ePTFE膜材力学性能试验研究
发布时间:2021年12月27日 点击数:1721
应用于建筑结构的薄膜材料, 必须具有高强、耐久以及良好的透光性能.目前应用最广的是织物类薄膜材料[1], 其基布由玻璃纤维或聚酯纤维编织而成, 基布表面通常涂有聚四氟乙烯或聚氯乙烯等保护层.另一类得到广泛关注并应用的薄膜材料是具有极高透光率的热塑化合物薄膜, 例如ETFE薄膜[2].
膨体聚四氟乙烯纤维薄膜材料 (以下简称ePTFE膜材) 是一种新型的织物类薄膜材料, 其基布由膨体聚四氟乙烯纤维编织而成, 表面通常为氟聚合物涂层, 因此该膜材是纯氟聚合物材料.ePTFE膜材极其柔软, 具有很好的反复折叠性能, 其透光率可达40%.作为纯氟聚合物, ePTFE膜材具有良好的抗污性能和耐久性能, 可回收加工、重复使用.
由于ePTFE膜材的柔软性, 使其在开闭式屋面结构上的应用取得了良好效果.国外已有一些建筑屋面采用该膜材[3], 在我国, 2010年上海世博会挪威馆也首次采用了这种膜材料[4].为了研究ePTFE膜材的力学性能, 本文对其单轴拉伸、双轴拉伸以及耐徐变性能进行了试验, 得到了ePTFE膜材的抗拉强度、焊接连接强度、撕裂强度、双轴拉伸弹性模量、泊松比、高低温下抗徐变性能等力学性能.本试验结果可为ePTFE膜结构设计提供参考.
1 单轴拉伸试验
试验采用戈尔公司生产的GORE TENARA 4T20HFePTFE膜材, 厚度为0.55mm.试验方法参考文献[5]进行.除了双轴拉伸试验在同济大学研制的双轴拉伸试验机上进行外, 其余试验均在深圳新三思的CMT4204型微机控制电子万能实验机上进行.
1.1 抗拉强度
用于抗拉强度试验的试样为长条状, 试样裁取时其长度方向平行于膜材经向 (经向试样) 或膜材纬向 (纬向试样) .对于常温拉伸试验试样, 其中央拉伸部分长200mm, 宽50mm, 用大变形引伸计测量试样变形;对于高温拉伸试验试样, 其中央拉伸部分长75mm, 宽25.4mm.为避免夹持部分发生断裂, 试样在夹持处作了增宽加强.每组试样5块.
试验时拉伸速度为100mm/min, 试验环境温度分常温 ( (20±2) ℃) 和高温 ( (60±2) ℃) 两种, 高温拉伸试验时, 试样在高温环境下放置10min后开始拉伸.抗拉强度和断裂延伸率见表1.由试验数据可知, 本试验采用的ePTFE膜材常温下抗拉强度已达到一般聚酯纤维膜材 (PVC膜材) 的强度, 考虑到本试验膜材厚度仅为0.55mm, 可见ePTFE膜材具有较高的抗拉强度.
表1 ePTFE膜材抗拉强度和断裂延伸率 导出到EXCEL
Table 1 Tensile strength and strain at break of ePTFE fabric
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Direction and temperature |
Item |
Sample code |
Average | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
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Warp |
(20±2) ℃ |
Tensile strength/[ N· (5cm) -1] | 5396 | 5468 | 5394 | 5396 | 5428 | 5416 |
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Strain at break/% |
18.2 | 19.3 | 19.2 | 19.2 | 19.2 | 19.0 | ||
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(60±2) ℃ |
Tensile strength/[ N· (5cm) -1] | 3456 | 3297 | 3157 | 3323 | 3259 | 3298 | |
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Strain at break/% |
52.1 | 54.1 | 52.3 | 53.7 | 53.6 | 53.2 | ||
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Fill |
(20±2) ℃ |
Tensile strength/[ N· (5cm) -1] | 5595 | 5381 | 5253 | 5237 | 5259 | 5345 |
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Strain at break/% |
11.8 | 12.8 | 12.0 | 12.0 | 11.8 | 12.1 | ||
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(60±2) ℃ |
Tensile strength/[ N· (5cm) -1] | 3407 | 3431 | 3369 | 3440 | 3326 | 3395 | |
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Strain at break/% |
30.9 | 30.8 | 31.0 | 31.1 | 31.4 | 31.0 | ||
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Note:In the tensile test at room temperature, when the tension stress reaches the tensile strength, most of the fibers breaks suddenly and the tension stress becomes very small.The tensile strain at the tensile strength is regarded as the strain at break in this paper.For the tensile test at a high temperature, the strain at break is also obtained when the stress reaches the tensile strength.
1.2 撕裂强度
采用图1所示梯形试样进行撕裂强度试验, 沿平行于膜材的经向和纬向分别裁取5块共2组试样.试验环境温度为 (20±2) ℃, 拉伸速度为100mm/min, 试验结果见表2.ePTFE膜经、纬向撕裂强度达900N以上, 高于典型聚酯纤维膜材.
