ガラス

日付: 2023 年 1 月 11 日

著者: ロバート・ゲッツィンガー、マクシミリアン・ヒル、サミュエル・シャベル、イェンス・シュナイダー

ソース：ガラス構造とエンジニアリング6巻、119 ～ 128 ページ (2021)

土井：https://doi.org/10.1007/s40940-020-00144-4

この論文では、紙とガラスを積層体として組み合わせるさまざまな方法と、透明性への影響を検証します。 この文脈におけるラミネートとは、接着剤で結合されたガラスの層の間に挟まれた紙の層を意味します。 透明性と半透明性に関連するガラス紙ラミネートの可能性を研究するために、さまざまな種類の紙と接着剤が使用されました。 これらのラミネートは、建築構造、安全ガラス、プリントエレクトロニクスなどに応用できる可能性があります。 さまざまな接着剤や紙を使用したところ、エポキシが透明性の点で最高であり、最も効果的に接着することが定性的証拠によってわかりました。

持続可能性の目標を達成するには、再生可能資源の使用を増やすことが重要です。 再生可能でリサイクル可能な資源を使用して建築できるようにする技術を開発し、新しい方法や材料を発見することは、継続的な成長にとって重要な要素になります。

紙は望ましい建築材料です。 重量に対する剛性の比率が高く、再生可能な資源である木材を使用して製造できます。 そのため、ダルムシュタット工科大学では「BAMP! Building with Paper」プロジェクトが 2017 年から実施されています。この学際的なプロジェクトの枠組みの中で、紙を建築材料として利用できるようにするための基礎が作られています。 このプロジェクトの最初の事例研究（Kanli et al. 2019）などでは、紙が建築材料として確立される大きな可能性を秘めていることがすでに示されています。

ガラスは自然に透明な素材であり、剛性が高く、耐摩耗性もあります。 ガラスは建設や建築で使用されることが増えており、さまざまな用途向けに絶えず開発が進められています (Schneider et al. 2016)。

紙は長期的には建設業界での地位を確立する素材ではありますが、湿気に敏感で耐久性のある接合技術という紙の固有の弱点を克服するには、依然として基礎研究と基準が必要です。 紙を組み込んだガラス積層板を作成する取り組みの目的は、紙を湿気などから保護することです。 その一方で、紙は日よけ用途、鳥よけガラス、インテリアデザインに至るまで、ガラスシートの用途の数と多用途性を高めます。 紙に統合されたプリンテッドエレクトロニクスやセンサーなどの機能紙も考えられます。 もう 1 つの動機は、紙ガラス積層板の (結果として得られる) 材料特性を使用して、まったく新しい用途につながる可能性のあるこれらの複合材料の可能性を明らかにすることです。 複合材料中の紙を適切に機能化することによって、そのような積層体のリサイクル性を改善することも考えられる。

この論文の最初の目的は、ガラスと紙の積層板を製造する適切な方法を見つけることです (図 1)。 第 2 ステップでは、このような積層体のさまざまな組み合わせの特性を調査することになりました。 試験片の透明度を紙のショッパー・リーグラー (SR) 値に関連付けることにより、試験片の透明度に注意が払われました。 さらに小さなデモンストレーションを使用して、透明性と半透明性に影響を与えるさまざまな紙質のラミネートの特性を示します。 この調査結果は、ガラス紙ラミネートのトピックをさらに深く掘り下げるための入門として使用されます。

紙とガラスは非常に一般的な材料であり、さまざまな業界で非常に広く使用されています。 しかし、サンドイッチラミネートの形でガラスと紙をラミネートしてガラス・ペーパー・ラミネート（GPL）を作成することは、比較的未開発の領域です。 ただし、ライスペーパーを使用したガラス紙ラミネートはインテリアデザイン用途に使用されます (Maxlen 2020)。 紙が GPL の透明性にどのような影響を与えるかを理解することが、論理的な出発点となります。 この論文の目的は、さまざまな接着剤と紙のグレードが紙の透明性に及ぼす影響を判断することです。

