新型高透明低雾度高强ETFE薄膜单轴拉伸性能试验研究*

陈金禾，吴明儿，ARUGA Hiroshi

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092； 2.AGC 株式会社，日本 东京 100-8405)

0 引言

ETFE(ethylene tetra fluoro ethylene)薄膜是由乙烯和四氟乙烯共聚物制成的高分子薄膜材料，常用厚度为80～300μm。ETFE薄膜具有良好的耐候性、自洁性，透光率高，可回收重复利用，因此在体育场馆、商业设施、交通枢纽等工程中得到广泛应用[1-5]。

ETFE薄膜力学性能参数主要通过拉伸试验确定。ETFE薄膜单轴拉伸过程涉及分子链拉伸与断裂过程，其应力-应变曲线表现出2个明显的刚度转折点，分别被定义为薄膜第一屈服点和第二屈服点，相应的应力被称为第一屈服应力和第二屈服应力[6]。作为塑料高分子材料，ETFE薄膜第一屈服应力、第二屈服应力及抗拉强度随着温度的降低而增大，随着温度的升高而减小[7]。CECS 158∶2015《膜结构技术规程》将ETFE薄膜列入条文之中，通过对工程中常用的ETFE薄膜材料参数进行统计分析，规定了强度设计值、弹性模量等设计参数[8]。

与典型的透明材料玻璃相比，ETFE薄膜具有质量小、抗冲击性强、自洁性好等优点。在评价薄膜材料透光性能方面，透光率和雾度是重要评价指标[9-10]。其中，雾度是入射光透过薄膜后偏离入射方向一定角度(一般规定为2.5°)以上的漫透射通量与总透射通量之比，雾度越大，清晰度越低，成像越朦胧。目前常用的250μm厚ETFE薄膜(250NJ型)可见光透过率为91.5%，太阳能透射率为93%，但其雾度为10%，严重影响了薄膜材料的透明性能。

为提高ETFE薄膜透明性能，降低雾度，并进一步改善薄膜强度，通过调整聚合物中单体排列顺序，已有研究机构研发了高透明低雾度新型ETFE薄膜(250×78N型)，大幅度提高了薄膜透明性能。对该新型ETFE薄膜进行单轴拉伸试验，研究材料基本力学性能，确定基本材料性能参数，分析焊缝连接强度及温度对材料性能的影响，为工程应用提供参考。

1 试验材料

新型ETFE薄膜厚度为250μm，需裁切透明性能参数测定所用试样，使其与压盖尺寸匹配。单轴拉伸试验中试样形状为哑铃形，夹持线间距为80mm，标线间距为25mm，如图1所示。试样采用冲切机冲切，边缘光滑、无缺口。对于焊缝连接强度试验，首先进行薄膜机械拉伸方向(MD向)和垂直于机械拉伸方向(TD向)焊接加工(见图2)，焊缝宽度为10mm，然后在焊接加工后的试样上裁切包含焊缝的拉伸试样，试样尺寸与单轴拉伸试样相同。

图1 哑铃形试样

图2 焊缝连接强度试样

对于ETFE薄膜母材的单轴拉伸试验，假定试样标线部分均匀变形，工程应力σ和工程应变ε计算如下：

(1)

(2)

式中：F为试验测得的拉力；b0为试验开始前试样标线部分宽度，为6mm；t0为试验开始前试样标线部分厚度，通过实测得到；Δl为试验测得的标线间位移；L0为试验开始前试样标线部分长度，为25mm。

2 试验方案

2.1 透明性能参数测定

采用NDH-5000型浊度计和UV-3600PC型紫外可见分光光度计对该新型ETFE薄膜可见光透过率、太阳能透射比和雾度进行测定。

2.2 室温单轴拉伸试验与焊缝连接强度试验

开展室温单轴拉伸试验与焊缝连接强度试验，试验设备采用CMT4204型微机控制电子万能试验机，力值传感器量程为500N，精度为±0.5%，位移引伸计分辨率为0.001mm，试验时环境温度为(23±2)℃。根据DG/TJ 08—2019—2019《膜结构检测标准》[11]的规定，设定夹具间拉伸速率为50mm/min。制备ETFE薄膜MD，TD向单轴拉伸试样，沿不同方向各进行5次有效拉伸试验。对于焊缝连接强度试验，当试样破断断口位置处于焊缝或焊缝边缘时为有效试验。

