhältnis der Dicke der Glasscheibe zur Dicke der organischen Schicht: 1:0,500 Bezugszeichenliste:

1 Leichtgewichtsverbundscheibe

11 Glasscheibe

21 organische Schicht
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4415878 A1 [0007, 0008]
DE 102009021938 A1 [0008]
EP 0669205 [0009]
DE 102010037 [0009]
WO 2011/152380 [0009]
DE 202010013869 U1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„C. F. R. („Code of Federal Regulations“), Title 14 Aeronautics and Space, Chapter I Federal Aviation Administrations, Departement of Transportation, Part 25 Airworthiness Standards, Transport Categories Airplanes, Appendix F“ [0003]
„Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment, der RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautics)/DO-160G“ [0003]
„Material Qualification Requirements Glass Materials“ der Lufthansa Technik oder in den entsprechenden Regularien der EASA (European Aviation Safety Agency) wie der CS-25 („Certification Specifications for Large Aeroplanes“) [0003]
„Heat Release Rate Test for Cabin Materials“ in Übereinstimmung mit der Norm FAR (Federal Aviation Regulation) 25.853c/d App. F Part IV [0004]
FAR 25.853a App. F Part I (a)(1)(i) [0004]
„Total Heat Release“ entsprechend der Vorgaben und Testbedingungen der FAA entsprechend des „Aircraft Materials Fire Test Handbook“, DOT/FAA/AR-00/12, Chapter 5 „Heat Release Rate Test für Cabin Materials“ [0013]
„Total Heat Release“, gemessen in Übereinstimmung mit der JAR/FAR/CS 25, App.(Appendix) F, Part IV & AITM (Airbus Industries Test Method) 2.0006 [0013]
„Aircraft Materials Fire Test Handbook“, DOT/FAA/AR-00/12, Chapter 1 „Vertical Bunsen Burner Test for Cabin and Cargo Compartment Materials“ [0013]
FAR/JAR/CS 25, App. F, Part I [0013]
DIN EN 410 [0020]
ASTM D1003 [0020]
D1044 [0020]
DIN EN 410 [0020]
DIN EN 843-1 [0040]
DIN EN 1288-3 [0040]
DIN EN 843-4 [0043]
EN ISO 6507-1 [0043]
ASTM D1003 [0048]
D1044 [0048]
DIN 4762 Teil 1-08.60 [0054]
DIN/ISO 11562 [0054]
FAR/JAR/CS 25, App. F, Part I & AITM 2.0002A [0072]
FAR/JAR/CS 25, App. F, Part IV & AITM 2.0006 [0072]

