Sztuczne starzenie termiczne tkaniny technicznej wzmocnionej poliestrem i powlekanej polipochlorkiem winylu

Podsumowanie

Tutaj symulujemy przyspieszone starzenie termiczne tkaniny technicznej i sprawdzamy, jak ten proces starzenia wpływa na właściwości mechaniczne tkaniny.

Streszczenie

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.

Wprowadzenie

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 żywotności^6,7, 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 (T_m) i temperaturę zeszklenia (T_g). Temperatura topnienia (T_m) to temperatura, w której materiał przechodzi ze stanu stałego do ciekłego, a temperatura zeszklenia (T_g) jest granicą między stanami szkła i gumy¹¹. Według danych producenta, tkanina AF9032 wykonana jest z nici poliestrowych (T_g = 100−180 °C¹², T_m = 250−290 °C¹³) oraz powłoki PVC (T_g = 80−87 °C^14,15, T_m = 160−260 °C¹⁶). Temperatura starzenia T_α powinna być wybrana poniżej T_g. 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 T_g i blisko powłoki T_g.

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.

Protokół

1. Eksperymenty z przyspieszonego starzenia termicznego tkaniny technicznej

1. Przygotowanie ogólne
   1. Przygotować maszynę wytrzymałościową z odpowiednim oprogramowaniem (umożliwiającym przeprowadzanie prób ze stałą prędkością odkształcania) oraz wideoekstensometrem.
   2. Przygotować komorę termiczną zapewniającą stałą temperaturę 80 °C (± 1 °C) oraz 90 °C (±1 °C) przez co najmniej 12 tygodni.
2. Przygotowanie próbek
   1. Rozwinąć belę tkaniny technicznej AF9032. Narysować pożądane kształty (300 mm x 50 mm) miękkim ołówkiem lub markerem na powierzchni tkaniny równolegle do kierunku osnowy lub wątku.
      UWAGA: Rozkład próbek na powierzchni tkaniny podano w innym miejscu¹⁷.
   2. Oznaczyć kierunek osnowy na każdej próbce za pomocą permanentnego markera. Wyciąć próbki ostrym nożem lub nożyczkami. W przypadku użycia noża posłużyć się linijką.
      UWAGA: Próbki powinny być prostokątne¹⁷. Głównymi elementami przenoszącymi obciążenie w tkaninie są nici. W fazie eksploatacyjnej materiał powłoki zazwyczaj przekracza granicę plastyczności, przez co nie bierze udziału w rozkładzie naprężeń. Jedynymi elementami przenoszącymi obciążenie są nici rozciągające się od jednego uchwytu do drugiego. Dlatego stosowanie skomplikowanych kształtów próbek (np. kształtu hantli zazwyczaj stosowanego dla metali) nie jest uzasadnione. Z drugiej strony, takie kształty próbek wymuszałyby stosowanie specjalnych uchwytów podczas badania obciążenia krytycznego lub użycie ekstensometru w celu oceny parametrów materiałowych.
   3. Zmierzyć grubość próbki za pomocą suwmiarki i policzyć liczbę nici na krótkim brzegu próbki.
      UWAGA: Dla każdej próbki należy wykonać trzy pomiary grubości i obliczyć wartość średnią. W razie potrzeby użyć lupy do oceny liczby nici.
3. Włączyć komorę termiczną, pozostawiając drzwi otwarte. Za pomocą przycisków i wyświetlacza sterowania wybrać temperaturę (80 °C). Zamknąć drzwi komory termicznej i obserwować wzrost temperatury na panelu sterowania.
4. Wygrzewanie próbek
   1. Gdy temperatura zbliży się do 80 °C, otworzyć drzwi komory termicznej. Włożyć co najmniej 7 zestawów próbek, z czego każdy zestaw składa się z 6 próbek wyciętych w kierunku osnowy i 6 w kierunku wątku. Zamknąć drzwi tak szybko, jak to możliwe, aby uniknąć spadku temperatury.
      UWAGA: Doświadczenia powinny zostać przeprowadzone dla trzech prędkości odkształcania. Dla każdej prędkości odkształcania próby wykonuje się na dwóch próbkach w kierunku osnowy i dwóch w kierunku wątku. Umieścić w komorze nadmiarowe próbki na wypadek niepowodzenia doświadczeń lub dużych rozbieżności wyników z obu testów.
   2. Po 1 h założyć rękawice termiczne i wyjąć pierwszy zestaw próbek (zestaw referencyjny; 6 próbek w kierunku osnowy i 6 w kierunku wątku). Co 2 tygodnie wyjmować z komory termicznej kolejny zestaw próbek.
      UWAGA: Cały proces wygrzewania potrwa 12 tygodni.
