任明根，楊健，高皖揚，王星爾，趙宸君

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；3.上海交通大學 上海市公共建筑和基礎設施數字化運維重點實驗室，上海 200240）

0 引言

夾層玻璃以其良好的透明、隔聲、隔熱等功能特點在玻璃幕墻乃至整個建筑領域得到了廣泛應用[1-2]。玻璃作為脆性材料，其破壞往往突然且難以預測[3]，破壞后產生的碎片具有較大危險性。夾層玻璃通過高分子聚合物中間膜的粘結作用構建玻璃單片之間的“橋梁”，形成三明治結構，增強了夾層玻璃構件的整體性，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性能，可為其用于制備夾層玻璃的適用性提供理論支撐。對PVE、SGE進行必要的力學性能試驗，獲取關鍵力學設計參數是采用其進行夾層玻璃設計的前提。熱固性和熱塑性材料對溫度的敏感程度不同，導致其在不同溫度下力學性能的差異。對比討論PVE、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性能，可為設計人員對中間膜材料的選擇提供重要參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）熱塑性中間膜：聚乙烯醇縮丁醛（PVB），美國杜邦公司生產的Polyvinyl Butyral中間膜，聚乙烯醇和丁醛的縮合物，化學式為（C8H14O）2n；離子性SentryGlasPlus中間膜（SG），由美國杜邦公司生產，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強度[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復合夾層玻璃中間膜（SGE），上海海優(yōu)威應用材料技術有限公司生產。PVE是以EVA為基材，EVA線型分子在交聯(lián)劑（過氧化物）高溫分解產生的自由基作用下進行交聯(lián)反應，由線性結構轉變?yōu)榫W狀結構后形成的熱固性樹脂，其主要化學成分為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，化學式為（C2H）4n（C4H6O）2m，PVE的交聯(lián)反應機理及過程如圖1所示；SGE是PVE與聚碳酸酯（PC）復合形成的熱固性材料。

圖1 PVE交聯(lián)反應原理

1.2 主要試驗儀器與設備

采用INSTRON萬能試驗機進行試驗，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℃，大變形引伸計安置在恒溫箱內，試驗裝置如圖2所示。

圖2 試驗裝置

1.3 試驗方法

根據氣象數據網提供的各地氣溫統(tǒng)計數據[16]，我國寒冷地區(qū)最低氣溫可達－20～－30℃，部分地區(qū)最高氣溫可達40～45℃，夏日暴露光下的玻璃表面溫度可達100～120℃。因此，本試驗測試溫度范圍設定為－20℃～120℃，溫度梯度為20℃，測試前對試件進行1 h的恒溫處理，以保證試件達到設定溫度。試件采用名義厚度1.52 mm的膜材，通過裁刀沖切制備，試驗前用游標卡尺和測厚儀分別測量試件有效段實際寬度和厚度，重復試驗保重每組溫度下獲得五個有效樣本。

拉伸試驗：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力應變性能的測定》中Ⅰ型啞鈴狀試件，加載速度為300mm/min。

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

2 結果與討論

2.1 拉伸試驗

2.1.1 4種膜材的拉伸試驗結果

試驗中PVB、SGP、PVE分別在80、100、100℃以上時處于流變狀態(tài)，無法測得應力應變，其他溫度下4種中間膜的單軸拉伸試驗結果見圖3。

由圖3（a）可見：－20℃下PVB拉伸時呈現彈塑性特征，歷經彈性段、應變軟化、冷拉、應變硬化、斷裂等5個典型階段，屈服強度為35 MPa，斷裂強度為44.4 MPa；0℃下拉伸時，小應變階段剛度較高，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階；而在20℃下拉伸時，超過了PVB的玻璃化轉變溫度（10～15℃）[9]，PVB呈超彈性特征；在40℃下拉伸時，PVB的斷裂強度為6.2 MPa，斷裂伸長率達350%；而在60℃時，PVB的斷裂強度僅為0.5 MPa，斷裂伸長率達到400%。

