任明根，楊健，高皖揚(yáng)，王星爾，趙宸君

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

夾層玻璃以其良好的透明、隔聲、隔熱等功能特點(diǎn)在玻璃幕墻乃至整個(gè)建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。玻璃作為脆性材料，其破壞往往突然且難以預(yù)測(cè)[3]，破壞后產(chǎn)生的碎片具有較大危險(xiǎn)性。夾層玻璃通過高分子聚合物中間膜的粘結(jié)作用構(gòu)建玻璃單片之間的“橋梁”，形成三明治結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了夾層玻璃構(gòu)件的整體性，提高了整體承載能力，還能在玻璃層破碎后粘附玻璃碎片，并保持一定的殘余承載力[4-7]。

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）具有改善隔聲、隔熱性能，因而被應(yīng)用于功能性夾層玻璃中間膜[13-14]。以EVA為基材的熱固性PVE、SGE中間膜，通過高壓釜等工藝處理后具有優(yōu)異的透明性，可與玻璃表面形成良好的粘結(jié)力，并適用于輥壓工藝，具備成為夾層玻璃中間膜的基本條件。相比熱塑性中間膜，PVE的高溫穩(wěn)定性更好，SGE在強(qiáng)度、剛度及高低溫穩(wěn)定性方面優(yōu)于PVE。探究PVE、SGE新型熱固性中間膜在溫度作用下的材料和力學(xué)性能，可為其用于制備夾層玻璃的適用性提供理論支撐。對(duì)PVE、SGE進(jìn)行必要的力學(xué)性能試驗(yàn)，獲取關(guān)鍵力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)是采用其進(jìn)行夾層玻璃設(shè)計(jì)的前提。熱固性和熱塑性材料對(duì)溫度的敏感程度不同，導(dǎo)致其在不同溫度下力學(xué)性能的差異。對(duì)比討論P(yáng)VE、SGE這2種熱固性材料與常見的熱塑性材料PVB、SG在不同溫度作用下的力學(xué)性能，可為設(shè)計(jì)人員對(duì)中間膜材料的選擇提供重要參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）熱塑性中間膜：聚乙烯醇縮丁醛（PVB），美國杜邦公司生產(chǎn)的Polyvinyl Butyral中間膜，聚乙烯醇和丁醛的縮合物，化學(xué)式為（C8H14O）2n；離子性SentryGlasPlus中間膜（SG），由美國杜邦公司生產(chǎn)，主要由乙烯/甲基丙烯酸共聚物組成，包含少量金屬鹽以提高其與玻璃的粘結(jié)強(qiáng)度[15]。

（2）熱固性中間膜：G301型交聯(lián)EVA夾層玻璃中間膜（PVE）、交聯(lián)EVA/PC復(fù)合夾層玻璃中間膜（SGE），上海海優(yōu)威應(yīng)用材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)。PVE是以EVA為基材，EVA線型分子在交聯(lián)劑（過氧化物）高溫分解產(chǎn)生的自由基作用下進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，由線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后形成的熱固性樹脂，其主要化學(xué)成分為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，化學(xué)式為（C2H）4n（C4H6O）2m，PVE的交聯(lián)反應(yīng)機(jī)理及過程如圖1所示；SGE是PVE與聚碳酸酯（PC）復(fù)合形成的熱固性材料。

圖1 PVE交聯(lián)反應(yīng)原理

1.2 主要試驗(yàn)儀器與設(shè)備

采用INSTRON萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，拉力范圍為0～10 kN，拉伸速率為0～500 mm/min。恒溫箱溫度控制范圍為－40～140℃，大變形引伸計(jì)安置在恒溫箱內(nèi)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的各地氣溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[16]，我國寒冷地區(qū)最低氣溫可達(dá)－20～－30℃，部分地區(qū)最高氣溫可達(dá)40～45℃，夏日暴露光下的玻璃表面溫度可達(dá)100～120℃。因此，本試驗(yàn)測(cè)試溫度范圍設(shè)定為－20℃～120℃，溫度梯度為20℃，測(cè)試前對(duì)試件進(jìn)行1 h的恒溫處理，以保證試件達(dá)到設(shè)定溫度。試件采用名義厚度1.52 mm的膜材，通過裁刀沖切制備，試驗(yàn)前用游標(biāo)卡尺和測(cè)厚儀分別測(cè)量試件有效段實(shí)際寬度和厚度，重復(fù)試驗(yàn)保重每組溫度下獲得五個(gè)有效樣本。

