不同状态下PVC膜材的拉伸性能及机理研究

不同状态下PVC膜材的拉伸性能及机理研究
叶湖水1,任忠海1,严云峰2
(1 广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心,广州510000;2 中国科学院兰州化学物理研究所固体
润滑国家重点实验室,兰州730000)摘要  近几十年膜材本身的性能和它在建筑学方面的应用一直是材料学家和设计者们研究的热点。主要对PVC膜材进行多种处理,通过测试拉伸条的断裂强度来讨论膜材的各向异性,以及对折、酸雨浸蚀对材料拉伸性能的影响,并且进行了相关机理的分析。
关键词  PVC膜材 各向异性 折叠次数 酸雨中图分类号:TU383;TU353     文献标识码:A
Research on Mechanism and Tensile Prop
erties of PVC MembraneMaterial Under Different 
ConditionsYE Hushui 1,REN Zhonghai 1,YAN Yunfeng
(1 Inspection and Quarantine Technology Center,Guangdong Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau,Guangzhou 510000;2 State Key Laboratory of Solid Lubrication,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy 
of Sciences,Lanzhou 730000)Abstract  In recent decades,the performance of the membrane material and use of the membrane structure inarchitecture are gratefully acknowledged by materials scientists and designers.The PVC membrane material was trea-ted with different approaches,then the anisotropy of membrane material was discussed by testing the tensile fracturestrength.With the same principle,the effect on tensile properties after being fol
ded,corroding in acid rain,and the re-levant mechanism were 
studied.Key 
words  PVC membrane material,anisotropy,folding frequency,acid rain 叶湖水:
男,1965年生,高级工程师,主要从事进出口纺织品研究与测试 Tel:020-38290421 严云峰:男,1986年生,硕士,主要研究方向为功能复合材料 Tel:0931-4968078 E-mail:yyf@licp
.cas.cn  膜结构涂层材料是一种新型的建筑材料,
是以张拉体系与高强度柔性膜结构纺织材料相结合,主要是由玻璃纤维织物与合成纤维织物经过聚合物涂层以及特殊整理形成的具
有一定刚度的空间结构体[1-3]
。它与钢铁、水泥、玻璃、木材
并称为五大建筑材料。随着科学技术的不断发展,膜结构涂层材料作为新一代建材的代表,越来越受到国内外建筑学家
的广泛关注。2003年,D.Big
aud等[4]
研究了单轴向和双轴向织物增强柔性复合材料的中缝撕裂性能,
得到两种断裂模式的影响因素以及裂缝方向与撕裂性能之间的关系;2004
年,H.Abdul 
档案管理方法Razaka等[5]
对热带环境下涂层织物的性能进行了研究,将PVC和PTFE涂层织物暴露于室外2年后研
究其性能变化情况;2007年,J.B.Parg
ana等[6]用材料模型对张拉织物结构中涂层织物进行了模拟,得到了更高的精度和
可靠性;2008年,Kyoung 
Ju Kim等[7]利用DMA研究了涂层织物膜材偏离其经向0°、45°和90°三个方向上的蠕变性
能,得到试样偏轴方向上的蠕变性能;2009年,C.Galliot
等[8]
通过有限元分析研究了PVC涂层聚酯织物的双轴向拉
斩波调速器伸性能,用一种简单的模型对其非线性进行了描述;2012年,
B.Bridg
ens等[9]
通过模拟计算,在结构设计上提出了新的想法;2013年,P.D.Gosling等[10]
经过长时间的实验和计算又
