循環(huán)加載處理對聚氯乙烯涂層膜材料蠕變性能的影響

汪澤幸, 李 帥, 譚冬宜， 孟 碩， 何 斌

(湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院, 湖南 湘潭 411104)

膜材料因其力學(xué)性能良好且易于安裝施工，廣泛應(yīng)用于戶外膜結(jié)構(gòu)建筑[1]。膜材料在使用過程中通常承受張拉作用而表現(xiàn)出蠕變特性，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的損失，產(chǎn)生褶皺、形態(tài)變化，甚至膜面破壞，喪失結(jié)構(gòu)功能[2-3]。

為全面把握膜材料的蠕變特性，眾多學(xué)者對膜材料的蠕變性能進(jìn)行了研究，以期為膜結(jié)構(gòu)的裁剪與張拉過程分析、二次張拉等提供參考。現(xiàn)有研究多關(guān)注蠕變前加載速率[4-6]、蠕變應(yīng)力水平[4,6]、環(huán)境溫度[7]、蠕變應(yīng)力施加方向[2,8-9]和試樣損傷類型與程度[10]對涂層膜材料蠕變性能的影響，膜材料蠕變前后力學(xué)性能變化[9]以及短期蠕變性能描述與長期蠕變性能預(yù)測模型[3,11-13]等，但蠕變前均未對膜材料試樣進(jìn)行預(yù)拉伸處理。

膜材料在安裝前要經(jīng)過二次張拉工藝，因而陳守輝[14]認(rèn)為膜材料經(jīng)預(yù)拉伸后獲得的彈性常數(shù)對膜結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工更具有實(shí)際意義，且認(rèn)為循環(huán)峰值應(yīng)力為拉伸斷裂強(qiáng)度的20%時，第3次加載曲線獲得的單軸拉伸彈性常數(shù)較為合理；王利鋼等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)峰值應(yīng)力為拉伸斷裂強(qiáng)度的20%條件下，膜材料以及飛艇蒙皮材料的拉伸曲線、殘余變形、棘輪應(yīng)變、彈性模量、能量參數(shù)等均在第3次加載后趨于穩(wěn)定;此外，Ambroziak等[17-19]亦對膜材料和飛艇蒙皮材料在雙向循環(huán)加載下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。但現(xiàn)有研究均未就循環(huán)加載處理對膜材料黏彈特性，特別是蠕變性能的影響進(jìn)行研究。

基于此，為進(jìn)一步研究前處理方式對膜材料蠕變性能的影響，本文基于聚氯乙烯(PVC)涂層膜材料，對其歷經(jīng)循環(huán)加載處理后的蠕變性能進(jìn)行測試和分析，探討循環(huán)加載次數(shù)、循環(huán)峰值應(yīng)力與加載速率對蠕變性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文以規(guī)格為SE900E的PVC涂層膜材料(由上海裕升建筑裝飾工程有限公司提供)為研究對象，其基布經(jīng)緯紗線密度均為1 200 dtex的滌綸長絲，組織結(jié)構(gòu)為二上二下方平組織，基布與膜材料的面密度分別為285、950 g/m2，成品厚度為0.78 mm。

1.2 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

矩形試樣的長、寬分別為300、(50±0.5) mm，有效夾持隔距為(200±0.5) mm?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，涂層膜材料的經(jīng)、緯向力學(xué)行為特性相似[2-3,5-6,8]，故本文采用WDW-20C微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)僅對經(jīng)向試樣進(jìn)行測試和分析。

實(shí)驗(yàn)過程：以速率υ加載至循環(huán)峰值應(yīng)力σmax，后以同等速率υ卸載至循環(huán)谷值應(yīng)力σmin，耗時t1完成N次循環(huán)加載后，再以速率υ加載至蠕變應(yīng)力σ0，并保持蠕變時間t*為14 400 s(即4 h)，蠕變前循環(huán)加載處理總耗時t2，代表性試樣測試過程中的應(yīng)變(ε)-時間(t)曲線如圖1所示。

圖1 全實(shí)驗(yàn)過程的應(yīng)變-時間曲線Fig.1 Diagram of strain-time curve during total experimental procedure