拉伸試驗(yàn)：試件外形尺寸參照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》中Ⅰ型啞鈴狀試件，加載速度為300mm/min。

撕裂試驗(yàn)：參照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測(cè)定（褲型、直角型和新月型試樣）》中無割口直角形試件進(jìn)行，加載速度為300 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗(yàn)

2.1.1 4種膜材的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中PVB、SGP、PVE分別在80、100、100℃以上時(shí)處于流變狀態(tài)，無法測(cè)得應(yīng)力應(yīng)變，其他溫度下4種中間膜的單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3（a）可見：－20℃下PVB拉伸時(shí)呈現(xiàn)彈塑性特征，歷經(jīng)彈性段、應(yīng)變軟化、冷拉、應(yīng)變硬化、斷裂等5個(gè)典型階段，屈服強(qiáng)度為35 MPa，斷裂強(qiáng)度為44.4 MPa；0℃下拉伸時(shí)，小應(yīng)變階段剛度較高，屈服后剛度下降，之后剛度隨著變形發(fā)展不斷增大，不再有明顯的屈服臺(tái)階；而在20℃下拉伸時(shí)，超過了PVB的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（10～15℃）[9]，PVB呈超彈性特征；在40℃下拉伸時(shí)，PVB的斷裂強(qiáng)度為6.2 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)350%；而在60℃時(shí)，PVB的斷裂強(qiáng)度僅為0.5 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到400%。

圖3 不同溫度下4種中間膜單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖3（b）可見：在－20、0、20、40℃下，SG的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線相似度較高，處于玻璃態(tài)，隨溫度升高，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增大；60℃時(shí)，超過了其T（g55～60℃）[9]，SG呈現(xiàn)橡膠態(tài)特征，不再屈服，斷裂強(qiáng)度為11.5 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)500%；80℃時(shí)，SG軟化嚴(yán)重，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)850%，斷裂強(qiáng)度為2.2 MPa。

由圖3（c）可見：－20～40℃區(qū)間內(nèi)PVE的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線發(fā)展趨勢(shì)大體一致，加載伊始剛度基本不變，隨應(yīng)變發(fā)展發(fā)生硬化剛度增大，直至斷裂，斷裂伸長(zhǎng)率大于400%，并隨溫度升高而增大；在40～80℃溫度區(qū)間，斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度上升而減小。PVE的斷裂強(qiáng)度在－20℃時(shí)為51 MPa，隨溫度升高而降低，60℃時(shí)為2.66 MPa，80℃時(shí)為0.72 MPa。

由圖3（d）可見，SGE有較明顯的彈塑性特征。隨著溫度的升高，彈性段剛度基本不變，屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度下降。－20℃時(shí)SGE的斷裂強(qiáng)度為39 MPa，20℃下的斷裂強(qiáng)度為34 MPa，120℃下的極限強(qiáng)度為22.5 MPa。雖然相對(duì)于常溫下降低了35%，但仍保持較高的強(qiáng)度水平，說明SGE有較好的高溫耐受性。而其斷裂伸長(zhǎng)率則隨溫度升高呈增大趨勢(shì)，由－20℃的107%增大到120℃時(shí)的180%。

2.1.2 溫度作用對(duì)中間膜拉伸性能的影響

（1）膜材剛度

夾層玻璃中間膜在實(shí)際工作負(fù)載下，絕大多數(shù)情況下處于小應(yīng)變狀態(tài)。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 528—2009中定伸應(yīng)力的概念，采用圖4所示方法，以原點(diǎn)和0.1應(yīng)變處的應(yīng)力應(yīng)變值計(jì)算割線模量，以表征中間膜在小應(yīng)變狀態(tài)下的剛度。

