建筑膜材料老化性能的试验研究综述

1、第十一届全国现代结构工程学术研讨会 建筑膜材料老化性能的试验研 究综述 蒯蓓蕾张其林 （同济大学土木工程学院上海）提要：本文总结了建筑膜材料老化试验所采用的主要方法，以及试验参数和试验指标的选取，综述了膜材老化性能研究的 发展，指出了膜材老化试验今后的发展方向。关键词：建筑膜材料老化性能试验一、引言 膜结构在中国的应用起步相对较晚，但应用起点高，发展速度快。作为一种现代化的工程结构，膜结构在建筑结构中占据着越来越重要的地位。建筑膜结构材料是保证膜结构从临时性建筑发展为永久性建筑的关键，也是保证建筑形式的生命力所在，膜材料可以说是继钢铁、水泥、木材和玻璃后的第五种建筑材料【。 作为建筑物的覆盖材

2、料，膜材暴露于大气环境中，直接受到日光辐射、风霜雨雪、温度变化和大气污染物等的作用，物理和力学性能会随着时间退化，从而对膜结构建筑的长期使用性能、使用寿命等造成很大影响。膜材的老化性能是评价膜材质量，确定不同使用环境下材料的选取，分析结构可靠性，保证膜结构建筑安全的重要指标之一。因此深入研究膜材料的老化性能具有较高的研究价值和实用意义。二、膜材老化试验 （一）试验方法 目前评价膜材老化的试验方法主要有三类：自然老化、人工加速老化和实际应用老化。可借鉴的老化试验标准如表所示。 表 老化试验可借鉴的部分标准 标准名称 标准号 标准内容塑料暴露在太阳辐射条件下的方 ： 标准包括三部分，分别为一般指南

3、、直接大气暴露、玻璃过滤日法 光大气暴露和镜反射日光强化大气暴露方法塑料大气暴露方法 非等效采用 ：，只采用大气暴露方法，规定了塑料在太 阳辐射下的自然气候直接暴露方法、装置和操作程序的一般要求塑料在玻璃板过滤后的日光下的 规定了塑料在玻璃板过滤后的日光下的间接暴露方法、装置和操问接暴露方法 作程序的一般要求涂层黑箱和阳光集中暴露试验的 该标准设计涂层黑箱和阳光集中暴露试验的操作过程和测试方法标准实施规程进行透过玻璃的自然光曝光的标 该标准规定了玻璃板下的自然老化试验方法的操作过程和测试方法准规程塑料实验宅光源暴露试验方法 分为四个部分，分别为总则、氙弧灯、荧光紫外灯、开放式碳弧灯用实验室光源

4、加速试验装置中曝 适用于非金属材料暴露于实验室光源的加速老化试验光非金属材料的标准实施规程 工业建筑增刊 第十一届全固现代茹构稃学术研讨会 自然老化魁指在大气暴露场将试样按规定暴露于自然气候、玻璃过滤日光气候或菲涅尔反射日光加强气候下，经一定时间照射后铡试其力学性能进行评价”。自然老化接近实际使用环境，能够获得较可靠的试验数据。由于老化因素的多样性及老化机理的复杂性自然老化无疑是晟重要最可靠的老化试验方法。但是，自然老化周期相对较长，彳难跟上材料的高速发展进程，不同年份、季节、地区气候条件的差异性导致了试验结果的不可比性。 人工加速老化”是采用特定实验室条件加速老化的试验控制一定的温度、湿度、

5、辐射能、降雨周期和时问，模拟和强化自然气候簪件中的光、热、氧、湿气、降雨等主要环境因素，以加速试样的老化。人工加速老化可以人为控制试验条件，模拟各种使用环境，缩短了老化试验的周期，快速获得各种影响因素的作用散果世与实际使用环境有差异：不能完全模拟实际暴露条件。由于试验条件的可控性，试验结果再现性强人工老化被广泛采用 实验室光源暴露试验因为可以在一个试验箱中同时模拟大气可见环境中的光、氯、热和降雨等囡素，是较为常用的一种人工加速老化试验方法，在这些模拟因素中又以光源最为重要。目前人工加速老化试验使用的人工光源有氙弧灯，荧光紫外灯和碳弧灯”。氙弧灯光源能够产生紫外线、可见光和红外线，被适当过滤后产

