Inżynierowie, specjalizujący się w doborze wyrobów budowlanych i projektanci, dbający o niebanalny styl nowej architektury wykorzystują szkło w coraz bardziej wymagających realizacjach, takich jak szklane schody, podłogi, mosty oraz duże szklane elementy fasadowe z minimalnymi elementami podpierającymi, a także „przeszklenia nad głową” (szklane dachy, podesty, świetliki).

 Rys. 1. Adhezja (przyczepność) jonoplastów nowej generacji do strony powietrznej w porównaniu z cynową stroną szkła

Wykorzystywanie szkła laminowanego w zastosowaniach konstrukcyjnych stało się bardziej powszechne i preferowane jako bardziej bezpieczne rozwiązanie niż monolityczne szkło hartowane lub wzmacniane termicznie.

Strukturalne folie laminujące (określane też jako przekładki, międzywarstwy lub warstwy pośrednie) to sztywne materiały, które zwiększają bezpieczeństwo gwarantowane przez laminaty szklane dzięki zwiększeniu ich wytrzymałości.

Istnieją dwie możliwości wyboru międzywarstwy strukturalnej: sztywna folia PVB lub folia jonoplastowa. Oba rodzaje warstwy pośredniej zapewniają lepszą wytrzymałość po zerwaniu i korzyści/zalety konstrukcyjne. Istnieją jednak pewne znaczące różnice we właściwościach, które wpływają na końcową efektywność laminatu. W zastosowaniach, które wymagają odporności na wysokie temperatury (powyżej 30°C) lub długotrwałe obciążenie, najlepiej sprawdzają się międzywarstwy jonoplastowe.

Międzywarstwy z jonoplastu wymagają specjalnego przetwarzania, aby zapewnić optymalną jakość końcowego laminatu – wskazane jest laminowanie po „cynowej” stronie szkła i szybkie chłodzenie w autoklawie, aby zapobiec tworzeniu się zamglenia. W przypadku laminatów wielowarstwowych niezbędne jest nałożenie specjalnego podkładu w celu uzyskania prawidłowej przyczepności do strony „powietrznej” szkła.

Ostatnie postępy w technologii produkcji folii z jonoplastu znacznie ułatwiły ich „przetwarzalność” w procesie laminowania, dzięki polepszeniu adhezji do strony powietrznej szkła i rzadszemu występowaniu zamglenia.

Wstęp
Zastosowanie szkła laminowanego znacznie zwiększa bezpieczeństwo szklanych konstrukcji ponieważ jego wytrzymałość i odporność na uderzenie jest wielokrotnie wyższa od zwykłego szkła. A w przypadku pęknięcia szkła laminowanego odłamki szklane pozostają na swoim miejscu (przyklejone do folii laminującej), zapewniając ochronę przed skaleczeniem ostrymi krawędziami fragmentów szklanych (np. szkla float lub termicznie wzmocnionego).

Chociaż utrzymanie w całości pękniętego szkła laminowanego zapewnia pewien poziom ochrony po jego rozbiciu, to jednak wytrzymałość po stłuczeniu (tzw. wytrzymałość resztkowa) jest znacznie mniejsza niż wytrzymałość nienaruszonego szkła – przez co zmniejsza się jego zdolność do wytrzymywania/ przenoszenia obciążeń.

Laminowane szkło z tafli odprężonych (szkło float) i wzmacnianych termicznie (tzw. półhart) zapewnia pewną resztkową wytrzymałość po pęknięciu ze względu na wzór pękania (duże kawałki szkła zakleszczające się wzajemnie i w ramach montażowych).

Niestety laminowane szkło z tafli hartowanych po rozbiciu jest „bardzo słabe”. Hartowane szkło po rozbiciu pęka na bardzo małe kawałki i szybko traci zdolność do przenoszenia wszelkich obciążeń (a laminowane szkło hartowane obrazowo mówiąc „zwija się” jak dywan).

Przekładki strukturalne to sztywne folie, które zapewniają efekt mocnego połączenia ze szkłem, co zwiększa efektywną grubość laminatu. Tworzy to mocniejsze laminaty, co pozwala na zastosowanie cieńszych tafli szkła lub zapewnia wytrzymałość na większe i długotrwałe obciążenia.

Szkło laminowane z przekładką strukturalną ma znacznie wyższą wytrzymałość i może być stosowane w bardziej wymagających konstrukcjach szklanych, takich jak podłogi, schody, balustrady i bardzo duże tafle szkła z filigranowymi i rzadko rozstawionymi łącznikami mocującymi. Strukturalne międzywarstwy mają znacznie lepszą efektywność/sztywność po pęknięciu w porównaniu ze standardowymi międzywarstwami.

To znacznie poprawia bezpieczeństwo (np. w przypadku szklanych balustrad nawet spękane szkło laminowane w pewnym stopniu chroni przechodzące osoby przed upadkiem z wysokości).

