방법 논문

폴리 에스테르 강화 및 폴리 염화 비닐 코팅 기술 직물의 인공 열 노화

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⸱

DOI:

10.3791/60737

⸱

2020년 1월 29일

 ,  , 
1Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdansk University of Technology, 2Laboratoire de Mecanique Gabriel Lame, Institut National des Sciences Appliquees Centre Val de Loire

이 논문에서

요약

여기서는 기술 패브릭의 가속열 노화를 시뮬레이션하고 이 노화 공정이 직물의 기계적 특성에 미치는 영향을 확인합니다.

초록

건축 직물 AF9032는 직물의 재료 파라미터의 변화를 결정하기 위해 인공 열 노화를 거치게 되었다. 제안 된 방법은 Arrhenius에 의해 제안 된 가속 노화 접근 방식을 기반으로합니다. 300 mm x 50 mm 샘플을 뒤틀기 및 충진 방향으로 절단하고 최대 12주 동안 80°C또는 최대 6주 동안 90°C에서 열 챔버에 두었다. 그런 다음 주변 온도에서 1 주일 동안 컨디셔닝 한 후, 샘플을 일정한 변형 속도로 단축성으로 긴장시켰다. 실험적으로, 파라미터는 비선형 탄성(선형 조각) 및 점성(Bodner-Partom) 모델에 대해 결정되었다. 이들 파라미터의 변화는 노화 온도 및 노화 기간에 대하여 연구되었다. 두 경우 모두 선형 근사치 함수는 Arrhenius의 단순화된 방법론을 사용하여 성공적으로 적용되었습니다. 실험 결과와 아레니우스 접근법으로부터의 결과 사이의 충진 방향에 대한 상관관계를 얻었다. 워프 방향의 경우 외삽 결과에 약간의 차이가 있습니다. 증가 및 감소 경향 은 두 온도에서 관찰되었습니다. 아레니우스 법칙은 충진 방향에 대해서만 실험 결과에 의해 확인되었다. 제안된 방법을 사용하면 설계 프로세스에서 중요한 문제인 장기 사용 중에 실제 패브릭 동작을 예측할 수 있습니다.

서론

폴리 에스테르 기반의 건축 직물은 일반적으로 매달려 지붕1의건설에 사용됩니다. 좋은 기계적 특성으로 상대적으로 저렴하기 때문에 장기적인 착취 (예 : 소포트 - 폴란드의 숲 오페라의 매달려 지붕)에 고용 될 수 있습니다. 불행히도 기상 조건, 자외선, 생물학적 이유 및 운영 목적 (시즌 프리 스트레스 및 풀림2)은기계적 특성에 영향을 줄 수 있습니다. AF9032로 만들어진 매달려 지붕은 일반적으로 고온 (특히 여름의 화창한 날), 정기적 인 사전 장력 및 풀림에 따라 계절 구조입니다. 제대로 매달려 지붕을 설계하기 위해, 직물 매개 변수는 착취의 시작 부분에서뿐만 아니라, 사용의 몇 년 후뿐만 아니라 결정되어야한다.

