Summary
כאן, אנו לדמות מואצת הזדקנות תרמית של בד טכני ולראות איך זה תהליך ההזדקנות משפיע על תכונות מכניות של הבד.
Abstract
אדריכלי בד AF9032 כבר נתון להזדקנות תרמית מלאכותית כדי לקבוע שינויים של הפרמטרים החומריים של הבד. השיטה המוצעת מבוססת על גישת ההזדקנות המואצת שהוצעה על ידי ארניוס. 300 mm x 50 מילימטר דגימות נחתכו הכיוונים פיתול ומילוי והניח בתא תרמית ב 80 ° צ' עד 12 שבועות או בשעה 90 ° c עד 6 שבועות. ואז לאחר שבוע של התניה בטמפרטורת הסביבה, הדגימות היו מגירסה משני הזנים בקצב זן קבוע. הפרמטרים נקבעו עבור דגמי הדגמים הגמישים הבלתי ליניאריים (טיפין ליניארי) ו-viscoplastic. שינויים בפרמטרים אלה נחקרו ביחס לטמפרטורת ההזדקנות ולתקופת ההזדקנות. בשני המקרים, פונקציית הקירוב הליניארית הוחלה בהצלחה באמצעות המתודולוגיה הפשוטה של ארניוס. הושגה התאמה לכיוון המילוי בין התוצאות הנסיוניות לבין התוצאות מגישת ארניוס. עבור כיוון העיוות, תוצאות החילוץ הציגו כמה הבדלים. הגדלת נטיות הולך ופוחת נצפו בשתי הטמפרטורות. חוק ארניוס אושר על ידי התוצאות הנסיוניות רק עבור כיוון המילוי. השיטה המוצעת מאפשרת לנבא התנהגות בד אמיתית במהלך ניצול לטווח ארוך, שהוא סוגיה קריטית בתהליך העיצוב.
Introduction
פוליאסטר בדים אדריכליים מבוססי משמשים בדרך כלל לבניית גגות תלויים1. להיות זול יחסית עם תכונות מכניות טובות, הם יכולים להיות מועסקים בניצול לטווח ארוך (למשל, הגג התלוי של האופרה של היער בסופוט-פולין). למרבה הצער, תנאי מזג האוויר, קרינה אולטרה סגולה, סיבות ביולוגיות, ומטרות תפעוליות (העונה מראש הדגיש והתרופפות2) יכול להשפיע על תכונות מכניות שלהם. גגות תלויים העשויים מAF9032 הם בדרך כלל מבנים עונתיים החשופים לטמפרטורה גבוהה (במיוחד בימי שטוף שמש בקיץ), קבוע מראש והתרופפות. כדי לעצב כראוי גג תלוי, פרמטרים בד חייב להיקבע לא רק בתחילת ניצול, אלא גם לאחר מספר שנים של שימוש.
ניתוח הזדקנות מודד את מחוון ההזדקנות ומשווה את הערכים הראשוניים והסופיים של הפרמטרים כדי להעריך את ההשפעה של הזדקנות. מזומנים et al.3 הציע אחת השיטות הפשוטות ביותר על ידי ניתוח השוואתי של 12 סוגים שונים של ממברנות גגות. הקרומים הללו נחשפו לבליה חיצונית במשך 2 או 4 שנים. המחברים השתמשו במערכת דירוג של מספר מאפיינים כדי להעריך עמידות בד. על מנת לספק ניתוח של הזדקנות תרמית פולימר, העיקרון בטמפרטורת הזמן הסופרפוזיציה (TTSP) ניתן להחיל4. עיקרון זה קובע כי ההתנהגות של חומר בטמפרטורה נמוכה ומתחת רמת הלחץ נמוכה דומה להתנהגות שלה בטמפרטורה גבוהה ורמת זן גבוה. הגורם המכפיל הפשוט יכול לשמש כדי לקשר את מאפייני הטמפרטורה הנוכחית עם המאפיינים בטמפרטורת ההפניה. באופן גרפי, הוא תואם לשינוי העקומה בסרגל הזמן של יומן הרישום. לגבי הטמפרטורה, שתי שיטות מוצעות לשלב את גורם השינוי ואת טמפרטורת ההזדקנות: משוואות ויליאמס-לנדל-מעבורת (WLF) וחוק ארניוס. שתי השיטות כלולות בתקן השוודי ISO 113465 כדי להעריך את הטמפרטורה המבצעית של החיים ואת הטמפ ' התפעוליות המרביות לגומי, או לגיפריזציה וחומרים תרמופלסטיים. לאחרונה, תרמית הזדקנות מתודולוגיה arrhenius נעשה שימוש בזמן חיזוי אורך החיים6,7, חימום צינורות8, ו-pmma דבק פולימרי4. הארכה של חוק ארניוס היא חוק איירינג שלוקח בחשבון גורמי הזדקנות אחרים (למשל, מתח, לחץ, וכו ') 9. לחילופין, מחקרים אחרים מציעים ולוודא מודלים ליניאריים פשוטים עבור תיאור של הזדקנות (למשל, ביוסנסור הזדקנות10). למרות ששיטת ארניוס משמשת בדרך כלל, קיים דיון על הרלוונטיות שלו בחיזוי החיים של כל חומר. לפיכך, יש להשתמש בשיטה בטיפול, בעיקר בהנחות ראשוניות ובתנאים ניסיוניים6.
