聚氯乙烯涂层膜材料松驰探究

王军军

新疆圣雄氯碱有限公司，新疆 吐鲁番 838000

摘要：现阶段，我国对于高分子材料、黏弹性流体等材料的松弛时间谱的研究相对较多，而对于织物增强类柔性复合材料，特别是膜材料松弛时间谱的研究未见报道，基于此，本文笔者根据多年工作经验对聚氯乙烯涂层膜材料松驰进行简要探究。仅供业内同行参考。

关键词：聚氯乙烯；涂层；材料；松驰；

1 连续与离散松弛时间谱

类似高分子材料，聚合物基复合材料其组分材料的运动单元松弛时间通常跨越5个～6个数量级，因而难以通过实验数据直接获得其真实的松弛时间谱，一般只能通过计算获得其近似解。松弛时间谱近似解可分为连续和离散松弛时间谱两类。基于应力松弛实验获得连续松弛时间谱时，需通过应力松弛实验获得松弛模量或应力松弛曲线，通过拟合获得函数表达式，后基于该函数表达式和松弛时间谱近似表达式计算松弛时间谱H( )。目前，多基于黏弹性材料的松弛模量计算近似松弛时间谱，适用于高分子材料松弛时间谱近似解的函数表达式，主要有一阶近似法、二阶近似法和三阶近似法等。

对松弛模量函数表达式E(t)求导次数越高，由计算得到的松弛时间谱近似解与材料的真实松弛时间谱越接近。一般情况下，二阶近似法获得的松弛时间谱已经具有足够的精度，接近于真实的松弛时间谱。对于离散松弛时间谱，通常取一定数量的松弛单元，对应力松弛或松弛模量曲线进行回归分析，确定各松弛单元的松弛时间和表观强度。此外，亦可通过动态实验获得材料的弹性模量或损耗模量，采用近似公式获得松弛时间谱，但在实际操作时，难以获得弹性模量或损耗模量的解析表达式，因而通常采用数值分析法获得离散松弛时间谱。目前多基于应力松弛实验，根据松弛模量，获得测试材料的连续松弛时间谱或离散松弛时间谱。

2 应力松弛实验与松弛时间谱分析

2.1 试样与应力松弛实验

以商购PVC涂层膜材料的经向试样为实验对象，实测膜材料厚度为0.72mm，单位面积重量为800g/m²。试样长度与宽度分别为300mm和50mm，测试过程中，有效夹持隔距为200mm。在环境温度为25℃条件下，采用WDW-20C型微机控制电子试验机，以10mm/min的加载速率将试样拉伸至初始松弛应力为10N/mm，保持对应的应变0，保持时间设定为43200s(12h)。

2.2 应力松弛模型拟合

聚合物的应力松弛现象可看成多个松弛单元综合作用的结果，对于以膜材料为代表的织物增强类柔性复合材料，其组分均为高分子材料，因而其亦应遵循该规律，故可采用广义Maxwell模型来描述膜材料的应力松弛行为，其模型示意图如图1所示。图中: 、 分别为弹簧元件和第i个Maxwell单元中弹簧的弹性模量，MPa; 为第i个Maxwell单元中黏壶的黏滞系数， 。

图 1 广义 Maxwell 模型

基于广义Maxwell模型，当加载至应变为0时，其应力松弛方程可表示为:

(4)

(4)式中: 为模型应力松弛应变为 时的平衡态应力，MPa; 为第i个Maxwell单元在应力松弛t时刻的残余应力，MPa; ，为第i个Maxwell单元的松弛时间，s。

式(4)对应的松弛模量可表示为:

(5)

试样的实测应力松弛模量及基于广义Maxwell模型表达式拟合曲线绘于图2中，拟合相关系数R²列于表1中。拟合过程中，需小心赋予各拟合参数初值，以免出现拟合不收敛。

图2 松弛模量曲线及广义 Maxwell 模型拟合曲线

图 3 6 单元广义 Maxwell 模型中各单元的模量松弛率曲线

表 1 广义 Maxwell 模型拟合相关系数(R²)

单元数量 1 2 3 4 5 6 7

R2 0.95504 0.99631 0.99945 0.99994 0.99999 0.99999 0.99999

如图3所示，相同应力松弛时刻，各Maxwell单元对材料宏观应力松弛行为的贡献存在差异。松弛时间i最短的Maxwell单元，其在应力松弛初始阶段的松弛速率最高，但持续时间最短，表明对短时间应力松弛性能影响明显;而松弛时间i最长的Maxwell单元，虽然其初始松弛速率较低，但持续时间最长，表明对长时间应力松弛行为影响明显。

为分析Maxwell单元数量对计算得到的应力松弛时间谱形态的影响，将5单元～7单元广义Maxwell模型计算得到的近似松弛时间随着模型中Maxwell单元个数的增加，由于各峰之间的相互叠加，松弛时间谱中各峰之间的过渡趋于平缓，但松弛时间最长对应的峰依旧显著。且由6单元和7单元广义Maxwell模型计算得到的近似松弛时间谱曲线高度重合，综合考虑5单元～7单元广义Maxwell模型各分项图形特征，可认为由6单元广义Maxwell模型计算得到的近似应力松弛时间谱图已能较好地表征本文选用的PVC涂层膜材料应力松弛过程中各运动单元的真实运动情况。

3结论

本文以PVC涂层织物膜材料为研究对象，对其应力松弛进行了测试，并采用广义Maxwell模型对实测松弛模量曲线进行了拟合分析，优选应力松弛行为描述模型;基于优选广义Maxwell模型和二阶近似法计算和分析了应力松弛时间谱的近似解，主要结论如下:(1)随着广义Maxwell模型中Maxwell单元数的增加，模型对实测松弛模量的拟合精度提高，采用5单元及以上广义Maxwell模型已能较好地描述PVC涂层膜材料的应力松弛特性。(2)增加广义Maxwell模型中Maxwell单元的数量，可更为细致地描述PVC涂层膜材料的应力松弛时间谱特征，但当Maxwell单元数超过6时，组成的广义Maxwell模型无助于提高应力松弛时间谱的精度，且会增加拟合难度。(3)对于同一广义Maxwell模型，当单元对应的应力松弛时间越小，其在应力松弛初始阶段的松弛模量衰减率越高，但应力松弛持续时间较短，反之亦然。本文仅基于单一材料，在单一实验条件下，采用广义Maxwell模型和松弛时间谱二阶近似法获得了PVC涂层膜材料的近似松弛时间谱，但就不同实验条件、不同类型膜材料对近似应力松弛时间谱的影响，仍需做深入的研究，以期从理论上更为全面地把握膜材料的应力松弛特征。

参考文献：

［1］ 侯佳佳，陈南梁，蒋金华，等．涤纶高密双轴向经编增强PVC膜材粘弹性本构关系［J］．玻璃钢/复合材料，2019(12):111-117．

［2］ 许珊珊．PTFE涂层织物膜材的黏弹性性能研究［D］．徐州:中国矿业大学，2017．

［3］ 许珊珊，张营营，张其林．PTFE膜材的应力松弛性能及预测模型分析［J］．应用数学和力学，2019，37(03):266-276．