노화 분석은 노화 지표를 측정하고 매개 변수의 초기 및 최종 값을 비교하여 노화의 영향을 평가합니다. 현금 외3 루핑 멤브레인의 12 가지 유형의 비교 분석에 의해 가장 간단한 방법 중 하나를 제안했다. 이 막은 2 4 년 동안 옥외 풍화에 노출되었습니다. 저자는 직물 내구성을 평가하기 위해 여러 속성의 등급 시스템을 사용했다. 폴리머 열 노화의 분석을 제공하기 위해, 시간 온도 중첩 원리 (TTSP)를 적용 할 수있다4. 이 원리는 저온 및 낮은 변형률 수준에서 재료의 거동이 고온 및 높은 변형률 수준에서의 거동과 유사하다고 명시하고 있습니다. 간단한 곱셈 계수는 현재 온도 특성을 기준 온도의 특성과 연관시키는 데 사용할 수 있습니다. 그래픽으로 로그 시간 눈금의 곡선 이동에 해당합니다. 온도에 관해서는, 교대 계수와 노화 온도를 결합하는 두 가지 방법이 제안된다: 윌리엄스 - 랜델 페리 (WLF) 방정식, 그리고 아레니우스 법. 두 방법 모두 스웨덴 표준 ISO 113465에 포함되어 고무 또는 가황 및 열가소성 재료의 수명과 최대 작동 온도를 추정합니다. 최근, 열 노화 및 아레니우스 방법론은 케이블 수명 예측6,7,가열 파이프8및 폴리머 접착제 PMMA4에사용되고 있다. Arrhenius 법의 확장은 다른 노화 요인 (예 : 전압, 압력 등)을 고려한 아이어링 법입니다. 9.대안적으로, 다른 연구는 노화에 대한 설명을 위한 간단한 선형 모델을 제안하고 검증한다(예를 들어, 바이오센서 노화10). Arrhenius 방법은 일반적으로 사용되지만 모든 재료의 수명 예측의 관련성에 대한 논의가 있습니다. 따라서, 이 방법은 특히 초기 가정 및 실험 조건6의관점에서 주의와 함께 사용되어야합니다.

대부분의 폴리머와 유사하게, 현재 연구에 사용되는 폴리에스테르 직물은 용융 온도(Tm)와유리 전이 온도(Tg)에의해 정의된 두 가지 뚜렷한 전이 상을 나타낸다. 용융온도(Tm)는재료가 그 고체 상태에서 액체로 변할 때의 온도이며, 유리 전이 온도(Tg)는유리와 고무상태(11)사이의 경계이다. 제조업체의 데이터에 따르면, AF9032 직물은 폴리 에스테르 스레드 (Tg = 100-180 ° C12,Tm = 250−290 ° C13)및 PVC 코팅 (Tg = 80−87 ° C14,15, Tm = 160−260 ° C16)으로만들어집니다. 노화 온도 Tα는 Tg이하로 선택해야 합니다. 화창한 날에는 매달려있는 지붕의 상단 표면의 온도가 90 °C에 도달 할 수도 있습니다. 따라서 2개의 노화 온도(80°C 및 90°C)가 여기에서 테스트됩니다. 이러한 온도는 스레드 Tg 이하이며 코팅 Tg에가깝습니다.

기술 직물에 대한 가속 노화 프로토콜의 성능이 현재 작업에 제시됩니다. 인공 열 노화는 재료 특성의 변화를 예측하는 데 사용됩니다. 이 문서는 적절한 실험실 테스트 루틴과 상대적으로 단기적인 실험 결과를 추정하는 방법을 보여줍니다.

