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国产PVC膜材自然老化力学性能试验

发布时间:2022年6月20日 点击数:163

膜结构工程中最常用的织物纤维膜材为聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene, PTFE)涂层玻璃纤维织物、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)涂层聚酯纤维织物[1]。相比PTFE膜材,国产PVC膜材在强度上与国外产品持平,且广泛地应用于各工程项目[2]中。由于PVC和聚酯纤维均属于高分子聚合物,在使用过程中长期受到风、雨、热、紫外线等作用的影响容易发生老化现象,引起膜材物理及力学性能的退化。

目前,国内外学者对建筑膜材老化性能开展了大量研究。Berdahl等[3]考察了诸多环境因素对膜材老化的影响,并指出有机物老化的主要原因为光降解。Toyoda等[4]在自然条件下对PVC膜材进行了为期10年的力学性能研究。小川华子等[5]对PTFE膜材进行了20年的耐候性跟踪测试。Polfus[6]在不同地区对PVC膜材进行了自然老化试验。Eichert等[7]对PVC膜材进行了为期10年的自然室外暴露试验。谭志乐[8]对ePTFE和国产PVC膜材进行了人工加速老化试验,发现2种膜材均对湿热作用较敏感。周传志等[9]考察了温度对Ferrari 1002T 型PVC膜材力学性能的影响规律。陈昭荣等[10]对Ferrari 1202T2型PVC膜材进行了人工加速老化试验,探讨了老化对单轴强度、弹塑性和黏弹性的影响。张营营等[11]以法国圣戈班公司和日本中兴化成公司生产的2款PTFE膜材为研究对象,探讨了人工加速老化对其抗拉强度的影响。叶瑾瑜[12]对日本中兴化成公司生产的PTFE膜材在寒冷地区的耐候性能展开了研究。杨彬等[13]分析了使用15年的德国Mehler公司生产PVDF膜材的拉伸、连接及撕裂强度。黄文琪等[14]对工程使用15年(郑州)、16年(杭州)的Ferrari F1202T型PVC膜材进行了物理及力学性能测试。

综上所述,国内对于膜材耐久性研究起步较晚,虽然研究方法已逐步从人工加速老化、自然暴露向实际工程取材发展,但研究对象主要集中在国外进口膜材,且对华北地区及工业厂房应用膜材耐候性的研究甚少。近年来,随着国产建筑膜材的迅速发展,尤其是PVC膜材产量的上升、种类等级的多样化,以及应用市场的广泛,其耐久性研究的重要性尤为凸显。本文以山西省晋中市某工业厂房使用3.5年的国产PVC涂层膜材为研究对象,进行单轴拉伸、撕裂、节点连接及扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)试验,测定数据及结果可为PVC膜材的选取及膜结构的加固维护提供参考,为国产PVC膜材耐久性的改进提供依据。

1 试验材料

试验选用山西省晋中市某工业厂房实地使用3.5年的国产PVC涂层膜材,该膜材由于在某次大风中撕裂破坏而替换。由于无预留初始膜材,将合同内容及甲方提供的数据换算得到的膜材性能参数作为基本值,见表1。考虑到试验数据具有代表性,膜材试件的选取将避免拉结及支撑区域,且选取无褶皱、疵点的部位。

膜材性能参数基本值 导出到EXCEL

Table 1 Basic value of performance parameters of membrane material



重量/
(g·m-2)

拉伸强度/MPa
撕裂强度/N

经向
纬向 经向 纬向

900
129.58 125.35 610 580



2 试验方案

2.1 拉伸试验

采用切割条样法,裁剪出平行于膜材经向(0°)、45°、纬向(90°)的试件,各个角度裁取试件不少于7个。按照《膜结构检测技术规程》(DG/TJ 08—2019—2007)的规定,选用切割样条法进行试件的制作。为了降低数据的离散性,沿纱线方向精细裁剪,确保无纱线的割断或散失,保证受拉方向纱线总根数相同。试件尺寸如图1所示,节点连接试件中部阴影区为膜片连接覆盖区,试件端部阴影区为夹持端。

图1 试件尺寸

图1 试件尺寸   下载原图

Fig.1 Specimen size

采用沧州领航仪器制造有限公司生产的WDW-10电子万能试验机进行试验,试验过程按照规程进行:开机调试装置后夹紧试件,采用预张力夹持,预张力设定为10 N,加载速率为100 mm/min, 张拉试验至试件断裂,记录最大力值和断裂伸长量。试验环境按照《纺织品:调湿和试验用标准大气》(GB/T 6529—2008)执行,试验温度为(20±2)℃,相对湿度为(65±5)%。

