（纺织材料与纺织品设计专业论文）建筑膜材料基层力学性能研究.pdf

本课题的创新点 1 探索出一种适合测试膜材料基层抗拉伸各向异性的试验方法 尺寸。通过对不同材料和不同尺寸的大量试验研究，提出采用抓样法 时2 0 c m x 2 0 c m 是一种值得推荐的测试基层抗拉伸各向异性的试样尺 寸。并与通用的条样法的试验结果对比分析，证明了本课题采用抓样 法的合理性和可行性。 2 对膜材料和基层力学性能各向异性的研究，进一步证明了基层 和膜材料之间的相互关系。提出在实际设计时，通过改变基层的力学 性能就可达到改善膜材料力学性能的目的。为了更直观的表示膜材料 的受力过程以及预测膜材料的受力特点和形态分布，试用a n s y s 对 其受力过程进行模拟，结果表明，模拟过程和实际受力破坏过程相符 合，所以通过a n s y s 的模拟为在设计中减弱受力集中区域的应力奠 定了良好的基础。 3 根据大量的试验结果，并结合材料的物理参数，建立了基层抗 拉伸和抗撕裂各向异性的数学模型，并对其回归方程的系数进行标准 化，使得影响因素的主次关系更加清晰明了，为实际设计膜材料的力 学性能提供一定的参考依据。 摘要 膜结构建筑是一种新型的建筑结构形式，由于其具有独特的魅力，使得膜结 构半个多世纪以来得到了迅猛的发展和广泛的应用。同时，与之相辅相成的建筑 膜材料也为膜结构的大量应用起了积极推动作用。但是不管是材料性能还是结构 性能，国内在该领域的研究仍处于相对滞后的地位，并已成为制约国内膜结构行 业健康发展的主要因素之一。 建筑膜材料中基层起到承载外力的骨架作用，决定膜材料的力学性能。所以 本课题以研究建筑膜材料基层材料的力学性能为出发点，以试验研究为主要方 法，为从根源上了解膜材料的力学性能奠定基础。 本课题重点对膜材料基层的抗拉伸各向异性进行了研究。为了更逼真的反映 材料的真实受力过程，以试样的经向为基准，每隔1 5 0 裁取一组试样，直至3 6 0 0 。 大量试验结果研究表明：第一，2 0 c m x 2 0 c m 尺寸的抓样法是一种比较值得推荐 的膜材料基层抗拉伸各向异性的测试方法。第二，借助数学软件预测出膜材料基 层0 - 9 0 0 抗拉伸力学性能模型，为实际设计基层的拉伸强力提供一定的参考依 据。最后，也对膜材料的抗拉伸各向异性进行了研究，并且结合基层抗拉伸各向 异性的研究，得出造成膜材料抗拉伸各向异性的原因以及与基层之间的关系。 本课题通过试验过程及结果对抗撕裂测试方法进行评价，验证了梯形撕裂法 确实是一种值得推荐的抗撕裂的测试方法。通过测试数据的分析，预测了梯形法 撕裂时基层经纬向力学模型，以及膜材料和基层抗撕裂之间的关系。 本课题试用a n s y s 对膜材料的拉伸受力情况进行了模拟，其目的一是为了 更直观的表示膜材料的受力时的应力分布，二是通过模拟来预测膜材料的受力特 点及形态分布。a n s y s 结果表明，模拟过程与实际受力破坏过程相符合，所以 通过a n s y s 的模拟为在设计中减弱受力集中区域的应力奠定了良好的基础。 关键词：建筑膜材料，基层，抗拉伸，抗剪切，各向异性 c h a r m ，m e m b r a n es t r u c t u r ew a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n da p p l i e dw i d e l yi nt h e5 0y e a r s s i n c ei t sb i r t h m e a n w h i l e ，a r c h i t e c t u r a lm e m b r a n em a t e r i a lp l a y e da ni m p o r t a n tr o l e i nt h ea p p l i c a t i o no fm e m b r a n es t r u c t u r e b u tt h er e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c e so f m a t e r i a la n ds t r u c t u r ei ss t i l lr e l a t i v e l yb a c k w a r dp o s i t i o ni nd o m e s t i c ，w h i c hi sa m a i nf a c t o rt h a tr e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cm e m b r a n es t r u c t u r e t h eb a s el a y e ro ft h em e m b r a n em a t e r i a lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt e n s i l ea n d d e t e r m i n