應(yīng)力回復(fù)對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膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析、張拉過程分析、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]，對膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計與質(zhì)量控制具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對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]的蠕變試驗、蠕變性能影響因素、蠕變性能描述與長期蠕變性能預(yù)測模型等方面。此外，敬凌霄[14]對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)時間的流逝，膜材料的變形逐漸降低并趨于穩(wěn)定。現(xiàn)有對膜材料蠕變性能的研究，均在無應(yīng)力或應(yīng)變回復(fù)等簡單受力歷史條件下進行，而未就復(fù)雜受力歷史對蠕變行為進行研究，不能較為全面地評估膜材料的力學(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，并將此現(xiàn)象稱為逆蠕變(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，其變化趨勢與應(yīng)力回復(fù)量密切相關(guān)，并基于聚合物過應(yīng)力模型(Over stress model for polymer, VBOP)及修正VBOP模型對非尋常蠕變行為進行預(yù)測，但未能就加、卸載速率對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象，對其應(yīng)力回復(fù)條件下的蠕變性能進行測試和分析，探究蠕變前最大應(yīng)力、最小應(yīng)力，以及加、卸載速率對蠕變性能的影響。

1 試驗

1.1 材料

本文以PVC涂層膜材料為試驗對象，以組織結(jié)構(gòu)為2/2方平組織的高強滌綸長絲織物為增強基。增強基經(jīng)緯紗的線密度均為111 dex/192 f，經(jīng)、緯向紗線密度均為48根/(10 cm)，膜材料實測厚度為0.72 mm，實測面密度為800 g/m2。

1.2 試樣制備與試驗方法

采用WDW-20C型微機控制電子試驗機進行測試。試樣長為30 cm、寬為5 cm，有效夾持隔距為20 cm，夾持部位均采用高強黏合劑黏合鋁合金薄片加以保護。所有試驗均在溫度為25 ℃的條件下完成，以代表性蠕變曲線為后續(xù)分析對象。

代表性試樣的應(yīng)力回復(fù)后蠕變試驗過程如圖1所示。試驗過程中，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-時間曲線和應(yīng)變-時間曲線，AB與A′B′分別為卸載階段的應(yīng)力-時間曲線和應(yīng)變-時間曲線，BC與B′C′為蠕變階段的應(yīng)力保持曲線和蠕變應(yīng)變曲線。

圖1 典型試樣的應(yīng)力-時間與應(yīng)變-時間曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 初始蠕變應(yīng)力對蠕變行為的影響

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，經(jīng)、緯向試樣的蠕變曲線如圖2。

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

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，即無應(yīng)力回復(fù)時，經(jīng)、緯向試樣的蠕變應(yīng)變隨蠕變時間的增加而持續(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，隨蠕變時間的增加，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，表現(xiàn)為混合蠕變行為特性。

(3)應(yīng)力回復(fù)量較大時，與無應(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歸因于受力過程中，增強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。

無應(yīng)力回復(fù)條件下，在外加應(yīng)力的作用下，增強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，大分子鏈間次價鍵陸續(xù)破壞和重建，大分子鏈之間滑移持續(xù)進行，此過程需克服分子間或分子內(nèi)的各種遠程或近程次價鍵力，具有明顯的時間依賴性。故蠕變應(yīng)變隨時間的流逝而持續(xù)增加，宏觀表現(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，卸載過程中，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鏈節(jié)熱運動而重新向卷曲構(gòu)象運動。

在應(yīng)力回復(fù)量較小時，外加應(yīng)力達到蠕變應(yīng)力后并保持不變，此時在內(nèi)力作用下，增強織物中紗線與涂覆高分子材料的大分子鏈段依然向內(nèi)收縮，以達到大分子鏈構(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，次價鍵陸續(xù)破壞，大分子鏈之間產(chǎn)生相對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。故宏觀表現(xiàn)為蠕變應(yīng)變隨蠕變時間的流逝而呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，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，增強織物中紗線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，試樣應(yīng)變逐漸減小；但因外加應(yīng)力相對較小，不足以破壞大分子鏈之間的次價鍵，因而無法驅(qū)動大分子鏈之間產(chǎn)生滑移，試樣始終處于收縮狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)為蠕變應(yīng)變隨蠕變時間的增加而逐漸減小，即典型的逆蠕變行為特性。

