應(yīng)力回復(fù)對(duì)PVC涂層膜材料蠕變性能的影響*

汪澤幸 李 帥 何 斌 劉 超

湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411104

蠕變是建筑膜材料黏彈性的典型特征之一。蠕變會(huì)導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)預(yù)加張力的損失，產(chǎn)生膜面褶皺、膜結(jié)構(gòu)形態(tài)變化，甚至膜的功能破壞等。膜材料的蠕變特性研究對(duì)膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析、張拉過(guò)程分析、全壽命周期的剛度變化及二次張拉的研究等均具有重要作用[1]，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，對(duì)膜材料蠕變性能的研究主要集中在PTFE涂層膜材料[2-6]、ePTFE膜材料[7]、PVC涂層膜材料[8-12]和ETFE膜材料[13]的蠕變?cè)囼?yàn)、蠕變性能影響因素、蠕變性能描述與長(zhǎng)期蠕變性能預(yù)測(cè)模型等方面。此外，敬凌霄[14]對(duì)PU涂層和PVC涂層多軸向經(jīng)編聚酯膜材料的研究表明，膜材料表現(xiàn)出典型的蠕變回復(fù)特征，隨回復(fù)時(shí)間的流逝，膜材料的變形逐漸降低并趨于穩(wěn)定。現(xiàn)有對(duì)膜材料蠕變性能的研究，均在無(wú)應(yīng)力或應(yīng)變回復(fù)等簡(jiǎn)單受力歷史條件下進(jìn)行，而未就復(fù)雜受力歷史對(duì)蠕變行為進(jìn)行研究，不能較為全面地評(píng)估膜材料的力學(xué)行為特性。

Patil等[15-17]研究發(fā)現(xiàn)，聚合物纖維、紗線(xiàn)蠕變后回復(fù)部分應(yīng)力，并保持外加應(yīng)力恒定，則應(yīng)變將呈現(xiàn)非持續(xù)增加的變化趨勢(shì)，并將此現(xiàn)象稱(chēng)為逆蠕變(Inverse creep)，但從本質(zhì)上而言，所述研究依然是材料的蠕變回復(fù)性能。

Dusunceli等[18-21]發(fā)現(xiàn)高聚物纖維、紗線(xiàn)部分應(yīng)力回復(fù)后表現(xiàn)出非尋常蠕變行為特征，蠕變應(yīng)變呈現(xiàn)出非持續(xù)增加的變化趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)與應(yīng)力回復(fù)量密切相關(guān)，并基于聚合物過(guò)應(yīng)力模型(Over stress model for polymer, VBOP)及修正VBOP模型對(duì)非尋常蠕變行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，但未能就加、卸載速率對(duì)蠕變行為特征的影響做深入的研究和分析。

基于此，為深入研究膜材料在復(fù)雜受力歷史條件下的力學(xué)行為特性，本文以PVC涂層膜材料為研究對(duì)象，對(duì)其應(yīng)力回復(fù)條件下的蠕變性能進(jìn)行測(cè)試和分析，探究蠕變前最大應(yīng)力、最小應(yīng)力，以及加、卸載速率對(duì)蠕變性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本文以PVC涂層膜材料為試驗(yàn)對(duì)象，以組織結(jié)構(gòu)為2/2方平組織的高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲織物為增強(qiáng)基。增強(qiáng)基經(jīng)緯紗的線(xiàn)密度均為111 dex/192 f，經(jīng)、緯向紗線(xiàn)密度均為48根/(10 cm)，膜材料實(shí)測(cè)厚度為0.72 mm，實(shí)測(cè)面密度為800 g/m2。

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用WDW-20C型微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。試樣長(zhǎng)為30 cm、寬為5 cm，有效夾持隔距為20 cm，夾持部位均采用高強(qiáng)黏合劑黏合鋁合金薄片加以保護(hù)。所有試驗(yàn)均在溫度為25 ℃的條件下完成，以代表性蠕變曲線(xiàn)為后續(xù)分析對(duì)象。

代表性試樣的應(yīng)力回復(fù)后蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程如圖1所示。試驗(yàn)過(guò)程中，以速率υ將試樣拉伸至最大應(yīng)力σmax后以同等速率υ卸載至蠕變應(yīng)力σ0并保持，應(yīng)力保持時(shí)間t*為28 800 s(即8 h)。圖1中，OA與OA′分別為加載階段的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)和應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)，AB與A′B′分別為卸載階段的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)和應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)，BC與B′C′為蠕變階段的應(yīng)力保持曲線(xiàn)和蠕變應(yīng)變曲線(xiàn)。

