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高性能膜材料是新型高效分離技術(shù)的核心材料，已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用于航天、新能源、電子、醫(yī)藥、光學(xué)等領(lǐng)域。近年來(lái)，高性能膜行業(yè)在全球范圍內(nèi)受到高度重視，其中光學(xué)薄膜、電子薄膜(聚酰亞胺、鋰電隔膜、光伏膠膜、質(zhì)子膜等)最為突出。
膜性能指標(biāo)是產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量控制不可少的參數(shù)，主要有阻隔性能、物理性能和化學(xué)性能三大類，其中物理性能中機(jī)械強(qiáng)度很重要，主要包括拉伸、彎曲、穿刺、剝離、撕裂、蠕變松弛等。本文主要介紹膜性能中拉伸強(qiáng)度測(cè)試的相關(guān)內(nèi)容，其它測(cè)試可聯(lián)系作者共同探討。
■ 拉伸強(qiáng)度
膜材料拉伸測(cè)試方法通常執(zhí)行GB/T 1040標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)含測(cè)試的全部?jī)?nèi)容，包括樣品制備、測(cè)試條件、測(cè)試結(jié)果等。如需計(jì)算模量及強(qiáng)度，依據(jù)膜軟硬特性，需配備不同類型的引伸計(jì)和夾具。
1)引伸計(jì)：
對(duì)于硬質(zhì)膜，可選擇接觸式引伸計(jì)，接觸式引伸計(jì)通常是被動(dòng)跟隨，需要啟動(dòng)力才能測(cè)試。通過(guò)調(diào)整引伸計(jì)夾頭的材質(zhì)和松緊度，確保膜在測(cè)試過(guò)程中損傷最小。
對(duì)于軟質(zhì)膜，可選擇視頻引伸計(jì)，視頻引伸計(jì)為非接觸式，在樣品上標(biāo)記測(cè)試點(diǎn)，不但可以測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度，也可檢測(cè)拉伸和壓縮兩方向的長(zhǎng)度變化。
全數(shù)字接觸式引伸計(jì)不需啟動(dòng)力(或非常小)，夾口緊貼樣品，樣品受力時(shí)尺寸發(fā)生變化，夾口內(nèi)置傳感器測(cè)試壓力變化，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾臂跟隨樣品運(yùn)動(dòng)。這種類型引申計(jì)采用全數(shù)字輸出，精度較高，但原理較為復(fù)雜。
無(wú)引伸計(jì)測(cè)試模量：如果用試驗(yàn)機(jī)的橫梁位移做為材料拉伸長(zhǎng)度變化的依據(jù)，需要考慮以下幾點(diǎn)：
◆環(huán)境溫度---溫度的變化會(huì)引起儀器剛度和材料物性的變化，試驗(yàn)機(jī)擺放在窗邊或空調(diào)風(fēng)口，都是需要考慮的因素。
◆傳感器原理---測(cè)試力值的傳感器通常由一組應(yīng)變片構(gòu)成，樣品測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)變片會(huì)有微小的形變，該形變會(huì)計(jì)算到樣品長(zhǎng)度變化范圍內(nèi)。
◆間隙的變化---樣品測(cè)試過(guò)程，夾具和傳感器間隙會(huì)有變化，夾具的安裝須按照規(guī)定的操作指導(dǎo)。
◆儀器剛度的變化---樣品測(cè)試過(guò)程，儀器整體會(huì)有剛度的變化，所以要考慮測(cè)試力值和儀器承載力的關(guān)系。
剛性補(bǔ)償：如果環(huán)境條件穩(wěn)定，由儀器(傳感器、夾具、剛性)引起微量變化是可以量化，測(cè)試出相應(yīng)曲線，記錄各個(gè)載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移值，在測(cè)試過(guò)程中，將每個(gè)點(diǎn)的值實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)綔y(cè)試曲線中，這種算法稱為“剛性補(bǔ)償”。剛性補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)要求采集速率必須較高，并且位移分辨率必須足夠精確，否則各個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)的值沒有意義。注：下圖為補(bǔ)償前后曲線，以300N為例，位移變化約0.1mm，補(bǔ)償后，位移基本無(wú)變化。
2)拉伸夾具：選擇適合的夾具和夾具面，確保測(cè)試過(guò)程樣品斷裂位置在中部，可以得到有效的測(cè)試數(shù)據(jù)。
◆夾具面---膜材料拉伸夾具面一般采用橡膠面，邵氏硬度在80左右即可。對(duì)于軟質(zhì)膜，也有推薦聚氨酯面。
◆驅(qū)動(dòng)方式---拉伸夾具閉合鎖緊方式分為手動(dòng)和氣動(dòng)兩類。為采用氣動(dòng)夾具可消除人為上樣誤差，因膜材料厚度及硬度不同，壓縮空氣到夾具的壓力和流速必須可調(diào)，確保拉伸過(guò)程中材料被加緊，且不被損壞。
◆夾具結(jié)構(gòu)-----膜材料軟硬不同，要求夾具的結(jié)構(gòu)不同。硬質(zhì)膜在拉伸夾具之間上樣即可，通過(guò)對(duì)中裝置，可確保上樣準(zhǔn)確。軟質(zhì)膜質(zhì)地柔軟，在拉伸夾具的內(nèi)部上樣較為方便，要求夾具必須有足夠的操作空間，否則會(huì)發(fā)生夾手等情況。
3)測(cè)試參數(shù)：在實(shí)際拉伸測(cè)試中，測(cè)試軟件有兩個(gè)參數(shù)條件較為重要，即：預(yù)載應(yīng)力及斷裂的判定。
◆預(yù)載/應(yīng)力---預(yù)應(yīng)力的作用是在測(cè)試數(shù)據(jù)采集前，給試樣施加一定的拉力，避免試樣因在夾持時(shí)可能受到壓縮力而導(dǎo)致的試樣彎曲，從而造成應(yīng)力/應(yīng)變曲線開始階段的趾區(qū)，進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果。預(yù)載應(yīng)力的設(shè)置，預(yù)估測(cè)試力值，可設(shè)置1%或稍小，用1 mm/min的速度移動(dòng)橫梁直至預(yù)載力設(shè)置點(diǎn)，測(cè)試開始。
◆斷裂檢測(cè)---樣品拉伸過(guò)程中，通過(guò)力值的變化，可判定樣品的斷裂點(diǎn)。斷裂點(diǎn)的判定，對(duì)于樣品物性的分析尤為重要。斷裂的判斷可采用以下兩種方法，即：暴跌和百分比下降。斷裂發(fā)生可設(shè)置激活載荷值，即必須超過(guò)某載荷值以上，載荷發(fā)生衰減，才判定樣品斷裂。
本文結(jié)合作者對(duì)測(cè)試儀器及材料性能的認(rèn)知，主要介紹膜拉伸測(cè)試的部分內(nèi)容。測(cè)試樣品的制備也很重要，尺寸的均勻性對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。
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