2.2 拉伸夹具

单轴拉伸膜材试验中常用的夹具有夹持式、缠绕式及波浪式[12]。其中,缠绕式夹具设计制作复杂,且在膜材自锁的过程中会产生较大位移[12]。为了更好地对夹具进行选择,本文分别制作、加工了夹持式和波浪式夹具,并进行了对比分析。

对于夹持式夹具,膜材试件端部需粘贴铝片,铝片的牢固程度对试验有重要的影响。试验中尝试了市面上在售的艾高6106电焊级AB胶、E51环氧树脂胶、哥俩好AB胶这3种胶水,发现温度、表面清洁度、初始粘贴压力等对胶水固化均有较大影响,且春夏季节比秋冬季节更容易固化。在11月下旬至12月上旬,上述3种胶水在室温下固化24 h后,均出现粘结不牢致使试验中铝片脱胶滑移的现象。其中,艾高6106电焊级AB胶固化受温度影响较大,E51环氧树脂胶、哥俩好AB胶固化后,表现出脆性易剥离状态。此外,夹持式夹具对夹持力具有较高的要求,大量试验测试结果表明:当夹持力较大时,由于集中应力,试件容易从铝片粘贴的根部断裂;当夹持力较小时,试件容易从夹持端滑出;此外,由于胶水涂抹均匀度、固化及膜材表面污渍等因素的影响,试件容易从端部滑移脱落。其中,45°试件对应拉伸变形较大,对铝片粘贴程度及夹持力的要求更高。针对膜材0°、45°、90°这3个方向的试件,采用艾高6106电焊级AB胶粘贴铝片固化48 h以上,基于夹持式夹具的试验现象统计见表2。

试验现象统计 导出到EXCEL

Table 2 Statistic of experimental phenomena



试件工况

试件数/个

脱离
铝片根部断裂 有效 总试验件

2 0 1 3

45°
3 1 0 4

90°
1 1 2 4



相比夹持式夹具,波浪式夹具对应试验现象更加合理、结果更稳定。基于波浪式夹具的拉伸试验,如图2所示。

图2 拉伸试验示意图

图2 拉伸试验示意图   下载原图

Fig.2 Diagram of tensile test

2.3 SEM试验

为了能直观地观察到自然老化后膜面破损情况,采用荷兰Phenom-World公司生产的飞纳Phenom XL大样品室卓越版台式扫描电镜,在多个倍数下对膜材样本正反面进行了扫面观察和分析。该扫描电镜的样品杯尺寸为100 mm×100 mm, 1次可容纳36个约12.7 mm的样品台。使用小刀裁剪制作尺寸为10 mm×10 mm的膜材样本,采用导电胶将膜材样本粘贴于样本台进行观察分析。

3 试验结果

3.1 拉 伸

各方向角试件拉伸断口如图3所示,可以看出,0°与90°试件表现为基布纤维直接拉断,断口平整,断口方向垂直于拉伸方向。此时所测数据的最大值,即为膜材经自然老化后剩余的最高抗拉强度值。45°试件以基布纤维承受与涂层界面间的剪切应力为主,由于试件边缘纤维的约束较小,该处纤维与涂层界面脱粘。随着荷载的增加,无直接受拉的基布纤维逐渐簇紧,对应试件应变增加,受力截面减小,最后基布纤维剪切破坏。对应截面破坏形态为边缘纤维呈现毛边,断口倾斜。

图3 不同方向角试件拉伸断口示意图

图3 不同方向角试件拉伸断口示意图   下载原图

Fig.3 Diagrams of tensile fracture of specimens at different direction angles

对比发现,国产PVC涂层膜材经向与纬向的破坏模式与Stubbs等[15]的研究结论基本一致,但45°试件破坏更多地表现出边缘纤维与涂层的脱粘,而非纤维抽断型破坏。这主要归因于基布纤维与涂层的粘结力薄弱。

应力-应变回归曲线如图4所示,可以看出,0°和90°试件曲线均有明显的应变转折点,对应将单轴拉伸应力-应变曲线分为3个阶段[15],这与陈昭荣等[10]研究中PVC膜材的应力-应变曲线规律基本一致。45°试件应力-应变曲线无明显的拐点,对应应变增长迅速而应力增加缓慢,试件刚度小于经纬向试件。