圖1 典型試樣的應(yīng)力-時(shí)間與應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 初始蠕變應(yīng)力對(duì)蠕變行為的影響

加、卸載速率υ為10 mm/min，最大應(yīng)力σmax為20 N/mm，最小應(yīng)力σ0分別為5、10、15、20 N/mm時(shí)，經(jīng)、緯向試樣的蠕變曲線(xiàn)如圖2。

圖2 最大應(yīng)力為20 N/mm時(shí)經(jīng)緯向試樣的蠕變曲線(xiàn)

由圖2可知，同等最大應(yīng)力σmax條件下，隨蠕變應(yīng)力的增加，經(jīng)、緯向試樣的變形特性均呈現(xiàn)相似的變化：

(1)應(yīng)力回復(fù)量(Δσ=σmax-σ0)為0，即無(wú)應(yīng)力回復(fù)時(shí)，經(jīng)、緯向試樣的蠕變應(yīng)變隨蠕變時(shí)間的增加而持續(xù)增加，表現(xiàn)為尋常蠕變行為特性；

(2)應(yīng)力回復(fù)量較小時(shí)，隨蠕變時(shí)間的增加，經(jīng)、緯向試樣的蠕變應(yīng)變呈現(xiàn)先降低后增加并趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為混合蠕變行為特性。

(3)應(yīng)力回復(fù)量較大時(shí)，與無(wú)應(yīng)力回復(fù)條件下試樣的蠕變應(yīng)變特性相反，經(jīng)、緯向試樣的蠕變應(yīng)變隨蠕變時(shí)間的增加而持續(xù)降低，表現(xiàn)為逆蠕變行為特性；

圖2的PVC涂層膜材料蠕變行為特性可主要?dú)w因于受力過(guò)程中，增強(qiáng)織物中纖維與涂覆高分子材料的大分子鏈構(gòu)象變化和大分子鏈間相互滑移，即因大分子鏈的重新排列所導(dǎo)致。

無(wú)應(yīng)力回復(fù)條件下，在外加應(yīng)力的作用下，增強(qiáng)織物中纖維和涂覆高分子材料的大分子鏈均處于張拉狀態(tài)，大分子鏈段從卷曲構(gòu)象沿外加應(yīng)力方向繼續(xù)伸展，大分子鏈間次價(jià)鍵陸續(xù)破壞和重建，大分子鏈之間滑移持續(xù)進(jìn)行，此過(guò)程需克服分子間或分子內(nèi)的各種遠(yuǎn)程或近程次價(jià)鍵力，具有明顯的時(shí)間依賴(lài)性。故蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的流逝而持續(xù)增加，宏觀(guān)表現(xiàn)為典型的尋常蠕變行為特征。

蠕變前存在應(yīng)力回復(fù)受力歷史時(shí)，卸載過(guò)程中，外加應(yīng)力降低，在內(nèi)應(yīng)力作用下，已伸展、伸直的大分子鏈通過(guò)鏈節(jié)熱運(yùn)動(dòng)而重新向卷曲構(gòu)象運(yùn)動(dòng)。

在應(yīng)力回復(fù)量較小時(shí)，外加應(yīng)力達(dá)到蠕變應(yīng)力后并保持不變，此時(shí)在內(nèi)力作用下，增強(qiáng)織物中紗線(xiàn)與涂覆高分子材料的大分子鏈段依然向內(nèi)收縮，以達(dá)到大分子鏈構(gòu)象重建的目的，試樣應(yīng)變逐漸減小。但在此過(guò)程中，因外加應(yīng)力較高，隨著大分子鏈的向內(nèi)收縮，大分子鏈間的作用力增加，次價(jià)鍵陸續(xù)破壞，大分子鏈之間產(chǎn)生相對(duì)滑移并在新的位置重建平衡，試樣應(yīng)變又呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(shì)。故宏觀(guān)表現(xiàn)為蠕變應(yīng)變隨蠕變時(shí)間的流逝而呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，即表現(xiàn)為混合蠕變行為特性。

當(dāng)應(yīng)力回復(fù)量較大時(shí)，增強(qiáng)織物中紗線(xiàn)與涂覆高分子材料的大分子鏈段依然存在向內(nèi)收縮的趨勢(shì)，試樣應(yīng)變逐漸減??；但因外加應(yīng)力相對(duì)較小，不足以破壞大分子鏈之間的次價(jià)鍵，因而無(wú)法驅(qū)動(dòng)大分子鏈之間產(chǎn)生滑移，試樣始終處于收縮狀態(tài)，宏觀(guān)表現(xiàn)為蠕變應(yīng)變隨蠕變時(shí)間的增加而逐漸減小，即典型的逆蠕變行為特性。