圖3 不同溫度下4種中間膜單軸拉伸應力-應變關系

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

由圖3（c）可見：－20～40℃區(qū)間內PVE的應力-應變關系曲線發(fā)展趨勢大體一致，加載伊始剛度基本不變，隨應變發(fā)展發(fā)生硬化剛度增大，直至斷裂，斷裂伸長率大于400%，并隨溫度升高而增大；在40～80℃溫度區(qū)間，斷裂伸長率隨溫度上升而減小。PVE的斷裂強度在－20℃時為51 MPa，隨溫度升高而降低，60℃時為2.66 MPa，80℃時為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，屈服強度和斷裂強度下降。－20℃時SGE的斷裂強度為39 MPa，20℃下的斷裂強度為34 MPa，120℃下的極限強度為22.5 MPa。雖然相對于常溫下降低了35%，但仍保持較高的強度水平，說明SGE有較好的高溫耐受性。而其斷裂伸長率則隨溫度升高呈增大趨勢，由－20℃的107%增大到120℃時的180%。

2.1.2 溫度作用對中間膜拉伸性能的影響

（1）膜材剛度

夾層玻璃中間膜在實際工作負載下，絕大多數情況下處于小應變狀態(tài)。結合標準GB/T 528—2009中定伸應力的概念，采用圖4所示方法，以原點和0.1應變處的應力應變值計算割線模量，以表征中間膜在小應變狀態(tài)下的剛度。

圖4 割線模量計算示意

圖5為4種中間膜的割線模量隨溫度變化趨勢。

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℃時隨溫度升高而急劇降低；SG的割線模量在－20～60℃范圍內隨溫度的升高而大幅下降。結合PVB和SG的Tg分別處于10～15℃和55～60℃區(qū)間，可見對于熱塑性中間膜，其剛度在玻璃態(tài)相對于橡膠態(tài)受溫度的影響更大。PVE的割線模量在－20～0℃時隨溫度的升高明顯下降；在0℃以上時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）斷裂強度

圖6為4種中間膜的斷裂強度隨溫度變化趨勢。

圖6 不同溫度下4種中間膜的斷裂強度

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

（3）斷裂伸長率

中間膜的斷裂伸長率是反應其韌性的參數，圖7為不同溫度下4種中間膜的斷裂伸長率。

圖7 不同溫度下中間膜的拉伸斷裂伸長率

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

4種中間膜的割線模量、斷裂強度、斷裂伸長率等3項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

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，直角拐點處由于應力集中率先出現裂口，并不斷擴展至撕裂。以PVE為例，圖8顯示不同溫度下PVE的撕裂試驗加載曲線。

圖8 不同溫度下PVE的撕裂試驗加載曲線

由圖8可見：在－20℃和0℃時，試件載荷達到峰值后引發(fā)撕裂，進入撕裂擴展階段至斷裂，形變較大；在20、40℃時，試件經歷較長的彈性伸長段后到達峰值，撕裂引發(fā)后載荷快速下降至斷裂，變形較低溫下時顯著減??；在60℃以上時，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變。

利用撕裂試驗獲取的加載數據計算強度、能量等相關指標來表征中間膜的抗撕裂性能。以0℃下試驗為例，圖9為在0℃時PVE的撕裂試驗結果。

圖9 PVE的撕裂試驗力-位移曲線

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

根據GB/T 529—2008規(guī)定，對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度。從能量方面考慮，在撕裂起始點至斷裂點的撕裂區(qū)間內，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PVE中間膜的撕裂能為1.408 J，根據試件尺寸，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——撕裂點處的位移，mm；

s1——斷裂時的位移，mm；

F——試驗機施加的力，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 撕裂強度和撕裂能

按式（1）、式（2）計算－20～100℃下4種中間膜的撕裂能，結果見圖10。

圖10 4種膜材的撕裂試驗結果

由圖10可見：

（1）PVB的撕裂強度隨溫度升高而降低，40℃時相較于20℃時降低了80%以上；100℃以上時變成流態(tài)，喪失承載能力。PVB的撕裂能隨溫度變化明顯，－20℃時由于脆斷效應，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℃時的。在0℃以上時，撕裂能隨溫度的變化規(guī)律基本與撕裂強度相同。

