新型高透明低霧度高強(qiáng)ETFE薄膜單軸拉伸性能試驗(yàn)研究*

陳金禾，吳明兒，ARUGA Hiroshi

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.AGC 株式會(huì)社，日本 東京 100-8405)

0 引言

ETFE(ethylene tetra fluoro ethylene)薄膜是由乙烯和四氟乙烯共聚物制成的高分子薄膜材料，常用厚度為80～300μm。ETFE薄膜具有良好的耐候性、自潔性，透光率高，可回收重復(fù)利用，因此在體育場(chǎng)館、商業(yè)設(shè)施、交通樞紐等工程中得到廣泛應(yīng)用[1-5]。

ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)主要通過(guò)拉伸試驗(yàn)確定。ETFE薄膜單軸拉伸過(guò)程涉及分子鏈拉伸與斷裂過(guò)程，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出2個(gè)明顯的剛度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別被定義為薄膜第一屈服點(diǎn)和第二屈服點(diǎn)，相應(yīng)的應(yīng)力被稱為第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力[6]。作為塑料高分子材料，ETFE薄膜第一屈服應(yīng)力、第二屈服應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大，隨著溫度的升高而減小[7]。CECS 158∶2015《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》將ETFE薄膜列入條文之中，通過(guò)對(duì)工程中常用的ETFE薄膜材料參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，規(guī)定了強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、彈性模量等設(shè)計(jì)參數(shù)[8]。

與典型的透明材料玻璃相比，ETFE薄膜具有質(zhì)量小、抗沖擊性強(qiáng)、自潔性好等優(yōu)點(diǎn)。在評(píng)價(jià)薄膜材料透光性能方面，透光率和霧度是重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-10]。其中，霧度是入射光透過(guò)薄膜后偏離入射方向一定角度(一般規(guī)定為2.5°)以上的漫透射通量與總透射通量之比，霧度越大，清晰度越低，成像越朦朧。目前常用的250μm厚ETFE薄膜(250NJ型)可見(jiàn)光透過(guò)率為91.5%，太陽(yáng)能透射率為93%，但其霧度為10%，嚴(yán)重影響了薄膜材料的透明性能。

為提高ETFE薄膜透明性能，降低霧度，并進(jìn)一步改善薄膜強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)整聚合物中單體排列順序，已有研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了高透明低霧度新型ETFE薄膜(250×78N型)，大幅度提高了薄膜透明性能。對(duì)該新型ETFE薄膜進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，研究材料基本力學(xué)性能，確定基本材料性能參數(shù)，分析焊縫連接強(qiáng)度及溫度對(duì)材料性能的影響，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

新型ETFE薄膜厚度為250μm，需裁切透明性能參數(shù)測(cè)定所用試樣，使其與壓蓋尺寸匹配。單軸拉伸試驗(yàn)中試樣形狀為啞鈴形，夾持線間距為80mm，標(biāo)線間距為25mm，如圖1所示。試樣采用沖切機(jī)沖切，邊緣光滑、無(wú)缺口。對(duì)于焊縫連接強(qiáng)度試驗(yàn)，首先進(jìn)行薄膜機(jī)械拉伸方向(MD向)和垂直于機(jī)械拉伸方向(TD向)焊接加工(見(jiàn)圖2)，焊縫寬度為10mm，然后在焊接加工后的試樣上裁切包含焊縫的拉伸試樣，試樣尺寸與單軸拉伸試樣相同。

圖1 啞鈴形試樣

圖2 焊縫連接強(qiáng)度試樣

對(duì)于ETFE薄膜母材的單軸拉伸試驗(yàn)，假定試樣標(biāo)線部分均勻變形，工程應(yīng)力σ和工程應(yīng)變?chǔ)庞?jì)算如下：

(1)

(2)

