浅谈夹层类玻璃抗冲击性能

郭佳欣

（1. 中国建材检验认证集团秦皇岛有限公司 秦皇岛 066004；2. 国家玻璃质量监督检验中心 秦皇岛 066004）

0 引言

夹层玻璃是在两片玻璃（或有机透明材料）或多片玻璃（或有机透明材料）中间夹一层或多层有机聚合物中间膜，经脱气（辊压或抽真空）去除玻璃之间的空气后再经高温高压处理，使刚性的玻璃和弹性的中间膜永久粘合为一体的复合材料。由于玻璃是脆性材料，在受到冲击破坏时会形成锋利的尖角可能伤害到人身，夹层玻璃作为刚体与弹性体相复合的复合体具有在受到撞击破碎后能保持一整体，不会像普通玻璃破碎后产生锋利的碎片伤人的特性，因此它是一种安全玻璃，保持了普通玻璃的透光、透像，不使光线发生多次反射的性能。由于夹层玻璃的复合结构特征，在玻璃夹层中间置入其他功能材料或元器件便使夹层玻璃产生各种功能，如隔音降噪、阻挡紫外线和吸收红外光线、除雾除霜、防弹防盗等，因此夹层类玻璃具有更广泛的用途。夹层类玻璃安全性主要是从良好的抗冲击强度获得。

1 夹层类玻璃相关标准

（1）GB 15763.3—2009《建筑用安全玻璃 第3部分：夹层玻璃》；

（2）GB 9656—2003《汽车安全玻璃》；

（3）GB 14681.1—2006《机车船舶用电加温玻璃 第1部分：船用矩形窗电加温玻璃》，GB 14681.2—2006《机车船舶用电加温玻璃 第2部分：机车用电加温玻璃）；

（4）GB 17840—1999《防弹玻璃》；

（5）GJB 3030—1997《装甲车辆用防弹玻璃规范》；

（6）TB/T 1451—2017《机车、动车前窗玻璃》；

（7）JC/T 2455—2018《建筑用电加温玻璃》；

（8）GA 165—2016《防弹透明材料》（GA 165防弹复合玻璃）；

（9）GA 844—2018《防砸复合玻璃通用技术要求》等。

在这些标准中均将抗冲击性作为重要性能加以规定。

2 各类夹层玻璃抗冲击要求

针对典型的汽车玻璃执行标准GB 9656—2003《汽车安全玻璃》和火车玻璃执行标准TB/T 1451—2017《机车、动车前窗玻璃》对冲击性的相关要求进行分析。

2.1 GB 9656 —2003《汽车安全玻璃》

GB 9656—2003《汽车安全玻璃》的抗冲击性要求有三方面：人头模型冲击、抗穿透、抗冲击。人头模型冲击试验后样品应符合：①样品应破坏，并产生环状和放射状裂纹；②人头模型不得穿透玻璃或中间层的裂口长度应小于35 mm；③无大面积中间层裸露；抗穿透性能要求直径约为82 mm，质量为2 260 g±20 g钢球自4 m高度自由落下，冲击后5 s内钢球不应穿透样品。抗冲击性能要求直径约为38 mm，质量为227 g±2 g的钢球自规定高度（8.8～12 m）自由落体冲击玻璃冲击夹层玻璃；对于风窗玻璃用夹层玻璃，冲击后样品应符合下列规定： 钢球不应穿透试样；样品不应断成分离的几块；冲击面反侧剥落碎片的总质量应符合规定。

2.2 TB/T 1451—2017《机车、动车前窗玻璃》

TB/T 1451—2017《机车、动车前窗玻璃》对冲击性的相关要求首先是冲击试验。前窗玻璃温度分别在（0±0.5）℃、（27±5）℃时，应能承受质量1 000 g+200 g铝合金抛射体的冲击。冲击速度取决于机车运行速度，机车最高速度小于160 km/h时，抛射体的速度为机车最高速度与160 km/h之和，机车最高速度大于160 km/h时，抛射体的速度为机车最高速度与200 km/h之和。冲击性能试验后，不应被抛射体穿透，且前窗玻璃仍位于其框架内。其次是抗砾石冲击试验，玻璃样品应能承受比列车最高速度高20 km/h（（vmax+20）km/h），由铝合金制成的质量为20 g的抛射体冲击，冲击后玻璃不应有破裂。1 000 g铝弹冲击不被抛射体穿透是保证驾驶员免受伤害的一项重要的安全指标，20 g铝弹冲击不破裂是可靠性指标，保证玻璃在受到砾石冲击时不会损坏正常使用。