בדומה למרבית הפולימרים, בדים פוליאסטר המשמשים בתערוכה הנוכחית שני שלבי מעבר שונים המוגדרים על ידי טמפרטורת ההיתוך (Tm) ואת טמפרטורת המעבר זכוכית (Tg). טמפרטורת ההיתוך (Tm) היא הטמפרטורה כאשר חומר משתנה ממצבו המוצק אל הנוזל הנוזלי, ואת טמפרטורת המעבר זכוכית (Tg) היא הגבול בין הזכוכית מדינות גומי11. על פי נתוני היצרן, הבד הAF9032 מורכב מחוטי פוליאסטר (tg = 100-180 °צ' 12, Tm = 250 למעלה-290 ° c) וציפוי PVC (tg = 80-87 ° צלזיוס14,15, Tm = 160-260 ° צ'16). טמפרטורת ההזדקנות Tα יש לבחור מתחת Tg. בימים שטופי שמש, הטמפרטורה על המשטח העליון של גג תלוי יכול אפילו להגיע 90 ° c; לפיכך, שתי טמפרטורות הזדקנות (80 ° c ו-90 ° c) נבדקים כאן. טמפרטורות אלה הן מתחת לחוט Tg וקרוב ציפוי tg.
הביצועים של פרוטוקול ההזדקנות המואצת על בדים טכניים מוצגים בעבודה הנוכחית. הזדקנות תרמית מלאכותית משמשת לחיזוי שינויים של תכונות החומר. המאמר ממחיש את התרגילים המתאימים בדיקות מעבדה ודרך לשער תוצאות ניסיוני לטווח קצר יחסית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ניסויים הזדקנות תרמית מואצת על בד טכני
- הכנה כוללת
- להכין מכונת בדיקה עם התוכנה הנכונה (כדי לספק בדיקות שיעור הזנים קבוע) ו הארכת וידאו.
- הכינו תא תרמי המספק טמפרטורה קבועה של 80 ° צ' (± 1 ° c) ו-90 ° צ' (± 1 ° c) למשך 12 שבועות לפחות.
- הכנה לדגימה
- לבטל את הרול של הבד הטכני AF9032 בייל. ציירו את הצורות הרצויות (300 מ"מ x 50 מ"מ) עם עיפרון רך או סמן על משטח הבד מקביל לכיוון פיתול או מילוי.
הערה: התפלגות הדגימות על משטח הבד ניתנת במקום אחר17. - ציין את כיוון העיקום בכל אחד מהדגימות באמצעות סמן קבוע. חותכים את הדגימות. עם סכין או מספריים חדים השתמש בסרגל אם סכין משמש לחיתוך.
הערה: הדגימות צריכות להיות מלבניות17. הרכיבים העיקריים לטיפול בעומסים של הבד הם חוטים. בשלב המבצעי, חומר הציפוי עולה בדרך כלל על גבול התפוקה שלו, ולכן אינו נוטל חלק בפיזור הלחצים. הגורמים היחידים לנשיאת המטען הם הליכי מריחה מאחיזה אחת לאחרת. לכן, לא סביר להשתמש בצורות מתוחכמות של דגימות (למשל, צורת משקולית המשמשת בדרך כלל למתכות). מצד שני, צורות כאלה לדוגמה לגרום לצורך אוחז מיוחד כאשר העומס האולטימטיבי נחקר, או שימוש הרחבה כדי להעריך את הפרמטרים החומריים. - למדוד את עובי הדגימה עם קליבר שקופית ולספור את מספר הליכי בקצה הקצר של הדגימה.
הערה: עבור כל אחד מהדגימות, יש לבצע שלוש מדידות עובי ולחשב את הערך הממוצע. השתמש בזכוכית המגדלת כדי להעריך את מספר הליכי האשכולות במידת הצורך.
- לבטל את הרול של הבד הטכני AF9032 בייל. ציירו את הצורות הרצויות (300 מ"מ x 50 מ"מ) עם עיפרון רך או סמן על משטח הבד מקביל לכיוון פיתול או מילוי.
- , תדליק את התא התרמי. ואשאיר את הדלת פתוחה באמצעות הלחצנים ותצוגת הפקד, בחר את הטמפרטורה (80 ° c). סגרו את דלת התא התרמי וצפו בעליית הטמפרטורה בלוח הבקרה.
- התחממות דגימה
- כאשר הטמפרטורה קרובה ל 80 ° c, פתחו את דלת התא התרמי. הוסף לפחות 7 קבוצות של דגימות עם כל קבוצה המורכבת 6 דגימות לחתוך את כיוון העיוות ו 6 בכיוון המילוי. סגור את הדלת בהקדם האפשרי כדי למנוע ירידה בטמפרטורה.
הערה: יש לערוך את הניסויים בשלושה שיעורי זן. עבור כל שיעור זן, ניסויים מבוצעים על שני דגימות בכיוון עיוות ושניים בכיוון המילוי. הניחו את הדגימות העודפות בחדר במקרה שהניסויים לא יצליחו או שהתוצאות משני הבדיקות מובנות מאוד. - לאחר 1 h, דון כפפות תרמיות ולהסיר את הסט הראשון של דגימות (ערכת ההתייחסות; 6 דגימות בכיוון עיוות ו 6 בכיוון המילוי). לאחר כל 2 שבועות, להסיר מערכת להצליח של דגימות מן התא התרמי.
