離子性中間層拉伸性能檢測結果影響因素分析

許威 丁佐鑫 李俊杰 趙文婧 楊平平 韓松

關鍵詞：離子性中間層，拉伸性能，拉伸斷裂應力，拉伸斷裂標稱應變

0 前言

20世紀90年代，美國杜邦公司研發了夾層玻璃用離子性中間層。這種中間層材料是一種含有少量金屬鹽，以乙烯－甲基丙烯酸共聚物為主，可與玻璃牢固地黏結在一起的熱塑性材料。該材料性能卓越，具有優異的黏結強度、剛度、硬度、透明性、耐久性和邊部穩定性。尤其是力學性能突出，強度是普通中間層材料（PVB或EVA）的5倍，硬度是普通中間層材料的30～100倍[1]。離子性中間層的出現大大擴展了夾層玻璃的應用領域，使其從傳統的圍護件向結構件使用。因此，使用離子性中間層的夾層玻璃被大量應用于玻璃幕墻、玻璃棧道、玻璃梁柱、開放式陽臺、玻璃樓梯等。

近10年，我國也陸續研發了離子性中間層，目前約有5種自主品牌。為提高我國離子性中間層產品質量，規范行業健康發展，2020年，工信廳科函[2020]263號規定：由中國國檢測試控股集團股份有限公司負責制定建材行業標準JC/T XXXX《夾層玻璃用離子性中間層》（計劃號：2020-1581TJC）。目前，該標準正處于報批階段。

離子性中間層的拉伸性能（拉伸強度和斷裂伸長率）可以反應夾層玻璃的抗沖擊能力[2]。因此，該標準引入關鍵力學測試項目——拉伸性能，用拉伸斷裂應力（也稱為拉伸強度）和拉伸斷裂標稱應變（也稱斷裂伸長率）兩個參數表征。本文主要研究不同因素對離子性中間層拉伸性能檢測結果的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

帶有引伸計并備有專用夾具的力學試驗機。

分度值為0.001mm的千分尺。

壓片機，5型試樣裁刀。

1.2 試樣

用壓片機從制品上切取5型試樣[3]，形狀如圖1所示，數量不少于5個。離子性中間層常見公稱厚度為0.76mm、0.89mm、1.14mm和1.52mm。

1.3 試驗過程

（1）樣品放置

試驗前，將試樣置于溫度（23±2）℃，相對濕度為20%～60%的環境中至少3h，并在相同環境下進行試驗。

（2）試樣尺寸測量

用千分尺在每個試樣的中部距離標距每端5mm以內測量厚度h，測量3點取平均值。計算試樣的橫截面積A。

（3）夾持

將試樣兩端放在夾具中夾緊。

（4）安裝引伸計

將引伸計安裝到試樣的標距上，測試標距間試樣長度變化。

（5）應力和應變計算[4]

試驗拉伸速度設為（50±10）mm/min，測定試樣斷裂時的拉伸斷裂應力和拉伸斷裂標稱應變，按公式（1）計算拉伸斷裂應力，按公式（2）計算拉伸斷裂標稱應變。

2 拉伸性能檢測結果影響因素分析

2.1 取樣方向對檢測結果的影響

離子性中間層為壓延成型工藝制備。試樣沿不同方向取樣對拉伸性能檢測結果的影響見表1。

由表1可知，沿流延方向取樣比沿寬度方向取樣，拉伸斷裂應力約大1～7MPa，拉伸斷裂應力拉伸應變約小10%～73%。

可見，試樣切裁方向對拉伸性能有影響。沿流延方向拉伸脆性更好，沿寬度方向拉伸韌性更好。不同廠家樣品只有取樣方向相同，試驗數據才具有可比性，標準規定試樣沿流延方向切裁。

2.2 拉伸速度對檢測結果的影響

離子性中間層是黏彈性材料，拉伸速度是否會影響拉伸性能檢測結果？不同拉伸速度對拉伸性能檢測結果的影響見表2，應力-應變曲線見圖2。

如圖2所示，當拉伸速度為20mm/min、50mm/min、100mm/min、200mm/min，應力-應變曲線形狀基本相同。應力經歷了先快速上升到屈服值后下降到最小值，然后趨于平緩最后又快速上升直至斷裂達到峰值的過程，斷裂應力大于屈服應力。當拉伸速度為300mm/min時，應力降到最小值趨于平緩后少量上升隨即斷裂，斷裂應力小于屈服應力。當拉伸速度為500mm/min時，應力降到最小值趨于平緩的過程中斷裂，斷裂應力為最小應力。