综合夹层类玻璃的抗冲击要求，夹层玻璃的抗冲击性主要分为三个方面：一是玻璃的抗穿透要求；二是玻璃的完整性要求；三是玻璃的不被破坏要求。汽车玻璃的人头模型冲击、抗穿透、火车窗玻璃冲击性要求以及GB 15763.3—2009《建筑用安全玻璃 第3部分：夹层玻璃》的霰弹袋冲击等是检验玻璃的抗穿透性的，汽车玻璃的抗冲击性、GB 15763.3—2009《建筑用安全玻璃 第3部分：夹层玻璃》的霰弹冲击性等是检验玻璃受到损坏时的完整性的，火车玻璃的抗砾石冲击是检验玻璃不被损坏的。

3 影响夹层玻璃抗冲击性的主要因素

3.1 夹层玻璃结构

夹层玻璃结构主要体现在中间层厚度、玻璃的厚度、夹层层数等。对于玻璃的抗穿透性所有标准考核的指标均是冲击物是否将玻璃穿透，由于普通玻璃是脆性材料，对玻璃是否破碎未进行要求，通常情况下玻璃进行抗穿透试验后一般是被破坏至少产生裂纹，只要冲击物体在规定的时间内不穿透过玻璃，其安全性就得到了体现，产品已经达到了合格水平，因此中间层是否被穿透起决定作用。因为玻璃的强度较低，玻璃在受到冲击时很容易产生裂纹，裂纹一旦产生抵抗冲击物的能力几乎为零，提高普通玻璃厚度对提高夹层玻璃组件的抗穿透性影响不明显。提高夹层玻璃的抗穿透性最有效的手段是改善中间层作用，提高中间层的厚度对提高夹层玻璃的抗穿透性至关重要，中间层的厚度越大其抵抗穿透的能力越强。但其成本随着厚度的增加而增加，实际夹层玻璃结构设计中选择能满足冲击要求的最小厚度。

汽车玻璃生产中间层厚度一般为0.76 mm，不论玻璃单片的厚度为3 mm还是2 mm，中间层厚度为0.76 mm 的夹层玻璃均能通过各种试验考核，这是最佳选择。而对于满足铁路机车、动车高铁等耐高强度的冲击要求，就得随着速度的提高增加中间层厚度，部分高速列车玻璃的中间层的厚度达到13 mm以上。

夹层层数对玻璃的安全性影响主要体现在保持玻璃的完整性方面，夹层层数越多，玻璃被破坏时产生的裂纹重合度不可能一样，玻璃裂交织存在，能够很好地保持玻璃组件的完整性，例如屋顶玻璃和栈道玻璃宜采用多层玻璃结构，但对抗穿透性影响不明显。在夹层玻璃结构中引入高强度刚性有机板材其抗穿透性也会得到较大提高，如在夹层玻璃结构中选择一层聚碳酸酯板或在玻璃内表面复合一层抗飞溅膜，由于聚碳酸酯板和飞溅膜的强度远高于玻璃且其具有较好的塑性，在受到冲击时聚碳酸酯板的高强度特性和可塑性能够很好的吸收冲击能量，阻止冲击物穿透玻璃，在高铁玻璃上已经普遍采用聚碳酸酯和防飞溅膜。

3.2 夹层材料选择

提高玻璃的厚度对提高夹层玻璃的抗穿透性影响有限，但对于钝器冲击如霰弹冲击，提高玻璃强度和厚度有一定的作用，因为夹层玻璃受到冲击物冲击时玻璃首先产生弹性变形，变形过程中能够吸收部分冲击势能，减少冲击体对玻璃的破坏，相同条件下采用增强的玻璃对提高夹层玻璃的抗穿透性有一定的影响，但不是最主要的；若要大幅度提高夹层玻璃的抗冲击性，需改善中间层材料的强度和弹性，强度越高夹层玻璃抗冲击能力越强。