对膜结构的承受风雪载荷做了一个翔实的分析,
为今后在实际建造中提供了很有利的理论基础和计算模型。除此之外,国内也有很多学者一直对膜材有浓厚的兴趣,如复旦大学的
杨振国教授[11,12]
,他的团队将盱眙的凹凸加入到涂层材料的
合成中,极大地加强了PTFE膜材的拉伸性能,
原煤分级筛取得了国际认可。同济大学土木工程学院的张其林教授[
13,14]
主要研究膜材的物理特性、力学特性,建筑膜结构的形分析和裁剪分析、膜结构设计软件等工程应用。天津工业大学的顾振亚
usb mass
教授[15]
多年致力于研究膜材的防污自洁性能,并取得了一定
的进展。他们采用低温等离子体处理和紫外线引发接枝相结合的方法制备具有防污自洁功能的建筑膜
材,其表面接触角可达150°,滚动角小于5°。虽然膜材在制作工艺和原材料选择上的技术流程已较为成熟,
但是在后期的保存和使用过程中仍存在一些问题。本研究将通过测量不同条件下膜材的拉伸强度,分别来解释说明PVC膜材的各向异性、折叠次数对使用寿命的影响,以及酸雨对材料的浸蚀性。
1 实验
1.1 实验材料
实验样品为广东检验局提供的PVC涂层建筑膜材料,
·
912·不同状态下PVC膜材的拉伸性能及机理研究/叶湖水等
基布为高强玻璃纤维,结构为巴拿马组织[16]。
1.2 样品制备
所有样品在实验前均在温度为25℃、湿度为65%的恒温恒湿箱内经过24h预处理。按照GB/
T 1040制成哑铃型样品进行拉伸实验,所有实验数据记录均发生在有效断裂部位,拉伸速度为20mm/min,预应力为10N。
1.3 实验仪器
采用法国原装DY35-2T万能材料试验机测试样品的拉伸强度,采用JSM-5601LV扫描电子显微镜观测样品的形貌,采用PB-10pH计调节酸雨pH值。
2 结果与讨论
膜材的拉伸断裂可以分为3个阶段:第一阶段为高模量区,膜材内织物的纱线及纤维因弯曲变化引起摩擦力,这一阶段是时间最短的;第二阶段为低模量区,受力方向的纱线弯曲变小而垂直受力方向的纱线弯曲增大,以及纱线交织点的压缩;第三阶段为高模量区,受力方向的纱线基本伸直,主要为纱线及纤维的伸长和滑移。膜材的力学性能主要取决于基布的力学性能,膜材受拉伸力作用时,主要是由于基布受力其纱线被拉断而破坏。在拉伸开始时,基布中纱线和纤
维从弯曲变成伸直,并且压迫非拉伸方向的纱线,在拉伸过程中,受力方向的纱线和纤维开始伸长、变细,织物变薄,试样结构变单一,垂直拉伸方向的纱线由于切向滑动阻力的作用,两边的纱线逐渐向里凹,使织物呈现“束腰形”,最后受力方向上纱线逐根断裂,使整个膜材被破坏[17]。
2.1 各向异性
通过对5种不同材料经纬方向的拉伸性能进行测试(表1),发现在纱线经纬密度相差不大的情况下,断裂强力方面,经向要大于纬向,但在断裂伸长率方面,纬向要大于经向。目前国内外大多数的膜材生产厂家,在整个膜材基布的织造及涂层加工过程中,始终只有经向受到张力作用,纬向只有在塑化过程中才受到张力作用,经向的纱线比纬向的纱线的伸直状态好,经向的纱线强力利用率高,使经向拉伸断裂强度大于纬向,而纬向的纱线处于弯曲状态,因此伸长率则是纬向大于经向。为了减小经纬之间拉伸强度和伸长率的差异,法拉利公司采用了其专利技术(即法拉利Precontraint预应力技术),该技术的核心内容是基布从退卷到表面防污处理前,整个涂层过程中经向与纬向始终持续地受到均匀张力拉伸作用,这种双轴向张拉使得基布在经纬两向均匀受力,从而使经纬两向的延伸率差别大大下降。
表1 不同种类材料经纬两向拉伸性能的测试
Table 1 The determination of tensile properties in warp-wise or across warp with different types membrane materials序号宽度/mm厚度/mm最大载荷力/N拉伸强度/MPa断裂伸长率/%
经向1#6.5 0.82 835.217 156.701 70.6522#6.5 0.39 226.893 89.504 55.5573#6.5 0.47 329.196 107.756 62.7494#6.5 0.49 281.054 88.243 40.7915#6.5 0.44 337.893 118.144 54.144
纬向1#6.5 0.82 663.313 124.449 97.7242#6.5 0.39 190.354 75.090 63.6063#6.5 0.47 255.962 83.785 58.0004#6.5 0.49 242.667 76.191 59.4255#6.5 0.44 273.633 95.676 60.087
  除了经纬两向有明显差别外,对于同一膜材,不同角度裁剪的拉伸条所得到的拉伸强度和断裂伸长率也存在明显的不同[18,19](表2)。