e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e m b r a n em a t e r i a l s i nt h i sp a p e rt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb a s el a y e ri sm a i n l ys t u d i e db yt e s tm e t h o d ，w h i c hl a y st h e f o u n d a t i o nf o ru n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e m b r a n em a t e r i a lf r o m o r l g l n t h em a i nr e s e a r c hi sf o c u s e do nt h et e n s i l eb o n ds t r e n g t h sa n i s o t r o p yo fb a s e l a y e r i nt h i sp a p e r i no r d e rt or e f l e c tt h er e a lm a t e r i a lt e n s i l ep r o c e s sm o r e r e a l i s t i c a l l y , t a k et h ew a r pd i r e c t i o no ft h es a m p l ea sas t a n d a r d ，t h es a m p l ei s c u ta t i n t e r v a lo f15 。u pt o3 6 0 。t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e ：f i r s t l y , t h es i z eo f 2 0 e m x 2 0 c mo fg r a bm e t h o di sar e c o m m e n d a b l et e n s i l eb o n ds t r e n g t h sa n i s o t r o p yo f b a s el a y e rt e s tm e t h o d s e c o n d l y , t e n s i l eb o n ds t r e n g t h sm e c h a n i c a lm o d e lo fb a s e l a y e rb e t w e e n0 。a n d9 0 。i sp r e d i c t e db ym a t h e m a t i c a ls o f t w a r e ，w h i c hp r o v i d e sa r e f e r e n c ef o rs t r e s sd e s i g no fb a s el a y e r l a s t l y , t e n s i l eb o n ds t r e n g t h sa n i s o t r o p yo f m e m b r a n em a t e r i a li sa l s or e s e a r c h e d ，c o m p a r e dw i t hb a s el a y e r , t h er e a s o nt h a t t e n s i l eb o n ds t r e n g t h sa n i s o t r o p yo fm e m b r a n em a t e r i a la n dt h er e l a t i o nb e t w e e n m e m b r a n em a t e r i a la n db a s el a y e ra r ec o n c l u d e d i nt h i sp a p e rt h et e a rt e s tm e t h o di se v a l u a t e db yt h et e s tp r o c e s sa n dr e s u l t ， t r a p e z o i dt e a rm e t h o dt h a ti si n d e e dar e c o m m e n d a b l e t e a rt e s tm e t h o di sp r o v e d t h e w a r pa n dw e f tm e c h a n i c a lm o d e l o fb a s el a y e ra n dt h et e a rr e l a t i o nb e t w e e n m e m b r a n em a t e r i a la n db a s el a y e ra r ep r e d