הערה: כל תהליך ההתחממות ייקח 12 שבועות.
- כאשר הטמפרטורה קרובה ל 80 ° c, פתחו את דלת התא התרמי. הוסף לפחות 7 קבוצות של דגימות עם כל קבוצה המורכבת 6 דגימות לחתוך את כיוון העיוות ו 6 בכיוון המילוי. סגור את הדלת בהקדם האפשרי כדי למנוע ירידה בטמפרטורה.
- מיזוג דגימה
- תשאירו את הדגימות. בטמפרטורת החדר לשבוע אחד מצננים את הדגימות לטמפרטורת החדר (כלומר, יש לייצב את תכונותיהם).
- לפני הבדיקה, לצייר שני סימנים שחורים (נקודות) באמצעות סמן קבוע עם הפרדה לאורך של כ 50 מ"מ (יזוגי l0) באמצע של כל הדגימה.
הערה: הנקודות ישמשו להארכה של וידאו.
- בדיקת מכונת התקנה
- התקן 4 60 מ"מ מוסיף שטוח לתוך מכונת הבדיקה, שני מוסיף לאחיזה אחת. התוספות מציגות את סוג המשטח של הדגים ומשמשות כדי למנוע החלקה של הדגימות מתוך אוחז.
- . הפעל את המכונה הפעל את התוכנה (למשל, TestXpert) ששולט במחשב. בחר את התוכנית המוקדש בדיקות מתיחה.
- בחר את מיקום ההתחלה עם אחיזה 200 מ"מ כדי הפרדה בתוכנה. לחץ על הלחצן ' מיקום פותח ' כדי לבצע את האחיזה 200 מ"מ להפרדת האחיזה. תנוחת אחיזה זו נקראת בדרך כלל תנוחת ההתחלה לבדיקה.
הערה: המרחק 200 מ"מ נדרש על-ידי תקן ISO17.
- התקנת וידאו בהארכה
- להעביר את המצלמה של הארכת וידאו לאורך הסרגל התומך למקם את העדשה של המצלמה ברמה של החלק האמצעי של הדגימה. בדוק אם העדשה של המצלמה מספק תצוגה ברורה של הדגימה סמנים במהלך הניסוי כולו.
הערה: בצע בדיקה דומה לפני הבדיקה הראשית כדי לקבוע את טווח התארכות הסבירות לדוגמה כדי להבטיח שהמצלמה תעקוב אחר הסמנים השחורים במהלך הבדיקה השלמה. - בחר את הבהירות והמיקוד המתאימים לעדשה באמצעות מסך המחשב והתוכנה המשויכת.
- להעביר את המצלמה של הארכת וידאו לאורך הסרגל התומך למקם את העדשה של המצלמה ברמה של החלק האמצעי של הדגימה. בדוק אם העדשה של המצלמה מספק תצוגה ברורה של הדגימה סמנים במהלך הניסוי כולו.
- כיול הארכת וידאו
הערה: התקן הכיול הוא הציוד הסטנדרטי של הארכת הווידאו.- שים את המכשיר כיול בקדמת המצלמה ולהדק אותו עם אוחז.
- באמצעות תוכנת הארכת וידאו (לדוגמה, VideoXtens), בחר את סוג הסמנים המתאים בחלון היעדים (בדרך כלל שחור ולבן).
- בחרו בשגרת הכיול בתוכנת הארכת הווידאו בעזרת האפשרות ' קנה מידה ' ובחרו במרחק הכיול בחלון הסרגל .
הערה: המרחק צריך להיות דומה להפרדה בין סמנים לבין הדגימות. מכשיר הכיול מציע שלושה מרחקים מדידה: 10, 15 ו 40 מ"מ. בשל הפרדת הסמן מ-50 מ"מ, מרחק 40 מ"מ מתאים. - לאחר הכיול, שנה את סוג הסמן לתבנית בחלון היעדים .
הערה: פעולה זו מאפשרת להארכה וידאו לבצע את הסמנים המצוינים על הדגימה.
- בדיקת ביצועים
- הכן את פרמטרי הבדיקה בתוכנת TextXpert.
הערה: על התוכנית המוכנה לאפשר בדיקה עם קצב הזנים שנבחר במקרה של מתח uniaxial. זה חייב להיות מתואם. עם הארכת הוידיאו הפרמטרים שנרשמו הם המרחק ההתחלתי של סמני ההארכה (יזוגי l0), ואת פונקציות התוצאה של זמן, אחיזה displacements, מרחק ההארכה הנוכחית של הרחבה, כוח. הכוח לטעון מראש של 50 N17 מתוכנת ומרחק יזוגי l0 מותאם לאחר טעינת מקדמה. - הכניסו את הדגימה לאורך הציר האנכי הראשי של המכונה וסגרו את הידיות בעזרת החומר המכבדי הצינורי.
הערה: הדגימה חייבת להיות ממוקמת באופן סימטרי לידיות בכיוונים האנכיים והאופקיים. - בצע את הבדיקות עם קצב הזנים הקבוע שנבחר עד שדגימות לשבור (השימוש 0.005, 0.001, ו 0.0001 s-1 הזנים שיעור). עבור כל קצב הזנים, בדוק לפחות שני דגימות בכיוון העיקום וכיוון המילוי. שמור את תוצאות הבדיקה.