表2 ePTFE膜材撕裂强度 导出到EXCEL
Table 2 Tear strength of ePTFE fabric N
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Direction |
Sample code |
Average | ||||
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1 |
2 | 3 | 4 | 5 | ||
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| Warp | 927 | 927 | 839 | 943 | 918 | 911 |
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Fill |
983 | 1037 | 950 | 1007 | 971 | 990 |
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1.3 焊接强度
ePTFE膜材通过膜片与膜片搭接焊接进行连接, 本试验通过单向拉伸试验测试其焊接强度.试样为长条状, 焊缝位于试样中央, 焊缝搭接长度75mm.试验环境温度和拉伸速度同上.
表3为焊接强度的试验结果.试验表明, 经向试样破坏发生于搭接边缘, 为母材破坏, 纬向试样破坏发生于搭接区内, 为焊接连接区破坏.ePTFE膜材经向焊接强度下降不大, 而纬向焊接强度约为母材强度的80%.
表3 ePTFE膜材焊接强度 导出到EXCEL
Table 3 Tensile strength of ePTFE fabric after welding
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Direction |
Sample code/ |
Average/ |
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| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
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| Warp | 5192 | 5330 | 5382 | 5341 | 5328 | 5315 |
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Fill |
4238 | 4323 | 4232 | 4184 | 4144 | 4224 |
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2 双轴拉伸试验
膜材在使用过程中受到两方向张拉, 设计时通常假定膜材为各向异性弹性材料.膜材的弹性模量以及泊松比通常利用双轴拉伸试验经计算得到.织物类膜材由纤维编织而成, 其性能与拉力大小、两方向拉力比例以及拉伸顺序有关.为了得到用于膜结构设计的合理弹性模量, 本文参照文献[5]进行了ePTFE膜材的双轴拉伸试验.试样见图2, 沿经向和纬向按一定荷载比例进行拉伸, 同时测试其中央部分经、纬向应变.拉伸时经、纬向荷载比例为1︰1, 2︰1, 1︰2, 1︰0, 0︰1共5种, 最大荷载为1000N/5cm, 拉伸速度为2～10mm/min, 试验环境温度同上.
将双轴拉伸应力应变曲线按各向异性弹性材料进行拟合, 按应变项残差平方和最小的最小二乘法计算试样的弹性模量和泊松比, 结果见表4.ePTFE膜材的弹性模量与典型聚酯纤维膜材接近, 但考虑试样厚度较小, 膜材实际弹性模量较小.
表4 双轴拉伸弹性模量与泊松比 导出到EXCEL
Table 4 Elastic mudulus and Poison's ratio from biaxial tensile test
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Direction |
Item |
Sample code |
Average | ||
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1 |
2 | 3 | |||
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Warp |
Elastic mudulus/MPa | 505.9 | 485.6 | 309.8 | 433.8 |
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Poison's ratio |
0.543 | 0.736 | 0.519 | 0.600 | |
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Fill |
Elastic mudulus/MPa | 627.7 | 501.4 | 638.0 | 589.0 |
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Poison's ratio |
0.674 | 0.760 | 1.070 | 0.834 | |
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3 耐徐变性能测试试验
ePTFE为高分子材料, 长时间拉伸时材料会发生不同程度的徐变.膜材料的徐变在膜结构中表现为膜面预张力减小、膜面形状变化, 这对膜结构的安全性能与使用性能会产生影响.本文通过常温和高温徐变试验, 测试了ePTFE膜材的耐徐变性能.
沿试件长度方向施加1000kN/m的恒定张力 (标称抗拉强度的1/4) , 并保持24h.高温试验时环境温度为 (60±2) ℃, 沿试件长度方向施加400kN/m的恒定张力 (标称抗拉强度的1/10) , 并保持6h.
徐变延伸率按[ (L2-L1) /L0]×100%进行计算, 其中L2为徐变试验结束时长度, L1为加载后徐变试验开始时长度, L0为试样原长 (200mm) .试验结果见表5.结果表明, 常温和高温下ePTFE膜材的徐变延伸率均较小, 且徐变缓慢.
表5 徐变延伸率 导出到EXCEL
Table 5 Creep strain %
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Direction and temperature |
Sample code |
Average | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
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Warp |
20 ℃ | 2.8 | 3.0 | 3.2 | 3.2 | 3.1 | 3.1 |
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60 ℃ |
3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.7 | 3.8 | 3.6 | |
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Fill |
20 ℃ | 1.5 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.7 | 1.6 |
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60 ℃ |
2.2 | 2.0 | 2.1 | 2.1 | 2.0 | 2.1 | |
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4 结论
ePTFE膜材的抗拉强度及撕裂强度较高, 材料柔软, 具有较好的耐徐变性能, 完全可满足建筑用膜材的强度要求.本试验数据可供膜结构设计参考使用.
