Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Kunstig termisk aldring av polyesterforsterket og polyvinylkloridbelagt teknisk stoff

Published: January 29, 2020 doi: 10.3791/60737
Automatic Translation
1, 1, 2
1Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdansk University of Technology, 2Laboratoire de Mecanique Gabriel Lame, Institut National des Sciences Appliquees Centre Val de Loire

Summary

Her simulerer vi akselerert termisk aldring av teknisk stoff og ser hvordan denne aldringsprosessen påvirker stoffets mekaniske egenskaper.

Abstract

Arkitektonisk stoff AF9032 har blitt utsatt for kunstig termisk aldring for å bestemme endringer i materialet parametere av stoffet. Den foreslåtte metoden er basert på den akselererte aldringstilnærmingen foreslått av Arrhenius. 300 mm x 50 mm prøver ble kuttet i warp og fylle retninger og plassert i et termisk kammer ved 80 ° C i opptil 12 uker eller ved 90 ° C i opptil 6 uker. Så etter en uke med kondisjonering ved omgivelsestemperatur, ble prøvene uniaxially strammet med en konstant belastningshastighet. Eksperimentelt ble parametrene bestemt for de ikke-lineære elastiske (lineære stykkevis) og viskoplastmodeller (Bodner–Partom). Endringer i disse parametrene ble studert med hensyn til aldringstemperatur og aldringsperiode. I begge tilfeller ble den lineære tilnærmingsfunksjonen brukt ved hjelp av den forenklede metodikken til Arrhenius. En korrelasjon ble oppnådd for fyllretningen mellom eksperimentelle resultater og resultatene fra Arrhenius-tilnærmingen. For warp retning, ekstrapolering resultatene viste noen forskjeller. Økende og avtagende tendenser har blitt observert ved begge temperaturene. Arrhenius-loven ble bekreftet av de eksperimentelle resultatene bare for fyllretningen. Den foreslåtte metoden gjør det mulig å forutsi reell stoffatferd under langsiktig utnyttelse, noe som er et kritisk problem i designprosessen.

Introduction

Polyesterbaserte arkitektoniske stoffer brukes vanligvis til bygging av hengende tak1. Å være relativt billig med gode mekaniske egenskaper, kan de brukes i langsiktig utnyttelse (f.eks. det hengende taket på Skogoperaen i Sopot - Polen). Dessverre kan værforhold, ultrafiolett stråling, biologiske årsaker og operasjonelle formål (sesongpre-stressing og løsne2)påvirke deres mekaniske egenskaper. Hengende tak laget av AF9032 er vanligvis sesongmessige strukturer utsatt for høy temperatur (spesielt i solfylte dager om sommeren), vanlig pre-stramming og løsning. For å kunne utforme et hengende tak, må stoffparametere bestemmes ikke bare i begynnelsen av utnyttelsen, men også etter flere års bruk.

Aldringsanalyse måler aldringsindikatoren og sammenligner de opprinnelige og endelige verdiene av parametrene for å vurdere effekten av aldring. Cash et al.3 foreslo en av de enkleste metodene ved komparativ analyse av 12 forskjellige typer taktekking membraner. Disse membranene ble utsatt for utendørs forvitring i 2 eller 4 år. Forfatterne brukte et rangeringssystem av flere egenskaper for å vurdere stoff holdbarhet. For å gi en analyse av polymer termisk aldring, kan tidstemperaturen superposisjon prinsippet (TTSP) brukes4. Dette prinsippet sier at oppførselen til et materiale ved lav temperatur og under lavt belastningsnivå ligner sin oppførsel ved høy temperatur og høyt belastningsnivå. Den enkle multiplikative faktoren kan brukes til å relatere gjeldende temperaturegenskaper med egenskapene ved referansetemperaturen. Grafisk tilsvarer det kurveskiftet på loggtidsskalaen. Når det gjelder temperaturen, foreslås to metoder for å kombinere skiftfaktoren og aldringstemperaturen: Williams-Landel-Ferry (WLF) ligninger, og Arrhenius-loven. Begge metodene er inkludert i den svenske standarden ISO 113465 for å estimere levetiden og maksimal driftstemperatur for gummi, eller vulkanisert og termoplastisk, materialer. Nylig har termisk aldring og Arrhenius metodikk blitt brukt i kabelens levetid prediksjon6,7, varmerør8, og polymer lim PMMA4. En forlengelse av Arrhenius-loven er Eyring-loven som tar hensyn til andre aldringsfaktorer (f.eks. spenning, trykk osv.) 9. Alternativt foreslår og verifiserer andre studier enkle lineære modeller for en beskrivelse av aldring (f.eks. biosensor aldring10). Selv om Arrhenius-metoden ofte brukes, er det diskusjon om relevansen i livstidsprediksjonen av hvert materiale. Derfor må metoden brukes med forsiktighet, spesielt når det gjelder innledende forutsetninger og eksperimentelle forhold6.