為合理確定蠕變應(yīng)力σ0和循環(huán)峰值應(yīng)力σmax，采用10 mm/min的加載速率對膜材料經(jīng)向試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度進(jìn)行測試，5個有效試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度平均值為67.15 N/mm。通常膜面張力控制在拉伸斷裂強(qiáng)度的10%～25%范圍之間[14]，為便于控制，本文選定蠕變應(yīng)力σ0為16 N/mm，其約為拉伸斷裂強(qiáng)度的23.83%。為確保循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中試樣始終處于張拉狀態(tài)，循環(huán)谷值應(yīng)力σmin設(shè)定為0.1 N/mm。

所有實(shí)驗(yàn)均在環(huán)境溫度為(22±2) ℃、相對濕度為(65±5)%的條件下進(jìn)行，有效試樣樣本數(shù)為3，取代表性曲線為后續(xù)研究和分析對象。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)加載次數(shù)對蠕變性能的影響

加載速率υ為10 mm/min，循環(huán)峰值應(yīng)力σmax與蠕變應(yīng)力σ0均為16 N/mm，歷經(jīng)0、15、50、100、200次加載后，經(jīng)向試樣的全蠕變應(yīng)變曲線見圖2。

圖2 不同循環(huán)加載次數(shù)后試樣的全蠕變應(yīng)變曲線Fig.2 Total creep strain curves of tested specimen after various loading cycles

由圖2可知，隨蠕變時間t*增加，各試樣的全蠕變應(yīng)變ε(t*)均先快速增加后趨于穩(wěn)定，表明歷經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)加載后，試樣的蠕變機(jī)制一致。圖2還示出，循環(huán)加載次數(shù)N不僅影響初始蠕變應(yīng)變的高低，還影響蠕變過程中變形量的變化。

為深入分析受力歷史對蠕變?nèi)^程的影響，可將膜材料的全蠕變應(yīng)變ε(t*)分解為2部分，即：

ε(t*)=ε0+εd(t*)

式中：ε0為初始蠕變應(yīng)變，初始蠕變應(yīng)力相同時，其僅與蠕變前試樣的加載歷史密切相關(guān)，而與蠕變時間的長短無關(guān)；εd(t*)為蠕變應(yīng)變增量，表示蠕變過程中隨蠕變時間的增加試樣變形的增加量，其與蠕變時間的長短和蠕變前受力歷史密切相關(guān)。

歷經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)加載后，膜材料的初始蠕變應(yīng)變ε0和蠕變應(yīng)變增量εd(t*)如圖3所示?？芍涸谙嗤虞d速率υ、循環(huán)應(yīng)力峰值σmax條件下，膜材料初始蠕變應(yīng)變ε0隨循環(huán)加載次數(shù)N的增加而呈現(xiàn)先快后慢的變化趨勢，且可用冪函數(shù)來表示；相同蠕變時間t*時，隨循環(huán)加載次數(shù)N的增加，試樣的蠕變應(yīng)變增量εd(t*)隨之降低。

圖3 不同循環(huán)加載次數(shù)后試樣的初始蠕變 應(yīng)變及蠕變應(yīng)變增量曲線Fig.3 Initial creep strain curves (a) and creep strain increment curves (b) of specimens after various loading cycles

在外加載荷循環(huán)作用下，膜材料基布纖維和涂覆高分子材料中的大分子鏈伸直、伸長，大分子鏈之間結(jié)合力較弱的結(jié)合點(diǎn)逐漸被破壞，產(chǎn)生相對滑移并在新位置建立較為穩(wěn)定的結(jié)合，從而導(dǎo)致膜材料變形增加；此外，基布中與加載方向平行的紗線，在張力作用下屈曲程度降低，亦會導(dǎo)致膜材料伸長變形。隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，膜材料基布纖維和涂覆高分子材料中大分子鏈進(jìn)一步伸直和伸長程度減小，大分子鏈之間可被破壞的結(jié)合力較弱的區(qū)域數(shù)量減少，滑移量進(jìn)一步降低，從而宏觀表現(xiàn)為膜材料初始蠕變應(yīng)變隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而呈現(xiàn)先快后慢的變化趨勢(見圖3(a))。

