PTFE建筑膜材寒冷地区耐候性自然暴露试验研究

武 岳，叶瑾瑜，徐 旺，李宗晟

（1.哈尔滨工业大学 结构工程灾变与控制教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西 西安 710000；4.华润深圳湾发展有限公司，广东 深圳 518054；5.日本中兴化成工业株式会社，东京107－0052）

建筑用织物膜材是由基层、涂层和面层复合而成的高分子复合材料.目前工程中常用的织物膜材主要有两类，一类是以聚酯纤维织物为基层，聚氯乙烯（PVC）为面层，通常称为PVC 膜材；另一类是以玻璃纤维织物为基层，聚四氟乙烯（PTFE）为面层，通常称为PTFE 膜材.前者的设计使用寿命约为15a，后者为25a.从结构设计的角度，要求膜材的性能和外观在设计使用年限内能够保持基本稳定.但是由于建筑膜材属于聚合物复合材料，在光、热、臭氧、温湿度等因素的影响下，必然会出现老化现象［1］，因此对膜材性能受环境因素影响的变化规律进行研究，从而在设计阶段预先考虑这种不利因素就显得十分重要.

1 建筑膜材的耐候性研究现状

对于建筑膜材的耐候性问题，国内外学者已开展了一些研究工作.谭志乐［2］对ePTFE 和PVC 膜材进行了热、湿、光作用下的加速老化试验，发现2种膜材均能较好地抵抗紫外线作用，但对热、湿作用敏感.Toyada等［3］采用室外暴露试验和人工加速老化试验研究了PVC膜材和PTFE膜材的耐候性，并通过拉伸强度测试和SEM 表面观察评定了2种膜材的耐候性能，建立了两者之间的联系.小川华子等［4］对PTFE膜材进行了20a的耐候性跟踪测试，得出经过20a自然暴露试验后，PTFE 膜材的拉伸强度约有80%保持率的结论.Razak等［5］在热带湿热环境条件下对PTFE和PVC膜材进行了为期2a的室外暴露试验，通过对膜材表面性能的评定，证明了经过特殊表面处理的PVC 膜材和PTFE 膜材具有更好的耐候性能.Polfus［6］在不同地区对PVC 膜材进行了自然老化试验，研究发现高温高湿、长时间光照以及工业污染均是导致PVC 涂层织物性能下降的原因.

从以上介绍可以看出，以往的研究主要集中在人工老化试验以及热湿环境下的自然暴露试验方面，专门针对寒冷地区膜材耐候性能的研究较少.为探究PTFE膜材在寒冷气候条件下的力学性能变化规律，本文对PTFE 膜材进行了为期7a的寒冷地区室外暴露试验，分别测试了自然暴露1，2，4，7a的PTFE 膜材拉伸强度和撕裂强度，并拟合出这2个强度指标随时间的变化曲线，为PTFE 膜材在寒冷地区的使用寿命预测提供参考.

2 PTFE膜材的暴露试验

2.1 暴露场地气候情况

试验在黑龙江省哈尔滨市某建筑楼顶进行，起始时间为2006年12月.哈尔滨属寒温带气候，冬季长夏季短，气候严寒，该地区近10a的四季平均气温及平均降水量情况如表1［7］所示.

表1 哈尔滨近10a的平均气温及降水量Table 1 Weather data of exposure location in recent 10a［7］

2.2 暴露试验方法

根据日本工业标准JIS A1410［8］和国家标准GB／T 3681—2000［9］的要求，暴露试验应远离工业区、污染等复杂有害环境因素的影响，选择开阔无遮挡的场地.本试验暴露场所地处哈尔滨市开发区，楼顶视野开阔，周围无高大建筑物，无遮挡无障碍，满足暴露试验场所要求的条件.试验膜材选用日本中兴化成工业株式会社的SKYTOP FGT－800型PTFE膜材，材料出厂性能指标如表2所示.

表2 PTFE膜材的出厂性能指标Table 2 Properties of PTFE membrane material product

试验膜材共6片，每片长1.5m，宽1.2m，安装在由角钢制成的试验支架上.6片膜材均取自同一生产批次.试验支架均朝正南方向固定，支架倾斜角θ按下式确定［10］：

式中：γ为试验地纬度.哈尔滨地区位于北纬45°，根据式（1）确定试验支架的倾斜角为35°.如此可以获得最大的年太阳辐射总量，同时也可使积雪自然滑落，避免膜材在冬季长期被积雪覆盖.