I likhet med de fleste polymerer viser polyesterstoffene som brukes i dagens forskning to forskjellige overgangsfaser definert av smeltetemperaturen (Tm)og glassovergangstemperaturen (Tg). Smeltetemperaturen (Tm) er temperaturen når et materiale endres fra sin faste tilstand til væsken, og glassovergangstemperaturen (Tg) er grensen mellom glass- og gummitilstandene11. Ifølge produsentens data er AF9032-stoffet laget av polyestertråder (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250–290 °C13) og PVC-belegg (Tg = 80–87 °C14,15, Tm = 160-260 °C16). Alderstemperatur Tα bør velges under Tg. Under solfylte dager kan temperaturen på den øverste overflaten av et hengende tak til og med nå 90 °C; Dermed testes to aldringstemperaturer (80 °C og 90 °C) her. Disse temperaturene er under tråden Tg og nær belegget Tg.

Ytelsen til den akselererte aldringsprotokollen på tekniske stoffer presenteres i dagens arbeid. Kunstig termisk aldring brukes til å forutsi endringer i materialegenskapene. Artikkelen illustrerer passende laboratorietestrutiner og en måte å ekstrapolere relativt kortsiktige eksperimentelle resultater på.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Akselerert termisk aldring eksperimenter på teknisk stoff

