Tutaj symulujemy przyspieszone starzenie termiczne tkaniny technicznej i sprawdzamy, jak ten proces starzenia wpływa na właściwości mechaniczne tkaniny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj symulujemy przyspieszone starzenie termiczne tkaniny technicznej i sprawdzamy, jak ten proces starzenia wpływa na właściwości mechaniczne tkaniny.
Tkanina architektoniczna AF9032 została poddana sztucznemu starzeniu termicznemu w celu określenia zmian parametrów materiałowych tkaniny. Proponowana metoda opiera się na podejściu opartym na przyspieszonym starzeniu się zaproponowanym przez Arrheniusa. Próbki o wymiarach 300 mm x 50 mm pocięto w kierunku osnowy i wypełnienia i umieszczono w komorze termicznej w temperaturze 80 °C na okres do 12 tygodni lub w temperaturze 90 °C na okres do 6 tygodni. Następnie, po tygodniu kondycjonowania w temperaturze otoczenia, próbki były jednoosiowo naprężane ze stałą szybkością odkształcania. Eksperymentalnie określono parametry dla nieliniowego modelu sprężystego (liniowego odcinkowego) i lepkościoplastycznego (Bodnera-Partama). Zmiany tych parametrów badano w odniesieniu do temperatury starzenia i okresu starzenia. W obu przypadkach z powodzeniem zastosowano funkcję aproksymacji liniowej przy użyciu uproszczonej metodologii Arrheniusa. Uzyskano korelację dla kierunku wypełnienia między wynikami eksperymentalnymi a wynikami podejścia Arrheniusa. W przypadku kierunku wypaczania wyniki ekstrapolacji wykazały pewne różnice. W obu temperaturach zaobserwowano tendencje wzrostowe i spadkowe. Prawo Arrheniusa zostało potwierdzone wynikami eksperymentalnymi tylko dla kierunku napełniania. Proponowana metoda pozwala przewidzieć rzeczywiste zachowanie tkaniny podczas długotrwałej eksploatacji, co jest kluczowym zagadnieniem w procesie projektowania.
Tkaniny architektoniczne na bazie poliestru są powszechnie używane do budowy dachów wiszących1. Ze względu na to, że są stosunkowo tanie i mają dobre właściwości mechaniczne, mogą być wykorzystywane w długotrwałej eksploatacji (np. wiszący dach Opery Leśnej w Sopocie). Niestety, warunki pogodowe, promieniowanie ultrafioletowe, przyczyny biologiczne i cele operacyjne (naprężenie i rozluźnienie sezonowe2) mogą wpływać na ich właściwości mechaniczne. Dachy wiszące wykonane z AF9032 to typowo sezonowe konstrukcje poddawane działaniu wysokiej temperatury (szczególnie w słoneczne dni latem), regularnemu naprężaniu i luzowaniu. Aby prawidłowo zaprojektować dach wiszący, parametry tkaniny muszą być określone nie tylko na początku eksploatacji, ale również po kilku latach użytkowania.
Analiza starzenia mierzy wskaźnik starzenia się i porównuje początkowe i końcowe wartości parametrów, aby ocenić wpływ starzenia. Cash et al.3 zaproponowali jedną z najprostszych metod analizy porównawczej 12 różnych typów membran dachowych. Membrany te były wystawione na działanie warunków atmosferycznych przez 2 lub 4 lata. Autorzy zastosowali system ocen kilku właściwości do oceny trwałości tkaniny. W celu przeprowadzenia analizy starzenia termicznego polimerów można zastosować zasadę superpozycji czasowo-temperaturowej (TTSP)4. Zasada ta mówi, że zachowanie materiału w niskiej temperaturze i przy niskim poziomie odkształcenia przypomina jego zachowanie w wysokiej temperaturze i wysokim poziomie odkształcenia. Prosty współczynnik multiplikatywny może być użyty do powiązania bieżących właściwości temperatury z właściwościami w temperaturze odniesienia. Graficznie odpowiada to przesunięciu krzywej na skali czasu logarytmu. Jeśli chodzi o temperaturę, proponuje się dwie metody łączenia współczynnika przesunięcia i temperatury starzenia: równania Williamsa-Landela-Ferry'ego (WLF) oraz prawo Arrheniusa. Obie metody są zawarte w szwedzkiej normie ISO 113465 w celu oszacowania żywotności i maksymalnej temperatury roboczej dla materiałów gumowych lub wulkanizowanych i termoplastycznych. Ostatnio starzenie termiczne i metodologia Arrheniusa zostały wykorzystane w prognozowaniu żywotności6,7, rury grzewcze8 i klej polimerowy PMMA4. Rozszerzeniem prawa Arrheniusa jest prawo Eyringa, które uwzględnia inne czynniki starzenia się (np. napięcie, ciśnienie itp.)9. Alternatywnie, inne badania proponują i weryfikują proste modele liniowe do opisu starzenia się (np. biosensor ageing10). Chociaż metoda Arrheniusa jest powszechnie stosowana, toczy się dyskusja na temat jej znaczenia w przewidywaniu czasu życia każdego materiału. W związku z tym metoda ta musi być stosowana ostrożnie, zwłaszcza pod względem początkowych założeń i warunków eksperymentalnych6.
