Summary
Здесь мы моделируем ускоренное тепловое старение технической ткани и видим, как этот процесс старения влияет на механические свойства ткани.
Abstract
Архитектурная ткань AF9032 подверглась искусственному термческому старению для определения изменений материальных параметров ткани. Предлагаемый метод основан на ускоренном подходе к старению, предложенном Аррениусом. 300 мм х 50 мм образцы были сокращены в деформации и заполнить направления и помещены в тепловой камере при 80 градусов по Цельсию на срок до 12 недель или при 90 градусов по Цельсию в течение 6 недель. Затем, после одной недели кондиционирования при температуре окружающей среды, образцы были одноразовимо натянуты при постоянной скорости напряжения. Экспериментально параметры были определены для нелинейных упругих (линейных кусковидных) и вископластических (Bodner-Partom) моделей. Были изучены изменения в этих параметрах в отношении температуры и старения. В обоих случаях функция линейного приближения была успешно применена с использованием упрощенной методологии Arrhenius. Была получена корреляция для направления заполнения между экспериментальными результатами и результатами подхода Arrhenius. Для направления деформации результаты экстраполяции продемонстрировали некоторые различия. При обеих температурах наблюдались тенденции к увеличению и снижению. Закон Arrhenius был подтвержден экспериментальными результатами только для направления заполнения. Предлагаемый метод позволяет предсказать реальное поведение ткани во время долгосрочной эксплуатации, что является критическим вопросом в процессе проектирования.
Introduction
Полиэстер основе архитектурных тканей обычно используются для строительства подвесных крыш1. Будучи относительно дешевыми с хорошими механическими свойствами, они могут быть использованы в долгосрочной эксплуатации (например, висячая крыша Лесной оперы в Сопоте - Польша). К сожалению, погодные условия, ультрафиолетовое излучение, биологические причины и эксплуатационные цели (сезон ные тренинг и ослабление2)могут повлиять на их механические свойства. Висячие крыши из AF9032, как правило, сезонные структуры подвергаются высокой температуре (особенно в солнечные дни летом), регулярное предварительное напряжение и ослабление. Для правильной конструкции подвесной крыши параметры ткани должны определяться не только в начале эксплуатации, но и после нескольких лет эксплуатации.
Анализ старения измеряет показатель старения и сравнивает начальные и конечные значения параметров для оценки воздействия старения. Cash et al.3 предложили один из самых простых методов путем сравнительного анализа 12 различных типов кровельных мембран. Эти мембраны подвергались воздействию наружного выветривания в течение 2 или 4 лет. Авторы использовали рейтинговую систему нескольких свойств для оценки долговечности ткани. Для проведения анализа полимерного теплового старения можно применять принцип временнойтемпературы (TTSP). Этот принцип гласит, что поведение материала при низкой температуре и при низком уровне деформации напоминает его поведение при высокой температуре и высоком уровне деформации. Простой мультипликативный фактор может быть использован для соотнеса текущих температурных свойств со свойствами при эталонной температуре. Графически это соответствует сдвигу кривой по шкале времени журнала. Что касается температуры, то предлагается два метода, чтобы объединить фактор смещения и температуру старения: уравнения Уильямс-Ландель-Ферри (WLF) и закон Arrhenius. Оба метода включены в шведский стандарт ISO 113465 для оценки срока службы и максимальной рабочей температуры для резиновых, или вулканизированных и термопластичных материалов. В последнее время, теплового старения и Arrhenius методологии были использованы в прогнозе жизни кабеля6,7, трубы отопления8, и полимерный клей PMMA4. Расширением закона Arrhenius является закон Айринга, который учитывает другие факторы старения (например, напряжение, давление и т.д.) 9. В качестве альтернативы, другие исследования предлагают и проверить простые линейные модели для описания старения (например, биосенсор старения10). Хотя метод Arrhenius широко используется, обсуждается его актуальность в прогнозе жизни каждого материала. Следовательно, метод должен быть использован с осторожностью, особенно с точки зрения первоначальных предположений и экспериментальныхусловий 6.