  1. Generell forberedelse
    1. Forbered en testmaskin med riktig programvare (for å gi konstant belastningsfrekvenstester) og et videoekstisometer.
    2. Forbered et termisk kammer som gir konstant temperatur på 80 °C (± 1 °C) og 90 °C (±1 °C) i minst 12 uker.
  2. Prøveforberedelse
    1. Rull ut det tekniske stoffet AF9032 bale. Tegn de ønskede figurene (300 mm x 50 mm) med en myk blyant eller markør på stoffoverflaten parallelt med dreinings- eller fyllretningen.
      MERK: Fordelingen av prøver på stoffoverflaten gis andre steder17.
    2. Angi fordreiningsretningen på hver prøve med en permanent markør. Klipp prøvene med en skarp kniv eller saks. Bruk linjalen hvis en kniv brukes til kutting.
      MERK: Prøvene skal rektangulære17. De store last-omsorgsfulle elementene i stoffet er tråder. I driftsfasen overskrider beleggmaterialet vanligvis sin kapasitetsgrense, og deltar dermed ikke i stressfordelingen. De eneste elementene som bærer lasten er tråder som sprer seg fra ett grep til et annet. Derfor er det ikke rimelig å bruke sofistikerte former av prøver (f.eks. en dumbbell form som vanligvis brukes til metaller). På den annen side resulterer slike prøveformer i behovet for spesielle grep når den ultimate belastningen undersøkes, eller bruk av et extensometer for å vurdere materialparametere.
    3. Mål prøvens tykkelse med en lysbildekaliper og tell antall tråder på kortkanten av prøven.
      MERK: For hver prøve tar du tre tykkelsesmålinger og beregner gjennomsnittsverdien. Bruk forstørrelsesglasset til å vurdere antall tråder om nødvendig.
  3. Slå på termalkammeret, slik at døren er åpen. Bruk knappene og kontrollvisningen til å velge temperaturen (80 °C). Lukk døren til varmekammeret og følg temperaturøkningen på kontrollpanelet.
  4. Prøveoppvarming
    1. Når temperaturen er nær 80 °C, åpner du døren til det termiske kammeret. Sett inn minst 7 sett med prøver med hvert sett bestående av 6 prøver kuttet i warp retning og 6 i fyllretningen. Lukk døren så snart som mulig for å unngå et temperaturfall.
      MERK: Eksperimentene skal utføres for tre belastningsrater. For hver belastningsfrekvens utføres eksperimenter på to prøver i warp-retningen og to i fyllretningen. Plasser overskytende prøver i kammeret i tilfelle forsøkene ikke lykkes eller resultatene fra begge testene er svært divergerende.
    2. Etter 1 t, ta på deg termiske hansker og fjern det første settet med prøver (referansesettet; 6 prøver i warp-retning og 6 i fyllretningen). Etter hver 2 uker, fjern et etterfølgende sett med prøver fra det termiske kammeret.
      MERK: Hele oppvarmingsprosessen vil ta 12 uker.
  5. Prøvekondisjonering
    1. La prøvene stå ved romtemperatur i en uke. Avkjøl prøvene til romtemperatur (dvs. deres egenskaper bør stabiliseres).
    2. Før testen tegner du to svarte merker (prikker) ved hjelp av en permanent markør med en langvarig separasjon på ca. 50 mm (L0) midt i hver prøve.
      MERK: Prikkene vil bli brukt av videoextensometeret.
  6. Oppsett av testing av maskin
    1. Monter fire 60 mm flate innsatser i testmaskinen, to innsatser per ett grep. Innsatsene viser en overflatetype for fiskeskala og brukes til å unngå å skli prøvene ut av grepene.
    2. Slå på maskinen. Start programvaren (f.eks. TestXpert) som styrer maskinen. Velg programmet dedikert til strekktester.
    3. Velg startposisjonen med et 200 mm grep for å gripe separasjon i programvaren. Klikk startposisjon-knappen for å utføre 200 mm grep for å gripe separasjon. Denne gripeposisjonen kalles vanligvis startposisjonen for en test.
      MERK: Avstanden på 200 mm kreves av ISO-standarden17.
  7. Oppsett av videoextensometer
    1. Flytt kameraet på videoextensometeret langs støttelinjen for å plassere objektivet på kameraet på nivået av den midterste delen av prøven. Kontroller om objektivet på kameraet gir en klar visning av prøvemarkørene under hele eksperimentet.
      MERK: Utfør en lignende test før hovedtesten for å etablere det sannsynlige prøveforlengelsesområdet for å sikre at kameraet følger de svarte markørene under en hel test.
    2. Velg riktig lysstyrke og fokus for objektivet ved hjelp av dataskjermen og den tilhørende programvaren.
  8. Video extensometer kalibrering
    MERK: Kalibreringsenheten er standardutstyret til videoextensometeret.
    1. Sett kalibreringsenheten foran på kameraet og klem den fast med håndtakene.
    2. Bruk av videoextensometer-programvaren (f.eks. VideoXtens), velg riktig type markører i Mål-vinduet (vanligvis svart-hvitt).
    3. Velg kalibreringsprosedyren i videoextensometer-programvaren ved hjelp av alternativet Skaler, og velg kalibreringsavstanden i Skala-vinduet.
      MERK: Avstanden skal være lik separasjon av markører på prøvene. Kalibreringsenheten har tre måleavstander: 10, 15 og 40 mm. På grunn av 50 mm markørseparasjon er 40 mm-avstanden hensiktsmessig.
    4. Etter kalibrering endrer du markørtypen til Mønster i Mål-vinduet.
      MERK: Dette gjør det mulig for videoextensometer å følge markørene som er angitt på prøven.
  9. Testytelse
    1. Klargjør testparameterne i TextXpert-programvaren.
      MERK: Det forberedte programmet må aktivere en test med en valgt belastningsrate i uniaxial stresstilfelle. Det må være korrelert med videoextensometer. De registrerte parametrene er den første avstanden til extensometer markører (L0), og resultatfunksjoner av tid, grep forskyvninger, gjeldende extensometer markører avstand, og kraft. Forhåndslastkraften på 50 N17 er programmert og L0-avstanden justeres etter forhåndslasting.
    2. Sett prøven langs maskinens hovedvertikale akse og lukk grepene ved hjelp av den rørformede nøkkelen.
      MERK: Prøven må plasseres symmetrisk til grepene i vertikale og horisontale retninger.
    3. Utfør testene med den valgte konstante belastningshastigheten til prøvene brytes (bruk 0,005, 0,001 og 0,0001 s-1 belastningsfrekvens). For hver belastningshastighet, test minst to prøver i warp retning og fylle retning. Lagre testresultatene.
      MERK: Følgende data er nødvendige: den første avstanden til extensometer markører (L0), tidsfunksjoner av extensometer markør avstand, og kraften.
  10. Gjenta trinn 1.5−1.9 annenhver uke ved hjelp av de andre settene med prøver (seks ganger, opptil 12 uker).
  11. Gjenta hele prosedyren ved 90 °C. Det totale antallet prøver endres ikke. Aldringsprosessen varer 6 uker. Fjern og test etterfølgende sett med prøver hver uke.