紙とガラスを接着するという基本的なアイデアは新しいものではありません。 ポリビニルブチラール (PVB) またはエチレン酢酸ビニル (EVA) を使用して 2 枚のガラスの間にライスペーパーを貼り付けるのが一般的です (Verrage Glass and Mirror Inc. 2015)。 ボトルや瓶のラベルは、日常生活におけるガラスと紙の接着の良い例です。 ガラスにラベルを貼り付けるためのさまざまな接着システムが多数あります。 現在の課題の難しさは、透明で耐久性があり、耐荷重性のあるサンドイッチ構造を製造するという目的から生じています。 美観に関する主な目標は、空気混入を含まない GPL を作成することです (Wünsch 2017)。

製紙業界では、紙管からより複雑な波形構造に至るまで、さまざまな用途の接着剤としてケイ酸ナトリウム接着剤、つまりウォーターガラスが使用されています。 リュブケら。 は、同等のレイアウトを選択し、接着剤としてケイ酸ナトリウムを使用してガラスと紙のハニカムパネルを組み合わせました（Lübke et al. 2018）。 水ガラスやその他の分散接着剤は、たとえばペーパーコアの製造に使用されます (Herzau 2013)。 広く使用されている分散型接着剤であるポリ酢酸ビニル (PVAc) は、ボール紙と段ボールのラミネート、封筒、段ボール箱、折り畳み箱、袋、袋、スリーブ、雑誌、書籍の製造に使用されます (Brockmann et al. 2005) ）。 PVAc は、典型的な木工用接着剤のベースでもあります (Henkel 2017)。

このような木工用接着剤 (Henkel 2017) は、BAMP! の参照接着剤としても選ばれました。 プロジェクト。 この接着剤は、その広範な入手可能性と品質により選択されました。 表面にのみ残るか、紙の構造に深く浸透するように塗布できます。 この接着剤は、乾燥した状態でも湿った状態でも優れた接着強度を誇ります。

PVB は、建設や自動車産業などの分野で合わせガラスに使用される一般的なポリマー材料です (Kuntsche et al. 2019)。 安全性を向上させ、光学的透明性を維持するために、フロートガラス間のラミネート接着剤として使用されます。 PVB は、フォイルの形または液体の形で購入できます。 ホイルは使いやすいため、最も頻繁に使用されます。 フォイルは、所望の表面全体に PVB を均等に分散させることができるため、優れています (Zhang et al. 2015)。

エポキシ樹脂と硬化剤を組み合わせると、良好な機械的、化学的、熱的特性を備えた不可逆的な熱硬化性化合物が得られます。 エポキシは、高圧電気絶縁体、LED を含む電子機器、接着剤など、幅広い業界で使用されています (Wünsch 2017)。 エポキシ樹脂は、軽量建築材料として紙と並行して研究されています。 これらの作品は、Kröling の作品に基づいています (Kröling 2017)。

実施された実験では、SR 値に関して使用される紙の種類、使用される接着剤の種類が変更され、手組み立てから工業用ラミネート プレスに至るまでのさまざまな種類のラミネート技術がテストされました。

ガラス

実験では 3 つの形状の平板ガラスを使用し、すべて直方体でした。 1 つ目は、公称厚さ 10 mm、端の長さ 95 mm のソーダ石灰シリカのフロート ガラス板でした。 2 番目に、入手が容易なソーダ石灰ガラスの顕微鏡スライド (Glaswarenfabrik Karl Hecht GmbH & Co KG 2020) (76 mm x 26 mm x 1.2 mm) を使用して、フルラミネートを作成しました。 第三に、薄いガラス積層板をシミュレートするために、顕微鏡スライド カバー (24 mm x 32 mm x 0.13 ～ 0.17 mm) が使用されました。 平面度は測定しておりません。

接着剤

さまざまな結合剤をテストしました。 テストされた接着剤には、水、PVAc (Ponal Classic (Henkel 2017))、ケイ酸ナトリウム (水ガラス、液体) (Panreac 2011)、エポキシ (樹脂 L-285、硬化剤 LH-287)、PVB フォイル (Eastman 2015) および 10% PVB が含まれます。メタノール溶液（大学の研究室で作成）。 まず、ファンデルワールス力が有用な機械的接着を提供するかどうかを判断するために水を選択しました。 試験中は標準的な水道水を使用しました。 次に、リサイクル可能で再生可能な接着剤の選択肢として PVAc が選択されました。 第三に、接着剤として業界で広く使用されているため、結合剤としてケイ酸ナトリウムが選択されました。 第 4 に、PVB はガラス積層用の業界標準の接着剤であるため、PVB を使用したテストが実行されました。 この目的のために、液体の方が紙に吸収されやすいと仮定して、紙ホイルと液体 PVB がテストされました。 最後に、エポキシは蒸発ではなく化学反応の結果として硬化するため、エポキシがテストされました。

