DK142697B - Slagfast laminat med plader vitrøst materiale. - Google Patents

Description

142637 i

Opfindelsen angår et slagfast laminat omfattende en gruppe på mindst tre plader af vitrøst materiale med forskellig tykkelse, idet mindst den ene af de to yderste plader i laminatet er hærdet, hvilke plader er sammenbundet med mellemliggende lag 5 af plastmateriale.

Ved udtrykket "vitrøst materiale" skal der her forstås materialer, som omfatter glasarter og glaskrystallinske materialer, d.v.s. glasarter der er blevet behandlet på en sådan måde, at der er dannet en eller flere krystallinske faser deri.

10 Sådanne laminater eller ruder er resistente mod stød fra sten, kugler og andre lignende projektiler. Sådanne ruder anvendes derfor ofte som bestanddele af skudsikre skærme i banker og postkontorer eller til at danne vinduer, især forruder på luftfartøjer og hurtiggående lokomotiver.

15 Ruderne er også resistente mod vandalistisk ødelæggelse og kan anvendes til udstillingskasser i museer eller til gennemsigtige vægge i fængsler.

Hidtil har sådanne laminater nødvendigvis måttet være meget tykke for at blive tilstrækkeligt stødresistente.

20 Dette har resulteret i et meget tungt og derfor kostbart laminat. Kostbare laminater lider under den ekstra ulempe, at de kræver meget tunge støttekonstruktioner eller -rammer, og tunge laminater er forståeligt nok uegnede til brug i luftfartøjer.

25 Hvad angår den kendte teknik skal der her henvises til beskrivelsen til britisk patent nr. 1320081. Ifølge denne beskrivelse frarådes anvendelsen af hærdet glas, og den orden, i hvilken glaspladerne er anbragt, er vilkårlig. De derfra kendte konstruktioners mekaniske modstandsdygtighed overfor genstande, 30 der slynges mod dem, er tilvejebragt ved hjælp af det andet lag af plastmateriale, og de to første glasplader er beregnet til at beskytte dette andet plastlag mod varme og at fordele anslagskraften på ensartet måde, således at det andet lag af plastmateriale kan absorbere stødet.

35 Yderligere skal der henvises til beskrivelsen til USA patent nr. 2094183, hvorfra der kendes en kuglebeskyttelsesskærm med tre glasplader, som er indbyrdes forbundet med to mellemliggende plastlag. Den midterste glasplade er forholdsvis tykkere end yderpladerne, og en af disse er hærdet. Ifølge fienne kendte 2 142697 teknik foretrækkes det, at den hærdede plade anbringes inderst.

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe et stødresistent laminat med formindsket tykkelse i forhold til de hidtil kendte laminater og med relativ høj slagstyrke.

5 Laminatet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at de vitrøse plader i gruppen omfatter mindst tre forskellige tykkelser, som er anbragt i tykkelsesrækkefølge, og at i det mindste den første, tykkeste plade i hver gruppe er hærdet.

Odtrykket "at gruppen omfatter mindst tre forskellige 1 o tykkelser, som er anbragt i tykkelsesrækkefølge", udelukker ikke anvendelsen af en gruppe med to plader med samme tykkelse, forudsat at disse vitrøse plader er anbragt ved siden af hinanden, og ligeledes forudsat at der i gruppen også findes vitrøse plader med i det mindste to andre tykkelser. Således 15 kan et laminat ifølge opfindelsen f.eks. omfatte en gruppe af fire glasplader, der er anbragt i tykkelsesrækkefølge, hvor deres tykkelse er henholdsvis 9 mm, 5 mm, 5 mm og 2 mm. Det vil forstås, at de anførte tykkelser for pladerne af vitrøst materiale er nominelle tykkelser og kan være behæftede med 20 fremstillingstolerancer. De anførte forskelle i tykkelse er dog betydeligt større, end hvad der med rimelighed kan henføres til de normale tolerancerammer, som optræder ved fremstilling af plader af vitrøst materiale med en bestemt tykkelse.

Ved udtrykket "mellemliggende lag", som anvendt heri, 25 skal der forstås lag, som hver især er sammenhæftet med to vitrøse plader. Det er ikke væsentligt, at et sådant mellemliggende lag skal have en homogen sammensætning. Tværtimod kan ethvert'sådant mellemliggende lag have en sammensat form, omfattende f.eks. to eller flere enkelte lag.