膜材料的蠕變，可認(rèn)為主要是由于在恒定外加應(yīng)力作用下，基布纖維與涂覆高分子材料中大分子鏈構(gòu)象變化和大分子鏈之間相互滑移所致，即在外加應(yīng)力作用下大分子鏈進(jìn)行重排。此外，基布中紗線屈曲結(jié)構(gòu)的變化，亦對膜材料的變形產(chǎn)生影響。

對于膜材料，在蠕變過程中，與蠕變時間相關(guān)的蠕變量，即蠕變應(yīng)變增量及其變化速率主要與膜材料蠕變初始狀態(tài)下組分材料中大分子鏈可進(jìn)一步重排的程度密切相關(guān)。蠕變前循環(huán)加載過程雖可加速大分子鏈的重排，但歷經(jīng)時間相對較短，故無法完全消除在外加應(yīng)力作用下大分子鏈進(jìn)一步充分重排的可能性，故而在后期蠕變階段大分子鏈的重排將持續(xù)進(jìn)行，從而將產(chǎn)生持續(xù)的伸長變形。相同加載速率、循環(huán)峰值應(yīng)力條件下，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，基布纖維和涂覆高分子材料中，大分子鏈之間可相互滑移程度逐漸減少，從而導(dǎo)致蠕變階段的蠕變應(yīng)變增量隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而減少，如圖3(b)所示。

為表征膜材料在蠕變過程中對初始變形的保持能力，特引入相對變形指數(shù)β，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

相對變形指數(shù)β越小，表明蠕變過程中膜材料對初始變形的保持能力越好，尺寸穩(wěn)定性較好。當(dāng)蠕變時間t*為0時，即初始蠕變時，β為0，表示相對于初始蠕變應(yīng)變無變形產(chǎn)生。

歷經(jīng)不同次數(shù)加載后，經(jīng)向試樣的相對變形指數(shù)β與循環(huán)加載次數(shù)N的等時曲線如圖4所示。

圖4 相對變形指數(shù)與循環(huán)加載次數(shù)的等時曲線Fig.4 Isochronous curves of relative deformation index and loading cycles

由圖4可知，非初始蠕變時刻(t*>0)，蠕變時間t*相同時，循環(huán)加載次數(shù)N增加，相對變形指數(shù)β先快速降低后趨于穩(wěn)定。這主要是由于增加循環(huán)加載次數(shù)，涂層膜材料初始蠕變應(yīng)變增加，而蠕變應(yīng)變增量降低，從而宏觀表現(xiàn)為相對變形指數(shù)降低，涂層膜材料對初始變形的保持能力提高。由圖4還可看出，增加循環(huán)加載次數(shù)，可提高膜材料在蠕變過程中對初始變形的保持能力，但過度增加循環(huán)加載次數(shù)，對初始變形保持能力的提高并不明顯。

2.2 循環(huán)峰值應(yīng)力對蠕變性能的影響

加載速率υ為10 mm/min,循環(huán)加載次數(shù)N為15、蠕變應(yīng)力σ0為16 N/mm，循環(huán)峰值應(yīng)力σmax分別為12、16、20、24、28 N/mm時，試樣的全蠕變應(yīng)變、初始蠕變應(yīng)變及蠕變應(yīng)變增量曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：不同循環(huán)峰值應(yīng)力條件下，膜材料的全蠕變應(yīng)變ε(t*)曲線走勢基本相同(見圖5(a))；隨循環(huán)峰值應(yīng)力σmax增加，膜材料的初始蠕變應(yīng)變ε0呈現(xiàn)冪函數(shù)增加趨勢(見圖5(b))，蠕變應(yīng)變增量εd(t*)隨之降低，且循環(huán)峰值應(yīng)力σmax為24、28 N/mm時的蠕變應(yīng)變增量曲線幾乎重合(見圖5(c))。