繊維と紙

紙の透明性を示す 2 つの強力な指標は、紙の組成と使用される繊維の品質です。 コピー用紙には鉱物充填剤が含まれています。 これらにより紙が不透明になります。 繊維とは異なり、鉱物フィラーは、紙に別の物質を含浸させても透明になりません。 対照的に、透明紙にはミネラルがほとんど含まれておらず、繊維を高度に叩解することで、必要な透明性を実現できます (Reinhold et al. 2015)。 したがって、文具店で一般的に販売されている標準的なコピー用紙 1 枚と標準的な透明紙 1 枚を調査対象に含めました。 前述の 2 つの紙は同様の坪量範囲内にあります (コピー用紙 80 g/m2、透明紙 90 g/m2)。 詳細なデータは、結果セクションの表 3 にあります。 値は表 1 に示す基準に従って測定されました。

表 1 試験とその規格の一覧 -フルサイズのテーブル

前述したように、透明紙の繊維は高度に叩解される可能性があります。 繊維の叩解は、ショッパーリーグラー単位 (SR) で測定されるフリーネスに影響します (フリーネスはパルプの排水挙動の尺度です)。 もう 1 つの重要な要素は繊維の長さです (Reinhold et al. 2015)。 工業用紙の製造からの影響を排除するために、DIN EN ISO 5269-2 規格に従って 2 種類の実験用等方性ハンドシートが製造されました。 透明度に対する低い SR 値と高い SR 値の影響を観察するために、ユーカリ パルプと 2 つの異なる叩解度が使用されました。 最初に、パルプをVOITH LR40実験室用リファイナーで解繊し、フリーネス28 SRまで叩解した。 シートの 2 番目のセットでは、パルプが 80 SR のフリーネスに達するまで、バレービーターを使用してさらに叩かれました。 Valleybeater は、ゆっくりとした穏やかなビートを保証します。 パルプは繊維分析装置でさらに特性評価されました。 データは表 2 から取得できます。

表 2 実験室で製造された紙のパルプ特性の比較 -フルサイズのテーブル

一連の実証論文も作成されました。 これらの文書はこの文書の主な焦点ではなく、テストされていませんが、この技術の将来にとって重要なマイルストーンとなります。 3 つの異なるデモンストレーション ペーパーは、Götzinger と Schabel が (Götzinger and Schabel 2019) で説明した実験用シート フォーマーで作成されました。 3 つすべては、フリーネス約 26 SR のノーザン漂白針葉樹クラフト (NBSK) パルプから製造されました。 精製は、VOITH LR40 実験用リファイナーでも実施されました。 最初の紙は、紫外線下で繊維の配向を評価するために使用される蛍光染料で染色された繊維を 0.3% 含むパルプのみから製造されました (図 5 を参照)。 紙の坪量は６０ｇ／ｍ ２ であった。

2 番目の紙には 1% の再生炭素繊維が含まれており、坪量は 30 g/m2 でした (図 6 左を参照)。 3 番目の紙は 3 つのストライプで構成されます。 左側の外側のストライプは黒色の繊維で構成され、中央のストライプは一部が白と一部が青色の繊維で構成され、右側の外側のストライプは白色の繊維で構成されています（図 6 右を参照）。 各ストライプの目標坪量は 50 g/m2 でした。 繊維方向を制御して紙を製造できることは、上記の実験用シート成形機の特別な機能です。 一方向の繊維配向を持つ紙は、プロジェクトの目標に応じて必要に応じて補強できる可能性があります。

