防砸复合玻璃的应用和发展前景

郑思辉，杨 娟* ，吴贲华，王银茂，高国忠

(1.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013;2.江苏铁锚玻璃股份有限公司，江苏 南通 226600)

随着科学技术的发展，玻璃已广泛应用于建筑、医疗、化学、家居、电子、仪表、车辆等领域［1］。但由于玻璃本身的易碎性，当其受到外力冲击时会发生碎裂，容易导致安全事故，存在安全隐患。最初的解决方案是使用钢化玻璃［2］，钢化玻璃是一种预应力玻璃，为提高玻璃的强度，通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高其承载能力，增强玻璃自身抗风压性、寒暑性、冲击性等。随着时代的进步，普通的钢化玻璃已经不能满足高档建筑防护、银行柜台、航空航天、博物展柜和军警车辆防护等需求，因此开发新型抗高载荷冲击玻璃至关重要。

1 防砸复合玻璃简介

防砸复合玻璃也叫夹层玻璃，是由单层或者多层透明材料复合而成，能在承受规定工具的攻击后不产生穿透性的洞口或者没有出现变形而脱离框架的透明材料。其原材料为普通平板玻璃和高分子材料胶片层，玻璃材料可以是钢化玻璃，高分子材料胶片层一般是聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和聚碳酸酯(PC)材料。防砸玻璃将玻璃和高分子材料胶片层通过特定的粘结材料粘贴在一起，属于玻璃的深加工领域。防砸玻璃属于安全玻璃［3］，具有很高的抗冲击和抗贯穿特性，一般不会被穿透。即使外层的玻璃材料因外力而破坏，玻璃碎片也不会脱离胶片层，从而起到安全防护的作用。1910年，英国特立普勒克公司(Triplex Co.)正式生产防砸玻璃。我国在1956年开始试制防砸玻璃，1957年在上海耀华玻璃厂建成了第一条干法防砸玻璃生产线，主要用于汽车风挡玻璃，在建筑上应用较少。20世纪70年代后期，耀华玻璃厂采用灌浆法生产防砸玻璃获得成功［4］。目前防砸玻璃已广泛应用于国家政要机关、军警防护、铁路机车、首长官邸、航空航天、银行柜台、博物展柜、商厦橱窗、精密机床、爆炸防护、高档住宅及别墅防护等领域。

2 防砸复合玻璃的特性

2.1 安全性

当防砸复合玻璃受到高强度的撞击发生碎裂时，玻璃的碎片会牢牢粘结在中间的高分子材料胶片层上，避免了因为玻璃碎片造成的人身伤害和财产损失。并且整块玻璃仍然会保持原先的形状，能够持续抵挡撞击，不会掉落，因而不必立即更换，对于汽车车窗玻璃来说这一点至关重要。由于防砸复合玻璃优良的安全特性，许多城市都出台相关法规强制使用防砸复合玻璃。《北京市建筑工程安全玻璃使用规定》、《上海市建筑物使用安装安全玻璃》、广州市《关于在建筑物、构筑物中使用建筑安全玻璃的通知》等都指出新建、扩建、改建的各建筑物相关部位，必须使用建筑安全玻璃，不得使用建筑普通玻璃。2001年12月，国家质量监督检验检疫总局和国家认证认可监督管理委员会发布《第一批实施强制性产品认证的产品目录》，建筑、汽车、机车车辆用安全玻璃名列其中。

2.2 防护特性

普通的平板玻璃强度低，受到外力时极易破碎，对于入室盗窃或者抢劫等犯罪行为不能起到抵御作用。防砸复合玻璃则很好地弥补这些不足。防砸复合玻璃中一般都含有高分子材料胶片层，胶片层的弹性大，抗断裂强度远远高于平板玻璃，当防砸复合玻璃受到外力撞击时，胶片层可以吸收大量的能量。因此防砸复合玻璃的抗穿透性能要远远高于普通平板玻璃和钢化玻璃。根据GA 844—2009《防砸复合玻璃通用技术要求》的规定，防砸复合玻璃按照防砸能力由低到高分为A、B、C、D 4个等级，如表1所示。

表1 防砸复合玻璃级别要求

由表1可以看出，即使是A级防砸复合玻璃，也可以抵御一定的破坏行为和暴力侵入。因此，防砸复合玻璃适用于商店橱窗、博物展台、银行柜台和其他金融场所的保安通道。另外，防砸复合玻璃的胶片层中可以嵌入金属丝或导电膜，与报警线路连接，在玻璃遭到破坏时可以自动报警。

