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浮空器囊体材料撕裂强度测试方法

浮空器囊体材料抗撕裂性对浮空器的使用安全性具有重要意义,是考察囊体材料实用性的重要指标之一[1]。由于囊体材料是一种多层复合材料,因此影响其抗撕裂性能的因素较为复杂,主要因素包含织物的编织方式、纱线强度以及涂层工艺等等[2]。不同类型的囊体材料,所用织物种类不同、织物的编织方式不同、纱线强度设计不同或涂层不同等等,都决定了其抗撕裂性的差异。关于撕裂强度和抗撕裂性的测量方法多年来不断发展,国内外常用的测试方法不下十余种,所有这些试验方法都只能给出相对的撕裂强度,且测试结果因依据标准及方法的不同而存在较大的差异[3]。目前并没有完全针对囊体材料撕裂性测试的标准出现,只能借鉴涂层织物类材料的撕裂性测试标准方法。
本文参考了七种常用的涂层织物类材料撕裂测试方法,研究了在不同标准和方法条件下,同一材料撕裂过程测试结果的差异,以期确定更适合囊体材料撕裂性测试的方法,并为不同标准测试的撕裂结果比对提供依据。

1 试验部分
1.1 试验材料
长春应化所自制囊体材料。材料为多层复合材料,由防老化层、阻隔层、粘接层、织物层、热封层等多层复合而成。材料面密度 125 g/m2、拉伸强度 450 N/cm,布基为 Vectran 聚芳酯织物。
1.2 试验仪器
1.3 试验条件
目前国内业内测试涂层织物类材料撕裂强度选用的标准各异。主要方法可以归为国家标准和美国标准两类,标准内具体方法的试样尺寸和测试条件见表 1、表 2。
表 1 和表 2 列出了七种国内外涂层织物类撕裂性测试标准方法的主要测试条件。从试样制备方式和测试原理上比较,国标和美标方法中有三组类似:
① HG/T 2581.1-2009 裤形法与 ASTM D2261-07 单舌法;
两种方法均为长方形试样,制样方式均为在试样宽度位置的中部剪纵向切口,试样夹持方式一致。试样撕裂过程原理一致。不同之处在于,二者试样尺寸及预制的纵向切口尺寸不同(前者为 200×50mm 的试样上预制 100mm 的切口,后者为 200×75mm 的试样上预制 75mm 的切口)、测试速率不同(前者为 100mm/min,后者为 50mm/min)以及结果取值不同(前者为取有效曲线平均值,后者取最高峰值)。
② HG/T 2581.1-2009 梯形法与 ASTM D4533-04 梯形法;
两种方法均为长方形试样梯形夹持方式,即按夹持线夹持后均形成梯形测试面,均在梯形短边的正中处预制一条垂直于短边的切口。因此,试样撕裂过程原理一致。不同之处在于,二者初始试样尺寸、夹持后形成的梯形测试面尺寸和预制的切口尺寸不同(前者为初始 200×50mm 的试样、梯形测试面长边 150mm×短边100mm、短边上预制 10mm 的切口,后者为初始 200×76mm 的试样、梯形测试面长边 100mm×短边 25mm、短边上预制 15mm 的切口)、测试速率不同(前者为 200mm/min,后者为 300mm/min)。
③ HG/T 2581.1-2009 损坏撕裂法与 Mil-C-21189 中间开口撕裂法。
两种方法均为长方形试样,均在试样中心处与长度垂直的方向预制切口,夹持方式一致。撕裂过程原理一致。
不同之处在于,二者初始试样尺寸、预制切口尺寸(前者为初始 400×76mm的试样中心处预制 12.55mm 的切口,后者为初始 152×102mm 的试样中心处预制 32mm 的切口)及测试速率不同(前者为 200mm/min,后者为 305mm/min)。
总之,同种材料在测试原理一致,但试样尺寸(包括初始尺寸、测试面尺寸及预制切口尺寸)不同及测试速率不同的条件下,可能会表现出不同的抗撕裂力值,需要进行试验验证。