הערה: הנתונים הבאים נחוצים: המרחק ההתחלתי של סמני ההארכה (יזוגי l0), פונקציות זמן של מרחק הסימון של ההארכה והכוח.
- הכן את פרמטרי הבדיקה בתוכנת TextXpert.
- חזור על שלבים 1.5-1.9 לכל שבועיים תוך שימוש בערכות הדגימות האחרות (שש פעמים, עד 12 שבועות).
- חזור על ההליך כולו ב 90 ° c. המספר הכולל של הדגימות אינו משתנה. תהליך ההזדקנות נמשך 6 שבועות. הסר ובדוק את ערכות הדגימות הבאות בכל שבוע.
2. הכנת הנתונים
- היכרות עם חתך הרוחב של הדגימות, השתמש בתוכנת גרפים (SigmaPlot18 או דומה) כדי לחשב מחדש את הכוח הרשום ואת התארכות ההתאמה על פי החוזק היסודי של משוואות החומר ליחסי מתח-מאמץ. התווה גרף של נתונים שהתקבלו, בנפרד, עבור דגימות העיקום והמילוי ועבור כל אחד מקצבי המתח.
- חזרו ל80 מעלות צלזיוס ו-90 ° c.
3. זיהוי פרמטרים של דגמי חומרים
- מודל לינארי של טיפין לעיצוב אלסטי שאינו ליניארי
הערה: היישום של מודל החומר הליניארי של טיפין אפשרי כאשר ניתן לפצל את עקומת מתח המתח למקטעים של צורות לינאריות (או בקירוב). נקודות מעבר מסוימות של הקווים במקטעים סמוכים תואמות לטווחי ישימות של הקווים הקשורים19.- במקרה של כל עיקול שהושג בשלב 2.1, למצוא את טווחי הזנים, זיהוי ליניארי או קרוב מאמץ ליניארי-הקשר זן.
- באמצעות אפשרות הרגרסיה המתאימה בתוכנת הגרפים ובשיטת הריבוע הפחות, זהה את הקו המתאים ביותר באזור הנבחר.
הערה: הטנגנס לעקומה זו מתאים לנוקשות של החומר בטווח מסוים. - ציין את הטנגנס כ- Eij שבו האינדקס אני מתאים לכיוון הנוכחי של החומר (W עבור כיוון העיקום ו-F עבור כיוון המילוי) ואינדקס j הוא מספר עוקב של השורה המזוהה.
- לאחר הפרמטרים של כל הקווים, למצוא את נקודות החיתוך בין הקווים; לציין אותם כ εk/l, כאשר k ו- l לסמן את קווי המעבר.
הערה: נקודות אלה (εk/l) מהוות את טווחי הזנים להחלת ערכי קשיות האורך הספציפיים (Eij) (איור 1).
- מודל בודנר-פרטיסום
הערה: חוק בודנר-פארסום משמש לשקף את התנהגות האלאסאל-ויצוסטית של חומרים שונים20,21. היסודות והניסוח המתמטי של המודל מוענק בפרוטרוט במקומות אחרים20,21,22,23,24,25. המשוואות האלמנטארית מוצגות בטבלה 1 רק כדי לדגמן את מצב הסטרס החד-צירי. הפרמטרים של מודל בודנר-פארסום מזוהים באמצעות בדיקות מתיחה חד-צירית שנערכו עם לפחות שלושה קצבי זן שונים. הערך של קצב הזנים חייב להיות קבוע לפחות בחלק הגמיש של הניסוי. הליך הזיהוי המלא של מודל בודנר שהשתנה עבור בדים ארוגים טכניים מוצג בהרחבה24,25.- באמצעות תוכנת הגרפים, זהה את פרמטרי המודל של בודנר-פרטיסום בעקבות קלוסווי ואח '24.
4. מיון ארניוס
הערה: חוק ארניוס מבוסס על תצפית אמפירית שטמפרטורת הסביבה מעלה תוצאות בהאצת מספר תגובות כימיות שעשויות לזרז את תהליך ההזדקנות גם כן. הייצוג המתמטי המלא של רעיון התגובה הכימית של ארניוס ניתן למצוא במקום אחר11,26. חוק ארניוס בצורה פשוטה נקרא "חוק 10 מעלות"27. על פי כלל זה, עלייה בטמפרטורה שמסביב של כ -10 ° c תיאורטית מכפילה את קצב תהליך ההזדקנות. מכאן, שיעור התגובה f מוגדר כדלקמן17:
כאשר ΔT = T-Tref הוא ההבדל בין טמפרטורת ההזדקנות t לבין טמפרטורת השירות tref של חומר.
- להניח את הטמפרטורה Tref על פי הערך הממוצע המבוסס על תוצאות התחנה המטאורולוגית המקומית (כאן, TRef =8 ° c). להניח את טמפרטורת התא תרמית T לשמש במבחן ההזדקנות (כאן, 80 ° c ו 90 ° c).
הערה: יש לרשום את רמת הטמפרטורה למשך זמן ארוך יותר, לפחות שנה אחת, ולאחר מכן לחשב כערך הממוצע של אותה תקופה, ולהביא ממוצע זמן של תקופה זו שצולמה כ-Tref. - לחשב את קצב התגובה קבוע f מהמשוואה 1 ולאחר מכן לשער את זמן ההזדקנות (מבוטא בשבועות) לשנים (טבלה 2).