2.3 装饰特性

在防砸复合玻璃的胶片层中嵌入各种图案，可以起到装饰的效果。因为防砸复合玻璃解决了普通装饰玻璃易损坏和随时间变化而褪色的问题，所以其装饰效果更好。目前，国内外已经开发出不同颜色、不同种类的胶片，用这些胶片制造的防砸复合玻璃不仅具有安全玻璃的特性，同时也具有装饰效果。而且，胶片中还可以夹杂金属丝、植物标本甚至是照片作为装饰物，极大地美化了人们的家居环境。

2.4 其他特性

防砸复合玻璃还具有许多其他优良特性［5］。防砸复合玻璃的胶片层中可以掺杂吸收紫外线的添加剂，能够过滤阳光中的大部分紫外线成分，从而保护人们的皮肤不受紫外线的侵蚀，也能够保护室内家具、纺织品、博物馆中的艺术品、文物古迹不受紫外线的侵蚀而老化和褪色。防砸复合玻璃的高分子材料胶片层对声波具有阻尼功能，因此具有隔音的效果，特别是在车站、闹市、街道两旁安装防砸复合玻璃后能有效降低噪音污染，有利于人们的工作、生活和健康。此外，使用热反射镀膜玻璃和低辐射镀膜玻璃制造的防砸复合玻璃还具有很好的隔热效果，这种防砸复合玻璃运用到居民建筑中，不仅可以保护人们的人身和财产安全，而且能保证室温不会发生太大变化，起到节能的作用。

3 防砸复合玻璃的种类

防砸复合玻璃种类多种多样，其防砸等级和应用范围各不相同。根据使用的场合不同，防砸复合玻璃的结构有很大差别，通常可分为3类。

3.1 普通防砸复合玻璃

普通防砸复合玻璃是指应用在民用建筑、博物展台、银行柜台等对防护等级要求不是很高的场合，主要是A级防砸复合玻璃，其典型结构如图1所示，其中:1层为平板玻璃层;3层为高分子材料胶片层，目前应用比较多的是PVB和PC材料等;2层为粘结剂层，主要是聚氨酯(PU)。通过高温气压釜将平板玻璃、胶片层和粘结剂压合在一起制备了这种强度很高的防砸复合玻璃，使用钢化玻璃替代平板玻璃还可以获得防砸等级更高的复合玻璃。这种防砸复合玻璃可以抵御棍棒锤斧的攻击，最大限度地保护人身安全。由于这种防砸复合玻璃合成的工艺比较简单，容易大批量生产，因此应用非常广泛，特别在建筑行业中，安装防砸复合玻璃可以代替现在广泛使用的不锈钢防护栏，既美观又安全，能让人摆脱身处牢笼的感觉，同时在发生危险时也更容易逃生。

图1 普通防砸玻璃结构示意图

本课题组和江苏铁锚玻璃有限公司合作开发出了一种新型的超薄防砸复合玻璃，通过改进玻璃的化学钢化和合片工艺［6］，获得了厚度＜14 mm，典型产品厚度为4.5 mm的超薄防砸复合玻璃，其结构如图2所示。

图2 超薄防砸玻璃结构示意图

在化学钢化过程中，采用了新研制的含铯离子钢化剂，并在钢化的过程中添加了催化剂。催化剂的主要组成为硅酸钠、硅酸钾以及锰的氧化物。该复合催化剂能提高玻璃中钠、钾离子的交换速度，明显增强玻璃的强度，使单片玻璃的表面张力提高至820～900 MPa。合片过程中摒弃了普通防砸玻璃中普遍采用的粘结剂，在高压釜中直接将钢化玻璃和高分子材料胶片进行合片，制造的产品完全符合A级防砸复合玻璃的要求，并且厚度低于国内外产品，达到国际先进水平，扩大了普通防砸玻璃的应用领域。

3.2 防砸防弹复合玻璃

和普通的防砸复合玻璃不同，防砸防弹玻璃对复合玻璃的抗冲击性要求更高，根据GB 17840—1999《防弹玻璃》规定，防弹防砸复合玻璃至少能够抵挡3 m距离内64式手枪的射击，背面飞溅物不穿透测试卡。因此其结构和普通的防砸复合玻璃有些区别。典型的结构如图3所示［7］。