圖4 割線模量計(jì)算示意

圖5為4種中間膜的割線模量隨溫度變化趨勢(shì)。

圖5 不同溫度下中間膜割線模量

由圖5可見：PVB的割線模量在－20～20℃時(shí)隨溫度升高而急劇降低；SG的割線模量在－20～60℃范圍內(nèi)隨溫度的升高而大幅下降。結(jié)合PVB和SG的Tg分別處于10～15℃和55～60℃區(qū)間，可見對(duì)于熱塑性中間膜，其剛度在玻璃態(tài)相對(duì)于橡膠態(tài)受溫度的影響更大。PVE的割線模量在－20～0℃時(shí)隨溫度的升高明顯下降；在0℃以上時(shí)隨溫度升高呈緩慢下降。SGE的割線模量隨溫度升高接近于線性下降。

（2）斷裂強(qiáng)度

圖6為4種中間膜的斷裂強(qiáng)度隨溫度變化趨勢(shì)。

圖6 不同溫度下4種中間膜的斷裂強(qiáng)度

由圖6可見，4種中間膜的斷裂強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低。在20℃以下時(shí)，4種膜材的斷裂強(qiáng)度均在25 MPa以上；40℃時(shí)，SG和SGE的斷裂強(qiáng)度相對(duì)較高；在80℃以上，PVB、PVE和SG已經(jīng)軟化失效，僅SGE的斷裂強(qiáng)度尚達(dá)20 MPa以上。從斷裂強(qiáng)度來看，SGE的耐高溫性能最好，PVE和SG次之，PVB最差。

（3）斷裂伸長(zhǎng)率

中間膜的斷裂伸長(zhǎng)率是反應(yīng)其韌性的參數(shù)，圖7為不同溫度下4種中間膜的斷裂伸長(zhǎng)率。

圖7 不同溫度下中間膜的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率

由圖7可見，在－20～120℃范圍內(nèi)，PVB、SG、SGE三種中間膜的斷裂伸長(zhǎng)率均隨溫度升高而增大；而PVE的斷裂伸長(zhǎng)率則隨溫度的升高呈先增大后減小，40℃時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大。相對(duì)而言，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，SGE的斷裂伸長(zhǎng)率最小。

4種中間膜的割線模量、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等3項(xiàng)性能均隨溫度變化明顯，可見其拉伸性能均存在溫度敏感性特征。

2.2 撕裂試驗(yàn)

2.2.1 撕裂加載曲線

加載速率為300 mm/min，觀察撕裂過程，獲取載荷-位移曲線。扇形試件承載后，隨著拉力增大，直角拐點(diǎn)處由于應(yīng)力集中率先出現(xiàn)裂口，并不斷擴(kuò)展至撕裂。以PVE為例，圖8顯示不同溫度下PVE的撕裂試驗(yàn)加載曲線。

圖8 不同溫度下PVE的撕裂試驗(yàn)加載曲線

由圖8可見：在－20℃和0℃時(shí)，試件載荷達(dá)到峰值后引發(fā)撕裂，進(jìn)入撕裂擴(kuò)展階段至斷裂，形變較大；在20、40℃時(shí)，試件經(jīng)歷較長(zhǎng)的彈性伸長(zhǎng)段后到達(dá)峰值，撕裂引發(fā)后載荷快速下降至斷裂，變形較低溫下時(shí)顯著減?。辉?0℃以上時(shí)，試件受熱軟化，抗撕裂能力顯著下降?？傮w來說，隨著溫度的升高，PVE試件的破壞模式逐漸從直角區(qū)彈性撕裂失效向膜材本體的拉伸失效轉(zhuǎn)變。

利用撕裂試驗(yàn)獲取的加載數(shù)據(jù)計(jì)算強(qiáng)度、能量等相關(guān)指標(biāo)來表征中間膜的抗撕裂性能。以0℃下試驗(yàn)為例，圖9為在0℃時(shí)PVE的撕裂試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 PVE的撕裂試驗(yàn)力-位移曲線