Claims

Leichtgewichtsverbundscheibe umfassend eine mineralische Glasscheibe und eine organische Schicht dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengewicht der Leichtgewichtsverbundscheibe 0,5 kg/m² bis 5,5 kg/m², bevorzugt 1 kg/m² bis 3 kg/m², besonders bevorzugt 1,5 kg/m² bis 2,5 kg/m², insbesondere bevorzugt 1,8 kg/m² bis 2,2 kg/m² beträgt und das Verhältnis der Dicke der mineralischen Glasscheibe zu der Dicke der organischen Schicht 1:0,01 bis 1:1, bevorzugt 1:0,01 bis 1:0,6, besonders bevorzugt 1:0,01 bis 1:0,3, insbesondere bevorzugt 1:0,01 bis 1:0,1 beträgt und die Dicke der organischen Schicht kleiner gleich 500 µm, bevorzugt kleiner gleich 350 µm, bevorzugt kleiner gleich 200 µm, besonders bevorzugt kleiner gleich 100 µm, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 60 µm, ganz besonders bevorzugt kleiner gleich 30 µm beträgt und die Leichtgewichtsverbundscheibe einen „Total Heat Release“ gemessen in Übereinstimmung mit der JAR/FAR/CS 25, App. F, Part IV & AITM 2.0006 von kleiner 65 kW × Min./ m², bevorzugt von kleiner 50 kW × Min./ m², besonders bevorzugt von kleiner 40 kW × Min./ m², insbesondere bevorzugt von kleiner 20 kW × Min./ m² aufweist.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach Anspruch 1, wobei die Leichtgewichtsverbundscheibe eine Brandschutzeigenschaft aufweist mit einer Nachbrennzeit nach Entfernung der Flamme im „Vertical Bunsen Burner Test“, gemessen in Übereinstimmung mit der FAR/JAR/CS 25, App. F, Part I, kleiner 15 Sek., bevorzugt kleiner 8 Sek., besonders bevorzugt kleiner 3 Sek., insbesondere bevorzugt kleiner 1 Sek.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Transparenz der Leichtgewichtsverbundscheibe größer 80 %, bevorzugt größer 85 %, besonders bevorzugt größer 88 %, insbesondere bevorzugt größer 90 % beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das optische Streuverhalten (haze) der Leichtgewichtsglasscheibe kleiner gleich 1,5%, bevorzugt kleiner gleich 1,0 %, besonders bevorzugt kleiner gleich 0,5% beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Dicke der Glasscheibe kleiner gleich 1,1 mm, bevorzugt kleiner gleich 0,8 mm, besonders bevorzugt kleiner gleich 0,6 mm, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 0,55 mm und größer gleich 200 µm, bevorzugt größer gleich 350 µm, besonders bevorzugt größer gleich 450 µm insbesondere bevorzugt größer 500 µm beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Glasscheibe aus einem Lithium-Aluminiumsilikatglas, Kalk-Natron-Silikatglas, Borosilikatglas, Alkali-Aluminosilikatglas, alkalifreien oder alkaliarmen Aluminosilikatglas insbesondere aus einem chemisch und/oder thermisch gehärteten Lithium-Aluminiumsilikatglas, Kalk-Natron-Silikatglas, Borosilikatglas, Alkali-Aluminosilikatglas, alkalifreien oder alkaliarmen Aluminosilikatglas besteht.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach Anspruch 6, wobei die Ionenaustauschtiefe einer chemischen Härtung größer gleich 30 µm, bevorzugt größer gleich 40 µm, besonders bevorzugt größer gleich 50 µm, insbesondere bevorzugt größer gleich 80 µm beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Oberflächendruckspannung der Glasscheibe größer gleich 500 MPa, bevorzugt größer gleich 600 MPa, bevorzugt größer gleich 700 MPa, besonders bevorzugt größer gleich 800 MPa, insbesondere bevorzugt größer gleich 900 MPa beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei innere Zugspannung der Glasscheibe kleiner gleich 50 MPa, bevorzugt kleiner gleich 30 MPa, besonders bevorzugt kleiner gleich 20 MPa, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 15 MPa beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die 4-Punkt-Biegefestigkeit der Glasscheibe größer gleich 550 MPa, bevorzugt größer gleich 650 MPa, besonders bevorzugt größer gleich 800 MPa beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die der Elastizitätsmodul der Glasscheibe größer gleich 68 GPa, bevorzugt größer gleich 73 GPa, besonders bevorzugt größer gleich 74 GPa, insbesondere bevorzugt größer gleich 80 GPa beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Schubmodul der Glasscheibe größer gleich 25 GPa, bevorzugt größer gleich 29 GPa, besonders bevorzugt größer gleich 30 GPa, insbesondere bevorzugt größer gleich 33 GPa beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vickershärte der Glasscheibe in einem nicht vorgespannten Zustand größer gleich 500 HV 0,2/20 kgf/mm² (kilogram force per square meter), bevorzugt größer gleich 560 HV 0,2/20 kgf/mm², besonders bevorzugt größer gleich 610 HV 0,2/20 kgf/mm² ist oder die Vickershärte der Glasscheibe in einem vorgespannten Zustand größer gleich 550 HV 0,2/20 kgf/mm² (kilogram force per square meter), bevorzugt größer gleich 600 HV 0,2/20 kgf/mm², besonders bevorzugt größer gleich 650 HV 0,2/20 kgf/mm², insbesondere bevorzugt größer gleich 680 HV 0,2/20 kgf/mm² ist.