圖2說(shuō)明，同等蠕變前最大應(yīng)力和加、卸載速率增加時(shí)，經(jīng)、緯向試樣的蠕變應(yīng)變隨應(yīng)力回復(fù)量的增加而降低，即隨初始蠕變應(yīng)力的增加而增加。這主要是由于應(yīng)力回復(fù)量越小，蠕變應(yīng)力越高，卸載過(guò)程中材料的變形回復(fù)程度降低，殘余應(yīng)變?cè)黾?。同時(shí)，由于應(yīng)力回復(fù)量的增加，材料的蠕變行為將由尋常蠕變向逆蠕變轉(zhuǎn)變，在兩者共同作用下，試樣的蠕變應(yīng)變呈現(xiàn)隨應(yīng)力回復(fù)量的增加而降低的變化趨勢(shì)。

從圖2中還可以看出，同等測(cè)試條件下，經(jīng)、緯向試樣的蠕變曲線(xiàn)形態(tài)表現(xiàn)出高度相似性，表明經(jīng)、緯向試樣的蠕變機(jī)理具有一致性，因而后續(xù)均基于經(jīng)向試樣進(jìn)行研究。

2.2 最大應(yīng)力對(duì)蠕變行為的影響

蠕變應(yīng)力σ0為5 N/mm，加、卸載速率υ為10.0 mm/min，最大應(yīng)力σmax分別為5、10、15、20 N/mm時(shí)，經(jīng)向試樣的蠕變曲線(xiàn)如圖3。

圖3 試樣經(jīng)向試樣加載與卸載曲線(xiàn)

由圖3可知，同等蠕變應(yīng)力時(shí)，隨蠕變前最大應(yīng)力的增加，試樣的蠕變行為依次表現(xiàn)為逆蠕變、混合蠕變及尋常蠕變行為特性，所表現(xiàn)出的蠕變行為特性依然與蠕變前應(yīng)力回復(fù)量密切相關(guān)。

同等蠕變應(yīng)力與加、卸載速率條件下，PVC涂層膜材料的蠕變應(yīng)變隨最大應(yīng)力的增加而增加(圖4)。這主要是由于最大應(yīng)力越高，回復(fù)到同等蠕變應(yīng)力時(shí)，材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)變?cè)礁咚?。加載過(guò)程中最大應(yīng)力越高，增強(qiáng)織物中纖維和涂覆高分子材料的大分子鏈伸直、伸長(zhǎng)程度越明顯，且大分子鏈間的次價(jià)鍵被破壞數(shù)量越多，大分子鏈之間產(chǎn)生的相對(duì)滑移量越多，產(chǎn)生的不可逆塑性變形量越大(圖5)。

圖4 蠕變應(yīng)力為5 N/mm時(shí)經(jīng)向試樣的蠕變曲線(xiàn)

圖5 蠕變應(yīng)力為5 N/mm時(shí)經(jīng)向試樣的加載與卸載曲線(xiàn)

2.3 加卸載速率對(duì)蠕變行為的影響

最大應(yīng)力σmax為25 N/mm，σ0為5、15、25 N/mm，υ分別為0.1、1.0、10.0、100.0 mm/min時(shí)，經(jīng)向試樣的蠕變曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 不同加、卸載速率時(shí)經(jīng)向試樣的蠕變曲線(xiàn)

由圖6可知，隨著加、卸載速率的增加，PVC涂層膜材料的蠕變應(yīng)變呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蠕變前無(wú)應(yīng)力回復(fù)或應(yīng)力回復(fù)量較大時(shí)，加載速率僅影響蠕變量的大小，并不改變?nèi)渥冃袨榈奶卣?，如圖6 a)和圖6 c)所示。而應(yīng)力回復(fù)量較小時(shí)，加載速率不僅會(huì)影響蠕變量的大小，同時(shí)還會(huì)影響蠕變行為特征，即當(dāng)最大應(yīng)力為25 N/mm，蠕變應(yīng)力為15 N/mm時(shí)，隨著加載速率的降低，膜材的蠕變行為特征由混合蠕變向逆蠕變行為轉(zhuǎn)變[圖6 b)]。究其原因，主要是大分子鏈構(gòu)象的調(diào)整具有時(shí)間依賴(lài)性所致。相對(duì)于低加載速率，高加載速率時(shí)，增強(qiáng)織物中纖維和涂覆高分子的黏性變形來(lái)不及充分發(fā)展，材料的伸長(zhǎng)主要由鍵長(zhǎng)、鍵角等變化構(gòu)成的彈性變形提供，故加載至同等最大應(yīng)力時(shí)，材料的模量較高，伸長(zhǎng)較??；但在隨后的蠕變過(guò)程中，在外加應(yīng)力作用下，大分子鏈之間的次價(jià)鍵被充分破壞，大分子鏈之間產(chǎn)生相對(duì)滑移量較高，如圖6 a)所示。