对于中间层的强度选择首先是选择材料品种。目前用于夹层类玻璃中间层的材料主要有聚氨酯（PU）胶片、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）胶片、EVA胶片和SGP胶片等，其中聚氨酯（PU）胶片的拉伸强度和SGP胶片较大，聚乙烯醇缩丁醛（PVB）胶片次之，其他胶片如EVA等较小。使用聚氨酯（PU）胶片做中间层其玻璃的抗穿透效果由于其良好的强度和弹性，制作的夹层玻璃的抗冲击效果远高于聚乙烯醇缩丁醛（PVB）胶片，对于特殊用途的夹层玻璃应首先考虑使用PU胶片。SGP胶片的强度高，但其弹性较低且低温环境下呈现更多的特性是刚度较高，冲击破碎后会发生散落。

若玻璃有抗砾石要求，为满足玻璃的抗砾石冲击性，提高玻璃的强度和厚度是非常必要的。玻璃的厚度越大、强度越高，其抗冲击破坏的能力越强。同时抗砾石冲击能力还与紧邻的中间层的刚性有关，中间层的刚性越大，当玻璃受到冲击时越能将冲击力传递给下层玻璃，抗破坏能力越强。

3.3 夹层材料性能

中间层对玻璃的粘接力是决定夹层玻璃质量和强度特性的重要因素, 粘接力过大，使玻璃与中间层形成一整体，玻璃受到冲击破碎时，玻璃的裂纹断口处的中间层不能有效伸长，中间层容易断裂，抗穿透性下降；粘接力过小，玻璃受到冲击破碎时，玻璃与中间层不能有效粘接，玻璃碎片从中间层脱落而形成不安全因素，且长期使用易发生脱胶。

玻璃/中间层/玻璃的粘接是在夹层玻璃生产中形成的，将中间层材料置于玻璃中间，用真空法或轮式辊压并在中间层处于高弹态的温度下排出玻璃之间的气体（用辊压机预压或真空袋排除空气），使玻璃得到预粘接并使玻璃边部得到密封，再将玻璃置于高压釜中进一步提高温度使中间层处于粘流状态，让中间层材料在压力作用下充分浸润玻璃表面，并在其界面发生化学或物理作用形成氢键或化学键使玻璃与中间层适当粘接形成一复合结构。粘附力取决于中间层材料的物理化学特性如增塑剂含量、黏度、化学组成和含湿量度等；同时也取决于高压温度、压力和保持时间等工艺因素。

中间层材料的增塑剂含量、黏度和化学组成是由中间层材料的制造商决定的，一般是无法改变的，但中间层材料的含湿量是受操作环境影响的，特别是对于PVB胶片和SGP胶片尤其显著，因为随着胶片在不同湿度的环境下暴露时间的延长，胶片中的活性官能团与水分发生化学作用增加，从而改变其性质，严重影响中间层材料的粘接，导致粘接力下降。

夹层玻璃生产时，随着加热温度的提高，中间层材料的黏度随之下降，材料内应力松弛过程的速度加快内应力随之减小，中间层材料浸润玻璃表面越多，玻璃表面与中间层材料接触也就越充分，玻璃与中间层的粘附力增加。压力对粘附力值的影响较复杂，随着压力的增加，该值开始显著提高，随着加压时间的延长，粘附力开始增加变得缓慢，最后再进一步増加压力对粘接力影响不大；保持时间的目的是让中间层材料尽量充分接触，并不断消除应力増加粘接力，但一定时间后粘接力不再随温度的增加而增加。

4 结语

对于夹层类玻璃的生产首先应明确玻璃的抗穿透要求具体内容，通过合理设计夹层玻璃结构，选择理想的材料对夹层玻璃的生产工艺认真控制才能获得合格的产品，才能使夹层玻璃的安全性得到体现。