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Transparenz der Glasscheibe größer 80 %, bevorzugt größer 85 %, besonders bevorzugt größer 88 %, insbesondere bevorzugt größer 90 % beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der einem der vorigen Ansprüche, wobei die Transparenz der Glasscheibe größer 80 %, bevorzugt größer 85 %, besonders bevorzugt größer 88 %, insbesondere bevorzugt größer 90 % beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der der vorigen Ansprüche, wobei die organische Schicht aus einem härtbaren duroplastischen Reaktionsharz, bevorzugt aus einem Polymer der Gruppe der Phenoplaste (Phenol-Formaldehyd-Harze), Aminoplaste (Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Melamin-Formaldehyd-Harze), Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinlyesterharze (Phenacrylatharze), Diallylphthalatharze, Silikonharze oder vernetzende Polyurethanharze oder Polymethacrylat- und Polyacrylat-Reaktionsharze besteht.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach Anspruch 16, wobei die organische Schicht zusätzlich Füllstoffe enthält.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der der vorigen Ansprüche, wobei die Transparenz der organischen Schicht größer 80 %, bevorzugt größer gleich 85 %, besonders bevorzugt größer gleich 88 %, insbesondere bevorzugt größer gleich 90 % beträgt und durch die organische Schicht die Trübung der Leichtgewichtsverbundscheibe um weniger als 1% (Haze absolut) zunimmt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der der vorigen Ansprüche, wobei die nach Außen weisende Oberfläche der organischen Schicht an ihrer Oberfläche eine Welligkeit kleiner gleich 100 nm, bevorzugt kleiner gleich 80 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 50 nm und eine Rauhigkeit R_T kleiner gleich 30 nm, bevorzugt kleiner gleich 20 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 10 nm aufweist.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der der vorigen Ansprüche, wobei die optische Retardation der organischen Schicht nicht mehr als 20 nm, bevorzugt weniger als 15 nm beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der der vorigen Ansprüche, wobei der Streak der organischen Schicht geringer als 100 nm, bevorzugt kleiner gleich 50 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 30 nm beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der der vorigen Ansprüche, wobei der Elastizitätsmodul der organischen Schicht kleiner 5 GPa, bevorzugt kleiner 2,6 GPa, ganz besonders bevorzugt kleiner 1,5 GPa beträgt.
Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Unterschied des Brechungsindex der Glasscheibe und der organischen Schicht kleiner gleich 0,3, bevorzugt kleiner gleich 0,25, besonders bevorzugt von kleiner gleich 0,2, insbesondere bevorzugt kleiner gleich 0,15 beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 23 und gekennzeichnet durch die Schritte – Bereitstellen einer Glasscheibe mit einer Dicke von 0,2 bis 1,1 mm, – Vorbehandeln der Glasfolienoberfläche, – direktes Aufbringen einer 1 bis 500 µm dicken organischen Schicht in der flüssigen Phase; – Vereinzeln der mit einer organischen Schicht beschichteten Scheibe.
Verfahren zur Herstellung einer Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 23 und gekennzeichnet durch die Schritte – Bereitstellen einer Glasscheibe mit einer Dicke von 0,2 bis 1,1 mm, – Vereinzeln der Glasfolie, – Vorbehandeln der Glasfolienoberfläche, – direktes Aufbringen einer 1 bis 500 µm dicken organischen Schicht in der flüssigen Phase.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Aufbringen der organischen Schicht durch Schleudern oder durch Sprühschleudern geschieht.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Aufbringen der organischen Schicht durch Aufgießen oder Aufwalzen oder Sprühen geschieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Oberflächenbehandlung vor dem Beschichten mittels eines oder einer Kombination der Verfahren UV-Bestrahlung der Glasscheibenoberfläche in einer ozonhaltigen Atmosphäre, Corona-Behandlung, Flammpyrolyse, Beflammen und/oder Plasmabehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei nach dem Beschichten die organische Schicht mit Hilfe von einem oder einer Kombination der Mittel Wärme, UV-Strahlung, IR-Strahlung, Mikrowelle, Elektronenstrahlenvernetzung, Vakuum und/oder RIM (Reaction Injection Molding)-Verfahren ausgehärtet
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei nach dem Beschichten als organische Schicht ein Siliconpolymer, ein Sol-Gel-Polymer, ein Polycarbonat, ein Polyethersulfon, ein Polyacrylat, ein Polyimid, ein Cycloolefincopolymer, ein Polyarylat oder einem Siliconharz besteht.
Verwendung einer Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der vorigen Ansprüche als Ausstattungselement für Fahrzeugkabinen im Bereich Transportation, insbesondere für Fahrzeugkabinen eines Luftfahrzeugs oder eines Elektromobils.
Verwendung einer Leichtgewichtsverbundscheibe nach Anspruch 31 als Fenster- oder Türenelement oder Bestandteil eines Fensters oder einer Türe oder als Raumteiler.
Verwendung einer Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 30 als Gestaltungselement, Raumteiler, Fenster- oder Türenelement oder Bestandteil eines Fensters oder einer Türe im Architekturbereich.
Verwendung einer Leichtgewichtsverbundscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 30 als Vitrinenscheibe, Wandverkleidungselement, Deckenelement, Abtrennungselement oder als Bestandteil eines Möbelstücks.