Entwicklung eines Verfahrens zur Verbesserung der Langzeiteigenschaften von Verbundgläsern sowie einer Methodik zur eigenschaftsorientierten Bewertung

BMWi IGF 20523 BR | Laufzeit: 02.2019 – 07.2021 Frauke Junghans, Martin Strangfeld, FILK Freiberg; Thomas Voland, Martin Groß, TU BA Freiberg IKGB
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  • Dünnbeschichtungen
  • Verfahren/Prozesse

Ausgangssituation

Verbundgläser (VG) und Verbund­sicherheits­gläser (VSG) finden aufgrund ihrer Eigen­schaften breite Anwendung. So zum Beispiel als flächige oder gebogene Laminate in Front­scheiben (Automobil­sektor), in Solar­zellen (Solar­branche) und im Bausektor. Besonders funktionalisierte Verbunde, in die beispiels­weise LEDs und/oder Solarzellen integriert sind, bieten ein sehr hohes Innovations­potential. Der Sandwich­verbund aus mindestens zwei Glas­scheiben mit mittiger Kunststoff­folie (z. B. Ethylenvinylacetat – EVA oder Polyvinylbutyral – PVB) gewährleistet neben der Transparenz eine hohe Festigkeit und im Schadensfall eine ausreichende Resttrag­fähigkeit. Optimierungs­bedarf bezüglich der Anwendung von VG besteht vor allem hinsichtlich deren begrenzter Lebens­dauer sowie einer unzureichenden Auslegung zur Berechnung der Tragfähigkeit bezüglich des mechanischen Langzeit­verhaltens. Die Lebens­dauer von Verbund­gläsern wird durch den Prozess der Delaminierung bestimmt, welche u. a. durch das Eindringen von Wasser an den Randzonen initiiert wird. Durch die Wasser­quellbarkeit von PVB gelangt Wasser an die Glas-Folien-Grenzschicht und verringert dort die Adhäsion des Verbundes. Dies führt vor allem unter dem Einfluss von mechanischen Spannungs­zuständen zum irreparablen Total­ausfall des Bauelementes. Dies ist im Falle von funktionalisiertem VG sehr kosten­intensiv, da das gesamte Bauteil ausgewechselt werden muss.

Projektziel

Das Projekt beinhaltete zum einen die Optimierung der Lebens­dauer, zum anderen die Ausarbeitung eines Modells zum mechanischen Verhalten von VG. Das Material­modell sollte dabei die verbesserten Verbund­eigenschaften im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik beschreiben und nutzbar machen.

Lösungsweg

Die Material­optimierung wurde über die Oberflächen­behandlung (Plasma­aktivierung und -beschichtung, Entalkali­sierung) des Glases realisiert. Durch das Abscheiden von Schichten bzw. die Aktivierung der Glas­ober­fläche sollte die Grenz­fläche zwischen Glas und Folie für einen hydrolytischen Angriff unattraktiv und ein Versagen aufgrund von Delamination deutlich verzögert werden. Dies floss in die Erstellung des mechanischen Modells ein, bei dem drei Material­bereiche einbezogen wurden: Die Grenz­fläche als Adhäsions­zone, die Glas­komponente und die Kunststoff­folie. Hierbei kamen Alterungs­effekte und viskoelastische Relaxations­prozesse hauptsächlich in der Adhäsionszone und der Kunststoff­folie zum Tragen. Das Modell wurde an planen Geometrien erstellt. Zur Validierung des Modells wurden praxisnahe Belastungs­tests durchgeführt.

Ergebnisse | Nutzen

Da nach der künstlichen Bewitterung der Glas-Folie-Verbunde keine visuellen Veränderungen ermittelt werden konnten, erfolgten Zug- sowie Torsions­prüfungen. Folgende Ergebnisse konnten dabei erfasst werden (Abb. 1):

  • Glas/EVA/Glas-Verbund

    • leichte Festigkeits­steigerung (z. B. nach HMDSO-Plasmabeschichtung, Entalkalisierung)

    • keine signifikante Verbesserung der Festigkeiten nach Alterung

  • Glas/PVB/Glas-Verbund

    • bei Oberflächenmodifikation ähnliche Anfangsfestigkeiten nach Lamination wie bei unbehandeltem Glas-Folie-Verbund

    • deutlich höhere Restfestigkeit bei Oberflächenmodifikation (vor allem Plasmaaktivierung und Plasmabeschichtung mit HMDSO) nach Alterung

    • Oberflächenmodifikation hat deutlichen Einfluss auf Alterungseffekte und damit auch auf die Langzeitbeständigkeit

Die Eignung grundlegender Untersuchungen zur modell­technischen Abbildung von Glas­struktur­verbunden durch multi­direktionale Belastungs­tests konnten modellseitig nur teilweise abgebildet werden. Die gewonnenen Ergebnisse geben Aufschluss über die Eignung der Untersuchungs­methoden zur Abbildung der Belastungen im System.

   

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Danksagung

Das IGF-Vorhaben 20523 BR der Forschungs­vereinigung „FILK Freiberg Institute gGmbH“, Meißner Ring 1-5, 09599 Freiberg wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemeinschafts­forschung und -entwicklung (IGF)“ vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.

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