表2 同一材料不同角度裁剪的拉伸性能测试
Table 2 The determination of tensile properties for thesame membrane material in different angles
与经线夹角宽度
mm
厚度
mm
最大载
荷力/N
拉伸强度
MPa
断裂伸
长率/%
0°6.0 0.47 240.091 85.139 46.96430°6.0 0.47 91.264 32.363 69.28745°6.0 0.47 77.586 27.513 83.83960°6.0 0.47 93.852 33.281 75.75090°6.0 
0.47 197.707 70.109 49.983
  PVC膜材在0°(经向)时的拉伸强度最大,断裂伸长率最小;45°时的拉伸强度最小,断裂伸长率最大;其他角度的测试结果均介于这两者之间。0°和90°膜材的应力-应变曲线呈典型的三段式,即线性阶段、变形强化阶段和应力强化阶段,并呈现明显的屈服点,而其他方向上由于剪切力的存在无此特征。在拉伸断裂机理方面,0°和90°属于单纯拉断破坏,其所有纤维均在同一位置断裂,断口与加载方向垂直;45°属于剪切型破坏,是在面内剪应力的作用下,纤维一次性从机体中抽拔出来以致材料断裂;30°和60°属于拉剪混合型破坏,是在拉应力与剪应力共同作用下使得一部分纤维被抽出,另一部分纤维被破坏,从而共同导致膜材断裂(图1)。
材料的拉伸强度主要取决于基线纤维的强度,而对于纤维的破坏来说,平行或者垂直于主轴方向会具有最大的拉伸强度,如果在拉应力作用的同时,加入带有一定角度的剪应力,则会加速纤维结构的破坏,所以其拉伸强度总小于只有平行或垂直于主轴方向的作用力时的拉伸强度。而在实际
·
pvc面膜
·材料导报  2013年11月第27卷专辑22
222au应用中,膜材往往同时受到拉伸、压缩、弯曲、剪切等多方向多层次的混合力作用,建筑师们常常用Tsai-H
ill强度准则1f2=cos4θf2x+1f2s-1f2()
xcos2θsin2
θ+sin4
θf2y
来预测分析膜材的极限状态[2
。图1 膜材应力-应变曲线的各向异性
Fig.1 The anisotropy 
of stress-strain curve for thesame membrane 
material2.2 折叠影响
PVC建筑膜材在生产、
运输、储藏及安装过程中,不可避免地会遇到折叠问题,
由于基布纤维本身的脆性及不耐折性,折叠次数对膜材的拉伸性能势必会产生很大的影响,但是这种影响到底有多大,
经纬不同方向的折叠是否与拉伸性能影响一样(这里的经向折叠是指拉伸条裁剪时沿经线方向,
其折痕方向应为沿纬线方向折叠),这方面的研究较少,本实验尝试性地研究PVC膜材在折叠不同次数后其经纬两向拉伸强度的变化情况。折叠后拉伸强度指标至今没有统一的参考标准,部分标准有相关的规定,如ASTM-D4851规定的折叠方法:采用4.5kg
、直径为90mm的钢辊往复滚压玻纤膜材成圈试样10次后,
测定其断裂强力[21]
。但由于实验室条件有限,
本实验主要采用手工折叠法,将裁成哑铃型的膜材拉伸条沿中线对折,用1kg的砝码压1
5s为一次操作,重复以上操作至待测的次数,且每次对折都发生在折痕处。本实验主要研究了3#膜材不同折叠次数后其经纬两向拉伸断裂强度的变化情况(表3
)。表3 同一膜材不同折叠次数后的拉伸性能测试
Table 3 The determination of tensile properties for the same membrane material after multi folding对折次数
宽度/mm厚度/mm最大载荷力/N拉伸强度/MPa
断裂伸长率/%
经向
0 6.0 0.47 240.091 85.139 46.9645 6.0 0.47 230.344 81.682 45.99610 6.0 0.47 227.252 80.586 45.00815 6.0 0.47 222.684 78.966 44.23020 
6.0 0.47 217.728 77.209 43.93325 6.0 0.47 216.869 76.904 42.46130 6.0 0.47 212.227 75.258 42.02535 6.0 0.47 203.429 72.138 42.26340 6.0 0.47 197.883 70.171 37.79645 6.0 0.47 186.619 66.177 40.50150 6.0 0.47 185.073 65.629 39.700纬向
0 6.0 0.47 197.707 70.109 49.9835 6.0 0.47 183.790 65.174 47.17810 6.0 0.47 179.885 63.789 45.83715 6.0 0.47 176.104 62.448 50.63320 
