一种高速机车用复合式前风挡玻璃及其制备方法与流程

本发明涉及玻璃领域，具体涉及时速350公里以上高速动车用复合式前风挡玻璃及其制备方法。

背景技术：

1、在飞机、火车、汽车和轮船构成的海陆空运输体系中，铁路运输具有运量大，速度快，距离长，成本低、污染小的特点，在与其它运输方式的竞争中逐渐胜出，成为最重要的运输系统；高速铁路能够在更短时间内把大量货物和人员运送到远方，带动铁路沿线、地区甚至全国的经济快速发展，从而成为铁路系统中的佼佼者。到2024年初，世界上已经有25个国家的旅客列车最高运行速度超过240km/h，这些国家的高速列车前风挡玻璃技术水平也处于世界前沿水平。当我国高速列车运行速度低于国外高速列车运行速度时，采用从国外进口前风挡玻璃的方法进行弥补，这些问题并不明显；但是随着我国高铁运行速度逐渐提高并且远超国外时，国外没有现成的具有防火隔热性能的高铁列车前风挡玻璃供我们使用，进口无法解决问题，前风挡玻璃的问题日益凸显。另外，我国高速列车居于世界领先水平后，已经从进口国变为出口国，前风挡玻璃的防火安全成为一个必须解决的问题。

2、目前，用于国内较大部分列车的前风挡玻璃多为普通安全玻璃，无法满足高速机车的防火安全要求，尤其是速度超过350公里/小时的高速机车对安全性的要求。

3、高速机车用前风挡玻璃一般在户外使用，由于现有pvb胶片属于易燃材料，存在防火安全隐患，严重时还会威胁机车的运行安全，影响前风挡玻璃的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于，提供一种高速机车用复合式前风挡玻璃及其制备方法，克服了现有技术中高速机车用pvb胶片在突发火情中无法阻燃的弊端，避免了pvb胶层易燃、出泡、抗冲击强度差等缺点。

2、本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

3、一种高速机车用复合式前风挡玻璃，包括防飞溅层、电热组件、若干个超强化学玻璃层以及粘接层，超强化学钢化玻璃层之间设有粘接层，至少一个粘接层为由pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片制成；所述pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片通过下述步骤制成：

4、步骤1)室温条件下，将k2o·ns io2基预反应纺丝液注入到多通道原位静电纺丝设备中，采用直径为0.8mm的不锈钢针头作为金属喷嘴，覆盖有铝箔的接地不锈钢圆柱体作为收集器，喷嘴与收集器之间的距离为15cm。设置静纺电压为20kv，按照每个通道0.6ml/h的速率，将预反应纺丝液喷丝飞向收集器，在其表面形成非织造布形态的低模数k2o·ns io2基纳米纤维网，其纤维直径为200～600nm，控制喷丝时间可得到不同厚度的低模数k2o·nsio2基纳米纤维膜；

5、步骤2)将k2o·ns io2基纳米纤维膜从铝箔上剥离，均匀放置在两片0.38mm的pvb胶片中间，再在pvb/低模数k2o·ns io2基纳米纤维膜/pvb层合体两边各放置1片0.1mm聚酰亚胺(p i)薄膜，保证pvb与玻璃间的隔离；

6、步骤3)将5mm钢化玻璃/pi/pvb/低模数k2o·ns io2基纳米纤维膜/pvb/pi/5mm钢化玻璃的压合组合体放入连续辊压机进行热压操作。经过第一道辊压(压力0.3±0.1mpa，温度为40±5℃，辊间距为压合组合体厚度88％～92％)热处理后，再经过第二道辊压(压力0.5±0.1mpa，温度为70±5℃，辊间距为压合组合体厚度88％～92％)热处理，最终得到pvb/高模数k2o·ns i o2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片。