i c t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft e s td a t a t h em e m b r a n et e n s i l ei ss i m u l a t e db ya n s y si nt h i sp a p e r , i no r d e rt oe x p r e s s t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fm e m b r a n et e n s i l e d i r e c t l y a n d p r e d i c t t h et e n s i l e c h a r a c t e r i s t i ca n ds h a p ed i s t r i b u t i o no fm e m b r a n e t h es i m u l a t i v er e s u l t si n d i c a t et h a t t h es i m u l a t i o na n da c t u a lt e n s i l ed e s t r u c t i o np r o c e s s e sa r ec o n s i s t e n t t h e r e f o r e ，t h e a n s y ss i m u l a t i o nl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rr e d u c i n gt h es t r e s si nt h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o nr e g i o n k e y w o r d s ：a r c h i t e c t u r a lm e m b r a n em a t e r i a l ，b a s el a y e r , t e n s i l eb o n ds t r e n g t h s ， s h e a rb o n ds t r e n g t h s ，a n i s o t r o p y 目录 第一章绪论l 1 1 膜结构与膜材料。1 1 2 膜材料的特点及发展1 1 2 1 膜材料的主要组成结构1 1 2 2 膜材料的分类及性能比较4 1 - 3 主要研究内容及预期结果6 1 3 1 研究背景及意义6 1 3 2 本课题的主要研究内容7 1 3 3 本课题的预期结果8 第二章基础实验：。9 2 1 膜材料和基层的实验材料9 2 2 膜材料及基层基本物理参数的标准与测试9 2 2 1 密度的测试与标准9 2 2 2 厚度的测试与标准1 0 2 2 - 3 平方米克重的测试与标准1 2 2 2 4 纤度的测试与标准1 3 2 2 5 基层单纱断裂强力的测试与标准1 4 第三章建筑膜材料基层力学性能各向异性的研究1 5 3 1 建筑膜材料基层抗拉伸各向异性方法的研究1 5 3 1 1抓样法抗拉伸各向异性研究15 3 1 2 条样法抗拉伸各向异性研究2 2 3 1 3 抓样法和条形试样法测试结果对比分析2 5 3 2 建筑膜材料基层抗拉伸各向异性研究2 6 3 2 1 试验方法与规格2 6 3 2 2 试验结果及分析2 7 3 3 建筑膜材料基层抗撕裂各向异性研究3 2 3 3 1 双舌撕裂法试验研究3 3 3 3 2 梯形撕裂法试验研究3 3 3 4 本章小结3 5 第四章建筑膜材料力学性能各向异性的研究3 7 4 1 膜材料各向异性力学性能的研究现状3 7 4 2 膜材料抗拉伸各向异性的研究3 7 4 2 1 试验方法与规格3 8 4 2 2 试验结果及分析3 8 4 2 3 拉伸应力应变曲线4 1 4 3 膜材料抗撕裂各向异性研究4 3 4 3 1 国内外膜材料抗撕裂强度的研究方法4 3 4 3 2 撕裂方法介绍4 4 4 3 3 双舌撕裂试验研究4 4 4 3 4 梯形撕裂法试验研究。4 7 4 4 基于a n s y s 对膜材料抗拉伸性能的模拟5 0 4 4 1 工程常数的测定5 0 4 4 2 膜材料力学弹性常数测定实验方法5 1 4 4 3 试用a n s y s 对膜材料拉伸过程的模拟5 4 4 5 本章小结，。：5 7 第五章结论与展望5 9 5 1课题研究结论：5 9 5 2 本课题的不足与展望6 l 参考文献6 3 在读期间发表的学术论文6 7 附录6 9 致谢8 3 第一章绪论 第一章绪论 现代膜结构起源于2 0 世纪中期，1 9 7 0 年在日本大阪万国博览会出现的空 气膜结构标志着膜结构时代的开始。半个多世纪以来，由于其具有独特的魅力， 使得膜结构得n t 迅猛的发展和广泛的应用。同时，与之相辅相成的膜材料也 为膜结构的大量应用起了积极推动作用。 