הערה: השפעות החילוץ של תקופות זמן הזדקנות שונות שנערכו במחקר הנוכחי מוצגות בטבלה 3. למשל, הזדקנות תרמית של הדגימה ב 4 שבועות ב 90 ° c שווה ההזדקנות שלה 8 שבועות ב 80 ° c ומקביל הזדקנות טבעית של כ 23 שנים.
5. ייצוג נתונים
- הציגו את ערכי הפרמטרים שהושגו בצורה המנורמלת של x/x0, כאשר x מציין ערך נוכחי של הפרמטר המתאים ו- x0 מתאים לערך ההתחלתי של פרמטר זה, ביחס לדגימה בת 1 שעה בלבד.
הערה: הזמן של הזדקנות תרמית מלאכותית מוגדר בתוך שעות. - התווה ערכי X/X0 בציר Y לעומת זמן ההזדקנות המותווים על ציר ה-X כדי להציג את האבולוציה של הפרמטרים. הכן מגרשים לכיוון הפיתול והמילוי של החומר הנבדק בנפרד.
- תאר את ערכי הפרמטרים המותווים לאורך זמן על-ידי פונקציות לינאריות (או פונקציות שונות של התאמה מיטבית) באמצעות שיטה מרובעת לפחות ודיווח על ערכי R2 .
- כדי להעריך אם הקשר הפשוט ביותר של Arrhenius נכון לAF9032, צייר מחדש את התוצאות המתקבלות עבור 90 ° c ביחס לזמן ההזדקנות המחושב לזמן "אמיתי" על פי חוק ארניוס.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 2 לעמת את הלחץ-זן עקומות עבור הכיוונים פיתול ומילוי של בד AF9032 שהתקבלו בזמנים ההזדקנות שונים, ברמת הטמפרטורה 80 ° c עבור שיעור זן של 0.001 s-1. ההבדל בין תקופת ההזדקנות 1 h (בדיקת התייחסות) ושאר תקופות ההזדקנות הוא ברור. זמן ההזדקנות אינו נראה משפיע באופן משמעותי על התגובה החומרית בכיוון עיוות, כמו מתח – עקומות המתח הם חוזרים מאוד, מראה לא הבדלים חשובים חוזק מתיחה האולטימטיבי (סולמות). הוא נשאר בניגוד להתנהגות שנצפתה לכיוון המילוי, כאשר הסולם התחתון נמוך בהרבה במקרה של דגימות בנות מלאכותית מאשר במקרה הבלתי מיושן. יתר על כן, המתח הושג – מאמץ עקומות לזהות מסלולים מפוצלים כאשר זנים עולים 0.06.
התוצאות שהתקבלו ברמות הטמפרטורה השונות והאומדן של התוצאות עבור רמת טמפרטורה גבוהה יותר הציג בגרף אחד לדחוס את כל הנתונים בנוגע פרמטר מסוים. אם העקומות המייצגות את האבולוציה של הפרמטרים בשתי הטמפרטורות בזמן ההזדקנות נופלות לאותו מסלול, היא מאשרת שערכי הפרמטרים שהושגו מתקבלים למעשה בעקבות משוואת ארניוס. אם הקווים מקבילים, זה מרמז כי ניסויים נוספים נחוצים כדי להסביר את התופעה נצפתה או כי כמה מקדמי תיקון יש להציג את התוצאות ברמת טמפרטורה אחת כדי לגרום לתוצאות בשתי הטמפרטורות ליפול אחד נתיב.
תמונות וריאציה של נוקשות ציפוי PVC ומילוי זנים האולטימטיבי על זמן ההזדקנות הם באיור 3 ואיור 4, בהתאמה. התוצאות הנסיוניות בשתי רמות הטמפרטורה של 80 ° c ו-90 ° c מוצגות באיור 3a ואיור 4א. זה הוכח לפני24 כי החלק הליניארי הראשון של המתח הנסיוני-עקומת זן של מבחן מתיחה פשוטה (מסומן כאן כמו EF0) מתאים הקשיות של בד טכני המכסה עשוי PVC. התוצאות שהתקבלו ברמת הטמפרטורה של 90 ° c מושגת במשך שעות עד 12 שבועות (2000 שעות) ומחושב מחדש על "אמיתי" שנים על פי הקשר הפשוט Arrhenius מצוירים באותו גרף כדי להשוות את התוצאות (איור 3b ואיור 4ב).
האבולוציה של הנוקשות של ציפוי PVC על זמן ההזדקנות הוא כמעט ליניארי ברמות הטמפרטורה של 80 ° צ' ו 90 ° צ' עם תוספת קבועה בזמן, הרבה יותר מ-90 ° צ' מאשר ב 80 ° c. תופעה זו מרמזת כי PVC נתון טמפרטורה גבוהה יחסית עובר שינויים והתוצאה היא צמיחת הנוקשות שלה, כתוצאה של מואצת הזדקנות. התנהגות זו נגרמת כנראה על ידי הזדקנות פיזית, ספציפי חומרים פולימריים, כמו בדים טכניים. הערכים האולטימטיבי של זנים מתיחה(ε,) התערוכה מגמה יורדת על זמן ההזדקנות בכיוון המילוי ואת רמות הטמפרטורה של 80 ° c ו 90 ° c. לכיוון העיקום, ערכי הסולמות העליונים אינם מציגים וריאציה משמעותית על זמן ההזדקנות. מצד שני, זני מתיחה האולטימטיבי(ε,) ירידה 80 ° c ולצמוח ב 90 ° c.