7、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

8、优选的是，所述k2o·ns io2基预反应纺丝液是由正硅酸乙酯酸解的二氧化硅溶胶制备得到的，所述二氧化硅溶胶为单峰窄分布、具有核壳结构的纳米颗粒，其核层物质为纳米二氧化硅溶胶及其团聚体，其壳层物质为聚乙烯醇，该纺丝液的表面张力控制在17.50±2.50mn/m范围内，模数控制在4.0～4.5之间，其中，模数为k2o·ns io2中n的值；k2o·nsio2基预反应纺丝液由以下物质组成：正硅酸乙酯18～75份、硝酸0.1～0.5份、去离子水30～120份、聚乙醇醇水溶液(固含量：5wt％；分子量：80000～100000；水解度：85％～90％)50～200份、乙醇2～4份、反应型乳化剂se-10n 1～2份、氨水(20wt％)0.4～1.2份、氢氧化钾(纯度85wt％)4～8份。

9、优选的，前述的k2o·ns io2基预反应纺丝液，以重量份计，其原料由以下物质组成：正硅酸乙酯25～55份、硝酸0.2～0.4份、去离子水45～70份、聚乙醇醇水溶液(固含量：5wt％；分子量：80000～100000；水解度：85％～90％)75～133份、乙醇2.5～3.5份、反应型乳化剂se-10n 1.3～1.7份、氨水(20wt％)0.6～1.0份、氢氧化钾(纯度85wt％)4.5～6.5份。

10、优化的，前述的k2o·ns io2基预反应纺丝液，其中所述纳米二氧化硅溶胶的粒径为70nm～100nm，核壳结构二氧化硅溶胶的核层粒径为50nm～70nm，其壳层厚度为10nm～15nm，其粘度为80～150mpa·s。

11、本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。

12、依据本发明提出的一种高速机车用复合式前风挡玻璃及其制备方法，包括：

13、将正硅酸乙酯、硝酸、去离子水按照18～75：0.1～0.5：30～120的重量配比混合，在室温条件下至少搅拌60分钟，让混合液充分水解，待其形成粒径为40nm～80nm的单峰窄分布二氧化硅溶胶后再搅拌60分钟，制得第一混合溶液；

14、将聚乙醇醇水溶液(固含量：5wt％；分子量：80000～100000；水解度：85％～90％)、乙醇、反应型乳化剂se-10n按照50～200：2～4：1～2的重量配比混合到第一混合溶液，在室温条件下至少搅拌60分钟，让聚乙烯醇均匀包裹在二氧化硅溶胶表面，制得第二混合溶液，其粘度保持在20～80mpa·s范围内；

15、将0.4～1.2份氨水(20wt％)缓慢加入到第二混合溶液中，再室温条件下至少搅拌60分钟，制得第三混合溶液，保证其ph值维持在6～7之间；

16、将4～8份氢氧化钾(纯度85wt％)分步加入第三混合溶液中，确保溶液体系温度在25℃以下，真空消泡60分钟后，制得k2o·ns io2基预反应纺丝液，其粘度保持着在40～210mpa·s范围内。

17、室温条件下，将k2o·ns io2基预反应纺丝液注入到多通道原位静电纺丝设备中，采用直径为0.8mm的不锈钢针头作为金属喷嘴，覆盖有铝箔的接地不锈钢圆柱体作为收集器，喷嘴与收集器之间的距离为15cm。设置静纺电压为20kv，按照每个通道0.6ml/h的速率，将预反应纺丝液喷丝飞向收集器，在其表面形成非织造布形态的k2o·ns io2基纳米纤维网，其纤维直径为200～600nm，控制喷丝时间可得到不同厚度的低模数k2o·ns io2基纳米纤维膜；

18、将低模数k2o·ns io2基纳米纤维膜从铝箔上剥离，均匀放置在两片0.38mm的pvb胶片中间，再在pvb/低模数k2o·ns io2基纳米纤维膜/pvb层合体两边各放置1片0.1mm聚酰亚胺(p i)薄膜，保证pvb与玻璃间的隔离；

19、将5mm钢化玻璃/pi/pvb/低模数k2o·ns io2基纳米纤维膜/pvb/pi/5mm钢化玻璃的组合体放入连续辊压机进行热压操作。经过第一道辊压(压力0.3±0.1mpa，温度为40±5℃，辊间距为压合组合体厚度88％～92％)热处理后，再经过第二道辊压(辊压为0.5±0.1mpa，辊温为70±5℃，辊间距为第一次压合后的压合组合体厚度88％～92％)热处理，最终得到pvb/高模数k2o·ns i o2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片。