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프로토콜

1. 기술 직물에 대한 열 노화 실험 가속화

  1. 전반적인 준비
    1. 적절한 소프트웨어(일정한 변형률 테스트를 제공하기 위해)와 비디오 상출기를 사용하여 테스트 기계를 준비합니다.
    2. 80°C(±1°C) 및 90°C(±1°C)의 일정한 온도를 12주 동안 제공하는 열챔버를 준비한다.
  2. 시편 준비
    1. 기술 패브릭 AF9032 베일을 풀습니다. 부드러운 연필이나 마커로 원하는 모양(300mm x 50mm)을 변형 또는 채우기 방향과 평행하게 직물 표면에 그립니다.
      참고 : 직물 표면에 표본의 분포는 다른 곳에서 주어진다 17.
    2. 영구 마커를 가진 각 표본의 왜곡 방향을 나타냅니다. 날카로운 칼이나 가위로 표본을 잘라. 칼을 절단하는 데 사용되는 경우 눈금자를 사용합니다.
      참고 : 표본은 직사각형17이어야합니다. 직물의 주요 부하 관리 요소는 스레드입니다. 작동 단계에서 코팅 재료는 일반적으로 수율 한계를 초과하므로 응력 분포에 참여하지 않습니다. 하중을 전달하는 유일한 요소는 한 그립에서 다른 그립으로 퍼지는 스레드뿐입니다. 따라서 정교한 표본 모양(예: 일반적으로 금속에 사용되는 아령 모양)을 사용하는 것은 합리적이지 않습니다. 반면에 이러한 샘플 형상은 최종 하중을 조사할 때 특수 그립이 필요하거나 재료 파라미터를 평가하기 위해 엑텐섬터를 사용할 필요가 있습니다.
    3. 슬라이드 캘리퍼로 시편의 두께를 측정하고 시편의 짧은 모서리에 있는 스레드 수를 계산합니다.
      참고: 각 시편에 대해 세 개의 두께 측정을 하고 평균 값을 계산합니다. 돋보기를 사용하여 필요한 경우 스레드 수를 평가합니다.
  3. 도어를 열어 두고 열 챔버를 켭니다. 버튼과 제어 디스플레이를 사용하여 온도(80°C)를 선택합니다. 열 챔버 도어를 닫고 제어판의 온도 증가를 관찰합니다.
  4. 시편 온난화
    1. 온도가 80°C에 가까워지면 열 챔버 도어를 엽니다. 워프 방향으로 절단된 6개의 시편과 6개의 채우기 방향으로 구성된 각 세트에 최소 7세트의 시편을 삽입합니다. 온도 강하를 피하기 위해 가능한 한 빨리 문을 닫습니다.
      참고: 세 가지 변형률에 대해 실험을 수행해야 합니다. 각 변형률에 대해, 실험은 워프 방향으로 두 개의 시편과 충진 방향으로 2개에 대해 수행된다. 실험이 성공하지 못하거나 두 테스트의 결과가 매우 다른 경우 챔버에 과잉 시편을 놓습니다.
    2. 1 시간 후, 열 장갑을 착용하고 첫 번째 표본 세트 (참조 세트; 워프 방향으로 6 개의 표본 및 채우기 방향으로 6 개)를 제거합니다. 2주마다, 열 챔버에서 후속 시편 세트를 제거합니다.
      참고 : 전체 온난화 과정은 12 주가 소요됩니다.
  5. 시편 컨디셔닝
    1. 시편을 실온에서 1주일 동안 그대로 둡니다. 실온으로 시편을 냉각하십시오 (즉, 그 특성은 안정화되어야합니다).
    2. 시험 전에, 각 시편의 중간에 약 50 mm(L0)의 세로 분리를 가진 영구 마커를 사용하여 두 개의 흑색 마크(dots)를 그립니다.
      참고 : 점은 비디오 extensometer에 의해 사용됩니다.
  6. 테스트 기계 설정