（2）SG的撕裂強度隨溫度升高而降低，與其剛度隨溫度的變化趨勢相同。80℃時，撕裂強度為11.5 kN/m，相比于20℃時降低了94%?？梢娫跍囟雀哂?0℃的環(huán)境中，SG的抗撕裂性能難以保證。說明在玻璃化轉變溫度以下時，溫度升高使得SG韌性增強，撕裂吸能增大；而在玻璃化溫度以上時，高溫軟化對剛度降低的影響顯著，撕裂吸能逐漸減小。從材料結構角度探討，是因為高溫下分子運動增強，分子間作用力減弱，導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度和撕裂能隨溫度的變化趨勢相似。PVE的撕裂強度和撕裂能隨溫度升高迅速急劇下降，在40℃以上已經接近于0。SGE的撕裂強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種中間膜的力學性能對比

對于夾層玻璃用中間膜，足夠的抗拉強度和抗撕裂強度是其作為結構承載的前提，同時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，除滿足透光、隔熱、良好粘結等功能性要求外，還要確保其力學性能滿足結構設計的要求。由圖5、圖6、圖7和圖10不同溫度下PVB、SG、PVE、SGE四種膜材的小應變抗拉剛度、斷裂強度、拉伸斷裂伸長率、撕裂強度和撕裂能可知：（1）小應變抗拉剛度方面，在低溫（－20、0℃）下，PVB、SG、SGE的剛度較大；室溫（20℃）下，SG、SGE的剛度相對較大；在60℃以上時，PVB、SG、PVE的割線模量已經下降到20MPa以下，而SGE在120℃下的割線模量為150.5MPa，仍有較大的剛度。（2）拉伸斷裂強度方面，在0℃以下時，4種膜材差異不大，PVE的拉伸斷裂強度略高；在20～60℃區(qū)間，SG和SGE的拉伸斷裂強度較高；在60℃以上，PVB、SG、PVE三種膜材的斷裂強度逐漸趨于0，而SGE尚能保持一定的拉伸斷裂強度。（3）拉伸斷裂伸長率方面，在－20～120℃范圍，PVB、SG、SGE三種中間膜的斷裂伸長率均隨溫度升高而增大，而PVE的斷裂伸長率隨溫度升高呈先增大后減小，40℃時斷裂伸長率達到最大。相對而言，在試驗溫度范圍內，SGE的斷裂伸長率最小。（4）撕裂強度方面，在0℃以下，PVB和SG的撕裂強度相對較高；40℃以上時，PVB和PVE失去抗撕裂能力；80℃以上時，SG失去抗撕裂能力；而SGE在120℃時撕裂強度仍達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的撕裂能相對較大；60℃以上時，4種中間膜的撕裂能均較小。

3 結語

通過低速單軸拉伸試驗和撕裂試驗，獲取了不同溫度下PVB、SG、PVE、SGE四種中間膜的力學參數，研究了溫度對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，熱塑性中間膜對溫度更加敏感。

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

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

（3）經交聯(lián)反應后，熱固性中間膜的分子結構不再隨著溫度升高而改變，因而其力學性能隨溫度升高變化趨勢更穩(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，可為應用新型EVA基中間膜的夾層玻璃力學性能提供數據支撐。對新型膜材PVE和SGE的力學性能有了初步的探究，可作為評估其適用性的參考。除溫度作用外，加載應變率、持載時間、環(huán)境老化等因素對中間膜的力學性能均有不同程度的影響，尚需進一步試驗研究。