30 Disse plader af vitrøst materiale, der udgør laminatet, kan være flade eller krumme, og en eller flere af pladerne kan være af farvet materiale, f.eks. når laminatet skal anvendes som en tonet rude.

Det har vist sig, at laminatet ifølge opfindelsen kan 35 være betydeligt tyndere end et laminat af den hidtil kendte art, samtidig med at man opnår samme stødresistens. Mere detailleret forholder det sig således, at når en kugle skydes mod den første,tykkeste og hærdede plade i en gruppe, deformeres kuglen kraftigt, og dens bane ændres, således at dens indtræng- 3 142697 ningskraft reduceres. Dette sker i større omfang ved hjælp af laminatet ifølge opfindelsen end ved et laminat af den kendte art, hvor der ikke er en første, tykkkeste, hærdet plade, og hvor laminatet har samme totale tykkelse som laminatet ifølge 5 opfindelsen. Til grund for den foreliggende opfindelse ligger således erkendelsen af, at det er af afgørende betydning, at den første plade er så modstandsdygtig som muligt for at kunne absorbere så meget energi som muligt. Hvis kun én plade er hærdet, er det således denne første plade, der skal være det.

10 Endvidere er tykkelsesrækkefølgen vigtig for maksimalt at kunne udnytte hver efterfølgende plade til absorbering af den energi, som påtrykkes denne. Dette sidstnævnte træk giver således et godt forhold mellem modstandsdygtighed overfor slag og vægten af laminatet.

En udførelsesform for laminatet ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at plastmaterialelagene har forskellig tykkelse, idet det tyndeste lag af plastmaterialet er anbragt ved den første, tykkeste plade i gruppen. Ved at anbringe plastmaterialelagene i laminatet på denne måde opnås der en formindsket tyk-20 kelse ved en og samme slagmodstandsdygtighed, idet plastmaterialelaget eller -lagene med den største tykkelse vil absorbere restenergien ved deformation, når denne energi allerede er blevet formindsket af de forudgående plader og lag. Denne udførelsesform for laminatet ifølge opfindelsen hviler på den erkendelse, 25 at når det drejer sig om meget høje energiniveauer, yder et plastmaterialelag en forholdsvis lille modstand, hvorimod et plastmaterialelag ved at blive deformeret både elastisk og plastisk giver god modstandsdygtighed ved lave energiniveauer, hvad angår de påtrykte stød eller slag. Den mest økonomiske an-30 vendelse af plastmaterialelagene er således at anbringe det tyndeste forrest og det tykkeste bagest.

En yderligere udførelsesform for laminatet er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at der benyttes en gruppe, som indeholder mindst fire vitrøse plader, og ved at de mellemliggende 35 lag af plastmateriale, som hæfter til pladerne, har mindst tre forskellige tykkelser anbragt i tykkelsesrækkefølge med det tyndeste klæbende til den første plade. Ved denne udførelsesform for laminatet ifølge opfindelsen opnås det, at forholdet mellem slagmodstandsdygtigheden og vægten yderligere forbedres.

4 142697

Dette forhold forbedres yderligere, såfremt gruppen ifølge en yderligere udføreisesform for opfindelsen består af fire plader, som alle har forskellig tykkelse.

En yderligere udførelsesform for laminatet ifølge opfindelsen 5 er ejendommelig ved, at den tyndeste plade i gruppen har en tykkelse på under 6 mm, og herunder hensigtsmæssigt en tykkelse på mellem 1,5 og 3,2 mm. Også denne udførelsesform bidrager til at opnå en lille vægt, og endvidere er det, set ud fra et sikkerhedssynspunkt, hvad angår det rum, der skal beskyttes ved 10 hjælp af laminatet, fordelagtigt, at der, såfremt den inderste plade brister, fremkommer så små brudstykker med så lille vægt som muligt, idet der derved opnås de mindste beskadigelser i et sådant beskyttet rum.

Endnu en udførelsesform for laminatet er ifølge opfindelsen 15 ejendommelig- ved, at hver plade i gruppen er kemisk hærdet.

For det første tillader en kemisk hærdning, at der opnås en bedre kvalitet, end hvad der kan opnås ved termisk hærdning, og for det andet opnås det, at når alle pladerne i gruppen er hærdet, forbedres forholdet mellem stødmodstandsdygtighed og 20 vægt yderligere.