图3 防砸防弹玻璃示意图

第1～3玻璃层通常选用高强度的钢化玻璃，厚度均为5 mm以上。高分子材料胶片层多为PVB或PC。这种复合玻璃的第1～3玻璃层经过了强化处理，并在两两玻璃之间加入高分子材料层，以保证其韧性，使其能够抵挡子弹的强大冲击力。第3玻璃层的外侧贴有铁甲膜，能有效防止玻璃碎片飞溅伤人。该复合玻璃的第1玻璃层为应力层，可以有效阻挡利器伤害深层玻璃;第2玻璃层为过渡层;第3玻璃层为承力层;2个高分子材料层构成缓冲层;铁甲膜层为保护层。复合玻璃受到子弹冲击时，子弹的动能经过3层玻璃层和2层胶片层的逐层吸收，使得冲击力量对于内侧第3玻璃层的损伤大大降低，从而保证人员的安全。因为这种防砸复合玻璃的优良防砸和防弹能力，所以广泛应用于国家政要机关、高级会议中心、领事馆等重要安保场合。

3.3 车用防砸复合玻璃

现有的防砸复合玻璃包括至少2层玻璃原片层及设于2层玻璃原片之间的胶层，在使用时由于其厚度较高(一般在14 mm以上)，不适合安装在巡逻车或民用车上，无法适应市场需求。根据GB9656—2003《汽车安全玻璃》要求，对于汽车安全玻璃厚度为5～7 mm。车用防砸玻璃的典型结构如图4所示［8］。

图4 车用防砸复合玻璃示意图

玻璃层采用经过强化的钢化玻璃，使其强度大大提高，厚度为2～4 mm;PC层厚度为1～2 mm;PU层利用PU的粘性将两面的玻璃和PC板紧密贴合，能够有效缓冲冲击力。使用时，玻璃层为应力层，能有效阻挡利器伤害内侧的PC层，PU层为缓冲层，PC层为承力层，最终形成性能优异的复合车用防砸复合玻璃。当车辆发生意外或者玻璃受到人为冲击时，动能在玻璃层、PU层及PC层中逐渐被吸收，从而能够承受器物的多次撞击，达到安全防护作用。这种车用防砸复合玻璃制造工艺简单，材料来源丰富，防护能力强，因此广泛应用于警察巡逻车辆和有防砸要求的民用车上。

4 前景展望

我国从20世纪50年代开始研制防砸复合玻璃以来，复合玻璃的产量逐年增加，特别是近10年来增长显著［9］。国家统计局统计数据表明:2004年我国防砸复合玻璃的年产量仅为5.2×106m2，到2013年，年产量已经达到了7.1×107m2。虽然产量增长快速，但我国的防砸复合玻璃产业还存在很多问题。首先，国内防砸复合玻璃生产厂家技术水平不高，仅有50% 的厂家通过安全认证，自动化、机械化生产能力只占60%，不利于和国外厂家竞争。其次，防砸复合玻璃的原料需要进口，以PVB胶片为例，国内PVB胶片的产量仅满足需求量的20%。第三，国内对于安全玻璃的消费能力低，以建筑用防砸玻璃为例，国外的使用量应占总玻璃使用量的8%以上，但是国内建筑行业为了节约成本而使用平板玻璃，防砸玻璃的使用量仅为0.37%。随着相关政府部门安全意识的提高和相关强制性法律的出台，防砸玻璃在贵金属展示柜、高速公路收费站以及治安岗亭等领域的应用也将逐步扩大。根据2014年度公共安全行业标准修订计划，《防砸复合玻璃通用技术条件》在本次修订的范围内［10］，新标准的修订必然对产品的性能提升以及应用的扩展起到重要的作用。因此，国内的防砸复合玻璃的产量和使用量还有很大的上升空间。

［1］陆刚.玻璃的功用特点及其应用发展［J］.玻璃与搪，2011(2):30-35.

［2］李慧茹，赵国锋.建筑用安全玻璃的安全性能［J］.建筑与预算，2002(2):33-34.

［3］刘志海.安全环保的夹层玻璃浅析［J］.中国建材，2007(4):34-36.

［4］张肇富.具有优异功能的新型建筑材料［J］.国外建材科技，1997(1):20-22.

［5］冷国新，任立军.夹层玻璃的特性与应用［J］.玻璃，2002(2):56-57.

［6］程晓农，吴贲华，张小燕，等.一种高速列车专用高强度钢化玻璃的制备方法:中国，ZL201310509523.4［P］.2015-02-04.

［7］周潮，贺金林，李光福.一种防弹防砸复合玻璃:中国，ZL201020693292.9［P］.2011-10-05.

［8］费晓燕，凌建寿，张仑，等.超薄复合汽车玻璃的设计及其防护性能分析［J］.警察技术，2014(1):50-53.

［9］刘志海.我国夹层玻璃市场分析及趋势［J］.中国建材，2010(10):94-98.

［10］周鑫，周潮，卢燕霞.浅谈防砸复合玻璃的应用情况与趋势［DB/OL］.(2015-01-07)［2015-03-30］.http://www.cspmag.cn/yhzn/cpjs/201501/1915.html.