Введение

В настоящее время требования к защитному антивандальному остеклению регламентируются ГОСТ Р 51136–2008 «Стекла защитные многослойные», в котором определены требования к материалам и композициям, предназначенным для защиты жизни человека, обеспечения безопасности, надежности хранения и транспортировки материальных ценностей, применяемые в транспортных средствах, административных, общественных и жилых зданиях, где есть необходимость в защите жизни человека и материальных ценностей [2].

Цель проведенного патентного поиска – определение наиболее перспективных направлений создания ударостойких материалов, реализация которых способна реально привести к решению наиболее важных практических задач оборонных отраслей промышленности, строительства, народного хозяйства [3–5]. В качестве стран поиска выбраны ведущие страны мира: Россия, США, Япония, Великобритания, Германия, Франция, Австрия, Бельгия, Нидерланды, Италия. После предварительного анализа отобрано 60 охранных документов.

Материалы и методы

В соответствии с ГОСТ Р 51136–2008 защитные многослойные стекла подразделяются на следующие классы: ударостойкое, ударостойкое – безопасное для строительства, устойчивое к пробиванию, пулестойкое, пожаростойкое, морозостойкое стекло.

Ударостойкое стекло подразделяют на классы защиты А1, А2 и А3. Испытания проводят на оборудовании, обеспечивающем воздействие на образец ударами свободнопадающего стального шара с высоты 3,5; 6,5 и 9,5 м; энергия удара составляет соответственно 141; 262 и 388 Дж. Стекло считают выдержавшим испытания, если на трех образцах шар после третьего удара оставался на поверхности образца.

Пулестойкое стекло в зависимости от класса защиты (1–6,6а) должно противостоять сквозному пробиванию пулями или их фрагментами при обстреле стрелковым оружием стальными, свинцовыми и специальными пулями с массой от 3,5 до 35 г с дистанции 5–10 м из пистолетов Макарова (ПМ) и Токарева (ТТ), револьвера «Наган», охотничьего ружья калибра 12,7 мм, автоматов АК-74 и АКМ, винтовки СВД.

Ударостойкому безопасному стеклу для строительства присваивают классы защиты СМ (воздействие мягким телом – мешком со свинцовой дробью) и СТ (воздействие твердым телом – стальной груши). Удары наносятся маятниковым устройством с высоты от 300 до 1200 мм.

Устойчивому к пробиванию стеклу присваивают классы защиты Б-1, Б-2 и Б-3 – оно должно противостоять определенному числу ударов рубящим инструментом – от 30 до 270 (молотком, обухом или лезвием топора).

Пожаростойкие стекла должны противостоять воздействию пожара до наступления одного или нескольких предельных состояний, которые должны быть приведены в ТУ на конкретные стекла.

В ходе анализа российских изобретений выяснилось, что в основном они направлены на решение функциональных задач, совершенствование свойств самих материалов, технологий их получения и многослойных композиций на их основе.

Одним из ведущих материаловедческих предприятий России является ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, в котором разработаны ударостойкие авиационные материалы, применяющиеся не только в авиации, но и в народном хозяйстве. Например, одна из разработок института – ориентированные стекла – применяются в спортивных сооружениях, остеклении снегоходов, для ударостойких ограждений при строительстве в качестве защиты от случайных падений с высоты. Во ФГУП «ВИАМ» разработана и полностью введена в производство технология ориентации органических стекол. Эта технология позволила кардинально улучшить конструкционные характеристики оргстекол, повысить надежность и ресурс деталей авиационного остекления при эксплуатации. Способ основан на создании ориентации органического стекла в плоскости расположения макромолекул, в результате чего заметно улучшаются многие механические свойства – ударная вязкость, удлинение [6, 7].

Как выяснилось из анализа отобранных охранных документов, работы в данной области исследований ведутся в следующих направлениях: создание ударостойких прозрачных композиций, придание функциональных свойств создаваемым материалам, повышение эксплуатационных свойств (атмосферостойкости, абразивостойкости, рабочей температуры) создаваемых материалов остекления [8, 9].