Как и большинство полимеров, полиэфирные ткани, используемые в текущих исследованиях, демонстрируют две различные переходные фазы, определяемые температурой плавления (Tm)и температурой перехода стекла (Tg). Температура плавления (Tm) - это температура, когда материал изменяется от твердого состояния к жидкому, а температура перехода стекла (Tg)является границей между стеклом и резиновыми состояниями11. По данным производителя, ткань AF9032 изготовлена из полиэфирных нитей (Tg, 100-180 х12,Т-м, 250-290 градусов по Цельсию13) и ПВХ-покрытия (Tg, 80-87 C14,15, Tm 160-260 c16). Температура старения T- должна быть выбрана ниже Tg. В солнечные дни температура на верхней поверхности подвесной крыши может достигать даже 90 градусов по Цельсию; таким образом, здесь проверяются две температуры старения (80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию). Эти температуры ниже нити Tg и близко к покрытию Tg.
В текущей работе представлена работа протокола ускоренного старения по техническим тканям. Искусственное термическое старение используется для прогнозирования изменений свойств материала. В статье иллюстрируются соответствующие процедуры лабораторного тестирования и способ экстраполировать относительно краткосрочные экспериментальные результаты.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ускоренные эксперименты по термостарению на технической ткани
- Общая подготовка
- Подготовьте испытательную машину с надлежащим программным обеспечением (для обеспечения постоянных тестов скорости напряжения) и видео-экстенсомера.
- Подготовьте тепловую камеру, обеспечивающую постоянную температуру в 80 градусов по Цельсию (1 кв. C) и 90 градусов по Цельсию (1 кв.к. ) в течение по крайней мере 12 недель.
- Подготовка образцов
- Развернуть техническую ткань AF9032 тюк. Нарисуйте нужные формы (300 мм х 50 мм) мягким карандашом или маркером на поверхности ткани параллельно варп или заполнить направление.
ПРИМЕЧАНИЕ: Распределение образцов на поверхности ткани дается в другом месте17. - Укажите направление деформации на каждый образец с помощью постоянного маркера. Вырезать образцы острым ножом или ножницами. Используйте линейку, если нож используется для резки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Образцы должны быть прямоугольными17. Основными грузоподъемными элементами ткани являются нити. На этапе эксплуатации материал покрытия обычно превышает предел своей урожайности, тем самым не принимая участия в распределении напряжения. Единственными элементами, переносимыми грузом, являются потоки, распространяющиеся от одного захвата к другому. Поэтому неразумно использовать сложные формы образцов (например, форму гантели, обычно используемую для металлов). С другой стороны, такие формы выборки приводят к необходимости специальных захватов при исследуемом конечном объеме нагрузки или использованию экстенсометра для оценки материальных параметров. - Измерьте толщину образца слайд-кадетским калибром и подсчитайте количество нитей на коротком краю образца.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждого образца, принять три измерения толщины, и вычислить среднее значение. Используйте увеличительное стекло, чтобы оценить количество потоков, если это необходимо.
- Развернуть техническую ткань AF9032 тюк. Нарисуйте нужные формы (300 мм х 50 мм) мягким карандашом или маркером на поверхности ткани параллельно варп или заполнить направление.
- Включите тепловую камеру, оставив дверь открытой. Используя кнопки и дисплей управления, выберите температуру (80 градусов по Цельсию). Закройте дверь тепловой камеры и наблюдайте за повышением температуры на панели управления.
- Потепление видов
- Когда температура близка к 80 градусам Цельсия, откройте дверь тепловой камеры. Вставьте не менее 7 комплектов образцов с каждым набором, состоящим из 6 образцов, вырезанных в направлении деформации и 6 в направлении заполнения. Закройте дверь как можно скорее, чтобы избежать понижения температуры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперименты должны проводиться для трех штаммов. Для каждого скорости напряжения, эксперименты выполняются на двух образцах в направлении деформации и два в направлении заполнения. Поместите избыточные образцы в камеру в случае, если эксперименты не увенчаются успехом или результаты обоих тестов сильно расходятся. - После 1 ч наденьте тепловые перчатки и удалите первый набор образцов (справочный набор; 6 экземпляров в направлении деформации и 6 в направлении заполнения). После каждых 2 недель, удалить последующий набор образцов из тепловой камеры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Весь процесс потепления займет 12 недель.