    1. 테스트 기계에 60mm 플랫 인서트를 4개 설치하고 그립 당 2개의 인서트를 설치합니다. 인서트가 어류 스케일 표면 유형을 표시하며 그립에서 시편이 미끄러지는 것을 방지하는 데 사용됩니다.
    2. 기기를 켭타. 컴퓨터를 제어하는 소프트웨어(예: TestXpert)를 시작합니다. 인장 테스트 전용 프로그램을 선택합니다.
    3. 소프트웨어에서 그립 분리에 대해 200mm 그립으로 시작 위치를 선택합니다. 시작 위치 버튼을 클릭하여 그립 분리에 대한 200mm 그립을 실행합니다. 이 그립 위치는 일반적으로 테스트의 시작 위치라고합니다.
      참고: ISO 표준17에따라 200mm 거리가 필요합니다.
  7. 비디오 엑텐섬터 설정
    1. 지지 바를 따라 비디오 엑텐섬터의 카메라를 이동하여 시편의 중간 부분 의 수준에서 카메라의 렌즈를 배치합니다. 카메라의 렌즈가 전체 실험 중에 시편 마커의 명확한 보기를 제공하는지 확인합니다.
      참고: 주 테스트 전에 유사한 테스트를 수행하여 가능한 샘플 신장 범위를 설정하여 카메라가 전체 테스트 중에 검정 마커를 따르도록 합니다.
    2. 컴퓨터 화면과 관련 소프트웨어를 사용하여 렌즈의 적절한 밝기와 초점을 선택합니다.
  8. 비디오 엑텐섬터 교정
    참고 : 교정 장치는 비디오 상출기의 표준 장비입니다.
    1. 교정 장치를 카메라 앞쪽에 놓고 그립으로 고정합니다.
    2. 비디오 엑텐섬터 소프트웨어(예: VideoXtens)를 사용하여 대상 창에서 적절한 유형의 마커(일반적으로 흑백)를 선택합니다.
    3. 배율 옵션을 사용하여 비디오 엑텐섬터 소프트웨어에서 교정 절차를 선택하고 배율 창에서 교정 거리를 선택합니다.
      참고: 거리는 시편에 마커의 분리와 유사해야 합니다. 교정 장치는 10, 15 및 40mm의 세 가지 측정 거리를 제공합니다.
    4. 보정 후 표식 유형을 대상 창의 패턴으로 변경합니다.
      참고 : 이것은 비디오 extensometer가 시편에 표시된 마커를 따를 수 있게 합니다.
  9. 테스트 성능
    1. TextXpert 소프트웨어에서 테스트 매개 변수를 준비합니다.
      참고: 준비된 프로그램은 축축 응력 케이스에서 선택된 변형률로 테스트를 활성화해야 합니다. 그것은 비디오 extensometer와 상관되어야한다. 기록된 매개변수는 엑텐섬터 마커(L0)의 초기 거리이며 시간 함수, 그립 변위, 전류 엑텐솜터의 마커 거리 및 힘입니다. 50 N17의 사전 하중 힘이 프로그래밍되고 사전 로드 후 L0 거리가조정됩니다.
    2. 기계 주 수직 축을 따라 시편을 놓고 관식 스패너를 사용하여 그립을 닫습니다.
      주: 시편은 수직 및 수평 방향의 그립에 대칭으로 위치해야 합니다.
    3. 시편이 파손될 때까지 선택한 일정한 변형률로 테스트를 수행합니다(0.005, 0.001 및 0.0001 s-1 변형률 사용). 각 변형 률에 대해 워프 방향과 충진 방향으로 적어도 두 개의 시편을 테스트합니다. 테스트 결과를 저장합니다.
      참고 : 다음 데이터가 필요합니다 : 엑텐섬터 마커 (L0)의 초기 거리, 엑텐솜터의 마커 거리의 시간 함수 및 힘.
  10. 다른 샘플 세트를 사용하여 2주마다 1.5-1.9단계를 반복합니다(6회, 최대 12주).
  11. 90 °C에서 전체 절차를 반복합니다. 표본의 총 수는 변경되지 않습니다. 노화 과정은 6 주 동안 지속됩니다. 매주 후속 표본 세트를 제거하고 테스트합니다.