Podobnie jak większość polimerów, tkaniny poliestrowe użyte w obecnych badaniach wykazują dwie odrębne fazy przejściowe zdefiniowane przez temperaturę topnienia (Tm) i temperaturę zeszklenia (Tg). Temperatura topnienia (Tm) to temperatura, w której materiał przechodzi ze stanu stałego do ciekłego, a temperatura zeszklenia (Tg) jest granicą między stanami szkła i gumy11. Według danych producenta, tkanina AF9032 wykonana jest z nici poliestrowych (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250−290 °C13) oraz powłoki PVC (Tg = 80−87 °C14,15, Tm = 160−260 °C16). Temperatura starzenia Tα powinna być wybrana poniżej Tg. W słoneczne dni temperatura na górnej powierzchni wiszącego dachu może sięgać nawet 90 °C; W związku z tym testowane są tutaj dwie temperatury starzenia (80 °C i 90 °C). Temperatury te znajdują się poniżej gwintu Tg i blisko powłoki Tg.
Wydajność protokołu przyspieszonego starzenia na tkaninach technicznych jest przedstawiona w obecnej pracy. Sztuczne starzenie termiczne służy do przewidywania zmian właściwości materiału. W artykule przedstawiono odpowiednie procedury badań laboratoryjnych oraz sposób ekstrapolacji stosunkowo krótkoterminowych wyników eksperymentalnych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Eksperymenty z przyspieszonym starzeniem termicznym na tkaninach technicznych
2. Przygotowanie danych
3. Identyfikacja parametrów modeli materiałowych
4. Ekstrapolacja Arrheniusa
UWAGA: Prawo Arrheniusa opiera się na empirycznej obserwacji, że wzrost temperatury otoczenia powoduje przyspieszenie szeregu reakcji chemicznych, które mogą również przyspieszyć proces starzenia. Pełną matematyczną reprezentację koncepcji reakcji chemicznej Arrheniusa można znaleźć gdzie indziej11,26. Prawo Arrheniusa w uproszczonej formie nazywa się "regułą 10 stopni"27. Zgodnie z tą regułą wzrost temperatury otoczenia o około 10 °C teoretycznie podwaja tempo procesu starzenia. W związku z tym szybkość reakcji f jest zdefiniowana w następujący sposób17:

gdzie ΔT = T - Tref jest różnicą między temperaturą starzenia T a temperaturą pracy Tref materiału.
5. Reprezentacja danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 2 zestawia krzywe naprężenie-odkształcenie dla kierunków osnowy i wypełnienia tkaniny AF9032 uzyskanych w różnych czasach starzenia, w temperaturze 80 °C dla szybkości odkształcenia 0,001 s-1. Różnica między 1-godzinnym okresem starzenia (test referencyjny) a pozostałymi okresami starzenia jest wyraźna. Wydaje się, że czas starzenia nie wpływa znacząco na reakcję materiału w kierunku osnowy, ponieważ krzywe naprężenie-odkształcenie są wysoce powtarzalne i nie wykazują isto...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niniejszy artykuł zawiera szczegółowy protokół eksperymentalny do symulacji przyspieszonych eksperymentów laboratoryjnych na tkaninach wzmocnionych poliestrem i powlekanych PVC do zastosowań w inżynierii lądowej. W protokole opisano przypadek sztucznego starzenia termicznego wyłącznie poprzez podniesienie temperatury otoczenia. Jest to oczywiste uproszczenie rzeczywistych warunków pogodowych, ponieważ promieniowanie UV i wpływ wody odgrywają dodatkową rolę w starzeniu się materiałów.
Ogólnie r...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Publikacja tej pracy była wspierana przez Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| AF 9032 tkanina techniczna | Shelter-Rite Seaman Corporation | ||
| nóż nożyczek | |||
| marker | |||
| linijka | |||
| Sigma Plot | Systat Software Inc. | v. 12.5 | |
| Maszyna wytrzymałościowa Z020 | Zwick Roell | BT1-FR020TN. A50 | |
| Program TestXpert II | Zwick Roell | v. 3.50 | |
| Komora termiczna | Eurotherm Controls | 2408 | |
| klucz | 13 mm | ||
| Ekstensometr wideo | Zwick Roell | BTC-EXVIDEO. PAC.3.2.PL | Zamiast ekstensometru wideo można zastosować mechaniczny |
| VideoXtens | Zwick Roell | 5.28.0.0 SP2 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie