EVA環保膜材單軸拉伸力學性能試驗研究

秦夢婷 周國寶 崇 磊

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

膜材作為一種新興的建筑材料，已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之后的第六種建筑材料[1]。目前在膜結構進行建筑設計中最重要常用的有PTFE膜材料和PVDF膜材料。PTFE膜材料是將聚四氟乙烯(PTFE)涂覆在超細玻璃纖維編織物上形成的一種復合材料。PTFE膜具有強度高、耐久性好、阻燃性好、自潔性好、不受紫外線輻射影響、使用壽命超過25年等特點。它的透射率高，透射率為13%，對熱能的反射率為73%，吸熱小。PVDF膜是將聚氯乙烯(PVC)涂在聚酯纖維編織的基布上，加上100%聚偏氟乙烯(PVDF)的表面涂層后形成的復合材料。PVDF膜結構(PVC膜材)的強度及耐火性與PTFE對比具有一定差距，另外其自潔性和耐久性均不如PTFE建筑膜材。其使用壽命隨表面涂層的不同而不同，一般可達12年～25年。國內外對這兩種常用的建筑膜材料已經開展了各類力學性能試驗與研究。

本文所研究的EVA膜材是由乙烯—醋酸乙烯共聚物(也稱為乙烯—乙酸乙烯共聚物)，乙烯(E)和乙酸乙烯(VA)共聚而制得，英文名稱為：Ethylene Vinyl Acetate，簡稱為EVA。對于EVA材料，由于工藝與添加劑配比比較復雜，相關研究非常少。EVA膜材作為一種新型膜材，其除了擁有傳統膜材的優點外，最大的特點是可降解，無污染，在當今環保越來越重視的今天，其發展前景是不言而喻的。但對其力學性能相關的研究仍相對滯后，本文對EVA膜材進行了單軸拉伸試驗，得出其相關的力學參數以及拉伸斷裂機理。

1 試驗概況

本次試驗所采用的單軸拉伸試驗機如圖1所示。試驗環境參考GB/T 6529—2008標準，溫度(20±2)℃、濕度(65±4)%、1個大氣壓。單軸拉伸試驗試件為長帶型，膜材試樣如圖2所示，試樣尺寸如圖3所示，試樣總長度L=300 mm，寬度B=50 mm，膜材料的中間自由有效長度L0=200 mm，夾具夾持段為50 mm，厚度為0.7 mm。膜材料的長度方向稱為經向(0°)，垂直于長度方向的寬度方向稱為緯向(90°)。本次單軸拉伸試驗變量為偏軸角，即切縫與經向的夾角，取值0°～90°，以相差15°為一組，共7種不同偏軸角度試驗工況。每種試驗工況取3個試件，試驗等速加載，加載速度取200 mm/min。

2 試驗數據和結果分析

2.1 單軸拉伸應力—應變曲線

分別對繞經向0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°七種情況進行試驗，來分析拉伸方向與紗線之間夾角對EVA膜材料力學性能的影響。圖4分別給出了7種情況下應力—應變曲線的試驗結果。

根據EVA膜材料在不同方向下的拉伸應力—應變曲線(如圖5所示)可見，EVA膜材0°(經向)的拉伸強度最大。斷裂延伸率最小；90°(緯向)斷裂延伸率高于經向，拉伸強度略低于經向；15°和75°的抗拉強度最小；45°的斷裂延伸率最大。應力—應變曲線圖中還可以看出，EVA膜材0°和90°，15°和75°，30°和60°的應力—應變曲線變化規律相似，呈現出典型的正交各向異性[2]。

膜材基本上呈現雙線性彈性特征。取荷載應變曲線的初始線性變形階段的切線作為膜材在該荷載下的彈性模量。塑性段曲線斜率為塑性模量。斷裂延伸率表示為εu=(Lb-L0)/L0(其中，Lb為膜材斷裂時測量長度；L0為有效長度)。單軸拉伸試驗計算結果見表1。

表1 單軸拉伸試驗結果

2.2 拉伸斷裂機理

圖6為膜材試件在不同方向上被拉斷后的斷裂口的形態。由圖6a)中試件呈現出單純的拉斷破壞形態，特點是所有纖維都在同一位置斷裂，斷裂垂直于加載方向，通常發生在經緯向(0°,90°)的拉伸試驗中；圖6b)中試件呈現出剪切破壞形態，特點是在面內剪切應力的作用下，纖維依次從基體中拔出，導致了膜材的破壞，這種破壞通常發生在基體與纖維表面之間，一般發生在45°拉伸試驗中；圖6c)中試件呈現出拉剪混合型破壞，特點是在拉應力與面內剪切應力的共同作用下，試件邊部纖維從基體中拔出，中間部分的纖維被拉斷，導致膜材的破壞，通常發生在小偏角(15°，30°)的單軸拉伸試驗之中。總的來看，對于單軸拉伸試驗，破壞總是發生在強度較低的纖維之中，因為拉應力與剪切應力的共同作用加速了膜材的破壞，所以其拉伸斷裂強度總是小于單一應力作用時的拉伸斷裂強度[2]。

3 結語

1)EVA環保膜材的拉伸性能呈現典型的正交各向異性，其沿經緯向(0°，90°)的拉伸斷裂強度最大且近似相等，45°的斷裂延伸率最大。

2)EVA環保膜材拉伸斷裂后，其斷裂方式為單純拉斷破壞、剪切型破壞和拉剪混合型破壞3種。

本文所研究的EVA膜材的極限抗拉強度與文獻[3]中PVC膜材在不同偏軸角度下的抗拉強度對比，除經緯向外都要更高一些。膜結構行業再使用傳統的PVC材料已經不符合可持續發展的理念了，PVC材料將逐步在不可降解的情況下被淘汰，而EVA膜材的最大的特點就是可降解，無污染，在當今環保越來越重視的今天，其發展前景是不言而喻的。

注：本文特感謝江蘇科技大學土木工程與建筑學院本科生唐曉玲、佟麗、聶銀江做出的貢獻。