從9的加載歷程可見，在未達(dá)到撕裂點(diǎn)前，變形為彈性伸長(zhǎng)，拉伸荷載逐漸增大到達(dá)撕裂點(diǎn)，此時(shí)峰值荷載為119.67 N，撕裂引發(fā)后由于膜材逐漸失效，荷載逐步減小，撕裂擴(kuò)展直至完全斷裂。

根據(jù)GB/T 529—2008規(guī)定，對(duì)于無割口直角形撕裂試件，是以將試件撕斷所需的最大力除以試件厚度來表征撕裂強(qiáng)度。從能量方面考慮，在撕裂起始點(diǎn)至斷裂點(diǎn)的撕裂區(qū)間內(nèi)，外部拉力做功提供材料撕裂耗能，因此可用單位面積材料撕裂所消耗的能量來表征撕裂能。按式（1）可積分求得0℃時(shí)PVE中間膜的撕裂能為1.408 J，根據(jù)試件尺寸，撕裂面積為20.67 mm2，由式（2）求得單位面積的撕裂能為68.1 kJ/m2。

式中：Et——撕裂能，撕裂過程中外力做功，J；

s0——撕裂點(diǎn)處的位移，mm；

s1——斷裂時(shí)的位移，mm；

F——試驗(yàn)機(jī)施加的力，N；

Gc——單位面積撕裂能，表示單位面積材料撕裂所消耗能量，J/mm2；

b、h——分別為撕裂截面的寬度和厚度，mm。

2.2.2 撕裂強(qiáng)度和撕裂能

按式（1）、式（2）計(jì)算－20～100℃下4種中間膜的撕裂能，結(jié)果見圖10。

圖10 4種膜材的撕裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖10可見：

（1）PVB的撕裂強(qiáng)度隨溫度升高而降低，40℃時(shí)相較于20℃時(shí)降低了80%以上；100℃以上時(shí)變成流態(tài)，喪失承載能力。PVB的撕裂能隨溫度變化明顯，－20℃時(shí)由于脆斷效應(yīng)，變形較小，因此雖然承載力較高，但撕裂吸收的能量反而小于0℃時(shí)的。在0℃以上時(shí)，撕裂能隨溫度的變化規(guī)律基本與撕裂強(qiáng)度相同。

（2）SG的撕裂強(qiáng)度隨溫度升高而降低，與其剛度隨溫度的變化趨勢(shì)相同。80℃時(shí)，撕裂強(qiáng)度為11.5 kN/m，相比于20℃時(shí)降低了94%?？梢娫跍囟雀哂?0℃的環(huán)境中，SG的抗撕裂性能難以保證。說明在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，溫度升高使得SG韌性增強(qiáng)，撕裂吸能增大；而在玻璃化溫度以上時(shí)，高溫軟化對(duì)剛度降低的影響顯著，撕裂吸能逐漸減小。從材料結(jié)構(gòu)角度探討，是因?yàn)楦邷叵路肿舆\(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，分子間作用力減弱，導(dǎo)致抵御外力做功的能力降低。

（3）PVE和SGE兩種熱固性中間膜的撕裂強(qiáng)度和撕裂能隨溫度的變化趨勢(shì)相似。PVE的撕裂強(qiáng)度和撕裂能隨溫度升高迅速急劇下降，在40℃以上已經(jīng)接近于0。SGE的撕裂強(qiáng)度隨溫度升高快速下降，而其撕裂能在0～20℃范圍急劇下降，降低了82%；在20～120℃區(qū)間，SGE的撕裂能幾乎不再受溫度影響。相較于PVE，SGE在60℃以上仍保持較高的撕裂強(qiáng)度和撕裂能。在60～120℃區(qū)間，SGE的抗撕裂性能變化不大，且維持在較理想水平，說明其在120℃下工作的穩(wěn)定性較好。