图4 应力-应变回归曲线

图4 应力-应变回归曲线   下载原图

Fig.4 Regression curves of stress-strain

各工况下不同试验次数对应的应力-应变曲线如图5所示,可以看出,在同一工况下,不同试件的应力-应变曲线规律基本一致,0°对应不同试件的曲线规律贴合度最好,90°对应不同试件的曲线规律贴合度最差。提取各工况下每次试验对应的抗拉强度最大值,绘制抗拉强度最大值与试验次数的关系,如各局部放大图所示,观察发现:3种工况下,不同试件对应的抗拉强度最大值表现出较大的波动性与离散性,45°试件对应数据的稳定性最好,90°试件对应数据的稳定性最差,拉伸强度值的极差达到20.4 MPa, 相对标准差达到了7.32%。基于各向强度基本值及试验测试值,计算得到0°和90°试件强度老化率分别为5.31%和11.21%,90°试件强度的老化率明显高于经向强度的老化率,造成该现象的主要原因是膜材在使用过程中将膜面90°布置为短轴主应力方向,相对应力损失较为明显。

将本文膜材试验结果与文献[13,14,16]的研究结果进行对比,见表3。为了方便对比,将各类膜材的数据转换为年老化率。可见,90°试件数据的离散性及老化率均大于国外进口膜材使用长达16年的对应值。较高的老化率与文献[13,14,16]的研究结果一致,PVC膜材的老化在主要发生在前3~5年。不同的老化率及数据离散性可以从以下几个方面解释:1)工业厂房的使用环境中含有害污染物,会加速PVC膜材有机物的降解;2)山西省的气候属于温带大陆性季风气候,其对膜材老化性能的影响不同于亚热带季风气候(杭州)及温带季风气候(郑州、青岛);3)国产PVC膜材的耐久性仍需进一步提高。此外,研究结果进一步表明老化后的膜材在验算设计中不适宜采用抗拉强度的平均值作为设计强度。

图5 应力-应变曲线

图5 应力-应变曲线   下载原图

Fig.5 Curves of stress-strain

不同PVC膜材拉伸试验结果对比 导出到EXCEL

Table 3 Comparison of tensile test results of different PVC membrane material



试验名称
膜材型号 使用地址/年限 使用场所
相对标准差/%
年老化率/%

经向
纬向 经向 纬向
本文试验 国产 山西/3.5年 工业厂房 3.50 7.32 1.52 3.20

文献[13]
Mehler FR-1000型 芜湖/15年 体育场 6.23 5.17 1.47 1.42

文献[14]
法国 Ferrari 1202T 杭州/16年 6.45 5.94 1.52 2.45

郑州/15年 5.38 4.78 0.71 1.59

文献[16]
法国 Ferrari 1302T 青岛/13年 4.00 5.80 0.76 0.28



3.2 撕 裂

按照图1中的尺寸制作撕裂试件,每个撕裂工况对应6个试件。撕裂试验结果见表4。与抗拉强度相比,各向撕裂强度的相对标准差数值相差不大,但老化率明显高于抗拉强度。同抗拉强度一致,90°撕裂强度对应数据的离散性最大,且对应较高的老化率。

撕裂试验结果 导出到EXCEL

Table 4 Results of tear tests


方向 指标 均值 相对标准差/% 老化率/%

强度/N 417.30 3.99 26.39

断裂伸长率/% 20.63 3.62

45°
强度/N 643.43 7.22 -

断裂伸长率/% 26.60 4.02

90°
强度/N 410.50 2.39 23.87

断裂伸长率/% 21.17 2.85 -



撕裂强度主要由基布中的纱线强度提供,而抗拉强度由涂层和基布共同提供。撕裂强度的降低表明:老化作用不仅会影响PVC膜材表面的涂层,也对基布纤维造成了较大程度的影响;撕裂强度明显低于抗拉强度,表明涂层对拉伸强度的贡献非常明显,即提高涂层性能是膜材发展的关键技术之一。

3.3 节 点

避开破损褶皱区,从2片膜材的同一条热合连接处,按照《膜结构检测技术规程》(DG/TJ 08—2019—2007)的要求裁剪8个试件(图1(c)),并对热合连接节点进行研究。连接节点破坏截面如图6所示。在统计试验现象中发现,热合节点破坏的3个截面处:1-1截面位于热合区内,2-2截面位于热合区边缘,3-3截面位于热合区外。

图6 连接节点破坏截面示意图

图6 连接节点破坏截面示意图   下载原图

Fig.6 Schematic diagram of failure location of connection joints

8个试件的连接点试验结果见表5。1-1截面、2-2截面、3-3截面对应的试件数分别为1、6、1,即主要的破坏发生在连接焊缝热合区的边缘(2-2截面),这是由于热合区膜材的老化程度不同于非热合区,加剧了拉力作用下膜材叠合边缘的应力集中。1-1截面与3-3截面对应膜材的拉断,其中1-1截面破坏模式主要是由于热合焊缝脱离,膜材在焊缝脱离处的根部断裂;3-3截面对应膜材薄弱处,该处膜材强度低于焊缝边缘处膜材强度。对表5中的数据统计得出,试验连接节点的强度均值为102.09 MPa, 断裂伸长率为31.75%。所选取的热合膜材均为纬向连接,相比非连接部位试件的纬向抗拉强度,节点焊缝试件的抗拉强度降低了8.27%,该结果与杨彬等[13]的研究结果一致。

连接节点试验结果 导出到EXCEL

Table 5 Test results of connection joints



破坏截面
强度/MPa 断裂伸长率/%

1-1
106.85 32.22

2-2
111.25 33.24

98.15 31.49

88.94 29.25

93.19 30.34

98.33 30.96

114.08 33.75

3-3
105.95 32.76



3.4 SEM

膜材暴露面的照片如图7所示,可以看出:背阳面与向阳面的表面均有明显的发黄,且光泽度小,存在明显的污渍。由于太阳辐射等自然环境的直接影响,向阳面的发黄及污渍程度更为严重,基布纤维的编制方向基本无法辨识。与文献[14,16]对比发现:在山西省工业厂房使用了3.5年膜材的表面磨损程度、污渍点更为严重,尤其是光泽度,膜材背阳面基本无光泽;而杭州和郑州使用了15年以上的PVC涂层膜材背阳面还表现出一定的光泽度。但从触感上而言,膜材整体均发硬、发涩。

图7 膜材暴露面的照片

图7 膜材暴露面的照片   下载原图

Fig.7 Photos of exposed surface of membrane material

使用荷兰Phenom-World公司生产的飞纳Phenom XL大样品室卓越版台式扫描电镜,对膜材的背阳面与向阳面进行500倍与1 000倍的放大扫描,扫面结果如图8所示。可以看出:在500倍数下,膜材背阳面与向阳面出现凹凸不平、颜色不均的斑点,且分布有不规则的裂纹,背阳面出现较多的黑色斑点,向阳面的白色氧化斑点分布密集;在1 000倍数下,裂纹明显,且黑色斑点在膜材上表现出凹坑状,背阳面出现该现象的主要原因为工业厂房污染。由于向阳面直接受到紫外线等自然环境的影响,向阳面的膜材破损程度明显比背阳面严重。与文献[16]相比,在500倍数下,膜材向阳面与背阳面均出现了明显的污损与大面积的氧化区域,这与膜材品质、使用场所及环境直接相关。

图8 电镜扫面图

图8 电镜扫面图   下载原图

Fig.8 Electron microscope scanning view

4 结 论

本文对在山西省某工业厂区使用3.5年的国产PVC膜材进行了性能测试,试验结果填补了相关研究的空白,主要结论如下:

1)对于单轴拉伸试验,相比夹持式、缠绕式夹具,波浪式夹具对应试验现象更加合理、结果更稳定。

2)膜材经过自然老化后,0°、45°、90°这3个方向的强度测试均表现出明显的离散性。其中,45°试件对应数据的稳定性最好,纬向试件的数据稳定性最差。老化后不适宜采用抗拉强度的平均值作为设计强度。

3)撕裂强度的老化程度大于抗拉强度,经纬向强度的老化率不一致。

4)经过自然老化后,节点连接处的破坏截面发生在3处位置,主要的破坏发生在连接焊缝热合区的边缘。

5)膜材耐久性与使用环境直接相关,使用于工业厂房的PVC建筑膜材经自然老化后,由于环境因素影响导致膜材表面涂层降解,向阳面与背阳面的膜面均变为黄灰色,出现肉眼可见的污渍、泛黄等现象;在SEM下发现膜面双侧均出现大量严重的斑点、裂纹。

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