记录拉力和位移数据，计算得到应力-应变曲线。进行焊缝连接强度试验时，取最大应力作为新型ETFE薄膜焊缝连接强度。

2.3 高低温单轴拉伸试验

试验温度分别为-60，-40，-20，0，20，40，60℃，在环境试验箱中进行高低温单轴拉伸试验(见图3)。试样尺寸及拉伸速度与室温单轴拉伸试验相同，位移通过非接触式方法进行测量。

图3 环境试验箱

3 试验结果与分析

3.1 透明性能

经测定，新型ETFE薄膜可见光透过率为93.2%，太阳能透射比为94.4%，雾度为2%。与普通ETFE薄膜相比，新型ETFE薄膜透明性能大幅度提升。

3.2 室温单轴拉伸性能

新型ETFE薄膜单轴拉伸应力-应变曲线如图4所示。为进行对比，开展相同试验条件下普通ETFE薄膜单轴拉伸试验。

图4 ETFE薄膜单轴拉伸应力-应变曲线

由图4a可知，新型ETFE薄膜与普通ETFE薄膜MD向应力-应变曲线变化趋势基本一致，可按现有方法[12]确定第一屈服应力、第二屈服应力和割线模量。

由图4b可知，新型ETFE薄膜TD向应力-应变曲线达第一刚度转折点(第一屈服点)后，经历较小的应变后应力达到局部峰值，然后材料出现应力软化现象，即随着应变的增加应力逐渐减小。应力降至最低点(软化点)后，随着应变的增加，材料逐渐强化直至破断。对于TD向的应力-应变曲线，可按现有方法[12]确定第一屈服应力及割线模量。定义局部峰值点应力为第二屈服应力，定义软化点应力为软化应力，可知新型ETFE薄膜第二屈服应力与软化应力相差较小。

根据试验结果得到新型ETFE薄膜不同方向力学性能参数，如表1，2所示。

表1 新型ETFE薄膜力学性能参数(MD向)

表2 新型ETFE薄膜力学性能参数(TD向)

由表1，2可知，新型ETFE薄膜MD，TD向的第一屈服应力平均值分别为24.13，24.30MPa，二者相差0.7%；第二屈服应力平均值分别为26.67，26.38MPa，二者相差1.1%；抗拉强度平均值分别为53.98，48.34MPa，二者相差11.7%；割线模量平均值分别为716.96，747.75MPa，二者相差4.3%。该新型ETFE薄膜MD，TD向第一屈服应力、第二屈服应力、割线模量平均值相差均<5%，因此与普通ETFE薄膜材料类似，在结构设计中可认为新型ETFE薄膜为各向同性材料。

由表2可知，新型ETFE薄膜TD向软化应力平均值为26.07MPa，略小于第二屈服应力平均值(26.38MPa)，二者相差1.2%。实际工程应用中，可将软化应力定义为第二屈服应力。

与普通ETFE薄膜相比，新型ETFE薄膜强度得到大幅度提升，2种材料力学性能对比如表3，4所示。

由表3，4可知，新型ETFE薄膜MD，TD向第一屈服应力均为普通ETFE薄膜的1.5倍，对应的第二屈服应力分别为普通ETFE薄膜的1.2，1.1倍，抗拉强度分别为普通ETFE薄膜的1.22，1.02倍，表明新型ETFE薄膜力学性能得到提高；新型ETFE薄膜割线模量大幅度增加，其MD，TD向割线模量均为普通ETFE薄膜的1.3倍；新型ETFE薄膜破断应变(断裂延伸率)有所下降，但MD，TD向仍具有较好的延展性能。

表3 新型ETFE薄膜与普通ETFE薄膜力学性能对比(MD向)

3.3 焊缝连接强度

新型ETFE薄膜焊缝连接强度试验结果如表5所示。由表5可知，新型ETFE薄膜MD，TD向焊缝连接强度分别为相应方向母材抗拉强度的0.81，0.84倍，可知新型ETFE薄膜焊接后的强度保持率>80%，具有与普通ETFE薄膜相似的焊接性能。