1 1 膜结构与膜材料 膜结构是2 0 世纪中后期出现的新型空间结构体系，是随着现代科学技术发 展起来的全新建筑技术表现形式，是材料科学、建筑学、结构力学、精细化工 与材料科学、计算机以及现代环境学高速发展的综合产物【l 】。其曲面可以随着 建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建造出标志性的形象工程。由于 其极富现代气息的艺术表现力以及完全不同于传统结构的力学性能，膜结构的 研究与应用受到众多建筑师、结构师和相关科研人员的关注和青睐，现在已不 仅广泛的应用于体育场馆的屋顶系统、机场大厅、展览中心、购物中心、站台 等大型公共设施，而且也用于休闲设施、使用工业设施及标志性或景观性建筑 小品等【2 - 3 】。 从膜结构的发展历程来看，膜结构体系和膜材料性能二者是相互依存、共 同发展的。高强度柔性膜结构纺织材料是膜结构建筑中最主要的材料，主要是 由合成纤维织物与玻璃纤维织物，经过聚合物涂层和特殊整理形成，属于高新 技术领域的纺织材料，膜材料的开发与应用，摆脱了对钢铁、水泥、木材和玻 璃等传统材料的依赖，打破了旧的建筑观念，为建筑业带来了一场新的革命， 因此，膜材料被称为是继钢铁、水泥、木材和玻璃之后的第五种建筑材料【2 j 。 一般以膜材料为屋面的建筑不仅比传统的建筑方法节省屋面造价1 2 ，屋面重量 减轻2 3 ，抗震性好，工程进度比较快，安装设备简单，而且膜材本身透光性好， 室内明亮，节约能源，可相应降低基础及主体工程费用，建筑造价可节约1 5 2 0 f 4 】o 作为深入研究膜结构性能、确保膜结构正常、安全使用的另一个重要因素， 膜材料性能的研究亦需全面、深入的开展。 1 2 膜材料的特点及发展 1 2 1 膜材料的主要组成结构 膜材料般由基层、涂层和面层组成，又称涂层织物，是由高分子聚合物 1 天津工业大学硕士学位论文 与基材层按需要的厚度、宽度，通过特定的加工工艺粘合在一起的一种复合材 料( 其结构如图1 1 所示) 5 - a 】。基层的纱线种类以及编织方法起到了承载外力 的骨架作用，决定膜材料的结构力学特性：涂层和面层保护基层，主要保证膜 材料的密实性且使膜材具有自洁、抗污染、抗紫外、耐久性等功能。 纬纱 1 2 1 1 基层纤维种类 图1 1 膜材料结构示意图 就目前应用于膜结构的膜材料而言，基层纤维种类一般分为4 种，即聚酰 胺，涤纶，玻璃纤维和芳酰胺【4 】【9 - 1 0 1 。但目前应用最多的是涤纶和玻璃纤维两种。 ( 1 ) 聚酰胺：聚酰胺一般称为尼龙，其强度比较高，但它的弹性模量比较 低，在长时间的受力状态下产生较大的伸长量，会使膜结构表面出现褶皱，暴 露在大气中出现尺寸上的不稳定性。由于尼龙极易吸湿，如果湿度发生变化， 以尼龙作为基层的膜材料在裁剪和成型上将产生很大的差异，会给工程使用带 来很大的麻烦。另外，尼龙长时间暴露在紫外线下会丧失拉伸强度。 ( 2 ) 聚酯长丝( 涤纶p e t ) ：涤纶熔点高，且具有较高的刚度。在1 5 0 - - 1 7 5 以下的机械强度好，耐溶剂、耐腐蚀、耐磨、耐油腻，可多次洗涤，透 水透气性适宜等特点。聚酯纤维具有较大的变形伸长能力，易于安装加工，但 抗紫外线能力较差，在太阳光的长期照射下易发生化学变化，自洁性差，且在 拉力和紫外线的长期作用下有较大的徐变，容易造成膜面褶皱，影响感官效果 及透光率。但价格较便宜，因此应用比较广泛。 ( 3 ) 玻璃纤维：玻璃是一种非晶体，没有固定的熔点。将玻璃加热熔融并 拉成丝，就成为玻璃纤维。玻璃纤维具有一定的抗弯曲能力，拉伸强度高，不 仅超过各种天然纤维，也超过一般的合成纤维和钢材的强度，而且还具有很强 的耐紫外光照能力，并且徐变小，不易老化，使用寿命长。但是，它的弹性模 量较低，约为钢的1 3 j ，属于脆性材料，需要精确加工细心处理，正是由于玻 璃纤维的脆性，使得这种膜材料不能用于临时性建筑以及反复需要拆装的建筑。 湿、热环境对其力学性能有一定的影响，一般在3 0 0 。c 以下可以保持性能不变， 第一章绪论 具有良好的电绝缘性能。 ( 4 ) 芳酰胺：芳酰胺具有较高的弹性模量和断裂强度，具有低的蠕变性和 高的抗冲击性。刚度较大，有良好的电性能和绝热性能，更能吸收机械振动和 声音的震动。此类纤维价格很贵，只应用于特殊需要的场合。迄今为止，世界 上只有一个大型的体育场屋盖应用的是芳酰胺膜材料。 1 ，2 1 2 基层的编织方法 膜材料基层纱线基本的编织方法是平织法和巴拿马法两种【1 2 。1 4 】。 ( 1 ) 平织法( 平纹组织) 平织法又称篮式织法，从纺织的角度来讲，就是平纹组织，见图1 2 ( a ) ， 编织过程中经向纱线被紧紧的张拉成直线，而纬向纱线则上下交叉绕过经线， 经纬向纱线成直角正交编织。平织法有多种变化形式，如纬向纱线从下面绕过 一根经向纱线，再从上面绕过三根经向纱线。平织法分松散型编织、紧密型编 织和普通平织三种情况。当编织密度较小时，平织法基层具有较高的抗撕裂强 度，但由于纤维的空隙较大，容易引起涂覆物过量。