2.3 暴露试验过程

按照计划，自然暴露试验自2006年12月开始，共进行10a，取样时间分别为1，2，4，7，10a.目前已完成前4次取样工作，对暴露1a（2007年12 月取样）、2a（2008 年12 月取样）、4a（2009 年12 月 取样）和7a（2013年12月取样）的膜材样本进行拉伸强度和撕裂强度测试后，将所得结果与出厂数据进行对比.

3 PTFE膜材的拉伸性能测试

3.1 试验方法

衡量材料拉伸性能的指标有拉伸断裂强度Pf和断裂延伸率εf，由于测试结果的离散性，结果通常取多组试件测试结果的算术平均值.断裂延伸率εf的定义为：

式中：Lt为任意时间下试件的夹持间距；L0为初始时刻试件的夹持间距.

建筑膜材的拉伸强度测试方法目前国际上尚无统一标准，各国常用的标准有ISO 1421，英国的BS3424，德国的DIN53354，日本的JIS L1096［10］等.本文参照JIS L1096标准进行PTFE 膜材的单轴拉伸强度测试.

3.2 试验夹具

考虑到PTFE 膜材硬度较高，表面较光滑，如果采用夹持式夹具易出现膜材试件在夹持端滑移、破坏的情形.为解决上述问题，本试验采用了基于自锁原理的缠绕式夹具，如图1所示.通过夹具中缠绕滚轴的相对运动来实现对膜材拉伸试件的固定，有效消除了试件在夹持端的滑移和破坏现象.

图1 拉伸测试用缠绕式夹具Fig.1 Roller clamps for tensile test

3.3 试件制作

较常使用的试件制作方法有拆纱条样法和切割条样法［11］.本文试验采用切割条样法.试件呈矩形长条带，宽度（30.0±0.5）mm，长度（800.0±1.0）mm，初始标距取200.0mm.沿试件长度方向，从中点向两侧各画1条间距为100.0mm 的基准线，用于断裂延伸率及试件应变测量.试件尺寸如图2所示.每次取样后选取合适部位制作经纬向各5条试件，分别进行单轴拉伸强度试验.

图2 膜材拉伸试件尺寸Fig.2 Dimension of specimen for tensile test（size：mm）

3.4 试验过程

试验采用德国产Zwick／Roell Z010万能材料试验机，考虑到PTFE膜材的拉伸强度及精度要求，安装量程为10kN，精度为0.5%的力传感器及夹持式大变形光栅引伸计，其最大引伸位移可达200mm，能充分满足试验要求.试验加载速率为200mm／min，加载至试件断裂.

3.5 拉伸试验结果分析

图3 为2007 年，2008 年，2010 年，2013 年（即试件自然暴露1，2，4，7a）试件的平均拉伸荷载－位移曲线；其具体测试数据见表3.

图3 2007年～2013年PTFE膜材拉伸荷载－位移曲线Fig.3 Tensile load－displacement curves of PTFE membrane material（2007－2013）

表3 暴露不同时间的PTFE膜材拉伸测试结果Table 3 Tensile test results of PTFE membrane material for different exposure duration

通过对全部试件曲线的研究分析，可以大致得出该材料在拉力作用下的受力过程分为3 个阶段［12］：（1）拉力在0%～20%拉伸断裂强度之间，此阶段基层和涂层共同受力；（2）超过拉伸断裂强度20%后，涂层开始出现断裂及与基层剥离等破坏现象而逐渐退出工作；（3）拉力超过拉伸断裂强度60%，此时涂层完全失效，拉力由基层承受，基层拉伸断裂强度即为试件的最终拉伸强度.

结合图3和表3可以看出，材料经纬向拉伸荷载－位移曲线的不同主要存在于第一、二受力阶段，说明暴露过程中膜材试件的涂层首先受到环境影响.Eichert［13］通过对不同涂层厚度的织物类膜材在紫外线作用下的性能变化进行研究后发现，脆性的塑料涂层会对材料性能起到相反的作用，并指出材料的长期性能取决于材料的编织方式和涂层的共同作用.考虑到基层材料纤维不同的排列方式，环境对经向试件的影响主要集中于第一受力阶段和最终的拉伸强度，对于纬向试件的影响则仅在其最终拉伸强度上.由于工程上关心的主要是膜材的拉伸强度，故以下主要对拉伸强度进行探讨.