表5 新型ETFE薄膜焊缝连接强度 MPa

3.4 高低温单轴拉伸性能

不同温度下新型ETFE薄膜单轴拉伸应力-应变曲线如图5所示。随着温度的降低，相同应变下新型ETFE薄膜应力逐渐增大，但破断应变逐渐减小。在低温状态下，新型ETFE薄膜应力软化点较明显，而高温状态下应力软化点不明显，甚至消失。

图5 不同温度下新型ETFE薄膜单轴拉伸应力-应变曲线

可参照现有方法[12]确定环境温度为0，20，40，60℃时新型ETFE薄膜第一屈服应力、第二屈服应力和割线模量。由于软化应力与第二屈服应力数值上相差较小，不再区分，取数值较小的软化应力为第二屈服应力。

对于环境温度为-20，-40，-60℃的新型ETFE薄膜应力-应变曲线，由于无明显的第一屈服点，难以按现有方法确定第一屈服应力和第二屈服应力。为便于与高温环境下薄膜力学性能进行对比，同时考虑现行规范的规定，本文按以下方法确定第一屈服应力和第二屈服应力：①作通过软化应力点的水平线，其与应力-应变曲线的交点定义为第二屈服点(见图6)，相应的应力为第二屈服应力；②作初始段应力-应变曲线切线，该切线与通过软化应力点的水平线交点处应变对应的应力-应变曲线上的点定义为第一屈服点，相应的应力为第一屈服应力。

图6 低温下新型ETFE薄膜力学性能参数确定方法示意

不同温度下新型ETFE薄膜力学性能参数如表6，7所示。由表6，7可知，随着温度的降低，新型ETFE薄膜MD，TD向强度和割线模量均增大，破断应变均减小。

表6 不同温度下新型ETFE薄膜力学性能参数(MD向)

表7 不同温度下新型ETFE薄膜力学性能参数(TD向)

为进行对比分析，同时进行普通ETFE薄膜高低温单轴拉伸试验，试验结果如表8，9所示。由表8，9可知，当温度≤20℃时，新型ETFE薄膜第一屈服应力和第二屈服应力均明显高于普通ETFE薄膜，但差值随着温度的升高逐渐减小；当温度达60℃时，新型ETFE薄膜与普通ETFE薄膜第一屈服应力和第二屈服应力几乎相同，抗拉强度也表现出类似趋势。

表8 不同温度下普通ETFE薄膜力学性能参数(MD向)

表9 不同温度下普通ETFE薄膜力学性能参数(TD向)

4 结语

对新型高透明低雾度高强ETFE薄膜材料进行单轴拉伸试验研究，通过分析试验数据，得到材料力学性能参数及焊接后焊缝连接强度，总结温度对材料性能的影响规律，并与普通ETFE薄膜材料性能进行对比分析，得出以下结论。

1)经测定，新型ETFE薄膜雾度为2%，透明性能优异。

2)室温下新型ETFE薄膜MD向可按现有方法确定第一屈服应力、第二屈服应力和割线模量，TD向可按现有方法确定第一屈服应力、割线模量，定义局部峰值点应力为第二屈服应力，定义软化点应力为软化应力；TD向第二屈服应力与软化应力相差较小，实际工程应用中，可将软化应力定义为第二屈服应力。

3)室温下新型ETFE薄膜MD，TD向第一屈服应力、第二屈服应力、割线模量平均值相差均<5%，结构设计中可认为新型ETFE薄膜为各向同性材料。新型ETFE薄膜第一屈服应力约为普通ETFE薄膜的1.5倍，第二屈服应力约为普通ETFE薄膜的1.1倍，第一屈服应力提升程度大于第二屈服应力。

4)新型ETFE薄膜焊接后的强度保持率>80%，具有良好的焊接性能。

5)随着温度的升高，新型ETFE薄膜强度减小，40℃时的MD，TD向第一屈服应力和第二屈服应力约为20℃时的0.7倍，抗拉强度约为20℃时的0.9倍；60℃时的MD，TD向第一屈服应力和第二屈服应力约为20℃时的0.5倍，抗拉强度约为20℃时的0.8倍。当温度≤20℃时，新型ETFE薄膜第一屈服应力和第二屈服应力均明显高于普通ETFE薄膜，但2种材料屈服应力之间的差异随着温度的升高逐渐减小；当温度达60℃时，新型ETFE薄膜与普通ETFE薄膜第一屈服应力和第二屈服应力几乎相同。