2. Dataklargjøring

  1. Å kjenne tverrsnittsområdet til prøvene, bruk graferprogramvare (SigmaPlot18 eller lignende) til å beregne de registrerte kraft- og forlengelsesintervallene i henhold til elementær styrke av materielle ligninger til stressbelastningsrelasjonene. Plott en graf over innhentet data, separat, for warp og fyll prøver og for hver av belastningsfrekvensene.
  2. Gjenta for resultatene på 80 °C og 90 °C.

3. Parameter identifikasjon av materialmodeller

  1. Stykkevis lineær modell for ikke-lineær elastisk modellering
    MERK: Anvendelsen av den stykkevis lineære materialmodellen er mulig når stressbelastningskurven kan deles inn i deler av lineære (eller omtrent lineære) former. Spesielle krysningspunkter for linjene i nærliggende seksjoner tilsvarer anvendelsesområder for de relaterte linjene19.
    1. I tilfelle av hver kurve oppnådd i trinn 2.1, finne belastningsområdene, oppdage lineær eller nær lineær stress-belastning forhold.
    2. Bruk tilpasningsalternativet i grafprogramvaren og den minst firkantede metoden, identifiser den best tilpassede linjen i den valgte regionen.
      MERK: Tangent en kurve tilsvarer stivheten i materialet i et bestemt område.
    3. Betegn tangent som Eij hvor indeksen jeg tilsvarer den nåværende retningen på materialet (W for warp retning og F for fyllretning) og indeksen j er et påfølgende antall av den identifiserte linjen.
    4. Å ha parametere for alle linjene, finn skjæringspunktet mellom linjene; betegne dem som εk/ l, hvor k og l markerer krysset linjer.
      MERK: Disse punktene (εk/l)utgjør belastningsområdene for å bruke de spesielle langsgående stivhetsverdiene (Eij) (Figur 1).
  2. Bodner–Partom viscoplastic modell
    MERK: Bodner–Partom-konstitutiv lov brukes til å gjenspeile elasto-viscoplastisk oppførsel av ulike materialer20,21. Det grunnleggende og matematiske formuleringen av modellen er gitt i detalj andre steder20,21,22,23,24,25. De elementære ligningene presenteres i tabell 1 bare for å modellere uniaxial stresstilstand. Bodner-Partom-modellparametrene identifiseres ved hjelp av uniaxial strekktester utført med minst tre forskjellige belastningsrater. Verdien av belastningshastigheten må være konstant i det minste i den uelastiske delen av eksperimentet. Den komplette Bodner-Partom modell identifikasjonsprosedyre modifisert for tekniske vevde stoffer er allment presentert24,25.
    1. Bruk av grafprogramvaren, identifiser Bodner–Partom-modellparametere etter Klosowski et al.24.

4. Arrhenius ekstrapolering

MERK: Arrhenius-loven er basert på en empirisk observasjon om at omgivelsestemperaturen øker resulterer i akselerasjon av en rekke kjemiske reaksjoner som også kan fremskynde aldringsprosessen. Den fullstendige matematiske representasjonen av arrhenius kjemisk reaksjonkonseptet finnes andre steder11,26. Arrhenius-loven i forenklet form kalles "10 graders regelen"27. Ifølge denne regelen, en omgivende temperaturøkning på ca 10 ° C teoretisk dobler frekvensen av aldringsprosessen. Derfor er reaksjonshastigheten f definert som følger17:

Equation 1

der ΔT = T - Tref er forskjellen mellom aldringstemperatur T og tjenestetemperatur Tref av et materiale.