6、生的辐照光谱能量分布能够很好地模拉通常日光的整个紫外及可见光区域。氤弧虾首先应用于塑料行业，由于其检测结果能够更好的模拟产品实际的耐候性皓此许多国际规范，如、和政府组织都采用氙弧灯。但缸弧灯发热厉害，需要冷却装薏且加倍速率低。荧光紫外灯具有与日光的某特定紫外旺域相对应的光谱输出，其光谱分布足由特定荧光物质的发射光谱和过滤玻璃的紫外遗过性决定的，可以模拟自然阳光中的紫外光辐射。加倍速率高世对日光的模拟性较差碳弧灯分为两种一种是封闭式碳弧灯一种是日光碳弧铂。前者最初用于纺织品酎光测试；后肴最初用于涂层的耐光性铡试，其光谱能量分布与日光光谱能量分布匹配性及检测结果与产品的实际耐候性之间的相关性较封闭

7、式碳弧灯好。碳讴灯在日率是广泛使用的光源，大部分标准都采用阳光型碳弧灯。在我田多采用氙灯酎气候试验箱（如图）。 实际应用老化是在实际工程中定期取样测定残余应力等相关指标，可以用来评定实际应用中的材科老化程度。该方浊往往取样匿难，尤其对膜结构材料来说，从实际工程中定时取样更加困难。 圈同济大学引进的氙灯耐气候试验箱 （）试验参敷的确定 试验参数，如试验时间、温度、湿度和光照强度等的选择，决定试验是否能正确模拟真实环境，直接影响着试验结沧决定试验价值。试验参数的选择“可以参照丰眭关产品标准规定或控制工加速老化辐射总量与自然暴露辐射总量相当。 膜结构柠测规程（）规定，对基材为聚酯纤维的涂层织物类膜材

8、，波长在范围内的总辐照度不小于：对基材为玻璃纤维的涂层织物类膜材和类膜材波 建筑增刊 第十一届全国现代结构工程学术研讨会 在范围内的总辐照度不小于。在日本【】对膜材料抗老化性能的评定一般是对膜材 料进行年自然暴露试验，或者对和种膜材料进行小时，对种膜材料进行小时的人工 加速暴晒试验后，要求其抗拉强度保持在以上。 为了得到与自然老化相当的自然环境，最重要的就是光照的控制，可以考虑其实际使用环境的辐射强 度，控制人工加速老化辐射总量与自然暴露辐射总量相当。该方法在塑料科技中常常用到，但对高分子材 料过程的影响是否简单地服从互易定理学者们观点不一【。 （三）评价指标的选择 衡量材料的老化性能的指标很

9、多，可以从其基本性能（如厚度变化、重量损失），力学性能（如抗拉强 度、断裂延伸率、撕裂强度、涂层粘附强度、工程常数等的变化）或化学成分的变化等角度来表征。选择 性能评价指标需要根据材料本身特点、老化的环境因素以及材料用途综合考虑。 建筑膜材料作为外覆材料，必需考虑其外观和透光性等建筑物理性能变化。作为双向受拉的结构体系， 其力学性能成为主要考核指标。 膜结构检测规程（）规定，膜材耐候性能的检测采用氙弧灯光源。连续光照，控制一定的温度、湿度、辐射能、降雨周期和时间，模拟和强化自然气候条件中的光、热、氧、湿气、降雨等主要环境因素，以加速试样的老化，并以试样在定时间内的辐射能下的抗拉强度的差异作为膜