Придание ударостойкости достигается при использовании слоистых композиций с ударопрочным лицевым слоем и энергоемкими тыльными слоями. В качестве лицевого слоя используют упрочненное силикатное стекло или прозрачную стеклокерамику (обеспечивается высокий дробящий эффект). Для тыльного слоя используют энергоемкие материалы, такие как поликарбонат, оргстекло с прослойками полиуретана, поливинилбутираль и др. [10]. В патенте [11] описывается способ изготовления многослойного стекла с использованием жидких олигомер-мономерных фотоотверждаемых композиций. Данный способ получения триплекса не требует нагрева, не ограничивает размер изделия, сравнительно низкозатратен. Патент [12] защищает способ изготовления многослойного стекла, склеенного слоями на основе мономеров или полимеров акрилового ряда.

Количество слоев в материале остекления определяется в зависимости от области его будущего применения: в основном материалы остекления содержат от 3 до 8 слоев. Восьмислойная композиция по патенту [13, 14] по количеству слоев может считаться рекордной. В композиции одновременно используются слои силикатного стекла, упрочненного различными способами – воздушной закалкой, травлением и ионным обменом. Одновременно в этой композиции используются токопроводящие покрытия на основе In₂O₃, что обеспечивает возможность эксплуатации композиции при любых погодных условиях.

В ряде патентов описываются многослойные композиции, в которых внешние ударостойкие слои отделены от внутренних энергоемких слоев воздушным зазором, что обеспечивает повышенную бронестойкость композиции за счет снижения энергии ударной волны при достижении энергоемких слоев [15].

Повышение безосколочности и живучести достигается за счет приклеивания тонкой пленки или эластичного слоя с лицевой или тыльной стороны стекла [16]. В ряде патентов описываются способы придания композициям функциональных свойств путем использования поверхностных пленок и специальных тонких слоев для обеспечения защиты от электромагнитного, УФ и ИК излучений, придания электрообогревных свойств. В патенте [17] описывается способ создания проводящего стекла с высокой прозрачностью благодаря использованию тонкого слоя золота для защиты от УФ и ИК излучения. В охранном документе [18] описывается способ изготовления прозрачного блока для самолетного остекления с нанесением на внутренние поверхности разнесенных стекол металлизированной пленки. В патенте [19] раскрывается способ создания остекления, включающего два слоя серебра между двумя слоями диэлектрика из сульфида цинка.

Немаловажным является и способ нанесения пленок. В изобретении [20] предлагается способ ламинирования стекла без помощи автоклава. «Сэндвич» помещается в вакуумный пакет и подвергается воздействию волновой радиации с определенной частотой и энергией (3,94–12,4 эВ). Давление, которое прикладывается постоянно во время нагрева и охлаждения, специфично для реализации соответствующего склеивания. Аналогичные разработки описаны еще в нескольких охранных документах, защищающих способ ламинирования стекла с использованием коротковолнового излучения (10 до 400 нм), нагревающего материал до температуры склеивания, с последующим приложением усилия и отсасыванием воздуха из зоны склеивания [21].

В ряде охранных документов описывают способы повышения абразивостойкости и стойкости к истиранию путем нанесения на поверхность изделий защитных покрытий. В патенте [22] описывается способ получения пленки или листов из поликарбоната для защиты от радиации путем нанесения на поверхность листа покрытия, состоящего из двух слоев (первый слой – для адгезии, второй слой – абразивостойкое покрытие). В охранном документе [23] описывается покрытие для оптически прозрачных материалов (предпочтительно из поликарбоната), обладающих высокой абразивостойкостью и стойкостью к «запотеванию». Состав покрытия: поливиниловый спирт, заполимеризованный (сшитый) с комбинацией нитрата циркония и формальдегида. Несколько изобретений направлено на повышение износостойкости многослойных композиций. В охранном документе [24] описывается покрытие, обеспечивающее высокую устойчивость к истиранию благодаря нанесению на поверхность оргстекла слоя оксида олова или титана, с последующим нанесением на них смеси эмульсий акриловой и полиэтиленовой смол.