2. 데이터 준비

  1. 시료의 단면 면적을 알면 그래프 소프트웨어(SigmaPlot18 이상)를 사용하여 응력-변형 관계에 대한 재료 방정식의 기본 강도에 따라 등록된 힘 및 연신률 증분을 다시 계산합니다. 워프 및 채우기 샘플과 각 변형률에 대해 획득한 데이터의 그래프를 별도로 플로팅합니다.
  2. 80°C 및 90°C 결과를 반복한다.

3. 재료 모델의 매개 변수 식별

  1. 비선형 탄성 모델링을 위한 조각선형 모델
    주: 변형-변형 곡선을 선형(또는 대략 선형) 모양의 단면으로 분할할 수 있는 경우 조각 선형 재질 모델의 적용이 가능합니다. 인접 구간에서 선의 특정 교차점은 관련줄(19)의적용 범위에 해당합니다.
    1. 2.1단계에서 얻은 모든 곡선의 경우 선형 또는 선형 응력-변형률 관계에 가까운 스트레인 범위를 찾습니다.
    2. 그래프 소프트웨어의 맞춤 회귀 옵션과 최소 제곱 방법을 사용하여 선택한 영역에서 가장 적합한 선을 식별합니다.
      주: 이 곡선의 접선은 특정 범위의 재료의 강성에 해당합니다.
    3. 인덱스 i가 재질의 현재 방향에 해당하는 E ij(채우기 방향의 변형 방향W 및 채우기 방향의 F)와 인덱스 j가 식별된 선의 연속적인 수인 경우 접선을 Eij로 나타냅니다.
    4. 모든 선의 매개변수를 갖는 경우, 선 사이의 교차점을 찾을 수 있습니다. k와 l이 교차선을 표시하는 θk/l로나타냅니다.
      주: 이러한 점(θk/l)은특정 종방향 강성 값(Eij)(그림 1)을적용하는 변형 범위를 구성합니다.
  2. 보드너-파르톰 점성 모델
    참고 : 보드너 - 파르톰 구성 법은 다양한 재료20,21의엘라스토 점성 거동을 반영하는 데 사용됩니다. 모델의 기본 및 수학적 공식은 다른 곳에서20,21,22,23,24,25에자세히 제공됩니다. 기본 방정식은 축축 응력 상태를 모델링하기 위해서만 표 1에 표시됩니다. Bodner-Partom 모델 파라미터는 적어도 세 개의 서로 다른 변형률로 수행된 축 방향 인장 시험을 통해 식별됩니다. 변형률의 값은 실험의 비탄성 부분에서 적어도 일정해야 합니다. 기술 직조 직물에 대한 수정 된 완전한 Bodner - Partom 모델 식별 절차는 널리24,25제시된다.
    1. 그래프 소프트웨어를 사용하여 Klosowski 외24.다음에 보드너 - Partom 모델 매개 변수를 식별합니다.

4. 아레니우스 외삽

참고: Arrhenius 법칙은 주변 온도가 상승하면 노화 과정을 가속화할 수 있는 여러 화학 반응의 가속화를 초래한다는 경험적 관찰에 근거합니다. 아레니우스 화학 반응 개념의 완전한 수학적 표현은 다른 곳에서 찾을 수 있습니다11,26. 단순화 된 형태의 아레니우스 법칙은 "10도규칙"27이라고합니다. 이 규칙에 따르면, 약 10 °C의 주변 온도 증가는 이론적으로 노화 과정의 속도를 두 배로 증가시다. 따라서, 반응 속도 f는 다음과 같이 정의된다17:

figure-protocol-1

ΔT = T - T참조는 재료의 노화 온도 T와 서비스 온도 T참조 간의 차이입니다.

  1. 지역 기상관측소의 결과에 기초한 평균값에 따른 온도 T참조를 가정한다(여기서,Tref = 8°C28). 열 챔버 온도 T가 노화 시험(여기, 80°C 및 90°C)에 사용된다고 가정한다.
    참고: 온도 수준은 최소 1년 이상 더 긴 기간 동안 등록한 다음 해당 기간의 평균 값으로 계산하여 이 기간의 시간 평균을 Tref로가져와야 합니다.
  2. 수학식 1에서 반응 속도 상수 f를 계산한 다음 노화 시간(주별 표현)을연도(표 2)로추정합니다.
    참고: 현재 연구에서 수행된 다른 노화 기간의 외삽 효과는 표 3에제시되어 있습니다. 예를 들어, 90°C에서 4주 동안 시편의 열 노화는 80°C에서 8주 후의 노화와 동일하며 약 23년의 자연 노화에 해당합니다.