ラミネート加工

紙をガラス基板に接着するために 4 つのさまざまな戦略が使用されました。

最初のテストでは、試験片を硬化させる最適な温度を決定するために、チームはさまざまな温度でサンプルをテストしました。 水、PVAc、およびケイ酸ナトリウムは 23 °C、60 °C、106 °C、および 143 °C で硬化しました。 すべての試験片は少なくとも 24 時間乾燥させました。 試験片には大きな圧力は加えられていませんでしたが、紙がカールするのを防ぐために、同様のサイズと形状の 2 番目のフロート ガラス板を積層の上の基板に配置しました。 シリコン紙の層により、紙と 2 番目のフロート ガラスの間の貼り付きが防止されました。 シリコンペーパーと第２のガラス層の両方を除去した。

2 番目の戦略では、フロート ガラス基板、接着剤含浸紙、シリコン シート、および 2 番目のフロート ガラス板で構成されるガラス紙とトップのガラスサンドイッチに油圧プレスで 9.8 MPa の圧力を 5 分間加え、平坦性を確保しました。 試験片をプレスから取り出し、60 °C のオーブンに 24 時間入れました。

3 番目の戦略は、真空バッグを使用することでした。 この方法を使用して塗布された接着剤は、化学反応によって活性化されるエポキシとしてのエポキシ樹脂であり、空気にさらす必要がありません。 適切なサイズの真空バッグには、基板が貼り付けられた両面粘着テープを備えた鋼板が含まれていました。 エポキシを混合し、真空アタッチメントを備えたデシケーター内に置きました。 気泡を除去するために、デシケータ排気を５分間で３回行った。 所定のサイズに切断された紙セグメントは、基材上に配置される前に両面にエポキシ コートが施されます。 次に、この構造の上部に 2 番目のガラス セグメントを配置し、テープを使用して所定の位置に固定しました。 袋が潰れて真空が遮断されないように、呼吸用ティッシュストリップを各標本の横に置きました。 Leybold DIVAC 2.4L 真空ポンプで 5 分間ずつ 3 回真空を適用しましたが、圧力は測定されませんでした。 真空排気後、サンプルを 60 °C のオーブンに入れて 24 時間硬化させました。

刷毛で塗布する際の紙内の気泡の問題に対処するために、最初に紙を樹脂に浸し、両方をデシケーター内で一緒に真空にしました。 次いで、積層体を上記のように準備し、真空を約１時間適用した。

4 番目の戦略には、ラミネート機 Lamipress Vario (Fotoverbundglas Marl GmbH 2020) と PVB の使用が組み込まれています。 PVB は樹脂接着剤であり、硬化温度は 100 °C を超えます。 組み立てられた試験片は大きなシリコンシートの間に置かれ、気密シールが形成され、真空バッグとして機能します。 ここでも、真空アタッチメントから試験片の位置までブリーザー組織を使用しました。 次に、このアセンブリを気密ボックスに入れました。 Lamipress はまず、シリコン カバーの下からすべての空気を 40 °C で 20 分間、-0.90 bar まで排気します。 温度を 150 °C に上げ、ボックス内に 1.0 bar の圧力を 20 分間加え、真空を -0.50 bar に保ちます。 その後、ラミプレスは真空領域の圧力を均一にし、システムは室温まで冷却されます。 フォイル PVB を使用してテストする場合、2 つの構成がテストされました。 1 つ目は、基板と紙の底部の間に PVB の 1 つのセグメントを使用しました。 2 番目の方法では、紙の両側、ガラスの間で 2 つのセグメントを使用しました (図 1 を参照)。 液体 PVB を含むサンプルの場合、エポキシ樹脂サンプルと同様に、紙にブラシを含浸させました。

紙の性質

予想通り、透明度の結果 (表 3) は、SR 値の増加に伴って透明度が増加することを示しています。 SR 値が 28 の Euka 28 は、SR 値が 80 の Euka 80 よりも透明度が 16.09% 低くなります。Vallybeater は、叩解中にパルプの繊維をフィブリル化し、よりスペース効率の高い方法で繊維を構築できるようにします。 これは、表 2 に示すように、繊維幅が広くなり、ろ水度が増加するとフィブリル化率が高くなることで確認されます。厚さの測定値を観察すると、SR が高い紙の厚さは 89.5 μm であり、これは紙よりも 46.2 μm 薄いことがわかります。 SR 値が低い、厚さ 135.7 μm の紙。