式中：F為試驗(yàn)測(cè)得的拉力；b0為試驗(yàn)開(kāi)始前試樣標(biāo)線部分寬度，為6mm；t0為試驗(yàn)開(kāi)始前試樣標(biāo)線部分厚度，通過(guò)實(shí)測(cè)得到；Δl為試驗(yàn)測(cè)得的標(biāo)線間位移；L0為試驗(yàn)開(kāi)始前試樣標(biāo)線部分長(zhǎng)度，為25mm。

2 試驗(yàn)方案

2.1 透明性能參數(shù)測(cè)定

采用NDH-5000型濁度計(jì)和UV-3600PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)該新型ETFE薄膜可見(jiàn)光透過(guò)率、太陽(yáng)能透射比和霧度進(jìn)行測(cè)定。

2.2 室溫單軸拉伸試驗(yàn)與焊縫連接強(qiáng)度試驗(yàn)

開(kāi)展室溫單軸拉伸試驗(yàn)與焊縫連接強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用CMT4204型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，力值傳感器量程為500N，精度為±0.5%，位移引伸計(jì)分辨率為0.001mm，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為(23±2)℃。根據(jù)DG/TJ 08—2019—2019《膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[11]的規(guī)定，設(shè)定夾具間拉伸速率為50mm/min。制備ETFE薄膜MD，TD向單軸拉伸試樣，沿不同方向各進(jìn)行5次有效拉伸試驗(yàn)。對(duì)于焊縫連接強(qiáng)度試驗(yàn)，當(dāng)試樣破斷斷口位置處于焊縫或焊縫邊緣時(shí)為有效試驗(yàn)。

記錄拉力和位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。進(jìn)行焊縫連接強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，取最大應(yīng)力作為新型ETFE薄膜焊縫連接強(qiáng)度。

2.3 高低溫單軸拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度分別為-60，-40，-20，0，20，40，60℃，在環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行高低溫單軸拉伸試驗(yàn)(見(jiàn)圖3)。試樣尺寸及拉伸速度與室溫單軸拉伸試驗(yàn)相同，位移通過(guò)非接觸式方法進(jìn)行測(cè)量。

圖3 環(huán)境試驗(yàn)箱

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 透明性能

經(jīng)測(cè)定，新型ETFE薄膜可見(jiàn)光透過(guò)率為93.2%，太陽(yáng)能透射比為94.4%，霧度為2%。與普通ETFE薄膜相比，新型ETFE薄膜透明性能大幅度提升。

3.2 室溫單軸拉伸性能

新型ETFE薄膜單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。為進(jìn)行對(duì)比，開(kāi)展相同試驗(yàn)條件下普通ETFE薄膜單軸拉伸試驗(yàn)。

圖4 ETFE薄膜單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4a可知，新型ETFE薄膜與普通ETFE薄膜MD向應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本一致，可按現(xiàn)有方法[12]確定第一屈服應(yīng)力、第二屈服應(yīng)力和割線模量。

由圖4b可知，新型ETFE薄膜TD向應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)第一剛度轉(zhuǎn)折點(diǎn)(第一屈服點(diǎn))后，經(jīng)歷較小的應(yīng)變后應(yīng)力達(dá)到局部峰值，然后材料出現(xiàn)應(yīng)力軟化現(xiàn)象，即隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力逐漸減小。應(yīng)力降至最低點(diǎn)(軟化點(diǎn))后，隨著應(yīng)變的增加，材料逐漸強(qiáng)化直至破斷。對(duì)于TD向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可按現(xiàn)有方法[12]確定第一屈服應(yīng)力及割線模量。定義局部峰值點(diǎn)應(yīng)力為第二屈服應(yīng)力，定義軟化點(diǎn)應(yīng)力為軟化應(yīng)力，可知新型ETFE薄膜第二屈服應(yīng)力與軟化應(yīng)力相差較小。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到新型ETFE薄膜不同方向力學(xué)性能參數(shù)，如表1，2所示。