אותו הליך שימש לטיפול בפרמטרים של מודל Bner-פרטיסום. כאן, פרמטר התקשות m1 בכיוון העיקום והפרמטר של צמיגות n בכיוון המילוי מוצגים באיור 5 ובאיור 6, בהתאמה.
תוצאות המחקר הסופיות הן סטים של פונקציות קוויות, המייצגות פרמטרים חומריים מסוימים או מאפייני בד על זמן ההזדקנות. לאחר מכן, כל התכונות המכאניות הבסיסיות (נוקשות, מגבלת תשואה, מתח מתיחה האולטימטיבי ומתח) ו-בודנר-מודל הפרמטרים של המודל (n, D0, d1, r0, r1, m1, m2) זוהו, להרכיב ברמות הטמפרטורה של 80 ° c ו90 ° c וניתח
קווי הקירוב המתאימים למגמות הפרמטרים במהלך התמוטטות זמן הזדקנות לשורה אחת עבור סולמות, ε,m1 במקרה של כיוון המילוי. שורות קירוב פרמטרים אחרות בזמן הזדקנות מוצגים נטיות מקבילות ללא התמוטטות לשורה אחת.
במקרה של כיוון עיקום, רק שורות הקירוב של סולמות הסולם, EW2 ו-m1 מכווצים לשורה אחת, בעוד שפרמטרים אחרים מראים נטייה ברורה או תו מקביל של עקומות. כל ערכי הפרמטרים בזמן ההזדקנות של כיוון המילוי מביעים מגמות מקבילות או כיווץ לשורה אחת. לכן, הגישה של המשוואה הפשוטה של ארניוס, המוצגת במאמר הנוכחי, הוכחה לכיוון זה בלבד.
איור 1: ייצוג סכמטי של המודל הליניארי של טיפין לAF9032 בד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: ההשפעה במקרה של הזדקנות תרמית ב 80 ° c על המתח – התגובה המתח הכיוונים פיתול ומילוי של בד AF9032, עבור קצב הזנים של 0.01 s-1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: נוקשות של ציפוי PVC בתקופות ההזדקנות שונות בשעות (קווים אדומים וכחולים) (א); ערכי נוקשות שהתקבלו ב 90 ° c מחושב מחדש לזמן בשנים על פי המשוואה הפשוטה Arrhenius (קווים כחולים) לכיוון המילוי של בד AF9032 (ב). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: זני האולטימטיבי של ציפוי PVC בזמנים ההזדקנות שונים (קווים אדומים וכחולים), ניסויים (א); ערכי זנים האולטימטיבי שהתקבלו ב 90 ° c מחושב מחדש לזמן בשנים על פי המשוואה הפשוטה Arrhenius (קווים כחולים) בכיוון המילוי של AF9032 (ב). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: מקדם בודנר-פרסום של התקשות איזוטרופי1 בתקופות הזדקנות שונות בשעות (קווים אדומים וכחולים), ניסויים (א); מקדם התקשות איזוטרופי1 ערכים שהתקבלו ב 90 ° c מחושב מחדש לזמן בשנים על פי המשוואה הפשוטה arrhenius (קווים כחולים) בכיוון הפיתול של AF9032 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: בודנר-פרטיסום רגישות לקצב משתנה הפרמטר n בשעות ההזדקנות שונות של שעות (קווים אדומים וכחולים) ניסויים (a); וערכי הזנים של יחס המתח n המתקבלים עבור 90 ° c מחושב מחדש לזמן בשנים על פי המשוואה הפשוטה של ארניוס (קווים כחולים) לכיוון המילוי של אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| קצב מאמץ אינאלסטי |  |
| קצב מאמץ Cumulated גמיש |  |
| משוואות נוספות |  |
| חיסום איזוטרופי |  |
| התקשות קימטית |  |
| פרמטרי חומר |  |
שולחן 1: משוואות בסיס לפרטנר-פרקום במצב uniaxial.
| שתנה | Tref | T | ΔT | f | דוגמה לחישוב עבור 4 שבועות של הזדקנות therml |
| ניסוח | - | - | T-Tref | 2(ΔT/10) | f * 4/52 |
| יחידה | מעלות צלזיוס | מעלות צלזיוס | מעלות צלזיוס | [-] | שנים |
| תוצאות | 8 | 80 | 72 | 147 | 11.3 |
| 90 | 82 | 294 | 22.6 |
טבלה 2: חישובי דוגמה של המשוואה הפשוטה של ארניוס.
| זמן הזדקנות מעבדה [שבועות] | 1 | 2 | 3 | 4 | מיכל 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| זמן על פי ארניוס [שנים] | 80 ° c | 2.8 | (5.7) | 8.5 | (11.3) | 14.1 | (17.0) | 19.8 | (22.6) | 25.4 | (28.3) | 31.1 | (33.9) | |
| 90 ° c | (5.7) | (11.3) | (17.0) | (22.6) | (28.3) | (33.9) | 39.6 | 45.2 | 50.9 | 56.6 | 62.2 | 67.9 | ||
| () מסמן את בדיקות ההזדקנות שבוצעו במחקר הנוכחי ומשמשות לזיהוי פרמטרים. | ||||||||||||||
שולחן 3: הזדקנות זמן ההזדקנות מחושבות מחדש עם משוואת ארניוס ברמות הטמפרטורה של 80 ° c ו 90 ° c.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מאמר זה incudes פרוטוקול ניסיוני מפורט כדי לדמות את המעבדה מואצת ניסויים על פוליאסטר מחוזק ובדים מצופה PVC עבור יישומים הנדסה אזרחית. הפרוטוקול מתאר את המקרה של הזדקנות תרמית מלאכותית רק על ידי העלאת טמפרטורת הסביבה. זוהי פישוט ברור של תנאי מזג אוויר אמיתיים, כמו קרינת UV והשפעה מים לשחק תפקיד נוסף בהזדקנות שירות חומרים.
בדרך כלל, התנאים של הזדקנות המואצת שבוצעה במעבדה צריך להיות קרוב ככל האפשר למזג האוויר האמיתי ותנאי השירות של חומר נבדק. למשל, חומרים המשמשים במבנים בחלל המים או ימיים עוברים הזדקנות הידרותרמית, כאשר הלחות והטמפרטורה פועלים בעיקר על העמידות החומרית30,31. בנוגע לרמת הירידה בסוללה, שני גורמי הזדקנות מנוטרים בדרך כלל: טמפרטורה ומצב של טעינה9. בידוד כבלים חשמליים, מלבד הטמפ ', יש לכלול רמות מתח וסטרס שונות, תוך ביצוע הזדקנות מעבדה מואצת14. עם זאת, הסוג התרמי של הזדקנות מואצת היא הנפוצה ביותר, ולכן קל לשקף את זה במעבדה. הכיול של התוצאות המתקבלות עם נתונים חוצות של חומר בגיל השירות יוצר כלי אמין כדי לנבא את ההתנהגות העתידית של בדים טקסטיל או חומרים אחרים.
חיסרון של השיטה המוצגת הוא מספר הדגימות שנבדקו. מכיוון שניסויים מתיחה uniaxial עם שלושה שיעורי קבוע שונים מתנהלים, שתי דגימות נבדקו בכל כיוון חומר עבור כל מקרה של קצב הזנים. כמו הניתוח צריך לכסות גם עיקום ומילוי כיוונים של הבד, נבדק בשתי רמות טמפרטורה, עם לפחות 5 מרווחי זמן הזדקנות, מספר רב של דגימות נדרש. למרבה המזל, התוצאות חוזרות מאוד, הצגת נטיות דומות מאוד; לפיכך, התוצאות שהתקבלו נחשבות אמינות גם אם שני דגימות נבדקים באותם תנאים בלבד.
ההליך לניהול בדיקות מתיחה uniaxial עם שיעורי זן קבוע עם הארכת וידאו הרישום נתונים מוצג ביסודיות. התקן הלאומי האירופי1 אינו דורש שימוש בהארכה לבדיקת בדים טכניים. לכן, הפרוטוקול המוצע מדויק יותר מהדרישות הסטנדרטיות; לפיכך, הנתונים שהושגו מדויקים יותר.
הפרוטוקול המוצע מאפשר לקבוע פרמטרים חומריים עבור בדים בעתיד; לכן, הוא כלי מתאים בעיצוב. השיטה אומתה בהצלחה במהלך המחקר של הגג התלוי של האופרה של היער בסופוט. דגימות של פוליאסטר מחוזק, ובדים מצופים PVC נאספו מגג לאחר 20 שנות מבצע. דוגמאות של חומר בלתי מיושן התקבלו גם מאותו יצרן. שני סוגי הדגימות המשיכו באותו ניסויי מעבדה ושגרות זיהוי פרמטרים. התוצאות היו מיוצגות על ידי הפרמטרים של המודלים הליניארים והדגמים הקווית. המגמות שנצפו בהתנהגות מכנית של חומר מתוך האופרה היער דומות למגמות הנמצאות במקרה של הזדקנות תרמית. כך, התוצאות המוצגות כאן אושרו על ידי בדיקות של בד לאחר 20 שנות שירות28. עם זאת, עבור סוגים אחרים של בדים טכניים, ייתכן שחלק מהשינויים בשיטה המוצעת יידרשו, ולכן הפרוטוקול הנסיוני צריך להיות מותאם כראוי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
פרסום עבודה זו נתמך על ידי הפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית באוניברסיטת גדנסק.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AF 9032 technical fabric | Shelter-Rite Seaman Corporation | ||
| knife of scisors | |||
| marker | pernament | ||
| ruler | |||
| Sigma Plot | Systat Software Inc. | v. 12.5 | |
| Testing machine Z020 | Zwick Roell | BT1-FR020TN.A50 | |
| TestXpert II program | Zwick Roell | v. 3.50 | |
| Thermal chamber | Eurotherm Controls | 2408 | |
| tubular spanner | 13 mm | ||
| Video extensometer | Zwick Roell | BTC-EXVIDEO.PAC.3.2.EN | Instead of video extensometer, a mechanical one can be used |
| VideoXtens | Zwick Roell | 5.28.0.0 SP2 |
References
- Ambroziak, A. Mechanical properties of Precontraint 1202S coated fabric under biaxial tensile test with different load ratios. Construction and Building Materials. 80, 210-224 (2015).
