涂层整理在赋予织物独特的优良性能的同时, 会对织物的力学性能造成一定的影响, 本文在实验基础上研究涂层整理后织物拉伸性能的变化, 同时探讨涂层工艺 (焙烘温度、涂层厚度、增塑剂份数) 对膜材力学性能的影响。其中增塑剂份数是指每一百份PVC树脂中所含增塑剂份数。本试验中膜材的拉伸强力是指膜材的经向拉伸断裂强力。

涤纶基布:平纹, 纱线线密度600×500 dtex, 经纬密分别为203、124根/10 cm, 面密度220 g/m2, 厚度0.42 mm;PVC糊树脂 (P-440) ;增塑剂DOP;抗氧剂TPP;交联剂DCP;阻燃剂Al (OH) 3 ;热稳定剂硬脂酸钙;溶剂 (N, N-二甲基甲酰胺) 。

调制浆料→面涂层→烘干 (110℃) →底涂层→烘干 (110℃) →焙烘 (3.5 min)

拉伸试验采用行业标准FZ/T 64014.5.1—2009《膜结构用涂层织物》。试样大小350 mm×60 mm, 隔距200 mm, 有效宽度50 mm, 拉伸速度100 mm/min。试验在YG (B) 026D-500型等速伸长试验仪上进行。

试样剥离按照行业标准FZ/T 64014.5.4—2009《膜结构用涂层织物》。试样大小60 mm×400 mm, 试样有效宽度50 mm, 焊接长度50 mm, 人工剥离5 mm。在QCB-25T型液压平板硫化机上进行焊接, Instron万能强力机上进行剥离试验。

经测试, 涂层前后织物的拉伸断裂强力分别为1 587、2 594 N/5 cm。可见, 涂层后织物的拉伸断裂强力明显提高。这是因为, 一方面涂层后聚氯乙烯浆料渗透到纱线及纤维中, 使其相互黏结, 从而使织物中纱线受力的整体性增强, 减少了纱线间的相互滑移, 从而提高其承载能力[1];另一方面渗透到纱线及纤维的浆料又和织物表面的浆料通过成膜作用形成一个整体, 从而使织物与PVC薄膜间的整体性增强, 当复合材料受到外加载荷时, 基体能够更好地传递并承担部分应力, 因此减少了织物局部应力集中的现象产生, 从而提高了其拉伸断裂强力。增强体织物受力的整体性可以从拉伸断裂过程及拉伸曲线得以验证。如图1所示, 织物拉伸过程中一部分纱线先被拉断抽离, 此时拉伸强力达到最大, 然后其他纱线慢慢被抽离, 拉伸强力随之降低;而PVC膜结构复合材料拉伸过程中, 随着加载外力的增加, 整块PVC膜材被慢慢拉长变细, 呈现一定的“束腰状”;然后膜材在瞬间断裂, 此时拉伸强力达到最大, 并迅速回零, 如图2所示。膜材被拉断时会发出急又脆的较大响声, 而织物被拉断时只会听见纱线从织物中逐根抽出并拉断的较小声音。

图1、图2分别为织物、PVC膜材的拉伸曲线。

涂层工艺 (焙烘温度、涂层厚度与增塑剂份数) 对PVC膜材拉伸强度、剥离强度的影响见表1。

由表1可见, 随着焙烘温度的升高, PVC膜材拉伸强力先增大而后降低。刚开始, 随着温度的升高, 聚氯乙烯树脂黏度下降, 流动性变好, 浸润性增强[2], PVC浆料更好地渗透到纱线内部, 使纱线间的黏结力增大;同时, 能提高交联反应速度, 使交联反应更充分, 从而增强了PVC薄膜的网状结构, 促进增强体与基体界面发生互融现象[3], 从而使基布与薄膜的整体性增强, PVC膜材的承载能力提高。之后, 随着焙烘温度进一步升高, PVC薄膜内部的分子链运动加剧, 取向度变差, 相应拉伸强力和模量就相应减小, 导致复合材料的拉伸强力随之下降[4]。当焙烘温度达到180℃时, 出现明显的着色现象, PVC薄膜会发黄, 这是因为PVC树脂在100℃即发生缓慢的分解现象, 并产生HCl, 温度过高, 会加剧其分解作用, 从而严重影响聚氯乙烯的成膜性[5]。此外, 涤纶不耐高温 (软化点154℃, 熔化点255℃) , 因此焙烘温度过高, 会导致膜材的拉伸强力明显下降。

PVC膜材的剥离性能随温度变化的情况与拉伸性能基本相同。温度升高, 聚氯乙烯薄膜内部分子链运动加剧, 流动性增强, 浆料更易通过渗透浸入纱线内部, 使PVC薄膜与基布的连接更加深入;同时, 交联反应增强, PVC薄膜与基布的黏结力也相应提高, 膜材的剥离强力随之提高。同样, 温度过高引发的分解作用不仅影响聚氯乙烯浆料的成膜性, 还会增加PVC分子链之间的交联反应[6], 从而减少了PVC薄膜与基布之间的交联, 膜材的剥离强力随之降低。