表1 新型ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)(MD向)

表2 新型ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)(TD向)

由表1，2可知，新型ETFE薄膜MD，TD向的第一屈服應(yīng)力平均值分別為24.13，24.30MPa，二者相差0.7%；第二屈服應(yīng)力平均值分別為26.67，26.38MPa，二者相差1.1%；抗拉強(qiáng)度平均值分別為53.98，48.34MPa，二者相差11.7%；割線模量平均值分別為716.96，747.75MPa，二者相差4.3%。該新型ETFE薄膜MD，TD向第一屈服應(yīng)力、第二屈服應(yīng)力、割線模量平均值相差均<5%，因此與普通ETFE薄膜材料類似，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可認(rèn)為新型ETFE薄膜為各向同性材料。

由表2可知，新型ETFE薄膜TD向軟化應(yīng)力平均值為26.07MPa，略小于第二屈服應(yīng)力平均值(26.38MPa)，二者相差1.2%。實(shí)際工程應(yīng)用中，可將軟化應(yīng)力定義為第二屈服應(yīng)力。

與普通ETFE薄膜相比，新型ETFE薄膜強(qiáng)度得到大幅度提升，2種材料力學(xué)性能對(duì)比如表3，4所示。

由表3，4可知，新型ETFE薄膜MD，TD向第一屈服應(yīng)力均為普通ETFE薄膜的1.5倍，對(duì)應(yīng)的第二屈服應(yīng)力分別為普通ETFE薄膜的1.2，1.1倍，抗拉強(qiáng)度分別為普通ETFE薄膜的1.22，1.02倍，表明新型ETFE薄膜力學(xué)性能得到提高；新型ETFE薄膜割線模量大幅度增加，其MD，TD向割線模量均為普通ETFE薄膜的1.3倍；新型ETFE薄膜破斷應(yīng)變(斷裂延伸率)有所下降，但MD，TD向仍具有較好的延展性能。

表3 新型ETFE薄膜與普通ETFE薄膜力學(xué)性能對(duì)比(MD向)

3.3 焊縫連接強(qiáng)度

新型ETFE薄膜焊縫連接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知，新型ETFE薄膜MD，TD向焊縫連接強(qiáng)度分別為相應(yīng)方向母材抗拉強(qiáng)度的0.81，0.84倍，可知新型ETFE薄膜焊接后的強(qiáng)度保持率>80%，具有與普通ETFE薄膜相似的焊接性能。

表5 新型ETFE薄膜焊縫連接強(qiáng)度 MPa

3.4 高低溫單軸拉伸性能

不同溫度下新型ETFE薄膜單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。隨著溫度的降低，相同應(yīng)變下新型ETFE薄膜應(yīng)力逐漸增大，但破斷應(yīng)變逐漸減小。在低溫狀態(tài)下，新型ETFE薄膜應(yīng)力軟化點(diǎn)較明顯，而高溫狀態(tài)下應(yīng)力軟化點(diǎn)不明顯，甚至消失。

圖5 不同溫度下新型ETFE薄膜單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

可參照現(xiàn)有方法[12]確定環(huán)境溫度為0，20，40，60℃時(shí)新型ETFE薄膜第一屈服應(yīng)力、第二屈服應(yīng)力和割線模量。由于軟化應(yīng)力與第二屈服應(yīng)力數(shù)值上相差較小，不再區(qū)分，取數(shù)值較小的軟化應(yīng)力為第二屈服應(yīng)力。

對(duì)于環(huán)境溫度為-20，-40，-60℃的新型ETFE薄膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由于無(wú)明顯的第一屈服點(diǎn)，難以按現(xiàn)有方法確定第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力。為便于與高溫環(huán)境下薄膜力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)考慮現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定，本文按以下方法確定第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力：①作通過(guò)軟化應(yīng)力點(diǎn)的水平線，其與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的交點(diǎn)定義為第二屈服點(diǎn)(見(jiàn)圖6)，相應(yīng)的應(yīng)力為第二屈服應(yīng)力；②作初始段應(yīng)力-應(yīng)變曲線切線，該切線與通過(guò)軟化應(yīng)力點(diǎn)的水平線交點(diǎn)處應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的點(diǎn)定義為第一屈服點(diǎn)，相應(yīng)的應(yīng)力為第一屈服應(yīng)力。

