聚酯增强聚氯乙烯涂层技术织物的人工热老化

摘要

在此，我们模拟技术织物的加速热老化过程，并观察该老化过程如何影响织物的力学性能。

摘要

对建筑用织物AF9032进行了人工热老化处理，以确定其材料参数的变化。该方法基于阿伦尼乌斯（Arrhenius）提出的加速老化方法。沿经向和纬向裁取300 mm × 50 mm的试样，分别置于80 °C环境下老化最长12周，或在90 °C环境下老化最长6周。随后，在室温条件下调湿一周后，对试样进行恒定应变速率的单轴拉伸试验。实验测定了非线性弹性（分段线性）模型和粘塑性（Bodner–Partom）模型的参数，并研究了这些参数随老化温度和老化时间的变化规律。在两种情况下，均成功应用了简化的阿伦尼乌斯方法中的线性近似函数。在纬向，实验结果与阿伦尼乌斯方法的预测结果之间获得了良好的相关性；而在经向，外推结果存在一定差异。在两种老化温度下均观察到参数的上升和下降趋势。实验结果仅在纬向上验证了阿伦尼乌斯定律的适用性。该方法可用于预测织物在长期使用过程中的实际性能表现，这对于设计过程具有重要意义。

引言

基于聚酯的建筑织物通常用于建造悬索屋顶¹。由于其成本相对较低且具有良好的力学性能，可长期使用（例如波兰索波特森林歌剧院的悬索屋顶）。然而，气候条件、紫外线辐射、生物因素以及使用需求（如季节性的预张紧和松弛²）均可能影响其力学性能。由AF9032材料制成的悬索屋顶通常是季节性结构，易受高温（尤其是在夏季晴天）、周期性预张力加载与卸载的影响。为了合理设计悬索屋顶，不仅需要在使用初期测定织物参数，还需在使用数年后重新测定其性能。

老化分析通过测量老化指标，并比较参数的初始值与最终值来评估老化的影响。Cash 等人³提出了一种最简单的方法，对12种不同类型的屋面卷材进行了对比分析。这些卷材暴露于户外环境老化2年或4年。作者采用多种性能的评级系统来评估织物的耐久性。为了对聚合物热老化进行分析，可应用时间-温度叠加原理（TTSP）⁴。该原理指出，材料在低温和低应变水平下的行为，类似于其在高温和高应变水平下的行为。可通过一个简单的乘性因子，将当前温度下的性能与参考温度下的性能关联起来。在图形上，这对应于在对数时间尺度上的曲线平移。关于温度，有两种方法可用于结合平移因子与老化温度：Williams-Landel-Ferry（WLF）方程和阿伦尼乌斯定律。这两种方法均被纳入瑞典标准ISO 11346

方案

1. 技术织物的加速热老化实验

1. 总体准备
   1. 准备一台配备适当软件（用于实现恒定应变率测试）和视频引伸计的试验机。
   2. 准备一个热老化箱，能够在至少12周内维持80 °C（± 1 °C）和90 °C（±1 °C）的恒定温度。
2. 试样制备
   1. 展开技术织物AF9032卷材。使用软铅笔或记号笔在织物表面沿经向或纬向绘制所需形状（300 mm x 50 mm）。
      注：试样在织物表面的分布方式见其他文献¹⁷。
   2. 使用永久性记号笔在每个试样上标明经向方向，并用锋利的刀具或剪刀裁剪试样。若使用刀具裁剪，应配合直尺操作。
      注：试样应为矩形¹⁷。织物中主要承受载荷的结构单元是纱线。在实际使用阶段，涂层材料通常已超过其屈服极限，因此不参与应力分布。唯一承担载荷的是从一个夹具延伸至另一个夹具的纱线。因此，采用复杂形状的试样（例如常用于金属材料的哑铃形）并不合理。另一方面，此类试样形状在测定极限载荷时需要特殊夹具，或需使用引伸计来评估材料参数。
   3. 使用游标卡尺测量试样厚度，并统计试样短边处的纱线数量。
      注：对每个试样应进行三次厚度测量，并计算平均值。必要时可使用放大镜辅助统计纱线数量。
3. 开启热老化箱，保持箱门打....

结果

图2对比了AF9032织物在80 °C温度条件下、应变速率为0.001 s^-1时，不同老化时间下经向和纬向的应力-应变曲线。1小时老化时间（参考测试）与其他老化时间之间的差异明显。在经向，老化时间似乎并未显著影响材料的响应，因为应力-应变曲线高度重复，其极限抗拉强度（UTS）无明显差异。这与纬向所观察到的行为相反，在人工老化样品中，纬向的UTS明显低于未老化样品。此外，当应变超过0.06时，所获得的应力-应变曲线呈现出不同的变化趋势。

在不同温度水平下获得的结果以及对更高温度水平结果的外推呈现在同一张图中，可压缩显示有关特定参数的全部数据。如果代表两个温度下参数随老化时间变化的曲线落在相同的轨迹上，则证实所获得的参数值确实遵循阿伦尼乌斯方程。如果两条曲线相互平行，则表明需要进行额外实验以解释所观察到的现象，或需对某一温度水平的结果引入校正系数，以使两个温度下的结果落在同一条曲线上。

PVC 涂层刚度和填充材料极限应变随老化时间的变化图像分别见

讨论

本文包含一项详细的实验方案，用于模拟土木工程应用中聚酯增强、聚氯乙烯（PVC）涂层织物的实验室加速老化试验。该方案仅通过提高环境温度来实现人工热老化。这种方法明显简化了实际气候条件，因为在材料实际使用过程中的老化还受到紫外线辐射和水分因素的额外影响。

通常，实验室中进行的加速老化条件应尽可能接近被测材料的实际气候和使用条件。例如，航空航天或海洋结构中使用的材料会经历湿热老化，此时湿度和温度主要影响材料的耐久性^30,31。关于电池的老化程度，通常监测两个老化因素：温度和充电状态⁹。在电力电缆绝缘材料的加速实验室老化过程中，除了温度外，还需考虑不同的电压和应力水平¹⁴。然而，热加速老化是最常见的类型，因此在实验室内较容易实现。将实验室获得的结果与户外实际使用老化材料的数据进行校准，可建立可靠的工具，用于预测纺织品或其他材料未来的性能变化。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
AF 9032 技术织物	Shelter-Rite Seaman Corporation
刀或剪刀
记号笔			永久性
直尺
Sigma Plot	Systat Software Inc.	v. 12.5
Z020 型试验机	Zwick Roell	BT1-FR020TN.A50
TestXpert II 程序	Zwick Roell	v. 3.50
热控箱	Eurotherm Controls	2408
套筒扳手			13 mm
视频引伸计	Zwick Roell	BTC-EXVIDEO.PAC.3.2.EN	可使用机械引伸计替代视频引伸计
VideoXtens	Zwick Roell	5.28.0.0 SP2