为探究在寒地气候自然暴露环境下PTFE 膜材拉伸强度随时间的变化规律，采用拉伸强度保持率α及拉伸断裂延伸率保持率β 作为评价参数：

式中：Pf，n为暴露n 年的膜材拉伸强度；Pf0为原始试件的拉伸强度；εf，n为暴露n 年的膜材断裂延伸率；εf0为原始试件的断裂延伸率.

采用最小二乘法对2007年～2013年拉伸试验结果进行非线性数据拟合.根据拉伸强度保持率随时间的变化曲线，分别采用4种函数对其进行拟合，以衡量样本回归线对样本观测值拟合程度的可决系数作为判定依据，最后决定采用y ＝ax－b这一函数形式进行拟合.得到PTFE 膜材在哈尔滨地区自然暴露环境下拉伸强度保持率的拟合公式如式（5），（6）所示，拟合结果见图4.

图4 膜材拉伸强度保持率拟合曲线Fig.4 Tensile strength retention rate fitting curves of PTFE membrane material

从拟合曲线来看，在综合环境因子的影响下，PTFE膜材的经向和纬向拉伸强度均随时间推移而呈下降趋势，拉伸强度的下降主要集中在膜材试样暴露的第1 年内，之后下降的趋势不断变缓.最初1a内，经向和纬向试件拉伸强度保持率近似相同，随着时间的推移，1a后，纬向试件的拉伸强度保持率高于经向试件.

根据CECS158：2004《膜结构技术规程》可知，一般PTFE膜材的质量保证期为10～15a，而采用PTFE膜材的膜结构设计使用年限通常在25a以上.用式（5），（6）来预测25a后PTFE 膜材的拉伸强度保持率，可得经向为77.83%，纬向为79.20%，与小川华子等［4］指出的暴露20a后的PTFE 膜材拉伸强度保持率为80%这一结论基本吻合.

采用同样方法对PTFE 膜材拉伸断裂延伸率保持率随时间的变化规律进行拟合，结果如图5所示.通过图5可以看出：

（1）膜材拉伸断裂延伸率保持率随时间变化的离散性较大，总体随时间呈下降趋势.

（2）纬向试件的拉伸断裂延伸率保持率均高于经向试件，说明PTFE 膜材在纬向具有良好的变形能力.

（3）对PTFE膜材经向和纬向的拉伸断裂延伸率保持率采用与拉伸强度保持率相同的函数关系即y ＝ax－b进行曲线拟合，得到的拟合公式为：

式（7），（8）中：βnwarp和βnweft分别为暴露n 年后的膜材经向、纬向拉伸断裂延伸率保持率.

图5 膜材拉伸断裂延伸率保持率拟合曲线Fig.5 Elongation retention rate fitting curves of PTFE membrane material

3.6 不同储存环境下拉伸试验结果分析

为了验证寒地自然暴露条件对膜材拉伸强度的影响，本文还进行了室内储存4，7a的PTFE膜材拉伸强度测试.室外暴露和室内储存条件下的PTFE膜材拉伸强度结果见表4.通过对比可知，同原始试件比较，室内储存和室外暴露4，7a的PTFE膜材的拉伸强度均有下降，但室内储存条件下试件的拉伸强度要明显高于室外暴露条件下的试件，说明在自然环境下PTFE膜材的拉伸强度发生了较大的衰减.

表4 不同环境条件下PTFE膜材的拉伸强度Table 4 Tensile strength of PTFE membrane material in different environmental conditions

4 PTFE膜材的撕裂性能测试

4.1 试验方法

目前常采用的膜材撕裂试验方法有双舌撕裂法、单舌撕裂法、梯形撕裂法、中心撕裂法等，常用测试标准有英国的BS3424、德国的DIN53356、美国的ASTM4851以及的日本JIS L1096等.英国和德国标准采用的双舌撕裂法相同，日本和美国标准采用的梯形撕裂法一致.本文采用JIS L1096［10］的梯形撕裂法进行PTFE膜材的撕裂强度测试.

4.2 试验夹具

试验采用平板式夹具，由加载连杆、夹具轴承、夹持垫板三部分组成，见图6.加载连杆为φ8 的圆柱状钢杆，与夹具轴承和试验机机夹头配合；夹具轴承为一φ10的销轴，连接2块夹持垫板，实现可开合功能，以方便操作；夹持垫板与轴承相连，主体部分尺寸为120mm×100mm，夹持垫板上开有5个φ7的螺孔，利用M6螺栓夹紧垫板以提供撕裂试件所需要的夹持力；夹持垫板内侧粘贴2块橡胶片以提高夹持摩擦力［14］.