20、根据加热需求设计电热丝、输入汇流条、输出汇流条、输入导线及输出导线的用量及布局，在所述第一层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片上布设所述电热丝、输入汇流条、输出汇流条、输入导线及输出导线，将所述输入导线和所述输出导线探出所述第一层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片，得到第一层pvb/高模数k2o·ns i o2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片，利用辊压法制备所述第一层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片。其中，第一层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片为由外至内位置顺序排在第一位的pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片，由外至内指的是高速机车用复合式前风挡玻璃安装在高速机车上时高速机车用复合式前风挡玻璃各个部分相对车厢内外位置关系。

21、先将第一层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片铺放到所述超强化学钢化玻璃上，使所述输入导线和所述输出导线探出所述前风挡玻璃，在第一层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片上铺放第二层超强化学钢化玻璃，再铺放若干层厚度均匀的第二层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片，然后再在所述第二pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片上铺放第三层超强化学钢化玻璃，然后再通过第三层pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片将防飞溅层铺放其上，最后将层叠的所述超强化学钢化玻璃层、pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络胶片及防飞溅层一同放入真空袋中，抽真空；再将上述真空袋放入高压釜，在110～115℃、1～1.5mpa下反应0.5～1.5h，去掉所述真空袋，得到高速机车用复合式前风挡玻璃。

22、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

23、优选的，前述的高速机车用复合式前风挡玻璃，其中所述聚乙烯醇缩丁醛(pvb)胶片的厚度为0.3～1.2mm。

24、优选的，前述的高速机车用复合式前风挡玻璃，其中所述超强化学钢化玻璃的表面应力为500mpa～700mpa，应力层深度30～40μm，厚度为4～8mm。

25、借由上述技术方案，本发明提供的一种高速机车用复合式前风挡玻璃至少具有下列优点：

26、1、k2o·ns io2作为无机固体材料，由于其脆性较大，无法直接挤出、注塑、模压或拉伸成丝状物，同时k2o·ns io2作为无机盐，由于其水溶性较强，无法制备成胶体溶液。本发明利用溶胶凝胶法，借助聚乙烯醇、乳化剂合成具有核壳结构的s io2溶胶，借助聚乙烯醇的空间位阻效应，在室温状态(25℃)下延缓二氧化硅与氢氧化钾的反应，得到k2o·nsio2基预反应纺丝液，再借助多通道原位静电纺丝技术，制备得到不同厚度的k2o·ns io2基纳米纤维膜。

27、2、由于pvb胶片与k2o·ns io2材料之间的相容性较差，无法直接制备pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb结构的复合胶片。本发明借助辊压工艺，将未彻底反应的低模数k2o·ns io2基纳米纤维压入pvb胶片中，形成pvb/低模数k2o·ns io2基纳米纤维/pvb互穿网络层，再经过热压，生成pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb互穿网络层，提高k2o·ns io2基纤维在pvb胶片中的渗透能力，借助互穿网络结构增加了pvb与k2o·ns io2之间的结合力，形成类似钢筋混凝土的增强效果。

28、3、本发明pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb胶片具有阻燃、隔绝火焰蔓延的原因是：与pvb胶片形成互穿网络结构的k2o·ns io2基材料遇到明火后会快速发泡，形成隔热层，阻挡火焰继续穿透胶片，从而保证高速机车背火面玻璃的完整性；pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb胶片的第一层pvb胶片也具有成炭剂的作用，可在高温下炭化形成长链的炭化物，吸收大量热量；而pvb/高模数k2o·ns io2基纳米软质纤维/pvb胶片的第二层pvb胶片由于k2o·ns io2基发泡隔热层的存在不会与明火直接接触，随着时间的推移，这层胶片只会缓慢升温，不会起火燃烧，从而提高机车前风挡玻璃的防火安全性能。

29、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。