Rodzaje przekładek strukturalnych
Obecnie istnieją dwa rodzaje przekładek strukturalnych – sztywna PVB i jonoplast. Sztywne PVB są oparte na żywicy PVB z niższą zawartością plastyfikatora, co zwiększa ich moduł sprężystości (są sztywniejsze niż folie ze standardowego PVB). Międzywarstwy z jonoplastu nie zawierają plastyfikatora i są oparte na unikalnej chemii jonoplast.

Sztywne PVB zapewnia odpowiednie właściwości strukturalne w umiarkowanych temperaturach, podczas gdy międzywarstwy jonoplast zapewniają właściwości strukturalne w szerszym zakresie temperatur ze względu na unikalny skład chemiczny.

Przetwarzanie Ionoplastu
Międzywarstwy Ionoplast mają zupełnie inny skład chemiczny niż PVB. Jonoplast jest polimerem półkrystalicznym, natomiast PVB jest materiałem amorficznym. Ten wyjątkowy skład chemiczny zapewnia wysoką wytrzymałość, odporność na rozdarcie i ulepszone właściwości strukturalne. Powoduje to również, że jonoplast wymaga nieco innej/zmodyfikowanej obróbki w porównaniu z PVB.

Aby uzyskać optymalną przyczepność i właściwości optycznie, wymagane są specjalne ustawienia procesu laminowania. Laminacja musi być wykonywana po cynowanej stronie szkła lub, jeśli nie jest to możliwe, należy nałożyć specjalny podkład na powietrzną stronę szkła, aby uzyskać dobrą przyczepność folii do szkła.

Aby wyeliminować zamglenie, które jest spowodowane krystaliczną postacią polimerów, szybkość chłodzenia w autoklawie musi być wystarczająco duża, aby zapobiec tworzeniu się zamglenia. Jeśli folia w laminacie szklanym wykazuje niedopuszczalny poziom zamglenia, można to łatwo naprawić, wykonując ponownie proces autoklawizacji laminatu. Po prawidłowym przetworzeniu w laminacie uzyskuje się bardzo wysoką przyczepność folii do szkła i doskonałą jakość optyczną.

Ulepszony jonoplast zapewnia lepsze przetwarzanie
Celem opracowania nowej generacji jonoplastu było zaprojektowanie go tak, aby można go było przetwarzać z wykorzystaniem podobnych i znanych przetwórcom procedur jak w przypadku folii PVB, przy zachowaniu tych korzystnych unikalnych właściwości strukturalnych folii jonoplast.

Rozwój nowego rodzaju jonoplastu koncentrował się na poprawie przyczepności do strony powietrznej szkła, co eliminuje potrzebę stosowania podkładu. Ułatwi to laminowanie paneli wielowarstwowych, a także wyeliminuje potrzebę orientowania szkła do laminowania od strony cynowej w laminatach jednowarstwowych.

Drugim celem było ulepszenie cech optycznych/ wizualnych poprzez zmniejszenie tworzenia się zamglenia przy wolniejszych szybkościach chłodzenia w autoklawie. Zmniejszy to potrzebę ponownego autoklawizowania, aby wyeliminować powstałe zamglenie, jak również możliwość zwiększenia gęstości załadunku autoklawu.

Rys. 2. Wyniki adhezji przy cyklach zamrażania i rozmrażania

  (kliknij na tabelę aby ja powiększyć)

Rys. 3. Wpływ ekspozycji międzywarstwy na różne warunki otoczenia na adhezję w teście uderzeniowym

Rys. 4. Wpływ szybkości chłodzenia laminatu w autoklawie na tworzenie się zamglenia

Przyczepność
W przypadku Ionoplastu nowej generacji osiągnięto poprawę przyczepności do strony powietrznej szkła bez pogorszenia przyczepności do strony cynowej. Wykres na rys. 1 pokazuje przyczepność po stronie powietrznej i cynowej dla standardowego jonoplastu i nowej generacji jonoplastu. Podczas laminowania od strony powietrznej lub cynowej nie zastosowano podkładu.

Przeprowadzono badania z wykorzystaniem cykli zamrażania i rozmrażania, aby zbadać siłę przyczepności. Próbki laminatów przygotowano zarówno po laminacji od strony cynowej, jak i powietrznej, przy różnych poziomach wilgotności międzywarstwy. Laminaty zostały następnie wysuszone i zważone. Laminaty były zanurzane w wodzie na noc, a następnie całkowicie wilgotne umieszczane w zamrażarce w temperaturze -20°C.

Laminaty zostały ponownie zważone. Cykl powtórzono 4 razy i zarejestrowano całkowitą utratę wagi. Folia jonoplast nowej generacji wykazała bardzo mały ubytek masy i wysoką wartość przyczepności w teście uderzeniowym przy orientacji od strony powietrznej – co wskazuje na zachowanie zdolności utrzymywania się w całości nawet po spękaniu szkła. Wyniki dla próbek z laminacją od strony cynowej były nieco niższe ze wzrostem utraty masy obserwowanym przy wilgotności 0,6%.