图6 撕裂夹具Fig.6 Clamp for tear test

4.3 试件制作

依据规范［10］对梯形撕裂法的要求，在长为180.0mm，宽为75.0 mm 的矩形条带试件上绘制一等腰梯形作为夹持线，梯形的长边取100.0mm，精确到1.0mm，长边平行于经向的为经向试件，长边平行于纬向的为纬向试件.在梯形短边沿着与试件受力方向垂直的方向（横向）裁出一切口作为撕裂起点，切口长度为10.0mm.试件制作图见图7.每次取样后选取合适部位制作经、纬向各5条试件分别进行撕裂强度测试.

图7 撕裂试件制作图Fig.7 Dimension of specimen for tear test（size：mm）

4.4 试验过程

由于PTFE膜材撕裂强度较小，为了保证试验的准确性，采用量程为1kN，测试精度为0.5%的CSS44300电子万能材料试验机进行撕裂试验.试验开始前，安装试件，注意上下对中，给螺栓施加足够的预紧力以确保撕裂试件在加载过程中不发生滑移；将撕裂夹具安装到试验机夹头上，保证梯形撕裂试件的短边张紧，长边自然弯曲.试验过程见图8.

图8 撕裂试验过程Fig.8 Tear test process

在加载开始时，梯形撕裂试件短边切口处先受力，切口附近的纵向纤维承载，随着加载的进行，能够承载的纤维不断增多，荷载不断向切口远端的纵向纤维转移，试件的撕裂切口呈三角形（见图8），纵向纤维被逐根拉断.由于PTFE 膜材的纤维基布（一般采用经纬向纱线正交编织）是主要的受力构件，因此在撕裂过程中试件的横向纤维基本不承受荷载作用.试验过程中夹持端未发生滑移现象.

4.5 撕裂试验结果分析

PTFE膜材的撕裂荷载－位移曲线为一波动曲线，见图9.曲线的一系列波峰值代表膜材纤维破断力，它们的统计值决定了膜材的撕裂强度.取撕裂荷载－位移曲线波峰值的5个极大点（如图9中五角星所示）的平均值作为一次撕裂试验的测量结果.暴露1，2，4，7a的PTFE膜材撕裂试验结果见表5.

图9 撕裂荷载－位移曲线Fig.9 Load－displacement curve of tear test

表5 暴露不同时间的PTFE膜材撕裂试验结果Table 5 Tear test results of PTFE membrane material for different exposure duration

由表5可见，PTFE 膜材的经向撕裂强度略小于纬向撕裂强度，且纬向撕裂强度保持率除第1年外均大于经向撕裂强度保持率.为了探究PTFE 膜材在寒地气候自然暴露环境下撕裂强度随着时间的变化规律，采用与拉伸强度试验结果同样的分析方法，取撕裂强度保持率λ作为衡量指标：

式中：PR，n为暴露n 年的膜材撕裂强度；PR0为原始试件的撕裂强度.

对PTFE膜材撕裂强度保持率进行了非线性拟合，拟合曲线见图10.综合表5 和图10 可以看出：

（1）经、纬向试件的撕裂强度保持率符合形如y＝ax－b的函数关系：

图10 PTFE膜材撕裂强度保持率拟合曲线Fig.10 Tear strength retention rate fitting curves of PTFE membrane material

（2）根据拟合公式计算PTFE 膜材暴露25a后的撕裂强度保持率分别为：经向80.10%，纬向83.09%.可以认为，在寒冷地区使用的PTFE 膜材能够在使用寿命内保持较好的撕裂强度.

5 结语

（1）总体来看，PTFE膜材具有较好的经年耐候性，除第1年性能衰减较快外，其后随着时间的增长其性能趋于平稳.

（2）环境对膜材的影响目前主要集中在涂层上，而由于涂层对基层的保护作用，使得环境对材料基层的影响较小.

（3）由所得拟合公式进行预测，在25a设计使用寿命内，PTFE 膜材的力学性能将降低20%左右，这需要在设计阶段引起注意.

（4）考虑到实际膜结构中的膜材是在一定的张力作用下工作的，而这种张力作用会对膜材内部的组织结构产生影响，进而可能影响到膜材的耐久性能，因此还将开展PTFE 膜材在预张力作用下的经年耐候性研究.

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