5. 데이터 표현

  1. X는 특정 매개변수의 현재 값을 나타내고 X0은 1시간 된 표본과 관련하여 이 매개변수의 초기 값에 해당하는 X/X0의정규화된 형태로 얻은 매개변수 값을 표시합니다.
    참고: 인공 열 노화 시간은 몇 시간 안에 설정됩니다.
  2. A축의 X/X0 값을 X축과 X축에 플롯된 에이징 시간 대 는 매개변수의 진화를 표시합니다. 테스트된 재질의 뒤틀기 및 채우기 방향에 대한 플롯을 별도로 준비합니다.
  3. 최소 제곱 방법 및 보고서R2 값을 사용하여 선형 함수(또는 다른 최적 함수)에 의해 시간에 따라 플롯된 매개 변수 값을 설명합니다.
  4. Af9032 원단에 대해 아레니우스 단순화 관계가 올바른지 여부를 평가하기 위해 아레니우스 법에 따라 "실시간"시간으로 재계산된 노화 시간과 관련하여 90°C에서 얻은 결과를 다시 그립니다.

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결과

도 2는 상이한 노화 시간에 얻어진 AF9032 직물의 변형 및 충진 방향에 대한 응력-변형 곡선을 병치하고, 80°C 온도 수준에서 0.001s-1의변형률을 한다. 1 시간 노화 기간 (참조 테스트)과 나머지 노화 기간의 차이는 분명합니다. 응력-변형 곡선이 매우 반복적이기 때문에 노화 시간은 최종 인장 강도(UTS)에서 중요한 차이를 보이지 않으므로 변형 방향의 재료 반응에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다. 그것은 UTS가 노화되지 않은 경우에 보다 인위적으로 숙성 된 샘플의 경우 훨씬 낮은 채우기 방향에 대해 관찰 된 동작과 반대로 유지됩니다. 또한, 달성된 응력-변형률 곡선은 균주가 0.06을 초과할 때 발산 궤적을 감지합니다.

서로 다른 온도 수준에서 얻은 결과와 하나의 그래프에 제시된 더 높은 온도 수준에 대한 결과의 외삽은 특정 매개 변수와 관련된 모든 데이터를 압축합니다. 노화 ...

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토론

이 문서는 토목 공학 응용 을위한 폴리 에스테르 강화 및 PVC 코팅 직물에 대한 실험실 가속 실험을 시뮬레이션하기 위해 상세한 실험 프로토콜을 도입. 이 프로토콜은 주변 온도를 높이는 수단으로만 인공 열 노화의 경우를 설명합니다. UV 방사선과 물의 영향이 재료 서비스 노화에 추가적인 역할을 하기 때문에 이는 실제 기상 조건의 명백한 단순화입니다.

일반적으로 실험실에서 수행되는 가속 노화 조건은 테스트된 재료의 실제 기상 및 서비스 조건에 최대한 가까워야 합니다. 예를 들어, 항공 우주 또는 해양 구조물에 사용되는 재료는 습도와 온도가 주로 재료 내구성30,31에따라 작용할 때 수열 노화를 겪습니다. 배터리 성능 저하 수준에 관해서는 일반적으로 온도 및 충전 상태9의두 가지 노화 요인이 모니터링됩니다. 전기 케이블 절연체에서 온도 ...

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공개 사항

저자는 공개 할 것이 없다.

감사의 글

이 작품의 출판은 기술의 그단스크 대학에서 토목 및 환경 공학 학부에 의해 지원되었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
AF 9032 테크니컬 패브릭Shelter-Rite Seaman Corporation
가위
마커pernament
통치
시그마 플롯Systat Software Inc.v. 12.5
시험기 Z020Zwick RoellBT1-FR020TN. A50
TestXpert II 프로그램Zwick Roellv. 3.50
Thermal chamberEurotherm Controls2408
관형 스패너13mm
비디오 신율계Zwick RoellBTC-EXVIDEO. PAC.3.2.KO비디오 신율계 대신 기계식 비디오 신율계를 사용할 수 있습니다
VideoXtensZwick Roell5.28.0.0 SP2
자 .

참고문헌

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