相同加載速率和循環(huán)次數(shù)條件下，提高蠕變前循環(huán)峰值應(yīng)力，膜材料基布纖維和涂覆高分子材料中大分子鏈的伸直、伸長越充分，大分子鏈之間結(jié)合較弱點(diǎn)破壞越徹底，基布中紗線伸直程度越高，后續(xù)蠕變階段過程中，大分子鏈之間可相互滑移程度降低，故而隨循環(huán)峰值應(yīng)力的增加，初始蠕變應(yīng)變增加，但蠕變應(yīng)變增量降低。

歷經(jīng)不同循環(huán)峰值應(yīng)力加載后，不同蠕變時刻的經(jīng)向試樣相對變形指數(shù)β與循環(huán)峰值應(yīng)力σmax的等時曲線如圖6所示。

圖6 相對變形指數(shù)與循環(huán)峰值應(yīng)力的等時曲線Fig.6 Isochronous curves of relative deformation index and cyclic peak stress

由圖6可知，相同蠕變時間t*(t*>0)時，隨循環(huán)峰值應(yīng)力σmax增加，相對變形指數(shù)β先快速降低后趨于穩(wěn)定。相對變形指數(shù)β產(chǎn)生如圖6所示的變化趨勢，表明合理提高循環(huán)峰值應(yīng)力可增強(qiáng)膜材料在蠕變過程中對初始變形的保持能力，但過度提高循環(huán)峰值應(yīng)力，對初始變形保持能力的提高程度并不明顯。

2.3 循環(huán)加載速率對蠕變性能的影響

循環(huán)加載次數(shù)N為15，循環(huán)峰值應(yīng)力σmax與蠕變應(yīng)力σ0均為16 N/mm，循環(huán)加載速率υ分別為1、5、10、50、100 mm/min時，試樣的全蠕變應(yīng)變、初始蠕變應(yīng)變以及蠕變應(yīng)變增量如圖7所示。

圖7 不同循環(huán)加載速率下試樣的全蠕變應(yīng)變、 初始蠕變應(yīng)變和蠕變應(yīng)變增量曲線Fig.7 Total creep strain (a), initial creep strain (b) and creep strain increment (c) curves of tested specimens under various cyclic loading rate

由圖7可知：不同加載速率υ下，膜材料的全蠕變應(yīng)變ε(t*)曲線形態(tài)高度相似；除初始階段外，循環(huán)加載速率υ為10、50、100 mm/min時的全蠕變曲線幾乎重合。從圖7還可看出，隨循環(huán)加載速率υ的提高，涂層膜材料的初始蠕變應(yīng)變ε0隨之降低(見圖7(b))，而同等蠕變時間t*對應(yīng)的蠕變應(yīng)變增量εd(t*)隨之增加(見圖7(c))。

因高分子材料的大分子鏈空間結(jié)構(gòu)變化具有時間依賴性，在循環(huán)加載階段，提高加載速率，涂層膜材料基布纖維和涂覆高分子材料中大分子鏈空間結(jié)構(gòu)調(diào)整時間減少，大分子鏈之間的可充分滑移程度降低；在循環(huán)卸載階段，加載速率越高，大分子鏈回縮時間越短，大分子鏈空間結(jié)構(gòu)調(diào)整越不充分，殘余變形減少。因此，加載速率增加，涂層膜材料初始蠕變應(yīng)變減少，蠕變應(yīng)變增量增加。

不同循環(huán)加載速率下，循環(huán)加載次數(shù)、循環(huán)峰值應(yīng)力與初始蠕變應(yīng)力相同時，試樣的相對變形指數(shù)β與加載速率υ的等時曲線如圖8所示。

圖8 相對變形指數(shù)與加載速率的等時曲線Fig.8 Isochronous curves of relative deformation index and cyclic loading rate

由圖8可知，非初始蠕變時刻(t*>0)，蠕變時間t*相同時，隨循環(huán)加載速率υ的增加，相對變形指數(shù)β表現(xiàn)出先快速增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，即不利于涂層膜材料在蠕變過程中的變形保持能力的提高。低循環(huán)加載速率雖可提高涂層膜材料在蠕變過程中的變形保持能力，但會增加蠕變前循環(huán)加載處理的工作量；提高加載速率，雖可有效減少循環(huán)階段的耗時，但會因儀器夾具的慣性作用，在加載至循環(huán)峰值應(yīng)力時易產(chǎn)生瞬時過載現(xiàn)象[20]，影響測試結(jié)果且不利于膜材料初始蠕變應(yīng)力的準(zhǔn)確控制。