2 试验结果
依据上述各测试方法进行囊体材料的撕裂性测试。每种方法测试五个平行试样,获得五个平行结果后取平均值。

3 结果讨论
3.1 异常撕裂过程
从撕裂状态观察,若撕破不是沿施力方向进行,则测试结果并不能反应真实的撕裂强度值。也就是说,初始缺陷口的纤维丝并未沿施力方向断裂并从织物中拔出[8],为异常撕裂过程。
3.1.1 完全异常撕裂过程
HG/T 2581.1-2009 舌形(双撕)撕裂法试样撕裂过程中,材料并未沿着舌形走向(纬向线走向)撕开,而是以拉伸方式为主,在舌形根部拖拽拉伸,造成材料舌形根部经纬线变形破损。
HG/T 2581.1-2009 裤形(单撕)撕裂法和 ASTM D2261-07 单舌法试样撕裂过程状态一致,材料并未沿着开口走向(纬向线走向)撕开,而是以拉伸方式为主,导致开口分叉处出现不规则破坏最终将下夹具一侧拉断。
因此,对于本文试验用囊体材料而言,HG/T 2581.1-2009 的舌形、裤形法和ASTM D2261-07 单舌法从撕裂初始阶段即为不正常撕裂,为完全异常撕裂。
3.1.2 部分异常撕裂过程
HG/T 2581.1-2009 损坏试样撕裂法,试样中间预制开口为 12.55mm,而试样开口走向边总长度为 76mm。开口较小导致在撕裂初始过程中,施力未撕开预制口,而是垂直于开口方向拉伸材料,拉伸力值为曲线中最初高峰处。拉伸进行一段后预制口才开始撕裂,力值下降。后半程撕裂过程,材料撕裂状态正常,无异常破坏现象。
取值时,若以标准规定取最高峰值,则取值为最初拉伸过程中产生的峰值,而非真实撕裂力值。因此,该方法所得结果不真实,不适用于囊体材料的撕裂强度测试。
3. 2 正常撕裂过程
3.2.1 梯形法
HG/T 2581.1-2009 梯形试样法(见图 3)和 ASTM D4533-04 梯形法(见图 7)撕裂基本方式一致,撕裂过程中,材料沿梯形短边开口方向(纬向线方向)撕裂,撕裂状态正常,无异常拉伸及破坏现象。
但因二者样品尺寸、预制口尺寸及测试速度等不同,结果有一定差异。本试验用囊体材料依据 HG/T 2581.1-2009 梯形法测试撕裂强度为 146N,依据 ASTMD4533-04 梯形法测试值为 87N。
3.2.2 中间开口撕裂法
Mil-C-21189 中间开口撕裂法是目前普遍采用的囊体材料撕裂强度测试的标准方法[9]。撕裂过程中,材料沿开口方向(纬向线方向)撕裂,撕裂状态正常,无异常拉伸及破坏现象。撕裂曲线平台期较稳定,说明撕裂过程平稳,未受到其他因素如拉伸力影响。织物断裂口整齐,见图 5,说明未出现某根织物纤维断裂异常而导致撕裂过程异常。
该方法预制切口设计合理,样品裁剪较梯形法方便,撕裂过程能够较好的反应材料的撕裂性能,撕裂曲线见图 10。

4 结 论
本文通过对七种常用的囊体材料撕裂测试方法进行测试结果比对,得出如下结论:
(1) 本文涉及的国标及美标七种撕裂强度测试方法,能够得到可靠测试结果的有三种,分别为 HG/T 2581.1-2009 梯形法、ASTM D4533-04 梯形法、Mil-C-21189 中间开口撕裂法,其他方法因撕裂过程状态异常不适用;同种材料参考适用的三种方法测试撕裂强度,结果差异较大,因此在给出材料撕裂强度时应标明参考标准及方法。
(2) Mil-C-21189 中间开口撕裂法,样品制备及夹持方式较梯形法简单,撕裂状态正常,是目前普遍认可的适用于囊体材料撕裂测试的方法。


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