- Когда температура близка к 80 градусам Цельсия, откройте дверь тепловой камеры. Вставьте не менее 7 комплектов образцов с каждым набором, состоящим из 6 образцов, вырезанных в направлении деформации и 6 в направлении заполнения. Закройте дверь как можно скорее, чтобы избежать понижения температуры.
- Кондиционирование образцов
- Оставьте образцы при комнатной температуре на одну неделю. Охладить образцы до комнатной температуры (т.е. их свойства должны быть стабилизированы).
- Перед испытанием нарисуйте две черные метки (точки) с помощью постоянного маркера с продольным разделением около 50 мм (L0) в середине каждого образца.
ПРИМЕЧАНИЕ: Точки будут использоваться видео extensometer.
- Настройка машины тестирования
- Установите четыре 60 мм плоские вставки в машину тестирования, две вставки на одно сцепление. Вставки показывают тип поверхности рыбной шкалы и используются, чтобы избежать выскальзывания образцов из захватов.
- Включите машину. Запустите программное обеспечение (например, TestXpert), которое управляет машиной. Выберите программу, посвященную тензие-тестам.
- Выберите исходное положение с 200-мм сцеплением для разделения в программном обеспечении. Нажмите кнопку "Исходная позиция", чтобы выполнить 200-мм сцепление с сцеплением. Это положение захвата обычно называется исходной позицией для теста.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расстояние 200 мм требуется по стандарту ISO17.
- Установка видео-экстенсометра
- Переместите камеру видеоextensometer вдоль опорной панели, чтобы расставить объектив камеры на уровне средней части образца. Проверьте, обеспечивает ли объектив камеры четкое представление маркеров образца в течение всего эксперимента.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните аналогичный тест перед основным тестом, чтобы установить вероятный диапазон удлинения образца, чтобы гарантировать, что камера будет следовать черным маркерам в течение всего теста. - Выберите надлежащую яркость и фокус для объектива с помощью экрана компьютера и связанного с ним программного обеспечения.
- Переместите камеру видеоextensometer вдоль опорной панели, чтобы расставить объектив камеры на уровне средней части образца. Проверьте, обеспечивает ли объектив камеры четкое представление маркеров образца в течение всего эксперимента.
- Калибровка экстенсометра
ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровочное устройство является стандартным оборудованием видео extensometer.- Поместите калибровочное устройство в передней части камеры и зажмите его сцеплениями.
- Используя программное обеспечение для экстенсометера видео (например, VideoXtens), выберите правильный тип маркеров в окне Цели (обычно черно-белый).
- Выберите процедуру калибровки в программном обеспечении видеоextensometer с помощью опции Шкала и выберите расстояние калибровки в окне шкалы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расстояние должно быть похоже на разделение маркеров на образцах. Калибровочное устройство предлагает три измерения расстояния: 10, 15 и 40 мм. Из-за разделения 50 мм маркера, расстояние 40 мм является целесообразным. - После калибровки измените тип маркера на шаблон в окне Цели.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это позволяет видео extensometer следовать маркеры, указанные на образце.
- Тестовая производительность
- Подготовьте параметры тестирования в программном обеспечении TextXpert.
ПРИМЕЧАНИЕ: Подготовленная программа должна включить тест с выбранной скоростью напряжения в случае однооясного стресса. Она должна быть коррелирована с видео extensometer. Записанные параметры представляют начальное расстояние маркеров extensometer (L0), и функции результата времени, смещения захвата, расстояние маркеров текущего extensometer, и усилие. Преднагрузка 50 N17 запрограммирована, а расстояние L0 корректируется после предварительнойзагрузки. - Поместите образец вдоль основной вертикальной оси машины и закройте захваты с помощью трубчатого шпангоура.