10、材耐候性能的检测结果。三、膜材老化试验研究进展 国内外对膜材老化性能已经有了一定的试验研究。引起老化的三大主要因素是：光（日光辐射）、水（湿度）和温度【 ，而影响膜材老化的主要因素除了温度、湿度和紫外线的照射外，膜材使用过程中的应力情况也会引起材料的物理、力学性能变化，从而影响老化进程。涂层织物类膜材的抗老化性取决于基布和涂层材料的抗老化性，这类材料试验研究成果最早见于化工行业，现纺织品行业也进行了大量研究；热塑化合物类膜材（如薄膜材料）老化性能的研究成果目前仍仅见于化工行业及膜材企业的研究。 国外对膜材老化性能的研究较早，年，！就对涂层织物在不同地区进行自然暴露试验，发现材料的破坏与使用环境

11、有关：在澳大利亚和南非，是因为长时间的光照和温度；在美国南部沿海各州，是因为高温、高湿的气候条件：而在美国东、西部海岸的工业区，是因为当地的工业污染物。 】【习等在自然条件下对膜结构材料的力学性能作了研究，结果表明，前年材料的拉伸强度下降到原来的左右，以后的年变化很小，材料的力学性能基本呈指数曲线下降。，经两年的室外暴露测试，对和涂层织物在热带气候中的耐气候性进行了评估，考核种不同类型织物的性能，发现在湿热天气条件下，所有表面材料都有退化现象，涂层织物的形态没有改变，保证织物具有很好的自洁能力；进行表面处理的涂层织物也具有良好的抗污性。使用电子扫描显微镜得到的形态测试表明，与涂层织物相比较，的

12、裂化和剥落程度更明显，热环境的热湿条件更适合依附在一些涂层织物表面的真菌的生长。与以往的暴露环境对比，所有织物的表面退化程度在热环境中最为严重。 对膜材人工加速老化小时，按照他的换算标准：加速老化小时与自然状态下老化年相当，那么就相当子自然老化年时间，材料的拉伸强度仍保持为原来的。 、和】利用实验装置进行人工加速老化，得到膜材双轴蠕变曲线的变化趋势和在自然条件下老化得到的结果相似。 国内纺织品行业对膜材性能的研究较多，试验已初步考虑了湿热共同作用的影响，初步建立了一些对老化效果和寿命预测的模型。 刘杭锋，韩建等【采用因子二次通用旋转组合设计，以紫外线照射时间和强度为两个因子，对建筑膜材料进行紫

13、外线照射，建立了与膜材的断裂强力和断裂伸长率相关的两个二次回归方程，与实际情况拟合得很好，认为可以用来预测在不同紫外线照射时间和照射强度下膜材拉伸性能的变化。但是该试验中紫工业建筑增刊 第十一届全国现代结构群学术研讨舍外线最长照射时间最大照射强度，采用组试验样品。考虑到建筑用膜材的实际使甩情况，该试验光源照射时间短，强度低，试验组较少，因此该试验得到的回归方程的实用性需要进一步讨论和证宴。 邱文灿”以较强的紫外辐射强度对撩层膜材料的老化行为进行分析发现材料的光氧老化主要发生在材料表面涂层上。针对制成薄膜状的材料进行研究表明，舍有防老剂的薄膜较不舍防老刺的材料老化速度慢，不同防老荆配方对试样的光

14、氧老化性能有较大的影响；不同紫外辐射强度下，材科光氧老化机理一样但试样的光氯老化反应速度与紫外辐射强度不成比例。简单互易定律（当紫外辐射强度与老化时间的乘积一定时，材料的光氧老化效果是等效的）不适用于淙层寿命预测模型的建立。定律在互易定律的基础上引进了常数，即常数当紫外辐射强度与老化时间的次方的乘积一定对材料的光氧老化散果是等效的实验发现当网时实验采用的种繁外辐射强度下试样老化效果间的相关性较好。最后根据嗍定律对试样性能撸标的各取值点进行拟台得到试样的售指标与老化时问以及紫外辐射强度之同的关系方程可以推算出在不同紫外辐射强度下光氧老化的试样达到一定老化程度所需的时问。在该试验中，紫外辐射强度是