当编织密度较高时，平织 法基层具有较高的抗拉强度，易于用液体涂层剂直接进行涂层处理，但需要较 多涂层材料，且基层厚度较大，近三层纤维纱线厚度。 ( 2 ) 巴拿马法( 方平组织) 。 巴拿马法从纺织角度来讲，就是常讲的方平组织，见图1 2 ( b ) ，编织过程 中也是经向纱线被紧紧的张拉成直线，而纬向纱线则上下交叉绕过经线，经纬 向纱线成直角正交编织，但是一次编织多根纤维纱线。如2 2 、3 3 巴拿马织法 表示经向、纬向分别一次用两根或三根纱线进行编织。因一次编织多根纱线， 在采用相同的纱线纤维材料时，巴拿马法比平织法单根纱线编织的膜材料力学 性能更好。 ( a ) 平纹组织( b ) 方平组织 图1 2 织物膜材基层的编织方法 1 2 1 3 涂层 1 涂层材料 ( 1 ) 聚氯乙烯( p v c ) 天津工业大学硕士学位论文 由于聚氯乙烯来源丰富，价格便宜，柔软易折，可以满足任何膜结构形状 的要求，机械性能和耐腐蚀性能好，所以绝大多数聚酰胺和聚酯纤维采用聚氯 乙烯做涂层。 ( 2 ) 聚四氟乙烯( p t f e ) 聚四氟乙烯材料通常呈白色。其使用温度范围很宽( 1 0 0 , - - 3 0 0 。c ) ，并且 具有优良的耐老化、耐化学侵蚀、电绝缘性能好以及低的摩擦系数等性能【9 1 。 涂覆聚四氟乙烯的玻璃纤维膜材具有耐久性和尺寸稳定性等特点，是一种性能 十分优良的建筑膜材料。但价格昂贵，在国内应用较少。 ( 3 ) 有机硅树脂 有机硅树脂是高分子量的半有机聚合物，具有抵抗紫外线、长时间柔韧性、 不燃、氧化稳定性以及很高的透光性等优点，常用做玻璃纤维的涂层，具有较 高的拉伸强度和较大的弹性模量。 2 表面处理 灰尘、污染和其他的原因极易损害涂层并缩短膜材料的使用寿命。保护涂 层的一个办法是在涂层表面在涂上一层表面层。表面涂层不仅要保护涂层免受 u v 的侵害，而且还要改善膜材的自洁性能。聚氟乙烯( p v f ) 被广泛应用在 p t f e 涂覆玻璃纤维的膜材和p v c 涂覆涤纶的膜材上。用涤纶做基材的膜材料 表面处理还采用丙烯酸、聚偏二氟乙烯( p v d f ) 或聚氨酯等。 1 2 2 膜材料的分类及性能比较 目前，建筑膜材料主要分3 判1 5 d 7 】： 第一类为p t f e 膜材料【1 8 。19 1 ，包括以下两种：一种是以极细的玻璃纤维织 物为基材，表面涂以聚四氟乙烯树脂( p t f e ) 或硅树脂；另一种是将膨化聚四 氟乙烯膜割成纵多的扁丝，将扁丝加捻纺成纱并织成布，然后双面贴上氟聚合 物薄膜。p t f e 膜最大的特点就是耐久性，在大气环境中不会发黄、霉变等；具 有良好的自洁性，雨水会在其表面结成水珠而流走，防污自洁性是所有建筑膜 材中最好的；防火性与防污性高，且有较好的焊接性能，有优良的抗紫外线、 抗老化性能和阻燃性能。但其价格较贵，而且膜材料刚度较大，柔韧性差，运 输及施工过程中的卷、折会使膜材料强度降低，施工较困难，需要在设计、裁 剪过程中进行精确计算。p t f e 膜材料在国内也大量应用，如上海八万人体育馆、 上海f 1 赛车馆等。 第二类为p v c 膜材料，膜材料在材料及加工上都比p t f e 膜便宜，有红、 白、蓝、绿等多种颜色，应用较为广泛。p v c 膜材材质柔软，具有良好的拉伸 性能，便于制作张拉，对裁剪中的误差具有良好的适应性等优点。但在强度、 第一章绪论 耐用年限、防火性等性能上较p t f e 膜差。随着材料的老化，其性能由于涂层 增塑剂的外移和紫外线作用而发生改变，表面逐渐变黄、发粘，空气中的尘埃 和赃物附着于膜面，使表面变脏，透光率降低，从而降低其使用年限。一般以 涤纶织物为基材进行p v c 涂层，需对其表面进行处理，以改善表面性能，目前 常用的方法是在其表层涂敷p v d f ( 聚偏氟乙烯) 、聚丙烯( a c r y l i c ) 、纳米s i 0 2 、 贴p v f ( 聚氟乙烯) 膜。 第三类为e t f e ( 乙烯四氟乙烯共聚物) ，该类纤维没有纤维基层，直接由 母料加工而成【2 0 】，其特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点。通常雨 水即可清除主要污垢。e t f e 不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性 和耐化学腐蚀性，而且机械强度高，加工性能好，长度方向和垂直方向的强度 比较均衡。多年来在许多工程中以其众多优点被证明为可信赖且经济实用的屋 顶材料。近年来，e t f e 膜材的应用在很多方面可以取代其他产品而表现出强 大的优势和市场前景。e t f e 膜材透光性特别好，号称“软玻璃”，质量轻，只有 同等大小玻璃的1 ；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于4 0 0 ； 耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达2 0 0 ，能在特殊的环境下使用，能 抵抗多数的酸和碱；可有效的利用自然光，节约能源；良好的声学性能。另外， e t f e 膜可在现成预制成薄膜气泡，方便施工和维修。e t f e 膜材完全为可在循 环利用材料，可再次利用生产新的膜材料，或者分离杂质后生产其他e t f e 产 品。e t f e 也有不足，如外界环境容易损坏材料而造成漏气，维护费用高等， 但是随着大型体育馆、游客场所、候机大厅等的建设，e t f e 更突显自己的优 势。e t f e 材料在我国的奥运场馆国家体育场一鸟巢”和国家游泳中心_ 水立 方”中有大面积的应用。 图1 - 3 上海八万人体育馆 图l - 4上海f 1 赛车馆 天津工业大学硕七学位论文 图1 5 国家体育场一“鸟巢”图1 - 6 国家游泳中心一“水立方” 1 3 主要研究内容及预期结果 1 3 1 研究背景及意义 国际上，对于膜材料力学性能的研究起步于上世纪8 0 年代，其中，德国、 日本等在膜结构领域处于领先水平的国家己经开展了大量的研究工作，德国的 r a i nb l m 实验室建立了膜材料弹性常数的试验方法，并已被t e n s i n e t 等行业组织 采纳【2 1 】；日本也相继制定了统一的膜材料性能的试验标型2 1 - 2 4 】，但大多集中在膜 材料性能测试方面，而未能将膜材料测试和膜结构、膜单元性能检测的内容结合 在一起。 国内，在该领域的研究处于刚刚起步的阶段。天津大学，同济大学，哈尔滨 工业大学，上海交大等已重视膜材料，膜单元结构力学性能，并在找形分析、受 力分析、裁剪分析等方面开始研究工作【2 5 。3 1 】。卫东，王臣等在建筑膜材的材性 试验研究一文中利用单轴拉伸获得p v d f l 0 0 2 t 和p v d f l 2 0 2 t 沿经纬向及4 5 0 方 向工程常数及面内剪切模量，以简单拉伸试验获得膜材料的弹性常数；李阳在建 筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用一文中，通过对膜材料力学性能的研 究，确定了相应的强度指标试验方法；易洪雷，丁辛等在建筑膜材料撕裂强度 的测试方法及撕破机理研究一文中，对膜材料常用的几种撕裂模式进行对比分 析，得出梯形法是一种值得推荐的膜材料抗撕裂性能的测试方法；易洪雷，丁辛， 陈守辉等在p e s p v c 膜材料拉伸性能的各向异性及破坏准则一文中，得出膜 材料符合正交各向异性本构关系。膜材拉伸性能的各向异性还体现于膜材料的拉 伸断裂强度，然而目前对研究尚处于简单的估算阶段，导致在实际使用时需采取 较大的安全系数，造成人力和材料的浪费。作为决定膜材力学性能关键的织物基 层，其力学性能尚未见有人研究，基层性能的评价往往是膜材料质量控制中的重 要一环。因此，通过对织物的力学性能和膜材料力学性能的对比研究，得出基层 的力学性能决定着膜材料的力学性能，通过基层的力学性能来评价膜材料的力学 性能成为制造和设计部门关切的问题。 准确地把握膜材料基层拉伸性能参数，为提高膜材料的拉伸断裂强力奠定基 第一章绪论 础，避免分析计算给工程设计带来偏差甚至严重错误，而导致施工过程中张力膜 面出现皱褶或在使用寿命期内膜结构发生失稳现象，给整个工程带来重大破坏， 从而减少膜材料在实际使用中不必要的浪费，并且能够对预测膜材料的拉伸强力 以及拉伸性能的影响因素进行分析。 准确地把握膜材料基层以及膜材料设计所需的性能参数，对膜材料的最大 拉伸断裂强力以及在实际受力过程中膜材料的薄弱环节有一定的掌握，就可以 适当的降低膜结构设计选取的安全系数，提高膜材料的利用率，降低膜材料的 成本；另外，还可以使设计者摆脱对材料性能把握不准而带来的设计保守性， 使膜结构的外形设计更加丰富、美观，也有利于膜结构在复杂载荷作用下保持 设计外形的持久性，进而提高膜结构的使用寿命。 准确地把握膜材料基层以及膜材料撕裂性能参数，对膜材料在运输或实际 使用过程中的裂缝或小洞造成的应力集中使膜结构整体破坏提供了参考依据。 由于膜材料的撕裂性能与对膜材料的安装和使用安全密切相关，因此，掌握膜 材料的撕裂性能对提高膜材料的使用寿命是至关重要的。 聋， 1 3 2 本课题的主要研究内容 本课题以建筑膜材料以及基层的力学性能为主要研究内容，以试验为主要 研究方法，对膜材料及基层的抗拉伸和抗撕裂的各向异性力学性能进行了研究。 主要研究内容包括三方面： 1 探索一种适合测试膜材料基层抗拉伸各向异性的试验尺寸。从选取的两 大类具有代表性的基层入手，对其抗拉伸的各向异性规律进行摸索，由其推一 提出一种适合测试膜材料基层抗拉伸的试验方法尺寸；并与通用的条形试样法 的抗拉伸各向异性规律进行比较分析，对两种测试方法的优劣性进行评价，证 明本试验采用抓样法的可行性和合理性。 2 对膜材料基层的抗拉伸和抗撕裂的各向异性研究，结合材料本身的物理 参数，借助数学软件建立适合的数学模型，并分析出影响基层材料性能的主要 因素，为实际设计中提高基层的力学性能提供一定的参考依据。 3 对膜材料的抗拉伸和抗撕裂的各向异性进行研究，并结合基层抗拉伸和 抗撕裂的试验结果，说明基层的力学性能决定着膜材料的力学性能，通过改变 基层的参数，就能起到改善膜材料力学性能的作用。并且为了预测膜材料在实 际使用中的受力形态分布，试用a n s y s 对膜材料拉伸过程进行模拟，为实际 使用提供一定的理论依据。 天津工业大学硕士学位论文 1 3 3 本课题的预期结果 通过本课题的试验研究，预期得到以下结果：首先，通过对膜材料和基层 的抗拉伸和抗剪切各向异性研究，证明基层与膜材料之间的力学性能关系；其 次，为了和膜材料的实际受力相符合，通过本课题的研究，探索一种更适合测 试膜材料基层抗拉伸各向异性的方法尺寸；最后，预测基层的抗拉伸和抗剪切 的数学模型，为在实际设计中，通过基层的力学性能来预测膜材料的力学性能 奠定基础。 第二章基础实验 第二章基础实验 2 1 膜材料和基层的实验材料 本试验选取了六种膜材料基层，其编号分别是： 1 # 一乳白色锦纶基层 2 # 黄绿色锦纶基层 3 # 一墨绿色锦纶基层 4 # 一白色涤纶基层 5 # 一玻纤织物基层 6 # 一玻纤织物基层 膜材料通过涂层和压延两种后整理方式而成。 编号分别是： m c l 3 1 2 2 m b 6 8 1 2 1 l l m 1 t 3 为说明简便，下文中就用编号进行说明。 2 2 膜材料及基层基本物理参数的标准与测试 2 2 1 密度的测试与标准 密度是影响织物最终物理机械性能的重要指标，织物密度的大小对其拉伸断 裂强力，撕裂强力，剥离强力都有着很大的影响。 2 2 1 1 定义 机织物的密度：机织物在无折皱和无张力下，每单位长度所含的经纱根数和 纬纱根数。 本次实验采用的单位长度为1 0 c m 。 2 2 1 2 测试 1 测试标准：采用g b 4 6 6 8 1 9 9 5 规定的密度测试方法，该方法适合测试基层 的密度。 天津工业大学硕士学位论文 2 实验仪器：采用南通三思机电科技有限公司生产的y 5 1 1 b 型密度仪( 放大 倍数为l o 倍) 。 3 试样制备：基层密度的测试标准按照g b 4 6 6 8 1 9 9 5 规定的密度测试方法 测试，膜材料料的密度测试参考的测试标准为d i ni s o9 3 5 4 。在测试膜材料料 的密度时，应先对各个样品进行去除涂层和复合层的处理。在去除涂层和复合层 的过程中难免会给试样施加一定的外力，从而在测量密度时会造成较大的误差。 所以本文试样可以不用去除涂层或复合层，直接透过膜材料表面可比较清晰的看 到基层的纱线走向和纹路，因此在样品上直接测量或者部分数据参考提供该样品 公司的技术资料【2 6 1 。 4 标准大气：试验用标准大气温度为( 2 6 2 ) ，相对湿度为( 6 5 士3 ) 。 5 实验程序：按照标准规定的方法，将织物放在平台上，确保试样表面光滑 平整，无皱折，无任何拉伸。在距布边至少5 c m 处进行测量。每种试样经纬向 分别测试五次，取其平均值。其结果如下表2 1 。 表2 1 基层及膜材料密度 2 2 2 厚度的测试与标准 2 2 2 1 基层厚度的测试 1 ；! 贝0 试标准：采用g b 6 6 7 2 1 9 8 6 规定的厚度测试方法。 2 试验仪器：采用常州第二纺织机械厂生产的y g l 4 1 型织物厚度仪。精确 度为0 0 1 m m ，测头对试样施加的负荷为2 0 0 n ，3 0 s 读数。 3 试样制备：沿样品的纵向，距离端部大约l m 的位置，横向裁取试样。样 条宽度约为1 0 0 m m ，样条应无折痕或其他缺陷。 4 标准大气：试验用标准大气温度为( 2 0 - a ：2 ) ，相对湿度为( 6 5 + 3 ) 。 5 ；! 贝4 试数据：按照标准规定的方法，用织物厚度仪对所制备的试样进行测试。 每种试样分别测五次，取其平均值。测试结果见第三章。 2 2 2 2 膜材料厚度的测试 膜材料是由基层与涂层复合而成，其中各力学性能的好坏与基层的厚度有 第二章基础实验 关，而其耐久性直接取决于纤维顶部涂层厚度，故膜材料的厚度也是评价其基本 性能的一项重要指标。国内外相关测试标准中考核比较多的是膜材料总厚度及总 涂层厚度两项指标。对于膜材料来说，即使基层结构相同，厚度相当，但最终产 品的厚度会因复合层厚度的不同而不相差很大，且在复合工艺中，涂层的厚度均 匀比较难控制，所以其涂层厚度的测试结果可能误差比较大。 在本实验中，由于实验条件所限，很难测试膜材料涂层厚度或者即使可以测 试亦因误差太大而不能参考，因此只测试了膜材料后整理后的总厚度【3 2 1 。 现在，有关膜材料厚度的测试标准一般都是参照涂层织物厚度的测试方法确 定的，其参照标准如下：j i sl1 0 9 6 1 9 9 9 、j i sr3 4 2 0 1 9 8 9 、j i sk6 3 2 8 1 9 9 5 、j i sk 6 4 0 4 2 3 1 9 9 9 、j i sr1 0 9 6 1 9 9 9 、i s o2 2 8 6 3 1 9 9 8 、i s 0 4 6 0 3 一1 9 9 3 、a s t m d 4 8 5 1 一1 9 9 7 。 相对于金属来说【3 3 1 ，膜材料料容易被压缩，所测量的厚度很大程度上取决 于所选用的方法与施加的压力。不同的标准，测量设备，参数不一样，试验结果 也不同，根据样品的种类，以及考虑到试验操作的简便性，本试验中采取的试验 方法适合于大多数种类的膜材料，其参照标准为f z t 0 1 0 0 3 一1 9 9 1 涂层织物厚度 的测试方法。 1 定义 膜材料总厚度：膜材料背与面的距离，是按膜材料放置其上的基准平板与向 该膜材料施加压力的平行压脚之间的垂直距离测量的。 2 测试 ( 1 ) 测试原理：在膜材料的表面施加一定时间的压力，用测厚仪测量加压后的 膜材料厚度。 ( 2 ) 试样的制备：在表面均匀，光滑平整，无明显折痕的膜材料上取5 个测量 点。 ( 3 ) 实验仪器：为定负荷型，能记录压脚支撑表面和基准平板之间的垂直距离， 圆形压脚应具有平滑的表面，本实验中采用的仪器为f y y - 1 纺织品压缩弹性仪， 压脚面积为1 0 0 c m 2 。 ( 4 ) 试验程序：将膜材料放在平台上，确保膜材料试样表面光滑平整，无皱折， 无任何拉伸。如果有折痕，在测量之前不要试图把它们弄平。调好初始隔距为 2 m m ，让压脚以6 m m m i n 的速度下压试样，压角压强设为( 2 0 2 ) k p a ，使其在 试样上停留3 0 s ，记录厚度计读数( 测量时应每隔最少7 5 m m 取5 个测量点，结果 精确到0 0 0 1 m m ) 。若数据出现异常，则需要重新取样进行测试。其测试结果如 下表2 2 。 天津工业大学硕士学位论文 表2 - 2 基层及膜材料厚度 2 2 3 平方米克重f l , 0 n 试与标准 2 2 3 1 定义 基层平方米克重的定义：单位面积内所包含的材料单位质量。 膜材料平方米克重的定义：单位面积内所包含的含水量和非纤维等物质等在 内的材料单位质量。 对于膜材料来说，总的单位面积质量、基层单位面积质量及复合层的单位面 积质量均是决定材料基本性能的参数指标，材料的许多物理性能也取决于这些参 数，测试时先测出单位面积的总质量，然后测试基层单位面积的总质量，两者差 为涂层的总质量。基层的测试方法日本膜材料协会标准m s a j m 0 3 ：2 0 0 3 中规定 了两种方法，一种的涂层溶解法，另一种是直接称取同批未涂层的基层的单位面 积质量，由于试验条件受限，本文只能对其总的单位面积质量进行测试，测试单 位为：g m 2 。 2 2 3 2 测试 1 顺4 试标准：b s 3 4 2 4 2 测试原理：将样品在试验用标准大气中调湿，然后按规定尺寸从样品上裁 取试样称量，计算单位面积重量。 3 实验仪器：温州大荣纺织标准仪器厂的圆盘取样器，上海精天电子仪器有 限公司的f a 2 0 0 4 a 型电子天平。 4 试样的制备：在无折痕，无收缩的样品上距离布边至少5 c m 处用圆盘取样 器取面积为1 0 0 c r n 2 的圆形试样5 块，在裁样时避免纱线脱落，精确度为1 。 5 标准大气：试验用标准大气温度为( 2 0 - a ：2 ) ，相对湿度为( 6 5 + 3 ) 。 6 实验程序：从无折痕的成品和基层上用圆盘取样器各裁5 块试样，每块裁 剪面积为1 0 0 c m 2 。裁剪的试样至少距离边缘5 0 m m ，试样的面积误差控制在1 之内。然后称重量时，采用上海精天电子仪器有限公司的f a 2 0 0 4 a 型电子天平， m a x = 2 1 0 9 ，d = 0 1 m g ，精确度为1 。 如果测试数据出现异常值，则重新制备试样。在裁剪和测试基层时，要注意 避免纱线脱落。其测试数据如表2 3 。 第二章基础实验 表2 3 基层及膜材料平方米克重 2 2 4 纤度的测试与标准 2 2 4 1 定义 纤度的定义：纤度是指单位长度的纱线或纤维所具有的重量( g ) 。9 0 0 0 米 长的纱线或纤维，在公定回潮率时的重量克数，叫纤度( 旦) ，通常用来表示化 学纤维或蚕丝的细度。 2 2 4 2 测试 1 测试标准：g b 8 6 8 1 1 9 8 8 垆 2 测试原理：从长方形的织物试样上拆下纱线，测定其中一部分的伸直长度。 其质量应在试验用的标准大气中调湿测定。根据质量与伸直长度总和计算线密 度。 3 试样的制备：从平整的样品中裁剪含有不同经纱的长方形试样至少2 块， 裁剪代表不同纬纱的长方形试样至少5 块。且所有试样的长度最好相同，约为 2 5 0 m m ，其宽度至少应包括5 0 根纱线。 4 标准大气：试验用标准大气温度为( 2 0 - a ：2 ) ，相对湿度为( 6 5 + 3 ) 。 5 测试仪器：测定纱线伸长的装置，通风烘箱，天平，剪刀，分析针。 6 实验程序：首先，分离纱线和测量长度。从每一试样中拆下并测定1 0 根 纱线的伸直长度( 精确至o 5 m m ) 。然后从每个试样中拆下至少4 0 根纱线，与同 一试样中的已测取长度的1 0 根形成一组。其次，测定纱线质量。把第一步中拆 下的纱线在1 0