  1. Anta temperaturen Tref i henhold til den gjennomsnittlige verdien basert på resultatene av den lokale meteorologiske stasjonen (her, Tref = 8 ° C28). Anta termisk kammertemperatur T som skal brukes i aldringstesten (her, 80 °C og 90 °C).
    MERK: Temperaturnivået skal registreres i lengre tid, minst ett år, og deretter beregnes som gjennomsnittsverdien for denne perioden, noe som gir et tidsgjennomsnitt av denne perioden tatt som Tref.
  2. Beregn reaksjonshastigheten konstant f fra ligning 1 og deretter ekstrapolere aldringstiden (uttrykt i uker) til år (Tabell 2).
    MERK: Ekstrapoleringeffektene av ulike aldringsperioder utført i dagens forskning presenteres i tabell 3. For eksempel er termisk aldring av en prøve i 4 uker ved 90 °C lik aldringen i 8 uker ved 80 °C og tilsvarer en naturlig aldring på ca. 23 år.

5. Datarepresentasjon

  1. Presenter de oppnådde parameterverdiene i normalisert form av X/X0, der X betegner en gjeldende verdi for den bestemte parameteren og X0 tilsvarer den opprinnelige verdien av denne parameteren, med hensyn til en prøve bare i alderen 1 time.
    MERK: Tiden for kunstig termisk aldring er satt opp i timer.
  2. Plot X/X0-verdier på Y-aksen kontra aldringstiden som er plottet på X-aksen, for å vise utviklingen av parameterne. Forbered tomter for warp og fylle retninger av det testede materialet separat.
  3. Beskriv parameterverdiene som er plottet over tid av lineære funksjoner (eller forskjellige best-fit-funksjoner) ved hjelp av de minst firkantede metoden og rapport R 2-verdiene.
  4. For å vurdere om arrhenius forenklet forhold er riktig for AF9032 stoff, tegne resultatene oppnådd for 90 ° C med hensyn til aldringstiden beregnet på nytt til "ekte" tid i henhold til Arrhenius-loven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 sidestiller stressbelastningskurvene for warp og fyllretninger av AF9032 stoff oppnådd ved forskjellige aldringstider, i 80 ° C temperaturnivået for en belastningshastighet på 0,001 s-1. Forskjellen mellom 1 t aldringsperioden (referansetest) og resten av aldringsperiodene er klar. Aldringstiden ser ikke ut til å påvirke den materielle responsen i warp-retningen, da stress-belastningskurvene er svært repeterende, og viser ingen viktige forskjeller i den ultimate strekkstyrken (UTS). Det forblir i strid med oppførselen som observeres for fyllretningen, hvor UTS er mye lavere i tilfelle kunstig aldrende prøver enn i det uformede tilfellet. Videre oppdager de oppnådde stress-belastningskurvene divergerende baner når stammene overstiger 0,06.

Resultatene oppnådd på ulike temperaturnivåer og ekstrapolering av resultatene for et høyere temperaturnivå presentert i en graf komprimerer alle dataene om en bestemt parameter. Hvis kurvene som representerer utviklingen av parametrene i begge temperaturer over aldringstiden faller inn i samme bane, bekrefter den at de oppnådde parameterverdiene faktisk følger Arrhenius-ligningen. Hvis linjene er parallelle, tyder det på at flere eksperimenter er nødvendige for å forklare det observerte fenomenet, eller at noen korreksjonskoeffisienter skal introduseres til resultatene på ett temperaturnivå for å få resultatene til at begge temperaturene faller inn i ett Banen.