Yderligere skal det tilføjes, at en hærdet plade er vanskeligere at knuse end en lignende, men ikke hærdet plade, nemlig på grund af de i pladen indførte overfladekompressionsspændinger. Når endvidere en hærdet plade knuses, vil den blive 25 brudt op i et stort antal små stykker. Følgelig vil knusningen af en hærdet plade absorbere forholdsvis stor energi. På grund af en sådan fin knusning vil en hærdet plade endvidere blive uigennemsigtig eller halvgennemsigtig, og dette træk har også stor betydning, når laminatet skal bruges som en del af en 30 skudsikker væg. Hvis der bliver affyret et skud mod et sådant laminat, vil dette, hvis den tykke, hærdede plade knuses, blive opalt og uigennemsigtigt, og personer, som står bag laminatet, vil da kunne tilkalde hjælp eller undslippe,uden at den pågæl-dendes handlinger vil være synlig for angriberen.

35 Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et stødresistent laminat ifølge en første udførelsesform for opfindelsen, fig. 2 en anden udførelsesform for et stødresistent laminat 5 142697 ifølge opfindelsen, og fig. 3 endnu en udførelsesform for laminatet ifølge opfindelsen og indeholdende et i afstand fra en gruppe af vitrøse plader med forskellige tykkelser værende 5 glaselement.

Der har været udført et antal praktiske forsøg med stødresistente laminater i form af ruder under anvendelse af skydevåben.

Ved prøverne med stødresistente ruder anvendtes tre forskellige arter våben: 10 Våben 1 (9 mm GP).

Dette våben var en "GP pistol" med en bøssepibe på 125 mm.

De anvendte kugler havde en kaliber på 9 mm.

Våben 2 (0,357 Magnum).

Dette våben var en "Colt Python" (varemærke) med en 15 100-mm bøssepibe. De anvendte kugler havde en kaliber på 9 mm.

Våben 3 (0,44 Magnum).

Dette våben var en "Ruger Super Blackhawk" (varemærke) med en 150-mm bøssepibe.- De anvendte kugler havde en kaliber på 10,6 mm.

20 De som skydeskive anvendte stødresistente ruder under prø verne var 30 cm x 30 cm store.

For hvert afprøvet prøveemne affyredes tre skud, hvis an-slagspunkter fordeltes med en indbyrdes afstand på omtrent 10 cm og dannende en ligesidet trekant. Hver kugle blev affyret 25 i en afstand af 5 meter fra skydeskiveruden. Affyringsvinklen var 90°.

Kvaliteten af hver afprøvet rude blev fastsat på basis af antallet og spredningen af brudstykkerne fra den bageste plade i ruden, hvis denne ødelagdes.Til dette formål var der strakt 30 et stykke 500 mm x 450 mm papir ud over en træramme, der var fastgjort 45 cm bag glasset. To udspændte vaskeskind blev holdt bag papiret for at gøre det muligt at fastsætte stødenergien og skærekraften af alle de gennem papiret gående brudstykker ved hjælp af antallet og dybden af snit i skindene.

35 I praksis kan det siges, at en rude har tilfredsstillende stødresistens mod et særskilt våben, hvis der under de ovenfor fastsatte prøveforhold og for det betragtede våben ikke går brudstykker af glas gennem papiret, ved at kuglerne støder mod tre prøveemner af ruden.

6 U2697

Eksempel 1.

Den i fig. 1 viste rude er en stødresistent rude, der er fremstillet af en gruppe på fire plader 1-4 af transparent glas, som er limet sammen ved hjælp af mellemliggende lag 5-7 af poly-5 ' vinylbutyral.

De transparente plader 1-4 er fremstillet af kalk-natronglas med sædvanlig sammensætning efter vægt (72% SiC^, 12,5% Na20, 0,09% ^0, 9,4% CaO, 3% MgO, 3% A1203 o? 0,01% Fe203) og har tykkelser på henholdsvis 9, 5, 5 og 2 mm. Den første vitrøse plade 10 li gruppen regnet fra den ende med den største pladetykkelse, er termisk hærdet.

De mellemliggende lag 5-7 af polyvinylbutyral har hver især tykkelser på 0,76 mm,og polyvinylbutyralen har et fugtindhold på 0,4 vægtprocent.