離子性中間層屬于黏彈性材料，它的應力松弛過程與變形速度緊密相關。應力松弛需要一個時間過程，當低速拉伸（20～200mm/min）時，分子鏈來得及位移、重排，離子性中間層拉伸斷裂應力和拉伸斷裂應力拉伸應變較大。當高速拉伸（300～500mm/min）時，分子鏈段的運動跟不上外力作用的速度，拉伸斷裂應力和拉伸斷裂標稱應變減小。

可見，拉伸速度對拉伸性能檢測結果有影響。當拉伸速度為20～200mm/min時，應力-應變曲線形狀相同，拉伸斷裂應力和拉伸斷裂標稱應變變化不大。但當拉伸速度為20mm/min時，試驗時間過長。不同廠家的樣品只有拉伸速度相同，試驗數據才具有可比性。該標準優選拉伸速度50mm/min。

2.3 試樣邊緣情況對檢測結果的影響

5型試樣一般使用裁刀切裁制備，鋒利的裁刀切裁的試樣邊緣應整齊光滑，如圖3（a）所示。當裁刀用久鈍化后，切裁后的試樣邊緣會產生較多毛刺，如圖3（b）所示。圖3為不同邊緣情況的5型試樣對比。試樣邊緣情況對拉伸性能檢測結果的影響見表3。

如表3所示，不同公稱厚度的試樣，邊緣有較多毛刺的試樣與邊緣光滑的試樣相比，拉伸斷裂應力降低約2-3.5MPa，拉伸斷裂標稱應變降低約9%～39%。

圖4為不同邊緣情況的5型試樣標距段用金相顯微鏡放大5倍后的照片。可見，圖4（a）樣品邊緣清晰光滑，圖4（b）樣品邊緣有較多毛刺。當試樣被拉伸時，毛刺處應力集中，更易斷裂。因此，與邊緣光滑的試樣相比，邊緣有較多毛刺的試樣拉伸斷裂應力和拉伸斷裂標稱應變均降低。

可見，試樣邊緣情況對檢測結果有影響。當裁刀鈍化導致試樣邊緣產生較多毛刺時，需要及時更換新裁刀。

2.4 試樣經過夾層玻璃制備工藝處理與否對檢測結果的影響

離子性中間層在夾層玻璃中使用，檢測經過夾層玻璃制備工藝處理過的試樣是否更能體現出離子性中間層在實際使用中的拉伸性能？試樣經過夾層玻璃制備工藝處理與否對拉伸性能檢測結果的影響有多大？

試樣制備：夾層玻璃試樣結構：玻璃+PET膜+離子性中間層試樣+PET膜+玻璃，即用PET膜將試樣與兩片玻璃隔開。

夾層玻璃制備工藝處理：將夾層玻璃試樣放入高壓釜中，在壓力12.5MPa，135℃下保溫2小時，關閉高壓釜，待高壓釜內溫度緩慢降至室溫后，取出夾層玻璃試樣。分開上下兩片玻璃，撕掉上下兩片PET膜，得到透明的離子性中間層試樣。

試樣經過夾層玻璃制備工藝處理與否對拉伸性能檢測結果的影響見表4。

如表4所示，采用原片作試樣和采用經過夾層玻璃制備工藝處理過的試樣相比，拉伸斷裂應力差異在2 MPa以內，拉伸斷裂標稱應變值差異在20%以內，2個參數變化均不大。

因為離子性中間層是熱塑性材料，經過夾層玻璃制備工藝處理后，材料只是發生了一些物理變化，冷卻后恢復原狀。因此，試樣是否經過夾層玻璃制備工藝處理對拉伸性能基本無影響，標準規定試樣直接從原片切裁，無需測試經過夾層工藝處理后的試樣。

3 結論

離子性中間層拉伸性能檢測結果影響因素分析如下。

（1）試樣切裁方向對拉伸性能檢測結果有影響，標準規定試樣沿流延方向切裁。

（2）拉伸速度對拉伸性能檢測結果有影響，當拉伸速度大于300mm/min時，拉伸斷裂應力和拉伸斷裂標稱應變減小。當拉伸速度為20～200mm/min時，拉伸斷裂應力和拉伸斷裂標稱應變變化不大。標準規定拉伸速度為50mm/min。

（3）試樣邊緣情況對拉伸性能檢測結果有影響，標準規定試樣邊緣應整齊光滑。

（4）試樣經夾層玻璃制備工藝處理與否對試樣拉伸性能檢測結果無影響，標準規定試樣從原片切裁。