5. Kondycjonowanie próbek
   1. Pozostawić próbki w temperaturze pokojowej na jeden tydzień. Schłodzić próbki do temperatury pokojowej (aby ich właściwości uległy stabilizacji).
   2. Przed badaniem nanieść dwa czarne znaki (kropki) za pomocą permanentnego markera w odstępie wzdłużnym około 50 mm (L0) w środkowej części każdej próbki.
      UWAGA: Kropki będą wykorzystywane przez wideoekstensometr.
6. Konfiguracja maszyny wytrzymałościowej
   1. Zamontować w maszynie cztery płaskie wkładki 60 mm, po dwie na jeden uchwyt. Wkładki mają powierzchnię typu łuska ryba i służą do zapobiegania wysuwaniu się próbek z uchwytów.
   2. Włączyć maszynę. Uruchomić oprogramowanie (np. TestXpert) sterujące maszyną. Wybrać program dedykowany do prób rozciągania.
   3. W oprogramowaniu wybrać pozycję startową z rozstawem uchwytów wynoszącym 200 mm. Kliknąć przycisk Starting Position, aby wykonać rozstaw uchwytów do 200 mm. Pozycja uchwytów ta jest zazwyczaj nazywana pozycją startową próby.
      UWAGA: Odległość 200 mm jest wymagana przez normę ISO¹⁷.
7. Konfiguracja wideoekstensometru
   1. Przesunąć kamerę wideoekstensometru wzdłuż pręta wsporczego tak, aby obiektyw kamery znajdował się na wysokości środkowej części próbki. Sprawdzić, czy obiektyw kamery zapewnia wyraźny widok markerów próbki przez cały czas trwania eksperymentu.
      UWAGA: Przed głównym badaniem przeprowadzić podobny test w celu ustalenia prawdopodobnego zakresu wydłużenia próbki, aby upewnić się, że kamera będzie śledzić czarne markery przez cały czas trwania testu.
   2. Za pomocą ekranu komputera i powiązanego oprogramowania dobrać odpowiednią jasność i ostrość obiektywu.
8. Kalibracja wideoekstensometru
   UWAGA: Urządzenie kalibracyjne jest standardowym wyposażeniem wideoekstensometru.
   1. Umieścić urządzenie kalibracyjne przed kamerą i zacisnąć je uchwytami.
   2. W oprogramowaniu wideoekstensometru (np. VideoXtens) wybrać odpowiedni typ markerów w oknie Targets (zazwyczaj czarno-białe).
   3. Wybrać procedurę kalibracji w oprogramowaniu wideoekstensometru za pomocą opcji Scale i wybrać odległość kalibracyjną w oknie Scale.
      UWAGA: Odległość powinna być zbliżona do rozstawu markerów na próbkach. Urządzenie kalibracyjne oferuje trzy odległości pomiarowe: 10, 15 i 40 mm. Ze względu na 50 mm rozstawu markerów odpowiednia jest odległość 40 mm.
   4. Po kalibracji zmienić typ markera na Pattern w oknie Targets.
      UWAGA: Umożliwia to wideoekstensometrowi śledzenie markerów naniesionych na próbkę.
9. Przeprowadzenie badania
   1. Przygotować parametry badania w oprogramowaniu TextXpert.
      UWAGA: Przygotowany program musi umożliwiać badanie z wybraną prędkością odkształcania w przypadku naprężenia jednowymiarowego. Musi być on skorelowany z wideoekstensometrem. Rejestrowanymi parametrami są początkowa odległość markerów ekstensometru (L0) oraz funkcje czasu, przemieszczeń uchwytów, aktualnej odległości markerów ekstensometru i siły. Zaprogramowano siłę wstępną 50 N¹⁷, a odległość L0 jest dostosowywana po wstępnym obciążeniu.
   2. Umieścić próbkę wzdłuż głównej osi pionowej maszyny i zamknąć uchwyty za pomocą klucza rurkowego.
      UWAGA: Próbka musi być rozmieszczona symetrycznie względem uchwytów w kierunku pionowym i poziomym.
   3. Przeprowadzić badania z wybraną stałą prędkością odkształcania aż do zerwania próbek (użyć prędkości odkształcania 0.005, 0.001 i 0.0001 s^-1). Dla każdej prędkości odkształcania przebadać co najmniej dwie próbki w kierunku osnowy i w kierunku wątku. Zapisać wyniki badań.
      UWAGA: Niezbędne są następujące dane: początkowa odległość markerów ekstensometru (L0), funkcje czasu odległości markerów ekstensometru oraz siła.
10. Powtarzać kroki 1.5–1.9 co dwa tygodnie, używając pozostałych zestawów próbek (sześć razy, do 12 tygodni).
11. Powtórzyć całą procedurę w temperaturze 90 °C. Całkowita liczba próbek nie ulega zmianie. Proces starzenia trwa 6 tygodni. Wyjmować i badać kolejne zestawy próbek co tydzień.