15 Der blev foretaget en sammenligning mellem den i fig. 1 viste rude og en anden referencerude (ikke vist) med symmetrisk opbygning og fremstillet af tre plader af glas med sædvanlig sammensætning, som tidligere nævnte. Pladerne var hver især 7 mm tyk og blev limet sammen ved hjælp af mellemliggende lag af polyvinyl-20 butyral med en tykkelse på 0,76 mm hver især og med et fugtindhold på 0,4 vægtprocent. Ruden ifølge opfindelsen og referenceruden havde derfor ens glastykkelser.

For at fastsætte de to ruders kvalitet anvendtes et kaliber 9 mm GP våben under de tidligere nævnte forhold. Der blev fyret 25 mod den første plade 1 i ruden ifølge opfindelsen,og man fandt, at der i det første vaskeskind, som var anbragt bag ruden ifølge opfindelsen, hverken var ridser eller snit. Til gengæld fandtes det, at de to skind blev betydeligt forskårne under afprøvningen af referenceruden. Ruden ifølge opfindelsen, hvilken havde en 30 asymmetrisk opbygning, frembød derfor tydeligvis større sikkerhed end referenceruden med symmetrisk opbygning.

Ydermere viste en undersøgelse af de bag de afprøvede ruder anbragte papirark, at spredningen af glasbrudstykker, d.v.s. det af disse påvirkede område, var dobbelt så stort for 35 referenceruden, som det var tilfældet med ruden ifølge opfindelsen.

Eksempel 2.

Den i fig. 2 viste rude er opbygget af fem plader af glas 8-12 med sædvanlig sammensætning, som anført i eksempel 1, og 7 142697 limet sammen ved hjælp af mellemliggende lag 13-16 af polyvinyl-butyral.

Pladerne 8-16 havde tykkelserne 10, 5, 4, 3 og 2 mm, medens de mellemliggende lag 13 -16 af polyvinylbutyral havde tykkel-5 serne 0,38 mm, 0,76 mm, 1,52 mm og 2,28 mm.

I dette eksempel udførtes en kemisk hærdning ved at neddykke hver af de vitrøse plader i et bad smeltet kaliumnitrat ved 480°C. Under hærdningen byttede de i pladens overfladelag indeholdte natriumioner plads med de i det smeltede bad af kalium-10 nitrat indeholdte kaliumioner. Eftersom kaliumionernes diameter er større end natriumionernes diameter, vil hærdningen resultere i, at der i pladens overfladelag opstår trykkræfter i ligevægt med de i pladens midte opståede trækkræfter.

For at fastsætte rudens kvalitet anvendtes et 9 mm .0,357 Mag-15 num våben under de førnævnte forhold. Der affyredes mod pladen 8. Den sidste plade 12 af sættet af plader forblev uberørt efter affyringsprøverne.

Eksempel 3.

Den i fig. 3 viste rude er en anden udførelsesform for en 20 stødresistent rude ifølge opfindelsen og omfatter en gruppe 17 af plader 18-22 af glas med sædvanlig sammensætning, som nævnt tidligere, og limet sammen ved hjælp af mellemliggende lag 23-26 af polyvinylbutyral.

Glaspladerne 18-22 blev termisk hærdede på traditionel måde, 25 og havde tykkelser 10, 5, 5, 4 og 3 mm, medens de mellemliggende lag hver havde en tykkelse på 0,38 mm, hvor polyvinylbutyralen havde et omtrentligt fugtindhold på 0,3 vægtprocent.

Et glaselement 27 omfattende to plader 28 og 29 af almindeligt glas og hver med en tykkelse på i mm samt forbundet med 30 hinanden ved hjælp af et polyvinylbutyrallag 30 med en tykkelse på 0,2 mm holdes i en afstand på 10 mm fra sættet 17 af plader 18-22 ved hjælp af en med klæbelag 32 dertil limet aluminiumsafstandsdel 31.

Mellemrummet 33 er fyldt med tørret luft for således at 35 forhindre enhver følgende kondensation. Glaselementet 27's glasplader 28,29 blev kemisk hærdet før sammenbygning ved hjælp af den i eksempel 2 beskrevne fremgangsmåde.

I dette eksempel blev gruppen 17 af plader 18-22 i sig selv sammenlignet med det skudsikre glas, som vist i fig. 3, 8 142697 idet man i hvert tilfælde affyrede mod pladen 18.

For at fastsætte kvaliteten af gruppen af plader sammenlignet med den i fig. 3 viste og heri beskrevne komplette rude, anvendtes et 0,44 Magnum våben med kaliber 10,6 mm.

