温度对聚偏二氟乙烯膜爆破压力的影响

《Polymer》：The effect of temperature on the burst pressure of polyvinylidene fluoride membranes

　　

韩赵|卢凡|谢忠刚|赵海丽|刘帅|朱旭轩

自然资源部（MNR）海水淡化与综合利用研究所，天津，300192，中国

摘要

聚偏二氟乙烯（PVDF）膜的性能显著影响海水淡化的运行稳定性。本研究使用通用测试机在不同温度下对PVDF膜的机械性能进行了实验表征，并基于实验数据建立了数值模拟模型。采用有限元分析（FEA）来评估温度对PVDF平板膜爆破压力的影响。结果表明，PVDF具有热软化现象：随着温度升高，拉伸强度降低，而失效应变增加。数值模型准确描述了PVDF的机械行为。FEA结果显示，当温度从40°C降至10°C时，爆破压力从0.498巴降至0.217巴。研究结果表明，较低的海水温度会降低PVDF膜的延展性，从而导致爆破压力降低。

章节摘录

引言

在全球水资源短缺的背景下，海水淡化已成为缓解淡水短缺的关键策略[1]。在各种方法中，基于膜的淡化技术因其高效的分离能力和低环境影响而受到学术界和工业界的广泛关注[2]。在这些系统中，膜的使用寿命是长期经济可行性的关键因素[3],[4]。然而，膜材料的机械性能

材料

聚合物基膜的机械性能对其使用寿命和运行安全性至关重要。本研究以PVDF膜作为代表性材料进行实验研究。PVDF膜由山西环境科技有限公司（山东）提供。为确保实验的一致性，所有样品均被切割成标准哑铃形试样，并在20°C的受控环境中存放24小时以减少

有限元模型

建立了一个三维有限元模型，用于研究PVDF平板膜在外加载荷下的机械性能和失效行为（图4(a)）。该模型直径为10毫米，厚度为0.1毫米。边界条件和载荷情况如图4(b)所示。

为了模拟膜模块内的安装条件，固定了膜的外周边界，并在上表面施加了渗透压。

该模型

拉伸试验结果

根据第2.2节描述的准静态拉伸试验，获得了PVDF膜在四个温度（10、20、30和40°C）下的工程应力-应变曲线，结果如图7所示。PVDF材料在所有测试温度下均表现出典型的粘弹性行为。应力-应变曲线是非线性的，未观察到明显的屈服点。结果还表明，机械性能强烈依赖于温度

结论

本研究通过准静态拉伸试验定量研究了PVDF膜在10至40°C典型工作温度范围内的机械行为和失效特性。开发了适用于PVDF的本构模型并应用于数值模拟中。使用FEA评估了温度对爆破压力的影响。主要结论如下：

PVDF膜的机械行为表现出热软化现象。随着温度从10

支持信息

数据可向作者索取。支持本研究结果的数据可在合理请求下从通讯作者处获得。

CRediT作者贡献声明

刘帅：资源提供。朱旭轩：撰写 – 审稿与编辑。谢忠刚：资金获取。赵海丽：撰写 – 审稿与编辑。韩赵：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。卢凡：软件支持

作者声明不存在需要披露的利益冲突。

无财务披露。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本文档是由国家自然科学基金（项目编号：22408410）和国家级科研机构的基础科学研究经费（K-JBYWF-2025-XK01和K-JBYWF-2025-QR10）资助的研究项目成果。