ПРИМЕЧАНИЕ: Образец должен быть расположен симметрично к захватам в вертикальных и горизонтальных направлениях. - Выполните тесты с выбранной постоянной скоростью деформации до перерыва образцов (использовать 0,005, 0,001 и 0,0001 с-1 скорость напряжения). Для каждого напряжения скорость, проверить по крайней мере два образца в направлении деформации и заполнить направлении. Сохранить результаты теста.
ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимы следующие данные: начальное расстояние маркеров extensometer (L0), временные функции расстояния маркера extensometer, и сила.
- Подготовьте параметры тестирования в программном обеспечении TextXpert.
- Повторите шаги 1,5–1,9 каждые две недели, используя другие наборы образцов (шесть раз, до 12 недель).
- Повторите всю процедуру при 90 градусах По Цельсию. Общее количество образцов не меняется. Процесс старения длится 6 недель. Удалять и тестировать последующие наборы образцов каждую неделю.
2. Подготовка данных
- Зная область поперечного сечения образцов, используйте графическое программное обеспечение (SigmaPlot18 или аналогичный) для пересчета зарегистрированной силы и приращений к усилению силы и удлинения в соответствии с элементарной прочностью материальных уравнений к отношениям напряжения-напряжения. Участок график полученных данных, отдельно, для деформации и заполнить образцы и для каждого из штаммов ставки.
- Повторите для 80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию.
3. Идентификация параметров материальных моделей
- Piecewise линейная модель для нелинейного эластного моделирования
ПРИМЕЧАНИЕ: Применение частичной линейной материальной модели возможно, когда кривая напряжения может быть разделена на секции линейных (или приблизительно линейных) форм. Определенные пункты пересечения линий на соседних участках соответствуют диапазонам применимости соответствующих линий19.- В случае каждой кривой, полученной в шаге 2.1, найдите диапазоны штаммов, обнаруживая линейное или близкое к линейной связи напряжения.
- Используя опцию регрессии в программном обеспечении для графиков и наименьший квадратный метод, определите наиболее подходяющую линию в выбранном регионе.
ПРИМЕЧАНИЕ: Касательная к этой кривой соответствует жесткости материала в определенном диапазоне. - Обозначите касательную как Eij, где индекс i соответствует текущему направлению материала (W для направления деформации и F для направления заполнения), а индекс j является последовательным числом идентифицированной строки.
- Имея параметры всех линий, найдите точки пересечения между линиями; обозначают их какк/л, где k и l отмечают пересечение линий.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эти точки(к/ л) составляют диапазоны штаммов для применения конкретных значений продольной жесткости (Eij) (Рисунок 1).
- Боднер-Партом вископластическая модель
ПРИМЕЧАНИЕ: Bodner-Partom constitutive закон используется для отражения эласто-вископластического поведения различных материалов20,21. Основы и математическая формулировка модели приведена подробно в другом месте20,21,22,23,24,25. Элементарные уравнения представлены в таблице 1 только для моделирования состояния однооясного стресса. Параметры модели Bodner-Partom определяются с помощью однооясных тестов, проводимых по крайней мере с тремя различными показателями напряжения. Значение скорости деформации должно быть постоянным, по крайней мере, в неупругой части эксперимента. Полная процедура идентификации модели Bodner-Partom, измененная для технических тканыхтканей,широкопредставлена 24,25.- Используя программное обеспечение для графиков, определите параметры модели Bodner-Partom вслед за Klosowski et al.24.
4. Экстраполяция Аррениуса
ПРИМЕЧАНИЕ: Закон Arrhenius основан на эмпирических наблюдениях, что повышение температуры окружающей среды приводит к ускорению ряда химических реакций, которые могут ускорить процесс старения, а также. Полное математическое представление концепции химической реакции Arrhenius можно найти в другом месте11,26. Закон Arrhenius в упрощенной форме называется "правило 10 градусов"27. Согласно этому правилу, окружающее повышение температуры примерно на 10 градусов по Цельсию теоретически удваивает скорость процесса старения. Таким образом, скорость реакции f определяется следующимобразом:
где T T - Tref является разница между температурой старения T и температурой обслуживания Tреф материала.
- Предположим, температура Tреф в соответствии со средним значением на основе результатов местной метеорологической станции (здесь, Tреф No 8 C28). Предположим, что температура тепловой камеры T будет использоваться в тесте на старение (здесь, 80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию).
ПРИМЕЧАНИЕ: Уровень температуры должен быть зарегистрирован в течение более длительного периода времени, по крайней мере один год, а затем рассчитывается как среднее значение этого периода, в результате чего среднее время этого периода, принятых как Tref. - Рассчитайте скорость реакции постоянной f от уравнения 1, а затем экстраполировать время старения (выраженное в неделях) на годы(таблица 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Эффекты экстраполяции различных периодов времени старения, проведенные в рамках текущих исследований, представлены в таблице 3. Например, термическое старение образца в течение 4 недель при 90 градусах Цельсия равно его старению в 8 недель при 80 градусах Цельсия и соответствует естественному старению примерно 23 лет.
5. Представление данных
- Представление полученных значений параметров в нормализованной форме X/X0,где X обозначает текущее значение определенного параметра, а X0 соответствует первоначальному значению этого параметра, в отношении образца в возрасте 1 часа.
ПРИМЕЧАНИЕ: Время искусственного теплового старения устанавливается в часах. - Значения участка X/X0 на оси Y по сравнению со временем старения, нарисованные на оси X, чтобы показать эволюцию параметров. Подготовьте участки для деформации и заполните направления проверенного материала отдельно.
- Опишите значения параметров, начертанные с течением времени линейными функциями (или различными наилучшими функциями), используя наименьший квадратный метод, и сообщите о значениях R2.
- Чтобы оценить, является ли упрощенное отношение Arrhenius правильным для ткани AF9032, перерисуйте результаты, полученные за 90 градусов по Цельсию в отношении времени старения, пересчитанных в "реальное" время в соответствии с законом Arrhenius.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 2 сопоставляет кривые напряжения для деформации и заполняет направления ткани AF9032, полученные в разное время старения, при температуре 80 градусов по Цельсию для напряжения 0,001 с-1. Разница между 1 h период старения (справочный тест) и остальные периоды старения очевидна. Время старения, кажется, не существенно влияет на материальную реакцию в направлении деформации, так как кривые напряжения и напряжения очень повторяются, не показывая никаких важных различий в конечной прочности растяжения (UTS). Он остается вразрез с поведением наблюдается для заполнения направлении, где UTS гораздо ниже в случае искусственно выдержанного образца, чем в нестареющем случае. Кроме того, достигшие кривые напряжения и напряжения обнаруживают различные траектории, когда штаммы превышают 0,06.
Результаты, полученные при различных уровнях температуры и экстраполяции результатов для более высокого уровня температуры, представленные на одном графике, сжимаются все данные, касающиеся конкретного параметра. Если кривые, представляющие эволюцию параметров в обеих температурах в течение времени старения, попадают в одну и ту же траекторию, это подтверждает, что полученные значения параметров фактически следуют уравнению Arrhenius. Если линии параллельны, это предполагает, что необходимы дополнительные эксперименты для объяснения наблюдаемого явления или что некоторые коэффициенты коррекции должны быть введены в результаты на одном уровне температуры, чтобы результаты в обеих температурах падают в один Путь.
Вариационные изображения пВХ покрытие жесткости и заполнить конечной штаммов на время старения находятся в Рисунок 3 и Рисунок 4, соответственно. Экспериментальные результаты при двух температурах 80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию представлены на рисунке 3a и рисунке 4a. До24 года было доказано, что первая линейная часть экспериментальной кривой напряжения напряжения простого теста на растяжение (обозначенного здесь как EF0)соответствует жесткости технического покрытия ткани из ПВХ. Результаты, полученные при температурном уровне 90 градусов по Цельсию экстраполируются в часах до 12 недель (2000 часов) и пересчитаны в "реальные" годы в соответствии с упрощенным отношением Arrhenius нарисованы на том же графике для сравнения результатов(рисунок 3b и Рисунок 4b).
Эволюция жесткости покрытия ПВХ в течение времени старения является почти линейным при температурных уровнях 80 градусов по Цельсию и 90 градусов с постоянным приращением во времени, гораздо больше в 90 градусов по Цельсию, чем в 80 градусов по Цельсию. Это явление свидетельствует о том, что ПВХ подвергается относительно высокой температуре претерпевает изменения, приводящие к росту его жесткости, как эффект ускоренного старения. Такое поведение, возможно, вызвано физическим старением, специфичным для полимерных материалов, таких как технические ткани. Конечные значения напряженных штаммов (-ult)демонстрируют тенденцию к снижению времени старения в направлении заполнения и уровнях температуры 80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию. Для направления деформации значения UTS не показывают значительных изменений во времени старения. С другой стороны, конечная напряженная штаммов (яult) уменьшается в 80 градусов по Цельсию и расти в 90 градусов по Цельсию.
Такая же процедура используется для решения параметров модели Bodner-Partom. Здесь параметр затвердевания м1 в направлении деформации и параметр вязкости n в направлении заполнения представлены на рисунке 5 и рисунке 6соответственно.
Окончательные результаты исследования представляют собой наборлинейных функций, которые представляют определенные материальные параметры или свойства ткани в течение времени старения. После этого были определены все основные механические свойства (жесткость, предел урожайности, конечное напряжение и напряжение) и параметры модели Bodner-Partom (n, D0,D1, R0,R1,m1, m2) были собраны, собраны при температурных уровнях 80 и 90 градусов по Цельсию и проанализированы с помощью методологии экстраполяции Arrhenius29.
Линии приближения, соответствующие параметрам на протяжении всего времени старения, сворачиваются до одной строки для UTS,ult,m1 в случае направления заполнения. Другие линии приближения параметров в времени старения демонстрируют параллельные тенденции без коллапса до одной линии.
В случае направления деформации только линии приближения UTS, EW2 и m1 рухнут в одну линию, в то время как другие параметры не показывают ни четкой тенденции, ни параллельного характера кривых. Все значения параметров во времени старения для направления заполнения выражают параллельные тенденции или разрушаются до одной линии. Таким образом, подход упрощенного уравнения Arrhenius, показанный в настоящей статье, был доказан только для этого направления.
Рисунок 1: Схематическое представление почастям линейной модели для ткани AF9032. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Воздействие в случае термостарения при 80 градусах По Цельсию на стресс-напряжение ответ в деформации и заполнить направления ткани AF9032, для скорости напряжения 0,01 s-1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Тяжесть покрытия ПВХ в разное время старения в часах (красные и синие линии) (а); значения жесткости, полученные при 90 градусах По Цельсию, пересчитанные во время года в соответствии с упрощенным уравнением Arrhenius (синие линии) для направления заполнения ткани AF9032 (b). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Окончательные штаммы покрытия ПВХ в разное время старения в (красные и синие линии), эксперименты (а); конечные значения штаммов, полученные при 90 градусах По Цельсию, пересчитанные во время года в соответствии с упрощенным уравнением Arrhenius (синие линии) в направлении заполнения AF9032 (b). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Коэффициент Боднер-Партом изотропного затвердевания м1 в разное время старения в часах (красные и синие линии), эксперименты (а); коэффициент изотропного затвердевания м1 значения, полученные при 90 градусах Цельсия, пересчитанных во времени в течение многих лет в соответствии с упрощенным уравнением Arrhenius (синие линии) в направлении деформации AF9032 (b). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: Параметр чувствительности скорости деформации Bodner-Partom n в разное время старения в часах (красные и синие линии) экспериментов (a); и значения чувствительности скорости напряжения n полученные для 90 c пересчитанных к времени в летах согласно упрощенному уравнению Arrhenius (синие линии) для направления заполнения AF9032 (b). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Коэффициент неупругой деформации |  |
| Коэффициент неупругой деформации cumulated |  |
| Дополнительные уравнения |  |
| Изотропное затвердевание |  |
| Кинематическое закаливание |  |
| Материальные параметры |  |
Таблица 1: Уравнения Базир Боднер-Партом в одноаксиальном состоянии.
| Переменной | Tрефери | T | Δt | F | Пример расчета за 4 недели старения |
| Формулировка | - | - | T-Tref | 2(КТ/10) | f-4/52 |
| Единицы | °c | °c | °c | [-] | (годы) |
| Результаты | 8 | 80 | 72 | 147 | 11.3 |
| 90 | 82 | 294 | 22.6 |
Таблица 2: Пример расчетов упрощенного уравнения Arrhenius.
| Время выстывания лаборатории (недели) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| Время в соответствии с Аррениусом (годы) | 80 кв. 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 кв. | (5.7) | (11.3) | (17.0) | (22.6) | (28.3) | (33.9) | 39.6 | 45.2 | 50.9 | 56.6 | 62.2 | 67.9 | ||
| ( ) отмечает старение испытаний, проведенных в настоящем исследовании и используется для определения параметров. | ||||||||||||||
Таблица 3: Экстраполяция времени старения пересчитана с уравнением Arrhenius при температурных уровнях 80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Эта статья incudes подробный экспериментальный протокол для имитации лаборатории ускоренных экспериментов на полиэстер аранее и ПВХ покрытием тканей для гражданского строительства приложений. Протокол описывает случай искусственного теплового старения только путем повышения температуры окружающей среды. Это очевидное упрощение реальных погодных условий, поскольку уф-излучение и влияние воды играют дополнительную роль в старении материальных служб.
Как правило, условия ускоренного старения, выполняемые в лаборатории, должны быть максимально приближены к истинным погодным и сервисным условиям проверенного материала. Например, материалы, используемые в аэрокосмических или морских структурах, подвергаются гидротермативному старению, когда влажность и температура в первую очередь действуют на прочность материала30,31. Что касается уровня деградации батареи, то обычно контролируются два фактора старения: температура и состояние заряда9. В изоляции электрических кабелей, помимо температуры, необходимо включить различное напряжение и уровень стресса, при этом выполняя ускоренное лабораторное старение14. Однако тепловой тип ускоренного старения является наиболее распространенным, поэтому его легко отразить в лаборатории. Калибровка полученных результатов с помощью наружных данных выдержанного материала службы создает надежный инструмент для прогнозирования будущего поведения текстильных тканей или других материалов.
Недостатком представленного метода является количество проверенных образцов. Поскольку проводятся одноаксиальные эксперименты с тремя различными постоянными частотами, в каждом материальном направлении были протестированы два образца для каждого случая нагрузки. Поскольку анализ должен охватывать как деформацию, так и заполнять направления ткани, проверенные на двух уровнях температуры, с интервалом по крайней мере 5 стареющих временных интервалов, требуется большое количество образцов. К счастью, результаты очень повторяющиеся, отображая очень похожие тенденции; поэтому полученные результаты считаются надежными, даже если два образца проходят испытания только в одних и тех же условиях.
Процедура проведения однооаксиальных тестов с постоянными нагрузками и с регистрацией данных видео-смятения представлена тщательно. Европейский национальный стандарт1 не требует использования экстенсометра для тестирования технических тканей. Поэтому предлагаемый протокол является более точным, чем стандартные требования; таким образом, полученные данные являются более точными.
Предлагаемый протокол позволяет определить материальные параметры тканей в будущем; поэтому, это подходящий инструмент в дизайне. Метод был успешно проверен в ходе исследования подвесной крыши Лесной оперы в Сопоте. Образцы полиэстера усилены, а ткани с покрытием из ПВХ были собраны с крыши после 20 лет эксплуатации. Образцы нестарееемого материала были также получены от того же производителя. Оба типа образцов проходили через одни и те же лабораторные эксперименты и процедуры идентификации параметров. Результаты были представлены параметрами линейной и bodner-Partom моделей. Тенденции, наблюдаемые в механическом поведении материала из Лесной оперы, напоминают тенденции, обнаруженные в случае теплового старения. Таким образом, результаты, представленные здесь, были подтверждены испытаниями ткани после 20 лет службы28. Тем не менее в отношении других видов технических тканей могут потребоваться некоторые изменения предлагаемого метода, поэтому экспериментальный протокол должен быть надлежащим образом скорректирован.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Публикация этой работы была поддержана факультетом гражданского и экологического проектирования Гданьского технологического университета.
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).
