溫度對(duì)聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布蠕變應(yīng)變性能的影響*

李瑞霞 郭珊珊 沈 為 張愷怡

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

篷蓋類柔性復(fù)合材料(篷蓋布)是復(fù)合材料的一大品類，在建筑、廣告燈箱、土工膜以及包裝運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)涂層原料的不同，篷蓋布可分為聚氯乙烯(PVC)篷蓋布、聚四氟乙烯(PTEF)篷蓋布等[1]。PVC篷蓋布的使用壽命約為20年，而PTFE篷蓋布的使用壽命長(zhǎng)達(dá)35年。篷蓋布在實(shí)際應(yīng)用中因受到拉伸或其他載荷的長(zhǎng)期反復(fù)作用而產(chǎn)生蠕變，當(dāng)蠕變量超過(guò)一定范圍后，其使用壽命縮減，最終影響篷蓋布的使用效果。

本文根據(jù)篷蓋布的實(shí)際使用溫度對(duì)其24 h內(nèi)的蠕變應(yīng)變特性進(jìn)行研究，探討溫度變化對(duì)篷蓋布蠕變應(yīng)變的影響，盡量避免因使用條件不當(dāng)影響該類產(chǎn)品的使用性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣

本試驗(yàn)所用3種規(guī)格的聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣由浙江海寧明士達(dá)新材料有限公司提供。聚酯增強(qiáng)基布均為經(jīng)編雙軸向織物，其襯經(jīng)襯緯紗是線密度為111 tex的高強(qiáng)低伸型聚酯長(zhǎng)絲。將聚酯增強(qiáng)基布的正反兩面或一面與PVC膜經(jīng)過(guò)層合工藝處理后，分別制備出雙面復(fù)合PVC篷蓋布試樣K1和K3及單面復(fù)合PVC篷蓋布試樣K2，其截面如圖1所示。聚酯增強(qiáng)基布中襯經(jīng)/襯緯紗的排列密度，聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣的面密度、厚度、經(jīng)緯向拉伸斷裂強(qiáng)力等基本物理性能的測(cè)試結(jié)果列于表1。

表1 試樣規(guī)格及其物理性能測(cè)試結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能》和GB/T 11546.1—2008《塑料 蠕變性能的測(cè)定 第1部分：拉伸蠕變》及前期預(yù)實(shí)驗(yàn)，首先裁剪長(zhǎng)為25 cm、寬為5 cm的聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境[溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度(65±2)%]中調(diào)濕24 h。然后在常溫(18～24 ℃)、40 ℃和60 ℃這3個(gè)不同溫度條件下向各試樣施加載荷[2]。其中，各試樣在加載儀上的夾持間距為15.0 cm，預(yù)加張力為10 N，外加恒定載荷為其拉伸斷裂強(qiáng)力(表1)的10%，拉伸速度為100 mm/min，加載時(shí)間為24 h，記錄各試樣的蠕變量。在進(jìn)行60 ℃條件下的蠕變測(cè)試時(shí)，施加載荷前將試樣在該溫度下放置15 min。最后分析各聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣經(jīng)緯向蠕變曲線的異同及蠕變應(yīng)變特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布蠕變性能的影響

不同溫度條件下，試樣K1、K2與K3經(jīng)向和緯向的蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線分別如圖2～圖4所示。經(jīng)分析可知：

(1)不同測(cè)試溫度條件下，3種聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣經(jīng)緯向的蠕變曲線變化趨勢(shì)基本相同。初始階段，聚酯增強(qiáng)基布受載荷拉伸作用，紗線中的纖維發(fā)生急彈性變形[3]，試樣的蠕變應(yīng)變量快速增加。隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維大分子鏈間發(fā)生破壞和重建，纖維進(jìn)入緩彈性變形階段，蠕變速度很慢，試樣的蠕變應(yīng)變量趨于平穩(wěn)，蠕變曲線接近于平直。

(2)相同測(cè)試溫度條件下，對(duì)于同一規(guī)格的試樣，其經(jīng)緯向的蠕變應(yīng)變存在明顯差異，且緯向蠕變應(yīng)變大于經(jīng)向。這是由于在聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布的層壓復(fù)合過(guò)程中，增強(qiáng)基布的緯向不受外力控制，襯緯紗基本處于無(wú)張力狀態(tài)，而襯經(jīng)紗所受平均張力約為196 N/m。層壓復(fù)合中試樣還需經(jīng)受熱輥與烘箱的高溫(約180～210 ℃)作用，受張力約束的襯經(jīng)紗中的纖維取向度得到提高，纖維大分子的運(yùn)動(dòng)受測(cè)試溫度的影響進(jìn)一步減小，導(dǎo)致試樣經(jīng)向的蠕變應(yīng)變較小。因此，各試樣緯向的蠕變應(yīng)變大于其經(jīng)向。

(3)同一試樣經(jīng)向或緯向的蠕變應(yīng)變量隨測(cè)試溫度的升高而增大。

(4)隨測(cè)試溫度的升高，聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣經(jīng)緯向的蠕變應(yīng)變差值變大。究其原因，可能是層壓復(fù)合時(shí)聚酯增強(qiáng)基布中幾乎不受外力約束的襯緯紗纖維內(nèi)部分子滑移較小，而隨著測(cè)試溫度的升高，纖維大分子開(kāi)始劇烈運(yùn)動(dòng)，緯向纖維分子鏈間相互滑移現(xiàn)象比經(jīng)向纖維更為顯著，因此，各試樣經(jīng)向和緯向的蠕變應(yīng)變差值增加。

2.2 基布密度對(duì)聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布蠕變性能的影響

相同測(cè)試溫度條件下，同一試樣經(jīng)緯向的蠕變應(yīng)變分別如圖5和圖6所示。

圖5 各試樣經(jīng)向的蠕變應(yīng)變

圖6 各試樣緯向的蠕變應(yīng)變

由表1知，在各聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣的增強(qiáng)基布中，單位長(zhǎng)度內(nèi)襯經(jīng)襯緯紗的根數(shù)不同，即基布的經(jīng)緯密度不同。結(jié)合圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：

(1)測(cè)試溫度相同時(shí)，聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣的經(jīng)向和緯向的蠕變應(yīng)變均隨基布經(jīng)緯密度的增加而增大。這可能是襯經(jīng)襯緯紗排列密度的增加提高了加載方向上紗線的受力不均勻性，單根紗線所受實(shí)際應(yīng)力增大，試樣的蠕變應(yīng)量隨之增加。

(2)對(duì)于試樣K1和K3，襯經(jīng)襯緯紗的排列密度對(duì)試樣緯向的蠕變應(yīng)變影響較大。這與層合時(shí)增強(qiáng)基布襯緯紗中纖維大分子和鏈段的排列比較隨機(jī)、取向度較小有關(guān)，載荷的施加增加了纖維分子運(yùn)動(dòng)幅度，因此，試樣K1和K3緯向的蠕變應(yīng)變較為明顯。

3 結(jié)論

本文在常溫、40 ℃和60 ℃的條件下測(cè)試了3種 聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣經(jīng)緯向的蠕變特性，分析并研究了溫度變化和增強(qiáng)基布中襯經(jīng)襯緯紗的排列密度對(duì)聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布蠕變應(yīng)變的影響。結(jié)果表明，加載24 h內(nèi)，聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣蠕變應(yīng)變曲線在纖維分子的緩彈性變形階段相對(duì)平緩。聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布蠕變形變量的大小受測(cè)試溫度、加載時(shí)間和聚酯增強(qiáng)基布中襯經(jīng)襯緯紗排列密度的影響。測(cè)試溫度越高，試樣的蠕變應(yīng)變量越大。測(cè)試溫度相同時(shí)，同規(guī)格試樣緯向的蠕變應(yīng)變量大于其經(jīng)向。對(duì)同一試樣而言，不同測(cè)試溫度條件下，試樣緯向的蠕變應(yīng)變差異較大，試樣經(jīng)向的蠕變應(yīng)變差異較緯向小。聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布試樣經(jīng)緯向的蠕變應(yīng)變均隨其基布經(jīng)緯密度的增加而增大。

為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)聚酯增強(qiáng)基PVC篷蓋布的使用壽命，需進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的蠕變應(yīng)變測(cè)試。此外，低溫極限條件下，根據(jù)蠕變應(yīng)變特征來(lái)預(yù)測(cè)該篷蓋布的使用壽命仍需進(jìn)一步探討。