由表1可见, PVC膜材拉伸强力随着涂层厚度的增加不断提高, 主要有以下两方面原因。一方面, 为保证涂层均匀, 每次的涂层厚度都不宜过大, 因此增加涂层厚度意味着涂层次数的增加;涂层过程中基布经纱在张力作用下伸直而纬纱弯曲[2], 而涂层次数的增加使得此张力作用增强, 因此随着涂层质量的增加, 这种纱线结构不但得以保留, 而且越发稳固。另一方面, 增加涂层厚度, 在PVC涂层自身质量和温度的联合作用下, 涂料会逐渐渗透进布面的各个凹点, 好比把凹点转变为应力集中的焊点[2], 从而在增强体和基体的界面间形成了一个承担一定应力的应力集中面, 并且随着涂层厚度的增加沿厚度方向增加, 因此基布所承受的应力相应减小, 从而降低了织物内由于局部应力过大导致的断裂现象, PVC膜材的拉伸强力也随之增加。

PVC膜材的剥离性能随着涂层厚度的增加明显降低。由剥离试验原理可知, PVC膜在高温下具有自黏性, 从而将被剥离的PVC薄膜与另一块膜材黏合在一起, 冷却后两者形成一个整体, 而后通过外力作用, 将被剥离薄膜从基布上顺利剥离下来。

图3、4为厚度为0.685、0.582 mm下膜材的剥离情况。

从图3、4可以看出, 厚度增加后, 被剥离薄膜并不是像厚度较薄的PVC薄膜一样, 以整块薄膜的形式从基布上被剥离下来, 而是出现了被剥离薄膜和剥离薄膜互相剥离的现象, 虽然在这种情况下, 薄膜的整体剥离宽度没有减小[7], 但是与PVC薄膜整块被剥离的情况相比, 剥离时薄膜受力的整体性下降, PVC膜材的剥离强力随之减小。此外, 在焊接过程中, 由于高温作用, 聚氯乙烯树脂进入黏流态, 流动性增强, PVC浆料将进一步与基布发生浸润、铺展作用, 增加基布与薄膜的黏合力, 提高膜材的剥离强力。但是, 在相同条件下, 薄膜厚度的增加会导致焊接过程中更多的热量用于两块PVC薄膜间的自黏作用, 而非薄膜与基布间的黏合作用, 因此厚度较小的膜材的剥离性能比厚度较大的膜材的剥离性能更大的改善[3]。

由表1可见, 增塑剂 (DOP) 用量增加, 聚氯乙烯树脂的黏度下降、流动性增强[2], 但复合材料的拉伸强力并未提高, 而是呈现逐步减小的趋势。这是因为, 随着增塑剂 (DOP) 含量的增加, 交联剂 (DCP, 过氧化二异丙苯) 诱导期会延长, 导致反应速率降低, 这可能是由增塑剂的稀释作用引起的。因此, 大量的增塑剂会对交联反应起到抑制作用, 在相同时间内, 减少基布与聚氯乙烯树脂间的交联, 两者间的黏结强力降低, 影响界面间的应力传递效果, 复合材料的受力整体性下降, 膜材的拉伸强力随之减小。

膜材的剥离强力随增塑剂 (DOP) 用量的增加而减小, 其原因与上述情况基本一样。由于增塑剂 (DOP) 用量的增加, 对交联反应产生抑制作用, 阻碍了基布与聚氯乙烯树脂间的交联反应, 导致基布与PVC薄膜间的黏结强力下降, 膜材的剥离强力减小。

织物经涂层整理后, 由于纱线受力的整体性增强, 减少了局部应力集中的现象, 因此拉伸强力显著提高。涂层工艺中, 涂层厚度对膜材的拉伸性能影响最大, 焙烘温度次之。膜材的拉伸强力随着涂层厚度的增加而逐渐增大;当焙烘温度为160℃以上时, 膜材拉伸强力逐渐减小;增塑剂用量增加, 膜材的拉伸强力随之下降。

涂层工艺对膜材剥离性能的影响与对拉伸性能的影响情况基本相同。涂层厚度对膜材的剥离性能影响最明显, 但是其剥离强力随着涂层厚度的增加而逐渐减小。当焙烘温度达160℃后, 膜材剥离强力逐渐降低;随着增塑剂用量增加, 膜材的剥离强力随之减小。

改变涂层厚度, 膜材的拉伸和剥离性能间存在一定的制约关系。因此综合涂层工艺对膜材拉伸和剥离性能的影响, 当涂层厚度为0.685 mm, 焙烘温度为160℃, 增塑剂份数为50份时, 膜材可获得较佳的力学性能。