Warstwa pośrednia z folii jonoplast musi być przechowywana w szczelnych opakowaniach w celu ochrony przed wilgocią. Poziom wilgoci powyżej 0,15% może wpływać na przyczepność folii jonoplast w laminacie szklanym. Przeprowadzono badania w celu zrozumienia wpływu warunków przechowywania międzywarstwy na ostateczną przyczepność folii do szkła w laminacie.

Na rys. 3 przedstawiono skutki wystawienia międzywarstwy na działanie warunków atmosferycznych oraz własności adhezji nowej generacji międzywarstwy jonoplast. Przyczepność folii do szkła w teście uderzeniowym pozostaje wysoka nawet po 21 dniach ekspozycji w wilgotnej atmosferze i wilgotności 0,35%

Zamglenie (haze)
Podczas gdy na cechy optyczne folii PVB nie ma wpływu szybkość chłodzenia w autoklawie, to na właściwości optyczne międzywarstw jonoplast ma wpływ wspomniany proces chłodzenia. Powstawanie zmętnienia zależy od szybkości chłodzenia i odstępów zestawów laminatów w autoklawie.

Jeśli szybkość chłodzenia nie jest odpowiednia, laminaty, szczególnie duże lub bardzo grube, będą wykazywać pewne białe zamglenie. Można to łatwo odwrócić poprzez ponowne autoklawizowanie laminatów.

Jonoplast nowej generacji wykazuje znacznie mniejszą wrażliwość na zamglenie przy zbyt szybkim chłodzeniu autoklawu. Chociaż nie jest taki sam poziom jak dla folii PVB, ale jest znacznie ulepszony w porównaniu ze standardową folią jonoplast.

Rysunek 4 pokazuje szybkość zamglenia w porównaniu do szybkości chłodzenia w autoklawie zarówno dla standardowego/]] jonoplastu, jak i nowej generacji jonoplastu.

Rys. 5. Moduł relaksacji przy ścinaniu

  (kliknij na tabelę aby ja powiększyć)

Rys. 6. Właściwości fizyczne standardowego jonoplastu i nowej generacji jonoplastu

  (kliknij na tabelę aby ja powiększyć)

Efektywność strukturalna Jednym z celów rozwoju technologii laminacji z użyciem folii jonoplast było zmniejszenie wrażliwości na zmętnienia na szybkość chłodzenia autoklawu przy jednoczesnym zachowaniu właściwości strukturalnych.

Powstawanie zmętnienia wynika z morfologii/ budowy polimeru, a zmiany tego w celu zmniejszenia zmętnienia mogą potencjalnie wpływać na właściwości strukturalne. Wielkość modułu sprężystości zostały opracowane dla różnych temperatur i obciążeń. Obejmowało to badania zginania, pomiary pełzania i dynamiczną analizę mechaniczną DMA (dynamic mechanical analysis).

Osiągnięto zachowanie właściwości konstrukcyjnych z wyjątkiem wyższych temperatur przy dłuższych czasach obciążenia. Poniższa tabela przedstawia porównanie właściwości sztywnego PVB, standardowego jonoplastu i nowej generacji jonoplastu.

Właściwości fizyczne i odporność na uderzenie
Podstawowe właściwości fizyczne jonoplastu nowej generacji są podobne do obecnie dostępnego, standardowego Ionoplastu.

Jednym z problemów związanych z poprawą przyczepności jest wpływ, jaki będzie to miało na odporność na uderzenie szkła laminowanego. Zazwyczaj, gdy przyczepność jest zwiększona, udarność (odporność na uderzenie) ulega pogorszeniu.

Jonoplast nowej generacji o grubości 0,76 mm został przetestowany zgodnie z normami EN 12600 Szkło w budownictwie – Badanie wahadłem – Udarowa metoda badania i klasyfikacja szkła płaskiego i EN 356 Szkło w budownictwie – Szyby ochronne – Badania i klasyfikacja odporności na ręczny atak. Efektywność była taka sama, jak w przypadku standardowego jonoplastu przechodzącego badania w odniesieniu do klas P1A i 1B1 przy użyciu tafli szkła grubości 3 mm.

Wnioski
Jonoplast nowej generacji zapewnia poprawioną/lepszą adhezję do strony powietrznej szkła, odporność adhezji podwyższoną wilgotność i zmniejszoną wrażliwość na zamglenie z uwagi na szybkość chłodzenia w autoklawie.

Wszystkie te ulepszenia sprawiają, że proces laminowania z użyciem folii jonoplast jest bliższy procesowi z użyciem folii PVB, przy jednoczesnym zachowaniu właściwości strukturalnych i fizycznych jonoplastu.

Przy mniejszej wrażliwości na zamglenie, wytwarzanie bardzo grubych lub dużych laminatów staje się znacznie łatwiejsze, przy mniejszym ryzyku zamglenia z powodu niewłaściwego chłodzenia (zbyt szybkim obniżaniu temperatury w autoklawie).

 Jennifer Schneider

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. w Tampere w Finlandii

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 11/2021