Следующим направлением создания многослойных композиций является защита от теплового воздействия. Проблема решается с помощью использования специального состава между лицевым и тыльным слоями, который вспенивается и обеспечивает непрозрачность композиции, повышая таким образом защиту от теплового потока. Так, в одном из патентов рассмотрен способ получения огнестойкого остекления, основанный на включении между слоями стекла вспенивающегося материала на основе гидратированных силикатов щелочных металлов (Na, Li, K). Конструкция обеспечивает герметичность и изоляцию от огня до 120 мин при максимальной толщине стеклянных листов 4 мм.

Ряд патентов направлен на создание легкого специального обрамления, решающего проблему разрушения стеклянной композиции в заделке. Так, в охранном документе фирмы Saint-Gobain представлен способ создания защитной системы, содержащей три прозрачных стеклянных слоя и слой поликарбоната, соединенный клеевой композицией и имеющий выступающие элeменты для заделки силовой конструкции (см. рисунок).

Схема композиции для ударостойкого стекла с обрамлением (3) для закрепления силикатного стекла (1, 4 и 6), а также прослоек из поливинилбутираля (2 и 5), полиуретана (7) и поликарбоната (8)

В одном из докладов, представленном на 17-ой Европейской конференции по разрушению, также описано конструкционное решение, заключающееся в том, чтобы нагрузка, возникающая в процессе эксплуатации, равномерно распределялась с остекления на закрепляющую его конструкцию. Это распределение реализовано путем применения новых контактных амортизирующих вставок, используемых в местах заделки конструкции.

Результаты

В связи с актуальностью проблемы создания защитных ударостойких антивандальных и бронестойких материалов и многослойных композиций на их основе для выбора наиболее перспективных направлений по созданию и организации отечественных производств материалов и изделий остекления для решения наиболее важных практических задач оборонных отраслей промышленности, строительства и народного хозяйства, проведен широкий поиск и анализ охранных документов России и ведущих промышленных стан мира.

Обсуждение и заключения

В результате поиска по рассматриваемой проблеме изучено более 700 охранных документов, из них отобрано 60, на основе которых проведен полный объем патентных исследований и определены наиболее перспективные направления для последующих научных и практических работ. Данная статья включает часть примеров для обоснования перечня выбранных работ.

В результате анализа охранных документов и научно-технической документации выяснилось, что основными тенденциями развития в области ударостойких материалов остекления являются:

– придание ударостойкости, которая достигается путем использования слоистых композиций с ударопрочным лицевым и энергоемким тыльным слоями, при этом защитные свойства композиции обеспечиваются благодаря использованию в качестве лицевого слоя упрочненных силикатных стекол и ударопрочной керамики (обеспечивается высокий дробящий эффект), а для тыльного слоя – энергоемкие материалы (поликарбонаты, органические стекла, эластичные пленки). Немаловажную роль играет способ закрепления стеклопанели в конструкционном узле. Отмечено создание специального обрамления, решающего проблему ударостойкости стеклянной композиции в удерживающей конструкции;

– придание материалу функциональных свойств путем использования поверхностных пленок или специальных тонких слоев, способных обеспечивать защиту от электромагнитного, УФ и ИК излучений. Тонкие электропроводящие слои могут выполнять функции электрообогрева;

– повышение безосколочности и живучести остекления благодаря приклеиванию тонкой пленки или эластичного слоя с лицевой и/или с тыльной стороны. Отмечены различные схемы нанесения бронирующих пленок;

– повышение абразивостойкости и износостойкости обеспечивается вследствие нанесения на поверхность изделия защитного покрытия;

– проблема защиты от теплового воздействия может решаться с помощью использования специального состава между лицевым и тыльным слоями, который вспенивается и обеспечивает непрозрачность композиции, повышая таким образом защиту от теплового и огневого потока.

Благодарности

Авторы выражают благодарность сотрудникам ВИАМ В.Ф. Кораблиной, Г.И. Шатаевой, Е.Д. Ростаниной за большую работу по поиску полного перечня патентов и помощь при обобщении результатов.