表3 各種紙物性の試験結果 -フルサイズのテーブル

コピー用紙は、525 °C と 900 °C の両方で、テストした他のすべての用紙よりも灰分が大幅に高いことに注意してください。 透明紙とユーカシートの両方の灰分含有量は 2.5% 未満です。 この分析の目的のために、透明紙は Euka 80 および Euka 28 実験用シートと比較されます。 最も透明度の高い紙は、値が 76.85% の透明紙でした。 これは、Euka 28 の 37.65% のおよそ 2 倍、Euka 80 の 21.56% の 3 倍です。 表 4 は、透明度と紙の厚さの間に反比例の関係があることを示しています。 紙が薄いほど透明度が高くなります。 透明紙の透明度は最も高く、75.35μmの紙の中で最も薄い紙でもあります。 比較すると、Euka 80 は 135.7 μm、Euka 28 は 89.5 μm です。

表 4 表 3 のデータのグラフ表示 -フルサイズのテーブル

ラミネート

ラミネートに関する詳細な機械的および経年変化の調査はまだ行われていないため、ラミネートに関するすべての結果および結論は定性的であり、観察に基づいています。

水の使用は、水が完全に蒸発し、どの温度でもすべての結合が簡単に壊れてしまうため、すべてのラミネートの中で最も効果が低かった。

水ガラスとポリビニルアセテートを接着する際、乾燥プロセス中に問題が発生しました。 両方のガラスが紙を覆っているため、水が逃げるのは非常に難しく、時間に大きく依存することになります。 一貫性のない乾燥により、紙に目に見える応力パターンも生じました。 定性的結果は、60 °C で最良の結果が得られたことを示しています。 温度が低いと硬化に非常に長い時間がかかりました (1 週間以上)。 油圧プレスを使用しても、基材と紙の間の気泡の数とサイズはあまり減少しませんでした。 また、接着力も著し​​く向上しませんでした。 印刷機を使用すると、ほとんどのテストで紙が分離しました。 温度が高くなると、PVAc とケイ酸ナトリウムが変色しました。 したがって、水ベースの溶液についてはそれ以上検討しませんでした。

溶液中の PVB とエポキシ接着剤の使用が最も効果的であることが示されています。 PVB フォイルは溶けても紙に十分に浸透しません。 1 層のラミネートのみを使用することはできませんが、2 つのガラス表面に十分な接着力を提供するには、紙の両面をホイルで覆う必要があります。 エポキシと液体 PVB は、紙の小さな孔に浸透できるため、気泡の発生を最小限に抑えるという点で最良の結果を示しました。 気泡は光学品質と積層板の構造に影響を与えます。

ラミプレスプロセスは、サンプルの清浄度、均質性、およびサンプル内の気泡形成の少なさに関して、常に最高の結果をもたらしました。

図 2 は、コピー用紙とさまざまな接着剤を使用したラミネートの比較を示しています。 接着剤によって透明性が大きく左右されることが分かりました。 エポキシ樹脂を使用すると、コピー用紙の透明度の測定値から予想されるよりもはるかに透明になります。 液体 PVB であっても、わずかな透明性が見られます。 透明性の向上は、PVB フォイルを使用した場合の浸透性の悪さと比較して、液体接着剤の紙への浸透性が良好であることによって説明できます。

予想のとおり、完成したラミネートの透明度は、透明紙を使用した場合に最も高くなります (図 3)。 ここで、液状接着剤および接着箔はいずれも高い透明性を示す。 エポキシ樹脂を使用すると画像が最も鮮明になります。

上で説明したのと同じ観察は、実験用紙 Euka 28 についても行うことができます。驚くべきことに、図 4 では、紙 Euka 80 を使用したラミネートは、Euka 28 を使用したラミネートよりも透明度が劣っています。ラミネートプロセスにより、得られた特性とは異なる特性が得られるかどうか紙の測定値からはさらなる調査が必要です。

最初の定性的な光透過測定は、ここで説明した結果を純粋に視覚的な観察によって確認します。 信頼性の高いデータを作成し、境界効果を排除するには、さらに大きな寸法のサンプルを作成する必要があります。

すべての観察について、積層体の厚さとの相関関係を考慮し、さらなる実験で定量化する必要があります。

図 5 は、トレーサー繊維が組み込まれた高配向紙のラミネートを示しています。 画像の上部では、テキストに対する良好な透明度が見られます。 黒い背景と比較すると、繊維も色も見えません (中央) が、UV 光をオンにすると (下)、色の付いた繊維がはっきりと見えます。 これらの繊維は、このようなガラス紙積層体の中間層に挿入できる任意の機能化の一例です。