- Żerdzicki, K., Kłosowski, P., Woźnica, K. Analysis of the cyclic load-unload-reload tests of VALMEX aged fabric. Shell Structures: Theory and Applications. Pietraszkiewicz, W., Witkowski, W. , CRC Press. Boca Raton, FL. 477-480 (2017).
- Cash, C. G., Bailey, D. M. Predictive service life tests for roofing membranes: Phase 2. Durability of Building Materials and Components. , Taylor, Francis. London. (2014).
- Yin, W., et al. Aging behavior and lifetime prediction of PMMA under tensile stress and liquid scintillator conditions. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 2 (2), 82-87 (2019).
- Swedish Standards Insitute. Buildings And Constructed Assets - Service Life Planning - Part 7: Performance Evaluation For Feedback Of Service Life Data From Practice. International Organization of Standardization. , 15686-15687 (2017).
- Šaršounová, Z. The Inconveniences Related to Accelerated Thermal Ageing of Cables. Transportation Research Procedia. 40, 90-95 (2019).
- Gong, Y., et al. Comparative study on different methods for determination of activation energies of nuclear cable materials. Polymer Testing. 70, 81-91 (2018).
- Vega, A., Yarahmadi, N., Jakubowicz, I. Optimal conditions for accelerated thermal ageing of district heating pipes. Energy Procedia. 149, 79-83 (2018).
- Redondo-Iglesias, E., Venet, P., Pelissier, S. Eyring acceleration model for predicting calendar ageing of lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage. 13, 176-183 (2017).
- Panjan, P., Virtanen, V., Sesay, A. M. Determination of stability characteristics for electrochemical biosensors via thermally accelerated ageing. Talanta. 170, 331-336 (2017).
- Martin, R. Ageing of Composites. , Woodhead Publishing. (2008).
- Mouzakis, D. E., Zoga, H., Galiotis, C. Accelerated environmental ageing study of polyester/glass fiber reinforced composites (GFRPCs). Composites Part B: Engineering. 39 (3), 467-475 (2008).
- Rosato, D., Rosato, M. Plastic product material and process selection handbook. , Elsevier. Kidlington, Oxford. (2004).
- Brebu, M., et al. Study of the natural ageing of PVC insulation for electrical cables. Polymer Degradation and Stability. 67 (2), 209-221 (2000).
- Martienssen, W., Warlimont, H. Handbook of Condensed Matter and Materials Data. , Springer Berlin. Berlin. (2005).
- Berard, M. T., Daniels, C. A., Summers, J. W., Wilkes, C. E. PVC Handbook. , Munchen: Hanser. (2005).
- Rubber - or plastics-coated fabrics - Determination of tensile strength and elongation at break. , Beauth Publishing. SN EN ISO 1421 (2017).
- Systat Software, Inc. SigmaPlot 12.0 User's Guide. , (2015).
- Ambroziak, A., Kłosowski, P. Mechanical testing of technical woven fabrics. Journal of Reinforced and Plastic Composites. 32 (10), 726-739 (2013).
- Bodner, S. R., Partom, Y. Constitutive equations for elastic-viscoplastic strain-hardening materials. Journal of Applied Mechanics. 42, 385-389 (1985).
- Andersson, H. An implicit formulation of the Bodner-Partom constitutive equations. Computers and Structures. 81 (13), 1405-1414 (2003).
- Kłosowski, P., Zagubień, A., Woznica, K. Investigation on rheological properties of technical fabric "Panama". Archive of Applied Mechanics. 73 (9-10), 661-681 (2004).
- Zaïri, F., Naït-Abdelaziz, M., Woznica, K., Gloaguen, J. M. Constitutive equations for the viscoplastic-damage behaviour of a rubber-modified polymer. European Journal of Mechanics, A/Solids. 24 (1), 169-182 (2005).
- Klosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Identification of Bodner-Partom model parameters for technical fabrics. Computers and Structures. 187, (2017).
- Zerdzicki, K. Durability evaluation of textile hanging roofs materials. , Gdansk University of Technology. Ph.D Thesis (2015).
- Bystritskaya, E. V., Pomerantsev, A. L., Rodionova, O. Y. Prediction of the aging of polymer materials. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 47 (2), 175-178 (1999).
- Hukins, D. W. L., Mahomed, A., Kukureka, S. N. Accelerated aging for testing polymeric biomaterials and medical devices. Medical Engineering and Physics. 30 (10), 1270-1274 (2008).
- Zerdzicki, K., Klosowski, P., Woznica, K. Influence of service ageing on polyester-reinforced polyvinyl chloride-coated fabrics reported through mathematical material models. Textile Research Journal. 89 (8), 1472-1487 (2019).
- Klosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Influence of artificial thermal ageing on polyester-reinforced and polyvinyl chloride coated AF9032 technical fabric. Textile Research Journal. 89 (21-22), 4632-4646 (2019).
- Firdosh, S., et al. Durability of GFRP nanocomposites subjected to hygrothermal ageing. Composites Part B: Engineering. 69, 443-451 (2015).
- Le Saux, V., Le Gac, P. Y., Marco, Y., Calloch, S. Limits in the validity of Arrhenius predictions for field ageing of a silica filled polychloroprene in a marine environment. Polymer Degradation and Stability. 99 (1), 254-261 (2014).