圖6 低溫下新型ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)確定方法示意

不同溫度下新型ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)如表6，7所示。由表6，7可知，隨著溫度的降低，新型ETFE薄膜MD，TD向強(qiáng)度和割線模量均增大，破斷應(yīng)變均減小。

表6 不同溫度下新型ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)(MD向)

表7 不同溫度下新型ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)(TD向)

為進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)進(jìn)行普通ETFE薄膜高低溫單軸拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8，9所示。由表8，9可知，當(dāng)溫度≤20℃時(shí)，新型ETFE薄膜第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力均明顯高于普通ETFE薄膜，但差值隨著溫度的升高逐漸減小；當(dāng)溫度達(dá)60℃時(shí)，新型ETFE薄膜與普通ETFE薄膜第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力幾乎相同，抗拉強(qiáng)度也表現(xiàn)出類似趨勢(shì)。

表8 不同溫度下普通ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)(MD向)

表9 不同溫度下普通ETFE薄膜力學(xué)性能參數(shù)(TD向)

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)新型高透明低霧度高強(qiáng)ETFE薄膜材料進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)研究，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到材料力學(xué)性能參數(shù)及焊接后焊縫連接強(qiáng)度，總結(jié)溫度對(duì)材料性能的影響規(guī)律，并與普通ETFE薄膜材料性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

1)經(jīng)測(cè)定，新型ETFE薄膜霧度為2%，透明性能優(yōu)異。

2)室溫下新型ETFE薄膜MD向可按現(xiàn)有方法確定第一屈服應(yīng)力、第二屈服應(yīng)力和割線模量，TD向可按現(xiàn)有方法確定第一屈服應(yīng)力、割線模量，定義局部峰值點(diǎn)應(yīng)力為第二屈服應(yīng)力，定義軟化點(diǎn)應(yīng)力為軟化應(yīng)力；TD向第二屈服應(yīng)力與軟化應(yīng)力相差較小，實(shí)際工程應(yīng)用中，可將軟化應(yīng)力定義為第二屈服應(yīng)力。

3)室溫下新型ETFE薄膜MD，TD向第一屈服應(yīng)力、第二屈服應(yīng)力、割線模量平均值相差均<5%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可認(rèn)為新型ETFE薄膜為各向同性材料。新型ETFE薄膜第一屈服應(yīng)力約為普通ETFE薄膜的1.5倍，第二屈服應(yīng)力約為普通ETFE薄膜的1.1倍，第一屈服應(yīng)力提升程度大于第二屈服應(yīng)力。

4)新型ETFE薄膜焊接后的強(qiáng)度保持率>80%，具有良好的焊接性能。

5)隨著溫度的升高，新型ETFE薄膜強(qiáng)度減小，40℃時(shí)的MD，TD向第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力約為20℃時(shí)的0.7倍，抗拉強(qiáng)度約為20℃時(shí)的0.9倍；60℃時(shí)的MD，TD向第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力約為20℃時(shí)的0.5倍，抗拉強(qiáng)度約為20℃時(shí)的0.8倍。當(dāng)溫度≤20℃時(shí)，新型ETFE薄膜第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力均明顯高于普通ETFE薄膜，但2種材料屈服應(yīng)力之間的差異隨著溫度的升高逐漸減小；當(dāng)溫度達(dá)60℃時(shí)，新型ETFE薄膜與普通ETFE薄膜第一屈服應(yīng)力和第二屈服應(yīng)力幾乎相同。