図 6 の左側は、カーボンファイバー紙を使用した結果を示しています。 黒色のカーボン繊維にもかかわらず、良好な透明性を維持します。 繊維はほんの少しだけ見えます。 必要に応じて、視覚的に邪魔にならない範囲で炭素繊維の割合をさらに増やすことができます。 右側に示す色とりどりの紙では、黒い帯の中に紙のワイヤーの跡が見えます (画像では黒い帯が濃い青色に見えます)。 それらは気泡の形成を引き起こし、視覚的な印象を乱します。 鮮明な画像を取得するには、プロセスを最適化する必要があります。 それにもかかわらず、ここでは、新しく開発されたシート形成機からの紙を使用する可能性が存在することをうまく実証することができます。

透明性と半透明性に関連するガラス紙ラミネートの可能性を研究するために、さまざまな種類の紙と接着剤が使用されました。 使用された接着剤には、ポリ酢酸ビニル (PVAc)、ケイ酸ナトリウム、エポキシ、ポリビニル ブチラール (PVB) が含まれていました。 熱可塑性または化学反応によって活性化される PVB およびエポキシ接着剤の使用が最も効果的であることが判明しました。

最先端技術で説明されているように、PVB は通常、箔として使用されます。 しかし、結果は、ガラスと紙の間に箔を使用すると、紙への十分な浸透が得られず、したがって接着力が低下することを示している。 したがって、PVB は液体の状態で使用することをお勧めします。 次のステップの 1 つでは、紙自体に最初に液体 PVB を事前含浸し、乾燥させ、その後溶解して箔の機能を引き継ぐことができるかどうかがテストされます。 従来のプロセスと比較して、これには PVB 材料を節約できるという利点もあります。

GPL では、透明性と半透明性の特性が、紙と接着剤の適切な選択によって影響を受ける可能性があることが示されています。 これは、建築用途や温室でも光の入射を制御するために使用できます。 光の入射は、図 6 の右側に示すように、異なる透明性と半透明性の特性を持つ積層板を巧みに組み合わせたり、シフトしたりすることで、具体的に制御できます。

ガラスは、GPL 内の紙の層を外部の影響から保護します。 もちろん、ラミネート前に紙に塗布されるものすべてに同じことが当てはまります。 紙に印刷する技術は非常に成熟しており、多くの可能性を提供します。 純粋に美的目的のための印刷に加えて、プリンテッドエレクトロニクスなどの機能的な印刷も考えられます。 紙ベースのセンサーをガラスに組み込むことも可能かもしれません。 これらすべてについてはさらなる調査が必要です。

さらに、次のステップでは、繊維がガラスの亀裂を橋渡しできるかどうかを確認する必要があります。 これは、合わせ安全ガラスに適用できる可能性があります。 ここでは、炭素繊維などの合成繊維と紙繊維のブレンドに大きな可能性が見出されます (図 6 左)。 このためには、機械的特性と破壊機械的特性を正確に考慮する必要があります。

ガラスと紙の積層に利点がある最初のアイデアは、合わせガラスのリサイクル性を向上させることでした。 したがって、ラミネートを再度分離する方法を見つけるには、さらなる研究が必要です。 解決策のアプローチでは、紙の繊維の機能化に可能性が見られます。

データはダルムシュタット工科大学の PMV で入手できます。

この論文の著者は、Lamipress に関してご協力いただいた Marcel Hörbert (ISMD) に感謝の意を表します。 また、実験とテストの実行にご協力いただいた Nicole Panzer (PMV)、Andreas Striegel (PMV)、Michael Drass (ISMD)、および Matthias Seel (MPA-IfW) に感謝いたします。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセス資金調達。

著者と所属

製紙技術および機械プロセス工学研究所、ダルムシュタット工科大学、64283、ダルムシュタット、ドイツ - Robert Götzinger、Maximillian Hill、Samuel Schabel

ダルムシュタット工科大学構造力学および設計研究所、64287、ダルムシュタット、ドイツ - イェンス・シュナイダー

対応する著者

ロバート・ゲッツィンガーへの手紙。