EVA环保膜材单轴拉伸力学性能试验研究

秦梦婷 周国宝 崇 磊

(江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212000)

0 引言

膜材作为一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的第六种建筑材料[1]。目前在膜结构进行建筑设计中最重要常用的有PTFE膜材料和PVDF膜材料。PTFE膜材料是将聚四氟乙烯(PTFE)涂覆在超细玻璃纤维编织物上形成的一种复合材料。PTFE膜具有强度高、耐久性好、阻燃性好、自洁性好、不受紫外线辐射影响、使用寿命超过25年等特点。它的透射率高，透射率为13%，对热能的反射率为73%，吸热小。PVDF膜是将聚氯乙烯(PVC)涂在聚酯纤维编织的基布上，加上100%聚偏氟乙烯(PVDF)的表面涂层后形成的复合材料。PVDF膜结构(PVC膜材)的强度及耐火性与PTFE对比具有一定差距，另外其自洁性和耐久性均不如PTFE建筑膜材。其使用寿命随表面涂层的不同而不同，一般可达12年～25年。国内外对这两种常用的建筑膜材料已经开展了各类力学性能试验与研究。

本文所研究的EVA膜材是由乙烯—醋酸乙烯共聚物(也称为乙烯—乙酸乙烯共聚物)，乙烯(E)和乙酸乙烯(VA)共聚而制得，英文名称为：Ethylene Vinyl Acetate，简称为EVA。对于EVA材料，由于工艺与添加剂配比比较复杂，相关研究非常少。EVA膜材作为一种新型膜材，其除了拥有传统膜材的优点外，最大的特点是可降解，无污染，在当今环保越来越重视的今天，其发展前景是不言而喻的。但对其力学性能相关的研究仍相对滞后，本文对EVA膜材进行了单轴拉伸试验，得出其相关的力学参数以及拉伸断裂机理。

1 试验概况

本次试验所采用的单轴拉伸试验机如图1所示。试验环境参考GB/T 6529—2008标准，温度(20±2)℃、湿度(65±4)%、1个大气压。单轴拉伸试验试件为长带型，膜材试样如图2所示，试样尺寸如图3所示，试样总长度L=300 mm，宽度B=50 mm，膜材料的中间自由有效长度L0=200 mm，夹具夹持段为50 mm，厚度为0.7 mm。膜材料的长度方向称为经向(0°)，垂直于长度方向的宽度方向称为纬向(90°)。本次单轴拉伸试验变量为偏轴角，即切缝与经向的夹角，取值0°～90°，以相差15°为一组，共7种不同偏轴角度试验工况。每种试验工况取3个试件，试验等速加载，加载速度取200 mm/min。

2 试验数据和结果分析

2.1 单轴拉伸应力—应变曲线

分别对绕经向0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°七种情况进行试验，来分析拉伸方向与纱线之间夹角对EVA膜材料力学性能的影响。图4分别给出了7种情况下应力—应变曲线的试验结果。

根据EVA膜材料在不同方向下的拉伸应力—应变曲线(如图5所示)可见，EVA膜材0°(经向)的拉伸强度最大。断裂延伸率最小；90°(纬向)断裂延伸率高于经向，拉伸强度略低于经向；15°和75°的抗拉强度最小；45°的断裂延伸率最大。应力—应变曲线图中还可以看出，EVA膜材0°和90°，15°和75°，30°和60°的应力—应变曲线变化规律相似，呈现出典型的正交各向异性[2]。

膜材基本上呈现双线性弹性特征。取荷载应变曲线的初始线性变形阶段的切线作为膜材在该荷载下的弹性模量。塑性段曲线斜率为塑性模量。断裂延伸率表示为εu=(Lb-L0)/L0(其中，Lb为膜材断裂时测量长度；L0为有效长度)。单轴拉伸试验计算结果见表1。

表1 单轴拉伸试验结果

2.2 拉伸断裂机理

图6为膜材试件在不同方向上被拉断后的断裂口的形态。由图6a)中试件呈现出单纯的拉断破坏形态，特点是所有纤维都在同一位置断裂，断裂垂直于加载方向，通常发生在经纬向(0°,90°)的拉伸试验中；图6b)中试件呈现出剪切破坏形态，特点是在面内剪切应力的作用下，纤维依次从基体中拔出，导致了膜材的破坏，这种破坏通常发生在基体与纤维表面之间，一般发生在45°拉伸试验中；图6c)中试件呈现出拉剪混合型破坏，特点是在拉应力与面内剪切应力的共同作用下，试件边部纤维从基体中拔出，中间部分的纤维被拉断，导致膜材的破坏，通常发生在小偏角(15°，30°)的单轴拉伸试验之中。总的来看，对于单轴拉伸试验，破坏总是发生在强度较低的纤维之中，因为拉应力与剪切应力的共同作用加速了膜材的破坏，所以其拉伸断裂强度总是小于单一应力作用时的拉伸断裂强度[2]。

3 结语

1)EVA环保膜材的拉伸性能呈现典型的正交各向异性，其沿经纬向(0°，90°)的拉伸断裂强度最大且近似相等，45°的断裂延伸率最大。

2)EVA环保膜材拉伸断裂后，其断裂方式为单纯拉断破坏、剪切型破坏和拉剪混合型破坏3种。

本文所研究的EVA膜材的极限抗拉强度与文献[3]中PVC膜材在不同偏轴角度下的抗拉强度对比，除经纬向外都要更高一些。膜结构行业再使用传统的PVC材料已经不符合可持续发展的理念了，PVC材料将逐步在不可降解的情况下被淘汰，而EVA膜材的最大的特点就是可降解，无污染，在当今环保越来越重视的今天，其发展前景是不言而喻的。

注：本文特感谢江苏科技大学土木工程与建筑学院本科生唐晓玲、佟丽、聂银江做出的贡献。