2. Przygotowanie danych

1. Znając powierzchnię przekroju poprzecznego próbek, należy użyć oprogramowania graficznego (SigmaPlot¹⁸ lub podobnego), aby przeliczyć zarejestrowaną siłę i przyrosty wydłużenia na relacje naprężenie-odkształcenie zgodnie z podstawowymi równaniami wytrzymałości materiałów. Należy wykreślić wykres uzyskanych danych osobno dla próbek wzdłużnych (osnowy) i poprzecznych (wątku) oraz dla każdej z prędkości odkształcania.
2. Powtórzyć czynność dla wyników uzyskanych w temperaturach 80 °C i 90 °C.

3. Identyfikacja parametrów modeli materiałowych

1. Kawałkami liniowy model do nieliniowego modelowania sprężystego
   UWAGA: Zastosowanie kawałkami liniowego modelu materiałowego jest możliwe, gdy krzywa naprężenie-odkształcenie może zostać podzielona na odcinki o kształcie liniowym (lub w przybliżeniu liniowym). Poszczególne punkty przecięcia linii w sąsiednich sekcjach odpowiadają zakresom stosowalności powiązanych linii¹⁹.
   1. W przypadku każdej krzywej uzyskanej w kroku 2.1, wyznacz zakresy odkształceń, wykrywając liniową lub zbliżoną do liniowej relację naprężenie-odkształcenie.
   2. Używając opcji regresji w oprogramowaniu graficznym oraz metody najmniejszych kwadratów, wyznacz linię najlepiej dopasowaną w wybranym obszarze.
      UWAGA: Styczna do tej krzywej odpowiada sztywności materiału w danym zakresie.
   3. Oznacz styczną jako E_ij, gdzie indeks i odpowiada aktualnemu kierunkowi materiału (W dla kierunku osnowy i F dla kierunku wątku), a indeks j jest kolejnym numerem zidentyfikowanej linii.
   4. Posiadając parametry wszystkich linii, wyznacz punkty przecięcia między liniami; oznacz je jako ε_k/l, gdzie k i l oznaczają przecinające się linie.
      UWAGA: Punkty te (ε_k/l) stanowią zakresy odkształceń dla zastosowania konkretnych wartości sztywności wzdłużnej (E_ij) (Rysunek 1).
2. Lepko-plastyczny model Bodnera–Partoma
   UWAGA: Prawo konstytutywne Bodnera–Partoma jest stosowane w celu odwzorowania elasto-lepko-plastycznego zachowania różnych materiałów^20,21. Podstawy i sformułowanie matematyczne modelu zostały szczegółowo opisane w innych źródłach^{20,21,22,23,24,25}. Równania podstawowe przedstawiono w Tabeli 1 wyłącznie dla modelowania jednowymiarowego stanu naprężenia. Parametry modelu Bodnera–Partoma są identyfikowane za pomocą jednowymiarowych prób rozciągania przeprowadzonych z co najmniej trzema różnymi prędkościami odkształcania. Wartość prędkości odkształcania musi być stała przynajmniej w nieelastycznej części eksperymentu. Pełna procedura identyfikacji modelu Bodnera–Partoma zmodyfikowana dla technicznych tkanin tkanych jest szeroko opisana^24,25.
   1. Używając oprogramowania graficznego, wyznacz parametry modelu Bodnera–Partoma zgodnie z metodą Klosowskiego i wsp.²⁴.