15、以灯营敷来衡量的。 谭志乐、于伟东等分剐在热和热湿复合两种条件对膜结构材料进行了加速老化试验，结果表明，膜结构材料的拉伸曲线形态基本一致，但断裂应力、韧始模量，断裂应变和断裂比功值随老化时间的延长存在较大的变化。两种条件作用下，膜结构材料经、纬向拉伸特征值的老化行为相它，断裂应力随老化时间的延长整体上单调降；断裂应变和断裂比功箍老化时问的延长先上升后下降：韧始模量随老化时间的延长基本上先减小后趋于稳定。膜材经向的断裂应力、初始模盛和断裂比功值均大于纬向但断裂应变值都小于纬向。在热湿老化后，材料的断裂应力、初始模量和断袭比功的损失率太于仅在热条件下老化后对应的损失率。在热老化作用下，断裂应变对材

16、料断裂比功的变化起主导作用，而在热湿老化作用下，断裂应力是影响材料断裂比功的主要因素。后分别采用不同湿热条件及紫外光条件对和膜材（如图）加速老化，结果发现：在热条件作用下膜结构材料涂层表面形态基本无变化，拉忡性能、撕裂性能和透光性变差，隔热性和防泓性的变化较小，膜结构材料受到的破坏相对较为严难：在热湿条件作用下，膜结构材料的耐热湿老化能力优于膜结构材料：在紫井光条件作用下和胰结句材料涂层基本上都没有变化，断裂应力、撕裂强力、透光卑和导热系数都在各自初始值的附近波动，两种材料的耐紫外老化能力较强；同种材料的各性能的受损程度在热或热湿条件作用下都会园温度的升高面加大，热或热湿作用选择的温度越高材科

17、受到的破坏越严重，湿度的舟入加速了材料的老化。 鬻溺 ：渊“ 一 （】下膜结构材辩 嘲腱鲭构村抖 图谭志乐试验采用的雎结构材料实物豳 对于：薄膜材料的老化研究成渠目前仅见化行业和膜材科公司的试验研究， 洲提到， 业建筑增刊 第十一届全国现代结构工程学术研讨会 长达年的耐候性试验结果证明了膜具有优良耐候性的预测，在耐候老化试验后，所有试样的机械 性能均未变化（见表）。 表 膜的耐候性 性能变化 试验 试验期限 光学性能 机械性能 氙弧光照试验 。年 无 无 （系统） 室外曝晒试验 年 无 无 （印度） 室外曝晒试验 年 无 无 （美国） 室外曝晒试验 年 无 无 （德国南部）四、膜材料老化试验发

18、展方向 建筑膜材料作为一种新型结构材料，应用历史短，新材料发展速度快，对膜材尤其是新型膜材老化性能研究的试验相对其他材料还很少，目前进行过的试验中不可避免地存在一些问题，还具有很大的研究空间。 由于目前对膜材料的老化试验研究多为纺织品行业和化学行业进行，其着眼点偏向于微观角度，对宏观力学性能的研究不够充分，没有对膜材老化后工程常数的分析。膜材实际受力状态为双向受力状态，理论上双轴拉伸试验结果更接近实际情况，并且试验证明【，膜材双向抗拉强度仅仅是单向抗拉强度的一半左右。目前膜材老化的力学性能多以单向拉伸性能进行评价，双轴拉伸性能的测试较少。 通过自然老化与人工加速老化的试验实例可以探讨两种情况下不同因素间的相关关系，建立老化速度数学表达式，从而通过建立长期效应预测，估计膜材在运行环境中的使用寿命。 一方面，当前国内缺乏对应于不同使用环境下的自然暴露试验，找不到大量实际应用老化试验数据，不便于人工加速老化的对比分析，以及自然老化和人工老化相关性模型的建立。另一方面，纵观国内的人工老化试验，老化时间普遍较短，试验参数的选取有待进一步探究。另外，在实际使用条件下，膜结构材料经受着紫外线辐射、潮湿、温度变化、污染及其他因素的共同作用，目前已经考虑了潮湿和温度效应共同影响的试验发现，不同因素共同作用会交互影响，并非单一因素的简单叠加，因此制定老化试验方案时有必要考察更多因素共同影响。