Variasjonsbilder av PVC belegg stivhet og fylle ultimate stammer over aldringstiden er i figur 3 og figur 4,henholdsvis. De eksperimentelle resultatene ved to temperaturnivåer på 80 °C og 90 °C presenteres i figur 3a og figur 4a. Det ble bevist før24 at den første lineære delen av den eksperimentelle stress-belastning kurven av en enkel strekktest (betegnet her som EF0) tilsvarer stivheten av teknisk stoff belegg laget av PVC. Resultatene oppnådd ved temperaturnivået på 90 °C ekstrapolert i timer til 12 uker (2000 timer) og beregnet på nytt til "reelle" år i henhold til arrhenius forenklet relasjon trekkes i samme graf for å sammenligne resultatene(Figur 3b og figur 4b).

Utviklingen av stivhet av PVC belegg over aldringstid er nesten lineær ved temperaturnivåer på 80 ° C og 90 ° C med en konstant økning i tid, mye større i 90 ° C enn i 80 ° C. Dette fenomenet tyder på at PVC utsatt for relativt høy temperatur gjennomgår endringer som resulterer i veksten av stivheten, som en effekt av akselerert aldring. Denne oppførselen er muligens forårsaket av fysisk aldring, spesifikk for polymermaterialer, som tekniske stoffer. De ultimate strekkstammene (εult) viser en avtagende trend over aldringstid i fyllretningen og temperaturnivået på 80 °C og 90 °C. For warp-retningen viser UTS-verdiene ingen signifikant variasjon over aldringstid. På den annen side reduseres de ultimate strekkstammene (εult)i 80 °C og vokser i 90 °C.

Den samme prosedyren har blitt brukt til å håndtere bodner-partom modellparametere. Her presenteres herdingsparameteren m1 i fordreiningsretningen og viskositetsparameteren n i fyllretningen i henholdsvis figur 5 og figur 6.

De endelige forskningsresultatene er sett med lineære funksjoner, som representerer visse materialparametere eller stoffegenskaper over aldringstid. Etter dette ble alle de grunnleggende mekaniske egenskapene (stivhet, kapasitetsgrense, ultimat strekkstress og belastning) og Bodner-Partom-modellparametere (n, D0,D1,R0,R1, m1, m2) identifisert, satt sammen ved temperaturnivåer på 80 °C og 90 °C og analysert ved hjelp av Arrhenius ekstrapoleringmetodikk29.

Tilnærmingslinjene som tilsvarer parametertrendene gjennom aldringstiden kollapser til én linje for UTS, εult, m1 i tilfelle fyllretning. Andre parameter tilnærmingslinjer i aldringstid viser parallelle tendenser uten å kollapse til en linje.

I tilfelle av warp retning, bare tilnærming linjer av UTS, EW2 og m1 kollapse i en linje, mens andre parametere viser verken klar tendens eller parallell karakter av kurvene. Alle parameterverdiene i aldringstiden for fyllretningen uttrykker parallelle trender eller kollapser til én linje. Dermed har tilnærmingen til Arrhenius forenklet ligning, vist i den nåværende artikkelen, blitt bevist for den retningen bare.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk representasjon av den stykkevis lineære modellen for AF9032-stoff. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Virkningen i termisk aldringstilfelle ved 80 °C på stress-belastningsresponsen i deformert og fyllretninger på AF9032-stoffet, for belastningsfrekvensen på 0,01 s-1. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Stivhet av PVC-belegget ved forskjellige aldringstider i timer (røde og blå linjer) (a); stivhetsverdier oppnådd ved 90 °C beregnet til tid i år i henhold til Arrhenius forenklet ligning (blå linjer) for fyllretningen til AF9032 stoff (b). Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Ultimate stammer av PVC belegg på forskjellige aldringstider i (røde og blå linjer), eksperimenter (a); ultimate stammer verdier oppnådd ved 90 ° C reberegnet til tid i år i henhold til Arrhenius forenklet ligning (blå linjer) i fyllretningen av AF9032 (b). Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Bodner–Partom koeffisient av isotropisk herding m1 på forskjellige aldringstider i timer (røde og blå linjer), eksperimenter (a); koeffisient av isotropisk herding m1 verdier oppnådd ved 90 °C reberegnet til tid i år i henhold til Arrhenius forenklet ligning (blå linjer) i warp retning av AF9032 (b). Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: Bodner–Partom belastningsfrekvensfølsomhetsparameter n ved forskjellige aldringstider i timer (røde og blå linjer) eksperimenter (a); og belastningsfrekvensfølsomhetsparameter n verdier oppnådd for 90 °C beregnet til tid i år i henhold til Arrhenius forenklet ligning (blå linjer) for fyllretningen til AF9032 (b). Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Uelastisk belastningshastighet Equation 1
Kukulert uelastisk belastningsrate Equation 2
Flere ligninger Equation 3
Isotropisk herding Equation 4
Kinematisk herding Equation 5
Materialparametere Equation 6