4. Ekstrapolacja Arrheniusa

UWAGA: Prawo Arrheniusa opiera się na obserwacji empirycznej, według której wzrost temperatury otoczenia prowadzi do przyspieszenia wielu reakcji chemicznych, co może również przyspieszyć proces starzenia. Pełny opis matematyczny koncepcji reakcji chemicznej według Arrheniusa można znaleźć w innych źródłach^11,26. Uproszczona forma prawa Arrheniusa nazywana jest „regułą 10 stopni”²⁷. Zgodnie z tą regułą, wzrost temperatury otoczenia o około 10 °C teoretycznie podwaja szybkość procesu starzenia. Zatem szybkość reakcji f definiuje się następująco¹⁷:

gdzie ΔT = T - T_ref to różnica między temperaturą starzenia T a temperaturą eksploatacji T_ref materiału.

1. Przyjmij temperaturę T_ref zgodnie z wartością średnią opartą na wynikach lokalnej stacji meteorologicznej (tutaj T_ref = 8 °C²⁸). Przyjmij temperaturę komory termicznej T, która zostanie zastosowana w teście starzenia (tutaj 80 °C i 90 °C).
   UWAGA: Poziom temperatury powinien być rejestrowany przez dłuższy okres, co najmniej rok, a następnie obliczony jako wartość średnia dla tego okresu, przyjmując średnią czasową z tego przedziału jako T_ref.
2. Oblicz stałą szybkości reakcji f z równania 1, a następnie dokonaj ekstrapolacji czasu starzenia (wyrażonego w tygodniach) na lata (Tabela 2).
   UWAGA: Efekty ekstrapolacji różnych okresów starzenia przeprowadzonych w ramach niniejszych badań przedstawiono w Tabeli 3. Na przykład starzenie termiczne próbki przez 4 tygodnie w 90 °C jest równoważne starzeniu przez 8 tygodni w 80 °C i odpowiada naturalnemu starzeniu przez około 23 lata.

5. Reprezentacja danych

1. Przedstaw otrzymane wartości parametrów w formie znormalizowanej X/X⁰, gdzie X oznacza aktualną wartość danego parametru, a X⁰ odpowiada wartości początkowej tego parametru w odniesieniu wyłącznie do próbki poddanej starzeniu przez 1 godzinę.
   UWAGA: Czas sztucznego starzenia termicznego jest określony w godzinach.
2. Nanieś wartości X/X⁰ na oś Y względem czasu starzenia naniesionego na oś X, aby przedstawić ewolucję parametrów. Przygotuj osobne wykresy dla kierunku osnowy i wątku badanego materiału.
3. Opisz wartości parametrów naniesione w funkcji czasu za pomocą funkcji liniowych (lub innych funkcji dopasowania) z zastosowaniem metody najmniejszych kwadratów i podaj wartości R².
4. Aby ocenić, czy uproszczona zależność Arrheniusa jest poprawna dla tkaniny AF9032, ponownie nanieś wyniki uzyskane dla 90 °C w odniesieniu do czasu starzenia przeliczonego na czas „rzeczywisty” zgodnie z prawem Arrheniusa.

Wyniki

Rysunek 2 zestawia krzywe naprężenie-odkształcenie dla kierunków osnowy i wątku tkaniny AF9032 otrzymanych przy różnych czasach starzenia, w temperaturze 80 °C dla prędkości odkształcenia 0,001 s^-1. Różnica między okresem starzenia wynoszącym 1 h (test referencyjny) a pozostałymi okresami starzenia jest wyraźna. Czas starzenia nie wydaje się istotnie wpływać na odpowiedź materiału w kierunku osnowy, ponieważ krzywe naprężenie-odkształcenie są wysoce powtarzalne i nie wykazują isto...

Dyskusja

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...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

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

trwała rurowy