應(yīng)力加載至最大值后回復(fù)，如應(yīng)力回復(fù)量較小時(shí)，加、卸載速率越小，則加、卸載過(guò)程中增強(qiáng)織物中纖維和涂覆高分子材料的大分子鏈之間的次價(jià)鍵被充分破壞，大分子鏈之間產(chǎn)生充分滑移，即黏性變形較為充分；外加應(yīng)力卸載至蠕變應(yīng)力后，此時(shí)因膜材料中高分子材料的大分子鏈的滑移已經(jīng)充分完成，即使蠕變應(yīng)力較高，也無(wú)法驅(qū)動(dòng)大分子鏈之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，大分子鏈為收縮狀態(tài)。隨著蠕變時(shí)間的流逝，試樣的應(yīng)變將呈減少趨勢(shì)，即呈現(xiàn)逆蠕變行為特征。隨著加載速率的提高，增強(qiáng)織物中纖維和涂覆高分子的黏性變形時(shí)間減小，黏性變形程度降低，導(dǎo)致應(yīng)力回復(fù)量較小時(shí)，外加應(yīng)力卸載至蠕變應(yīng)力后，在外加應(yīng)力作用下，大分子鏈之間依然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，宏觀(guān)表現(xiàn)為混合蠕變行為特征，如圖6 b)所示。

應(yīng)力回復(fù)量較大時(shí)，因此時(shí)外加應(yīng)力較小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)大分子鏈的次價(jià)鍵破壞，大分子鏈之間不再產(chǎn)生相對(duì)滑移，此時(shí)試樣處于收縮狀態(tài)，無(wú)論加載、卸速率的高低，試樣應(yīng)變始終呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，表現(xiàn)為逆蠕變行為特征，如圖6 c)所示。

隨加、卸載速率的提高，PVC涂層膜材料的蠕變應(yīng)變呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)(圖7)。這主要是加、卸載速率較大，同等試驗(yàn)條件下材料中的殘余應(yīng)變較高所致。高加、卸載速率下，加載過(guò)程中增強(qiáng)織物中纖維和涂覆高分子材料的大分子鏈伸直、伸長(zhǎng)，以及大分子鏈之間相對(duì)滑移不充分，導(dǎo)致加載至最大應(yīng)力時(shí)試樣的變形量較低，且在卸載后彈性應(yīng)變快速回復(fù)，從而導(dǎo)致卸載至相同蠕變應(yīng)力時(shí)，試樣的變形程度較低。

圖7 蠕變應(yīng)力為5 N/mm時(shí)經(jīng)向試樣的加載與卸載曲線(xiàn)

3 結(jié)論

本文以PVC涂層膜材料為研究對(duì)象，對(duì)其應(yīng)力回復(fù)后的蠕變性能進(jìn)行了測(cè)試與分析，并就所表現(xiàn)出的蠕變行為特征進(jìn)行了分析和討論，試驗(yàn)與分析結(jié)果如下。

(1)PVC涂層膜材料的蠕變行為與松弛前應(yīng)力回復(fù)時(shí)的最大應(yīng)力值、最小應(yīng)力值及加、卸載速率密切相關(guān)。

(2)當(dāng)應(yīng)力回復(fù)量為0時(shí)，表現(xiàn)出典型的尋常蠕變行為特征；應(yīng)力回復(fù)量較大時(shí)，呈現(xiàn)逆蠕變特性。此兩種情況下，加、卸載速率僅影響蠕變量的大小，不改變?nèi)渥冃袨榈奶卣鳌?/p>

(3)應(yīng)力回復(fù)量較小時(shí)，加載速率不僅會(huì)影響蠕變量的大小，同時(shí)還會(huì)影響蠕變行為特征。

本文僅對(duì)應(yīng)力回復(fù)條件下的短時(shí)蠕變性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，但膜材料的使用壽命遠(yuǎn)高于此，需要對(duì)應(yīng)力回復(fù)條件下的長(zhǎng)期蠕變性能進(jìn)行測(cè)試和分析，下一步考慮建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng)力回復(fù)條件下的蠕變行為進(jìn)行描述和分析。