2.4 循環(huán)加載耗時與蠕變變形保持能力

蠕變應(yīng)力σ0為16 N/mm時，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：1)加載速率υ為10 mm/min，循環(huán)峰值應(yīng)力σmax為16 N/mm，循環(huán)次數(shù)N為0、15、50、100、200時，蠕變前加載處理耗時t2(見圖1)分別為0.57、11.79、36.63、68.40、128.97 min。2)加載速率υ為10 mm/min，循環(huán)加載次數(shù)N為15，循環(huán)峰值應(yīng)力σmax為12、16、20、24、28 N/mm時，蠕變前加載處理耗時t2分別為7.36、11.79、16.12、19.08、22.52 min。3)循環(huán)峰值應(yīng)力σmax為16 N/mm，15次循環(huán)加載速率為1、5、10、50、100 mm/min時，蠕變前加載處理耗時t2分別為121.51、24.13、11.79、2.53、1.38 min。

為對比分析循環(huán)加載處理方式對蠕變過程中變形保持能力的影響，不同循環(huán)處理后試樣在蠕變時間t*=14 400 s的相對變形指數(shù)β與循環(huán)處理耗時t2的曲線如圖9所示?？梢钥闯觯渥儜?yīng)力σ0相同時，增加循環(huán)加載次數(shù)N,提高循環(huán)加載峰值應(yīng)力σmax,降低加載速率υ均可降低相對變形指數(shù)β，即有助于提高PVC涂層膜材料在蠕變過程中的變形保持能力，但也會延長蠕變前加載處理耗時t2，增加涂層膜材料施工預(yù)加應(yīng)力階段的工作量。

圖9 不同循環(huán)加載條件下相對變形指數(shù)與處理耗時曲線Fig.9 Curves of relative deformation index under different cyclic loading conditions

由圖9還可看出，從保持較低的相對變形指數(shù)(β<40%時)角度而言，提高循環(huán)峰值應(yīng)力，循環(huán)階段耗時最短，最為經(jīng)濟(jì)、有效。

3 結(jié) 論

本文以聚氯乙烯(PVC)涂層膜材料為研究對象，在相同蠕變應(yīng)力條件下，對其歷經(jīng)循環(huán)加載后的蠕變性能進(jìn)行了測試和分析，得到如下主要結(jié)論。

1)歷經(jīng)不同條件循環(huán)加載后，涂層膜材料的全蠕變曲線形態(tài)相似，蠕變機(jī)制一致。

2)隨著加載次數(shù)和循環(huán)峰值應(yīng)力的增加，涂層膜材料的初始蠕變應(yīng)變隨之增加，而蠕變應(yīng)變增量和相對變形指數(shù)降低，涂層膜材料在蠕變過程中對初始變形的保持能力增加，但循環(huán)加載階段耗時增加。

3)隨著循環(huán)加載速率的增加，涂層膜材料的初始蠕變應(yīng)變降低，而蠕變應(yīng)變增量和相對變形指數(shù)隨之增加，涂層膜材料在蠕變過程中對初始變形的保持能力降低，且易導(dǎo)致加載至循環(huán)峰值應(yīng)力時產(chǎn)生瞬時過載現(xiàn)象，影響初始蠕變應(yīng)力的準(zhǔn)確控制。降低循環(huán)加載速率，雖可有效提高膜材料在蠕變過程中對初始變形的保持能力，但會增加循環(huán)階段的耗時。

本文僅考慮循環(huán)加載處理對PVC涂層膜材料蠕變性能及蠕變過程中變形保持能力進(jìn)行了分析，為全面把握循環(huán)加載處理對PVC涂層膜材料力學(xué)性能的影響，有必要深入研究循環(huán)加載處理方式對拉伸力學(xué)性能、應(yīng)力松弛特性、能量耗散特性等的影響。