圖2說明，同等蠕變前最大應(yīng)力和加、卸載速率增加時，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，卸載過程中材料的變形回復(fù)程度降低，殘余應(yīng)變增加。同時，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。

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

2.2 最大應(yīng)力對蠕變行為的影響

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，經(jīng)向試樣的蠕變曲線如圖3。

圖3 試樣經(jīng)向試樣加載與卸載曲線

由圖3可知，同等蠕變應(yīng)力時，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，材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)變越高所致。加載過程中最大應(yīng)力越高，增強織物中纖維和涂覆高分子材料的大分子鏈伸直、伸長程度越明顯，且大分子鏈間的次價鍵被破壞數(shù)量越多，大分子鏈之間產(chǎn)生的相對滑移量越多，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時經(jīng)向試樣的蠕變曲線

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

2.3 加卸載速率對蠕變行為的影響

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，經(jīng)向試樣的蠕變曲線如圖6所示。

圖6 不同加、卸載速率時經(jīng)向試樣的蠕變曲線

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。同時可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蠕變前無應(yīng)力回復(fù)或應(yīng)力回復(fù)量較大時，加載速率僅影響蠕變量的大小，并不改變?nèi)渥冃袨榈奶卣鳎鐖D6 a)和圖6 c)所示。而應(yīng)力回復(fù)量較小時，加載速率不僅會影響蠕變量的大小，同時還會影響蠕變行為特征，即當(dāng)最大應(yīng)力為25 N/mm，蠕變應(yīng)力為15 N/mm時，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)整具有時間依賴性所致。相對于低加載速率，高加載速率時，增強織物中纖維和涂覆高分子的黏性變形來不及充分發(fā)展，材料的伸長主要由鍵長、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，材料的模量較高，伸長較小；但在隨后的蠕變過程中，在外加應(yīng)力作用下，大分子鏈之間的次價鍵被充分破壞，大分子鏈之間產(chǎn)生相對滑移量較高，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，加、卸載速率越小，則加、卸載過程中增強織物中纖維和涂覆高分子材料的大分子鏈之間的次價鍵被充分破壞，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，也無法驅(qū)動大分子鏈之間產(chǎn)生相對滑移，大分子鏈為收縮狀態(tài)。隨著蠕變時間的流逝，試樣的應(yīng)變將呈減少趨勢，即呈現(xiàn)逆蠕變行為特征。隨著加載速率的提高，增強織物中纖維和涂覆高分子的黏性變形時間減小，黏性變形程度降低，導(dǎo)致應(yīng)力回復(fù)量較小時，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產(chǎn)生相對滑移，宏觀表現(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，因此時外加應(yīng)力較小，無法驅(qū)動大分子鏈的次價鍵破壞，大分子鏈之間不再產(chǎn)生相對滑移，此時試樣處于收縮狀態(tài)，無論加載、卸速率的高低，試樣應(yīng)變始終呈現(xiàn)降低趨勢，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(圖7)。這主要是加、卸載速率較大，同等試驗條件下材料中的殘余應(yīng)變較高所致。高加、卸載速率下，加載過程中增強織物中纖維和涂覆高分子材料的大分子鏈伸直、伸長，以及大分子鏈之間相對滑移不充分，導(dǎo)致加載至最大應(yīng)力時試樣的變形量較低，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，試樣的變形程度較低。

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

3 結(jié)論

本文以PVC涂層膜材料為研究對象，對其應(yīng)力回復(fù)后的蠕變性能進行了測試與分析，并就所表現(xiàn)出的蠕變行為特征進行了分析和討論，試驗與分析結(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，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，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，加載速率不僅會影響蠕變量的大小，同時還會影響蠕變行為特征。

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