Tabell 1: Basis Bodner–Partom ligninger i uniaxial tilstand.

Variabel Tref T Δt (andre) F Beregningseksempel for 4 uker med therml aldring
Formulering - - T-Tref 2(Δt/10) F*4/52
Enhet °C (andre) °C (andre) °C (andre) [-] [år]
Resultater 8 80 72 147 11.3
90 82 294 22.6

Tabell 2: Eksempelberegninger av arrhenius forenklet ligning.

Alderstid for laboratoriealdring [uker] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tid i henhold til Arrhenius [år] 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
( ) markerer aldringstestene som utføres i den nåværende studien og brukes til å identifisere parametere.

Tabell 3: Ekstrapolering av aldringstid beregnet på nytt med arrheniusligningen ved temperaturnivåer på 80 °C og 90 °C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne artikkelen incudes en detaljert eksperimentell protokoll for å simulere laboratoriet akselerert eksperimenter på polyester forsterket og PVC belagt stoffer for anleggsteknikk applikasjoner. Protokollen beskriver tilfelle av kunstig termisk aldring bare ved hjelp av å heve omgivelsestemperaturen. Dette er en åpenbar forenkling av reelle værforhold, da UV-stråling og vannpåvirkning spiller en ekstra rolle i materialtjenestealdring.

Generelt bør forholdene for akselerert aldring utført i laboratoriet være så nært som mulig til de sanne vær- og serviceforholdene til et testet materiale. For eksempel gjennomgår materialer som brukes i romfart eller marine strukturer hydrotermisk aldring, når fuktighet og temperatur primært virker på materialholdbarheten30,31. Når det gjelder batterinedbrytningsnivået, overvåkes to aldringsfaktorer vanligvis: temperatur og ladetilstand9. I elektriske kabelisolasjoner, bortsett fra temperatur, må ulike spennings- og stressnivåer inkluderes, samtidig som det utføres akselerert laboratoriealdring14. Imidlertid er den termiske typen akselerert aldring den vanligste, og dermed er det lett å reflektere det i laboratoriet. Kalibreringen av de oppnådde resultatene med utendørs data av tjenesten alderen materiale skaper et pålitelig verktøy for å forutsi fremtidig oppførsel av tekstilstoffer eller andre materialer.

En ulempe med den presenterte metoden er antall prøver som er testet. Fordi uniaxial strekkforsøk med tre forskjellige konstante priser utføres, ble to prøver testet i hver materialretning for hvert belastningshastighetstilfelle. Siden analysen må dekke både deformerog fylle retningene på stoffet, testet ved to temperaturnivåer, med minst 5 aldringstidsintervaller, er det nødvendig med et stort antall prøver. Heldigvis er resultatene svært repeterende, og viser svært lignende tendenser; Derfor anses de oppnådde resultatene pålitelige selv om to prøver testes bare under samme forhold.

Prosedyren for å gjennomføre uniaxial strekktester med konstante belastningsrater og med videoextensometer dataregistrering presenteres grundig. Den europeiske nasjonale standarden1 krever ikke bruk av et ekstensometer for testing av tekniske stoffer. Derfor er den foreslåtte protokollen mer presis enn standardkravene; dermed er de innsamlede dataene mer nøyaktige.