5 Det fandtes for gruppen 17 i sig selv, at alle glaspladerne gik i stykker,og den sidste plade 22 deformeredes. Glasbrud-stykker, hvilke slyngedes fra denne sidste plade, medførte mange rifter i de bag den afprøvede samling udstrakte papirark.

Til gengæld fandt man for den komplette rudeenhed i den 10 på tegningen viste udførelsesform, at skønt pladegruppen 17 på ny ødelagdes af kuglerne,og den sidste plade 22 deformeredes som før, så forblev glaselementet 27 ubrudt og havde tilbageholdt alle glasbrudstykkerne.

Eksempel 4.

15 En stødresistent rude, som vist i fig. 1 og på enhver måde svarende til den i eksempel 1 beskrevne, fremstilledes med den ene undtagelse, at plader af vitrokrystallinsk materiale erstattede pladerne 1-4. Pladerne af vitrokrystallinsk materiale havde følgende sammensætning efter vægt: 48% Si02, 32% Al2Og, 20 io% Na20, 2% CaO og 8% Ti02·

Denne stødresistente rude havde en meget stor styrke og resistens mod ridser.

Eksempel 5.

Der fremstilledes en stødresistent rude som vist i fig. 1.

25 pladerne 1-4 bestod af farvet glas. Det farvede glas var et kalk-natronglas med sædvanlig sammensætning, hvori der var indført 0,15% Fe2Og.

Ruden havde en meget stor s.tyrke og resistens mod ridser.

Som tidligere omtalt er de vitrøse plader med forskellige 30 tykkelser indbyrdes forbundet med mellemliggende lag af formstof materiale for således at danne et laminat. De mellemliggende lag kan være af et materiale såsom polyvinylbutyral, men er dog ikke begrænset hertil, idet også andre materialer omfattende bl.a. polyuretaner kan anvendes til at danne disse mellemlig-35 gende lag.

Andre kemiske hærdebehandlinger kan anvendes til at forstærke en eller flere af pladerne af vitrøst materiale i et laminat ifølge opfindelsen.

Claims (2)

142697 Sådanne andre behandlinger omfatter udskiftning af de i pladernes overfladeområder indeholdte alkaliioner med andre alkaliioner, hvilke kan have større eller mindre diameter, f.eks. kan kaliumioner i det vitrøse materiale substitueres med lithiumioner 5 fra et behandlingsmedium. Endelig kan man ændre tykkelserne af de vitrøse plader og de mellemliggende lag formstofmateriale, hvilke tilvejebringer den laminerede rudeopbygning. Sådanne ændringer kan selvfølgelig kun foretages i tilfælde af, at den krævede størrelsesorden for 10 pladernes tykkelse holdes i overensstemmelse med opfindelsen. Når de stødresistente ruder er beregnet til at skulle anvendes i særlige tilfælde, kan de gives andre egenskaber, f.eks. anti-varmeegenskaber, i hvilket tilfælde et eller flere tynde overtræk kan indbygges deri, hvilke er indrettet til at 15 reflektere eller 'absorbere infrarød stråling. Ruderne kan også være varme- og/eller antidugruder, kan indeholde et tyverialarmsystem, kan have indbygget en antenne, kan have variabel transmission eller refleksion af synligt lys o.s.v.. Til sidst kan man også anvende et øget antal vitrøse plader 20 i den stødresistente rude uden derved at gå udenfor opfindelsens rammer i sådanne tilfælde, hvor der er fare for, at genstande kan slynges mod ruderne med meget høj energi. Patentkrav.

1. Slagfast laminat, omfattende en gruppe på mindst tre 25 plader (1-4, 8-12, 18-22) af vitrøst materiale med forskellig tykkelse, idet mindst den ene af de to yderste plader i laminatet er hærdet, hvilke plader er sammenbundet med mellemliggende lag af plastmateriale, kendetegn e t ved, at de vitrøse plader (1-4, 8-12, 18-22) i gruppen omfatter mindst tre forskel-30 lige tykkelser, som er anbragt i tykkelsesrækkefølge, og at i det mindste den første, tykkeste plade (1,8,18) i hver gruppe er hærdet.

2. Laminat ifølge krav 1,kendetegn et ved, at plastmaterialelagene har forskellig tykkelse, idet det tyndeste 35 lag af plastmateriale er anbragt ved den første, tykkeste plade i gruppen.