温度对PTFE膜材料力学性能的影响

  中国规程[6]虽已明白准确地提出了分项系数设计表达式，但其只是容许应力法在分项系数公式中的转换表达，并不能反映材料的离散性、撕裂、退化等其他因素的影响.国外规程中，德国规范最全面，对双轴折减、温度、长期荷载、污染和老化等多项因素的影响逐一进行了考虑，能够准确的通过真实的情况选取不同的影响因素，从而确定相应的设计强度，其中材料的高温折减系数取1.10～1.25，连接节点高温折减系数为1.40～1.95.IASS设计指南对影响结构抗力不定性的3个主要方面（材料性能、几何参数和计算模式）进行了详细研究，将温度同紫外线辐射、循环荷载和徐变等作用放在一起考虑，折减系数取2.0～2.4[7].

  PTFE膜材的抗拉强度（fu，MPa）、断裂延伸率（εu，%）与温度（t，℃的关系拟合方程可由式（3）～（6）来表示.

  式中：fu1，fu2，fu3分别是70，23，－20℃时膜材的抗拉强度平均值.经、纬向试件的高温折减系数分别为1.068和1.150，取两个方向中的较大值1.150为高温折减系数，同理，可求得其低温增强系数为1.128.最终得到该材料的高、低温影响系数分别为1.150和1.128（见表1）.在确定准确的材料分项系数时，应当考虑高温对材料强度的折减作用.

  【作者单位】中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室,江苏徐州221116;同济大学 土木工程学院,上海200092;同济大学 土木工程学院,上海200092;同济大学 土木工程学院,上海200092

  图3为不一样的温度下PTFE膜材的应力－应变曲线能够准确的看出，PTFE膜材在不一样的温度下的应力－应变曲线变化趋势一致.PTFE膜材的单轴拉伸曲线个阶段，这主要跟PTFE膜材的组成结构和受力机理有关.第1阶段：膜材拉伸变形较小，基层纤维和涂层基本共同受力，膜材刚度较为均匀，处于弹性阶段.第2阶段：随着膜材拉伸变形增大，在微观层面上基层纤维和涂层之间逐渐脱离，再加上涂层自身较低的拉伸刚度，造成膜材整体变形迅速增加而应力增长缓慢.第3阶段：主要由基层纤维受力，由于基层纤维自身是高弹、高强材料，导致膜材的拉伸刚度迅速增大，形成应力强化阶段，直至膜材因基层纤维断裂而破坏.同时，由于膜材基层纤维采用平织法，经、纬向纤维交替卷曲，编织过程中纬向纤维的卷曲度较大.因此在张拉的初始阶段，基层纤维伴随着纤维的机构运动，尤其是纬向纤维还伴有逐渐由卷曲变成平直的过程，通常这一过程具有不可恢复性.而随着荷载的增加，纤维本身的性能起主导作用.

  高低温试验箱采用GDW－40／350压缩机制冷.试验按如下步骤进行：把试样装在高低温箱内，然后调到预定的温度，做好密封保温.温度分别取－20，－10，0，10，23，40，50，60，70℃.每种温度沿经向及纬向分别取25条试样，恒温1h后进行单向拉伸试验，加载采用位移控制方式，拉伸速度为100mm／min.循环拉伸试验的步骤是：首先以20N／s的速度定速张拉试件两端的夹持端，直至加载至抗拉强度值的1／4；然后以20N／s的速度定速卸载至0；重复上述步骤5次.一般取第5条加载曲线拟合后所得直线的斜率作为PTFE膜材的单轴弹性模量.

  涂层织物类膜材是一种复合材料，一般由基层、涂层、面层组成.膜材基层由玻璃纤维或聚酯纤维构成的纱线编织而成，能决定膜材的结构力学特性.涂层和面层保护基层，且具有自洁、抗污染、耐久性等作用.常用的涂层织物类膜材有外涂聚四氟乙烯的玻璃纤维类膜材（简称为PTFE膜材）和外涂聚氯乙烯的聚酯纤维类膜材（简称为PVC膜材）.对于PVC膜材，由于聚酯纤维具有较大的伸长变形力，故易于安装，但其在拉力和紫外线的长期作用下会有较大的徐变，易引起膜面皱褶，影响感观效果及透光率.而对于PTFE膜材，因其弹性模量和强度均较高、徐变小、不易老化、常规使用的寿命长而受到广大设计师的欢迎，但由于玻璃纤维的脆性，需要精确加工，妥善处理.

  对拉伸曲线做多元化的分析计算，得到PTFE膜材的抗拉强度和断裂延伸率随温度的变化规律如图4所示，图中各点为试验平均值，直线能够准确的看出，PTFE膜材的抗拉强度、断裂延伸率与温度呈较好的线性关系.材料的抗拉强度随温度的升高而降低，断裂延伸率随温度的升高而增大；从－20℃到70℃，经向抗拉强度减少约10.6%，断裂延伸率增加约18.3%；纬向抗拉强度减少约12.7%，断裂延伸率增加约15.9%.这主要跟PTFE膜材的基材和涂层材料有关.由于PTFE膜材的表面涂层是聚四氟乙烯，基材纤维是玻璃纤维，当材料发生破坏时，微观上将发生相应的某种分子运动或向活化态的转变.随着温度上升，粒子热运动增强，分子键减弱，因此材料收到外部作用力时易于断裂.同时温度上升会使材料的韧性增加，所以断裂延伸率随之增加.相反如果降低温度，在固定的时间间隔内，将使实现这种分子运动或转变的机会减少，从而使材料的断裂强度升高；同时温度降低会使材料的韧性降低，断裂延伸率随之降低[9].

  为了精准把握膜材的力学性能，获得准确的材料设计分项系数，有必要研究温度对于PTFE膜材力学性能的影响规律.本文通过不一样的温度下PTFE膜材的拉伸试验和循环拉伸试验，考察了其主要力学性能随温度的变动情况，为该膜材的研究和应用提供基础数据.

  本文参照 DG／TJ 08－2019—2007《膜结构技术检验测试规程》[8]，选取圣戈班公司生产的SHEERFILL－Ⅱ膜材进行单向拉伸试验.PTFE膜材试样为长条状，采用切割条样法制备试样.试样的裁剪质量将直接影响到最终的试验结果，所以应做到精细、准确.每块试样的有效宽度应为（50±0.5）mm，长度是（1 000±1）mm，如图1所示.试验时采用配有高低温度箱的微机控制电子万能（拉伸）试验机，配置高精度拉力传感器和大变形测试仪，用缠绕式夹具固定试样.根据试验过程中作用于试样上的拉力与截面面积之比得到应力，截面面积则按照试样在拉伸前标线间部分截面计算，不考虑试样伸长后其截面面积的变化，应变根据标线间距离变化得出.

  由于PTFE膜材在实际工程中为双向受力，其在双轴作用下受力情况相对来说比较复杂.对于抗拉强度，一般是由单轴抗拉强度进行双轴折减修正之后，再结合实际工程的计算模式建议公式，得到设计强度值；对于弹性模量，研究之后发现经过循环拉伸后的建筑膜材料是正交各向异性弹性材料，易洪雷等[10]建立了单轴弹性常数和双轴弹性常数的近似关系.因为双轴拉伸试验设备复杂，难以进行不一样的温度下的膜材双轴试验，因此本文通过研究单轴拉伸试验来研究温度对于材料弹性模量的影响.

  柔性膜材在拉伸试验过程中可能会在夹持钳口附近断裂.如果试样在钳口附近5mm以内断裂且该试验值小于样本平均值，则认定该试样结果受到夹持影响，应舍去.同时，对于符合正态分布的样本值而言，样本值落在[μ－3σ，μ＋3σ]的概率为99.74%（其中μ为样本平均值，σ为样本标准差）.因此，可以此为标准，将此区间之外的样本值初步认定为试验误差过大的数据.通过建立直方图可反映样本值在不同的数值间隔内的分布频率，采用偏度、峰度联合检验法对该数据分布进行了正态性检验，经分析认为数据来自正态分布的总体，限于篇幅，本文只列出了材料在23，－20，70℃的强度统计结果，见图2和表1.

  目前对于涂层织物类膜材力学性能的研究较多，主要集中于常温荷载状态下的膜材力学性能分析，包括常用力学参数（弹性模量、剪切模量、拉伸强度和断裂延伸率等）的测定，破坏机理和破坏准则等，但对于其高低温方面的研究较少[1－5].作为一种高分子复合材料，膜材有着非常明显的黏弹性和非线性，其力学性能受加工方式、老化、温度以及别的环境条件的影响较大，设计时应最大限度地考虑环境和温度对膜材力学性能的影响.