Den foreslåtte protokollen gjør det mulig å bestemme materialparametere for stoffer i fremtiden; Derfor er det et egnet verktøy i design. Metoden har blitt validert under forskning av det hengende taket på Skogoperaen i Sopot. Prøvene av polyester forsterket, og PVC belagt stoffer ble samlet inn fra taket etter 20 års drift. Prøver av ualdrende materiale ble også hentet fra samme produsent. Begge typer prøver gikk gjennom de samme laboratorieforsøkene og parameteridentifikasjonsrutinene. Resultatene ble representert av parametrene til de stykkevis lineære og Bodner-Partom-modellene. Trendene observert i mekanisk oppførsel av materiale fra Forest Opera ligner trender som finnes i tilfelle av termisk aldring. Dermed har resultatene som presenteres her blitt bekreftet av testene av et stoff etter 20 års tjeneste28. Likevel, for andre typer tekniske stoffer, kan det være nødvendig med noen modifikasjoner av den foreslåtte metoden, og dermed bør den eksperimentelle protokollen justeres riktig.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Publiseringen av dette arbeidet ble støttet av Fakultet for sivil- og miljøteknikk ved Gdansk teknologiske universitet.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Šaršounová, Z. The Inconveniences Related to Accelerated Thermal Ageing of Cables. Transportation Research Procedia. 40, 90-95 (2019).
  7. Gong, Y., et al. Comparative study on different methods for determination of activation energies of nuclear cable materials. Polymer Testing. 70, 81-91 (2018).
  8. Vega, A., Yarahmadi, N., Jakubowicz, I. Optimal conditions for accelerated thermal ageing of district heating pipes. Energy Procedia. 149, 79-83 (2018).
  9. 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).
  10. Panjan, P., Virtanen, V., Sesay, A. M. Determination of stability characteristics for electrochemical biosensors via thermally accelerated ageing. Talanta. 170, 331-336 (2017).
  11. Martin, R. Ageing of Composites. , Woodhead Publishing. (2008).
  12. 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).
  13. Rosato, D., Rosato, M. Plastic product material and process selection handbook. , Elsevier. Kidlington, Oxford. (2004).
  14. Brebu, M., et al. Study of the natural ageing of PVC insulation for electrical cables. Polymer Degradation and Stability. 67 (2), 209-221 (2000).
  15. Martienssen, W., Warlimont, H. Handbook of Condensed Matter and Materials Data. , Springer Berlin. Berlin. (2005).
  16. Berard, M. T., Daniels, C. A., Summers, J. W., Wilkes, C. E. PVC Handbook. , Munchen: Hanser. (2005).
  17. Rubber - or plastics-coated fabrics - Determination of tensile strength and elongation at break. , Beauth Publishing. SN EN ISO 1421 (2017).
  18. Systat Software, Inc. SigmaPlot 12.0 User's Guide. , (2015).
  19. Ambroziak, A., Kłosowski, P. Mechanical testing of technical woven fabrics. Journal of Reinforced and Plastic Composites. 32 (10), 726-739 (2013).
  20. Bodner, S. R., Partom, Y. Constitutive equations for elastic-viscoplastic strain-hardening materials. Journal of Applied Mechanics. 42, 385-389 (1985).
  21. Andersson, H. An implicit formulation of the Bodner-Partom constitutive equations. Computers and Structures. 81 (13), 1405-1414 (2003).
  22. Kłosowski, P., Zagubień, A., Woznica, K. Investigation on rheological properties of technical fabric "Panama". Archive of Applied Mechanics. 73 (9-10), 661-681 (2004).
  23. 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).
  24. Klosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Identification of Bodner-Partom model parameters for technical fabrics. Computers and Structures. 187, (2017).
  25. Zerdzicki, K. Durability evaluation of textile hanging roofs materials. , Gdansk University of Technology. Ph.D Thesis (2015).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Firdosh, S., et al. Durability of GFRP nanocomposites subjected to hygrothermal ageing. Composites Part B: Engineering. 69, 443-451 (2015).
  31. 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).

Tags

Engineering Utgave 155 mekaniske egenskaper aldring ytelse Arrhenius kompositter teknisk stoff
Kunstig termisk aldring av polyesterforsterket og polyvinylkloridbelagt teknisk stoff
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kłosowski, P., Zerdzicki, K.,… More

Kłosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Artificial Thermal Ageing of Polyester Reinforced and Polyvinyl Chloride Coated Technical Fabric. J. Vis. Exp. (155), e60737, doi:10.3791/60737 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter