柔性膜结构材料 (又称为柔性复合材料) , 是由增强材料的纺织基布经树脂涂层等后整理工序, 制成具有很高强度、柔软、防水等功能的复合材料[1~2]。传统涤纶增强PVC的建筑膜结构材料在自洁性、耐老化性、防火性、使用寿命等方面具有一定的劣势[3], 而性能优异的PTFE/玻纤膜结构材料逐渐被青睐[4~5]。通常采用超细玻璃纤维织物为基布, 表面涂覆PTFE树脂, 使PTFE膜材既能充分发挥玻璃纤维高强等力学性能方面的优势, 又能发挥聚四氟乙烯耐老化、自洁性等特性的优势, 尤其在自洁性、耐老化性方面表现出其优越性[2]。PTFE/玻纤等建筑膜材一般采用张拉式膜结构形式, 要求抗拉强度好, 各向拉伸时面内各向同性及受力均匀性好, 并且具备一定的柔性而保持良好的曲面构型, 因此其拉伸性能是评价膜材工程百富策略白菜网性能最重要的指标之一[6~7]。试验主要对PTFE/玻纤膜结构材料的拉伸力学性能进行实验研究, 分析其单向拉伸、面内各向拉伸及耐折叠性能等, 讨论影响膜材力学性能的主要因素。

增强织物基布采用超细无碱玻璃纤维纱线 (重庆国际复合材料有限公司提供) 织造而成, 纱线及织物的参数规格见表1。涂层树脂采用PTFE浓缩分散乳液 (杜邦公司提供) , 具体参数见表2所示。

前处理及涂层工艺采用的设备主要有:DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱 (上海精宏试验设备有限公司) , HY704-B型电焊条高温烘干箱 (吴江亚泰烘箱制造厂) , JMU504A型台式轧车 (北京纺织机械器材研究所) , JBSO-D型增力电动搅拌器 (上海标本模型厂) , 以及自制浸渍槽及矩形框等。

制备玻纤PTFE涂层工艺如下[2]:

基布热处理:首先玻纤织物在320℃处理3min。

第一道浸渍:P T F E分散乳液质量分数为40%, 干燥温度及时间为150℃和90 s, 烘焙温度及时间为280℃和60 s, 烧结温度及时间为360℃和60 s。

后道浸渍:PTFE分散乳液质量分数为50%, 干燥温度及时间为150℃和90 s, 烘焙温度及时间为280℃和60 s, 烧结温度及时间为380℃和60 s。

最后制备的玻纤/PTFE膜结构材料面密度为1 150 g/m2。

实验采用ASTM 4581标准, 试样为矩形, 宽度为25 mm, 夹持长度为75 mm, 夹持端长度各为50 mm。为了减少在拉伸过程中试样的滑移及在夹头附近断裂, 试样采用哑铃型, 尺寸如图1所示, 并在试样夹持两端采用铝片保护而防止夹头处损伤而断裂。取样时应尽量避免在布边附近选取, 最好沿试样宽度方向上等间隔裁取。一般在经纬向各取3~5块进行测试, 试验中如出现夹头处滑移及在钳口处断裂均视为无效数据, 最后数据取平均值。

拉伸试验在HD026N电子织物强力仪 (南通宏大) 上进行, 隔距为75 mm, 预加张力10 N。测试条件为用标准大气温度为20±2℃, 相对湿度为65±5%。

表3为玻纤增强织物与膜材的拉伸强度性能比较, 由表3可知玻纤织物在涂层后形成的膜结构材料性能拉伸强度均提高了约10%。可见, 膜结构材料的强度主要由织物基布的强度决定, 为此在制备膜结构材料时, 必须保证制备的织物强度尽量高, 织造过程中纱线的强度损失率低, 并且在涂层后加工中降低对玻纤纱线的损伤, 这样能充分的利用织物本身的强度, 最终提高膜材的拉伸强度。

图2为制备的膜结构材料的单向拉伸曲线。由图2可以看出, 膜结构材料的纵横向的拉伸曲线大致相同, 但又有一定区别。主要是由于织造过程中经纬向纱线的织造密度和织造张力差异造成, 通常纱线经纬密度相差不大的情况下, 经向拉伸强力要大于纬向强力。另外, 纱线织造张力的不同而造成经纬向纱线交织的屈曲不同, 从而使得纬向伸长要比经向大。由此结论, 当在产业化生产中, 由于经向受到较大的拉伸力, 经向纱线基本伸直, 而纬向未受到拉力, 可以推测这种经纬向的差异将更明显。原因在于工业化生产中, 织物在织造和涂层工艺过程中经向始终受到一定的张力, 使经向纱线比纬向纱线的伸直状态好, 经向纱线强力利用率高, 从而使经向强度大于纬向, 且纬向纱线始终处于弯曲状态, 在拉伸过程中伸长率较大。

P T F E/玻纤膜材受其基布组织结构及在织造、涂层过程中受张拉力左右的影响, 其拉伸力学性能表现明显的各向异性特性[8~9]。为此PTFE/玻纤膜材在各向拉伸的作用下其力学性能特点, 可以指导合理设计膜结构材料及工程百富策略白菜网分析。以P T F E膜材经向为基准方向, 研究沿着0°、45°、90°方向拉伸时材料表现出的各向异性及特点。实验的PTFE/玻纤膜材各向异性与陈守辉[10]、张营营[11~12]等所研究膜材的偏轴向拉伸的结论相一致。膜材分别在沿经向 (0°) 和纬向 (90°) 拉伸时, 均为纯拉伸断裂破坏, 其断裂位置与加载方向垂直, 膜材在沿45°拉伸时, 为纯剪切破坏, 断裂位置大约与加载方向成45°方向, 如图3为各方向拉伸断裂形态, 其他方向偏轴拉伸为拉伸-剪切混合型破坏, 其断裂位置处于平行或垂直加载方向之间。

图4为PTFE/玻纤膜结构材料的各个方向的拉伸曲线图。由图4进一步可知, 沿经向 (0°) 拉伸时, 膜材的断裂强度最大, 初始模量最大, 而断裂伸长最小;在沿45°拉伸时, 膜材的初始模量最小, 断裂强度最小, 而断裂伸长最大;在纬向 (90°) 拉伸时, 由于纬向纱线存在较大程度的屈曲, 膜材纬向的初始模量及断裂强度仅次于经向, 断裂伸长比经向稍大, 当纬纱拉伸充分伸直后, 纬向的拉伸模量主要取决于纬纱的模量与纬纱密度, 因此, 由于经纬纱线一样及经纬密度相差不大, 在拉伸后半段, 纬纱的拉伸模量几乎与经纱相同。

P T F E/玻纤膜材在生产、运输及安装过程中, 不可避免地会遇到弯折或折叠问题。但由于玻璃纤维本身的脆性及不耐折性, 折叠到底对膜材的拉伸性能影响有多大, 这方面的研究较少, 实验尝试性地研究膜材折叠后其拉伸强度的变化情况及特点。

折叠后拉伸强力指标至今没有统一地参考标准, 部分标准有相关地规定, 如ASTM D 4851规定相关的评价方法, 采用质量为4.5 kg和直径φ90 mm钢辊往复滚压玻纤膜材成圈试样10次后, 测定其断裂强力[13]。但实验室条件有限, 本文折叠主要用手工折叠法, 将裁好的膜材试样对折, 用质量为1 kg的砝码压15 s, 然后重复以上动作多次。通过实验研究了PTFE/玻纤膜材分别折叠10、30和50次后其经向拉伸断裂强力的变化情况, 图5为PTFE/玻纤膜材不同折叠次数与断裂强力的关系。可知, 虽然采用了超细无碱玻璃纤维作原料织物其具有相对较好地柔韧性, 但由于玻璃纤维本身脆性及不耐折的特点, 折叠对PTFE/玻纤膜材的拉伸断裂强力影响很大。在仅仅折叠10次后, 拉伸强力下降超过10%, 而在折叠40次左右时, 强力剩余仅约在原始强力的50%。因此, 在加工、运输及安装过程中, 要减少对膜材的折叠, 以免影响其力学性能。

⑴PTFE/玻纤膜材的断裂强力由基布的断裂强力决定, 涂层后可以使膜材的强力提高约10%, 可以根据基布参数预测膜材的强力, 并充分的利用基布本身的强度, 最终提高膜结构材料的拉伸强度。在经纬密度一致的情况下, 基布在织造和涂层工艺过程中经纬向纱线受力和弯曲状态的差异, 使得膜材在拉伸过程中强度和伸长率在纵横向存在差异。

⑵PTFE/玻纤膜材是典型的各向异性材料, 在不同的拉伸方向上表现不同, 经向 (0°) 强力一般最大, 断裂伸长最小;45°方向上拉伸断裂强力一般最小, 断裂伸长最大;其他角度的拉伸断裂强力及伸长介于两者之间。

⑶由于玻璃纤维本身的脆性及不耐折的特点, 其膜材在折叠后强力会有较大的损失, 随着折叠次数增加, 强力损失越大。因此, 在生产、运输及安装膜材的过程中, 应尽量避免或减少对膜材的折叠。