6.0 0.47 167.819 59.510 45.86525 6.0 0.47 166.444 59.023 43.01630 6.0 0.47 159.499 56.560 42.86635 6.0 0.47 153.779 54.532 44.36540 6.0 0.47 146.721 52.029 43.15945 6.0 0.47 143.340 50.830 39.94250 
6.0 
0.47 
139.702 
49.540 
39.755
  根据实验数据可以得到经向和纬向的拉伸强度随折叠
次数变化的曲线(图2),对于同一膜材经纬两种不同的折叠方向,从无损到折叠50次,经向部分拉伸强度减小了19.510MPa,纬向部分拉伸强度减小了20.569MPa
,两者减小量基本相同,但是与无损状态相比,经向下降了22.9%,纬向下降了32.2%。在断裂伸长率方面,经向下降了7.264%,
纬向下降了10.228%。由此可见PVC膜材的拉伸强度随着折叠次数的增加明显减少,所以在材料的生产、运输、储存、使用过程中要尽量减少产品的折叠次数,如果避免不了也最好是沿纬线方向的经向折叠,
以确保材料有更长的使用寿命。2.3 酸雨影响
PVC建筑膜材常用于搭建简易的露天屋顶,
在污染较严·
122·不同状态下PVC膜材的拉伸性能及机理研究/叶湖水等
重的城市,长时间受到酸雨的浸蚀,其性能势必有所下降。本实验采用pH=2.5的硫酸水溶液模拟酸雨,将5种膜材浸泡1个月后再做拉伸强度测试,
发现除4#膜材几乎无变化外其余4种膜材的拉伸强度均有较大幅度的减小(表4
。图2 经纬两向的拉伸强度随折叠次数变化的曲线Fig.2 The curve of tensile strength in warp
-wise oracross warp 
with multi folding通过SEM扫描电镜可以观察到4#材料上下两个面均
经过表面处理,涂有一层保护膜(图3),可以有效地防止酸雨对膜材的浸蚀
图3 膜材的电镜照片
Fig.3 The SEM imag
es of membrane materials表4 酸雨(p
H=2.5)浸泡1个月后材料的拉伸强度Table 4 The tensile strength of membrane material after soaking in acid rain(pH=2.5)for one month样品序号宽度/mm厚度/mm方向拉伸强度/MPa
未处理浸泡1个月相差百分比1#6.5 0.82经向156.701 118.695 24.25%纬向124.449 97.476 21.67%2#6.5 0.39经向89.504 75.322 15.85%纬向75.090 64.374 14.27%3#6.5 0.47经向107.756 93.076 13.62%纬向83.785 71.702 14.42%4#6.5 0.49经向88.243 85.915 2.64%纬向76.191 78.066-2.46%5#
6.5 
0.44
经向118.144 101.352 14.21%纬向
95.676 
78.365 
18.09%
3 结论
(1)由于拉伸断裂机理不同,使得PVC膜材的拉伸性能具有典型的各向异性,
不同方向上膜材的应力-应变曲线均呈非线性,并且其断裂应力和断裂伸长率随着方向的不同存在较大差异:0°(经向)和90°(纬向)的拉伸强度远大于其他角度,且经向大于纬向,断裂伸长率则是经向最小,45°的拉伸强度最小但断裂伸长率最大。
(2)PVC膜材的使用寿命与对其材料的折叠次数有明显
的关系,
随着折叠次数的增加其拉伸强度不断地下降,这使得材料的使用寿命也不断缩短。折叠相同次数后经纬两向的拉伸强度的下降量基本相同,但经向下降的百分比小于纬向,且断裂伸长率的下降也是经向小于纬向。因此为了不影响材料的使用寿命,
要尽量避免折叠,特别是纬向折叠。(3)在PVC材料的表面添加保护膜能有效地减小酸雨对材料的浸蚀,其不但保护了膜材基线和涂层的结构不被破坏,而且增强了材料的自洁性。
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·222·材料导报  2
013年11月第27卷专辑22
-N=P-键能较强,较侧基后断裂。根据裂解产物分析,HPCTP是一种膨胀型阻燃剂。
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(上接第222页)
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