2.3 4種中間膜的力學(xué)性能對(duì)比

對(duì)于夾層玻璃用中間膜，足夠的抗拉強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度是其作為結(jié)構(gòu)承載的前提，同時(shí)一定的抗拉剛度和抗撕裂能也是保證其正常工作的必要條件。因而在選用中間膜時(shí)，除滿足透光、隔熱、良好粘結(jié)等功能性要求外，還要確保其力學(xué)性能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。由圖5、圖6、圖7和圖10不同溫度下PVB、SG、PVE、SGE四種膜材的小應(yīng)變抗拉剛度、斷裂強(qiáng)度、拉伸斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度和撕裂能可知：（1）小應(yīng)變抗拉剛度方面，在低溫（－20、0℃）下，PVB、SG、SGE的剛度較大；室溫（20℃）下，SG、SGE的剛度相對(duì)較大；在60℃以上時(shí)，PVB、SG、PVE的割線模量已經(jīng)下降到20MPa以下，而SGE在120℃下的割線模量為150.5MPa，仍有較大的剛度。（2）拉伸斷裂強(qiáng)度方面，在0℃以下時(shí)，4種膜材差異不大，PVE的拉伸斷裂強(qiáng)度略高；在20～60℃區(qū)間，SG和SGE的拉伸斷裂強(qiáng)度較高；在60℃以上，PVB、SG、PVE三種膜材的斷裂強(qiáng)度逐漸趨于0，而SGE尚能保持一定的拉伸斷裂強(qiáng)度。（3）拉伸斷裂伸長(zhǎng)率方面，在－20～120℃范圍，PVB、SG、SGE三種中間膜的斷裂伸長(zhǎng)率均隨溫度升高而增大，而PVE的斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度升高呈先增大后減小，40℃時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大。相對(duì)而言，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，SGE的斷裂伸長(zhǎng)率最小。（4）撕裂強(qiáng)度方面，在0℃以下，PVB和SG的撕裂強(qiáng)度相對(duì)較高；40℃以上時(shí)，PVB和PVE失去抗撕裂能力；80℃以上時(shí)，SG失去抗撕裂能力；而SGE在120℃時(shí)撕裂強(qiáng)度仍達(dá)70kN/m。（5）撕裂能方面，在0℃以下，4種中間膜的撕裂能差異不大；在20～60℃區(qū)間，SG的撕裂能相對(duì)較大；60℃以上時(shí)，4種中間膜的撕裂能均較小。

3 結(jié)語

通過低速單軸拉伸試驗(yàn)和撕裂試驗(yàn)，獲取了不同溫度下PVB、SG、PVE、SGE四種中間膜的力學(xué)參數(shù)，研究了溫度對(duì)其拉伸性能和撕裂性能的影響。由于高分子聚合物的粘彈性特征，4種膜材的力學(xué)性能均有明顯的溫度敏感性。相較于熱固性中間膜，熱塑性中間膜對(duì)溫度更加敏感。

（1）在－20～40℃區(qū)間，4種膜材的拉伸強(qiáng)度、小應(yīng)變階段剛度、撕裂強(qiáng)度、撕裂能等力學(xué)性能均維持在較高水平，相對(duì)而言，SG和SGE兩種膜材的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度更高。因此，對(duì)于在常溫下強(qiáng)度指標(biāo)要求更高的結(jié)構(gòu)玻璃中間膜，SG和SGE的適用性更高。

（2）在60℃以上時(shí)，PVB、SG、PVE三種膜材的力學(xué)性能均大幅下降，僅SGE尚保留有較好的力學(xué)性能。表明SGE中間膜在高溫環(huán)境下使用具有一定的優(yōu)勢(shì)。

（3）經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)后，熱固性中間膜的分子結(jié)構(gòu)不再隨著溫度升高而改變，因而其力學(xué)性能隨溫度升高變化趨勢(shì)更穩(wěn)定。

本研究獲得的不同溫度下4種夾層玻璃中間膜的材性參數(shù)，可為應(yīng)用新型EVA基中間膜的夾層玻璃力學(xué)性能提供數(shù)據(jù)支撐。對(duì)新型膜材PVE和SGE的力學(xué)性能有了初步的探究，可作為評(píng)估其適用性的參考。除溫度作用外，加載應(yīng)變率、持載時(shí)間、環(huán)境老化等因素對(duì)中間膜的力學(xué)性能均有不同程度的影響，尚需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。