Summary
هنا ، نحاكي الشيخوخة الحرارية المتسارعة للنسيج التقني ونرى كيف تؤثر عملية الشيخوخة هذه على الخصائص الميكانيكية للنسيج.
Abstract
وقد تعرض النسيج المعماري AF9032 لشيخوخة الحرارية الاصطناعية لتحديد التغيرات في المعلمات المادية للنسيج. وتستند الطريقة المقترحة إلى نهج الشيخوخة المعجل الذي اقترحه أرهينيوس. تم قطع عينات 300 مم × 50 مم في الاعوجاج وملء الاتجاهات ووضعها في غرفة حرارية عند 80 درجة مئوية لمدة تصل إلى 12 أسبوعا أو في 90 درجة مئوية لمدة تصل إلى 6 أسابيع. ثم بعد أسبوع واحد من تكييف في درجة الحرارة المحيطة، وتوترت العينات uniaxially بمعدل سلالة ثابتة. تجريبيا، تم تحديد المعلمات لنماذج مرنة غير خطية (قطع خطي) ولزجة (بودنر-Partom). وجرت دراسة التغيرات في هذه البارامترات فيما يتعلق بالشيخوخة وفترة الشيخوخة. وفي كلتا الحالتين، تم تطبيق وظيفة التقريب الخطي بنجاح باستخدام المنهجية المبسطة لأرهينيوس. تم الحصول على ارتباط لإتجاه التعبئة بين النتائج التجريبية والنتائج من نهج Arrhenius. بالنسبة للاتجاه الاعوجاج، أظهرت نتائج الاستقراء بعض الاختلافات. وقد لوحظت اتجاهات متزايدة ومتناقصة في كلتا الحالتين. أكّدت ال [أرهينيوس ّس ّت" قانون بالنتائج تجريبيّة فقط للتعبئة اتّجاه. الطريقة المقترحة تجعل من الممكن التنبؤ بسلوك النسيج الحقيقي أثناء الاستغلال على المدى الطويل ، وهي قضية حاسمة في عملية التصميم.
Introduction
وتستخدم عادة الأقمشة المعمارية القائمة البوليستر لبناء السقوف المعلقة1. كونها رخيصة نسبيا مع خصائص ميكانيكية جيدة، ويمكن استخدامها في الاستغلال على المدى الطويل (على سبيل المثال، سقف شنقا من أوبرا الغابات في سوبوت - بولندا). لسوء الحظ ، يمكن أن تؤثر الظروف الجوية والأشعة فوق البنفسجية والأسباب البيولوجية والأغراض التشغيلية (الإجهاد المسبق وتخفيف2)على خصائصها الميكانيكية. السقوف المعلقة المصنوعة من AF9032 هي عادة الهياكل الموسمية التي تتعرض لدرجة حرارة عالية (وخاصة خلال الأيام المشمسة في فصل الصيف)، العادية قبل التوتر وتخفيف. من أجل تصميم سقف معلق بشكل صحيح ، يجب تحديد معلمات النسيج ليس فقط في بداية الاستغلال ، ولكن أيضًا بعد عدة سنوات من الاستخدام.
ويقيس تحليل الشيخوخة مؤشر الشيخوخة ويقارن بين القيم الأولية والنهائية للبارامترات لتقييم أثر الشيخوخة. اقترح Cash وآخرون3 واحدة من أبسط الطرق من خلال التحليل المقارن لـ 12 نوعًا مختلفًا من أغشية التسقيف. تعرضت هذه الأغشية للتجوية في الهواء الطلق لمدة 2 أو 4 سنوات. استخدم المؤلفون نظام تصنيف لعدة خصائص لتقييم متانة النسيج. من أجل تقديم تحليل للشيخوخة الحرارية البوليمر، يمكن تطبيق مبدأ فائقة درجة الحرارة الوقت (TTSP)4. ينص هذا المبدأ على أن سلوك مادة في درجة حرارة منخفضة وتحت مستوى سلالة منخفضة يشبه سلوكها في درجة حرارة عالية ومستوى سلالة عالية. يمكن استخدام العامل البسيط للإشارة إلى خصائص درجة الحرارة الحالية والخصائص في درجة الحرارة المرجعية. بيانيا، فإنه يتوافق مع التحول منحنى على مقياس وقت السجل. وفيما يتعلق بالحرارة، يقترح طريقتان للجمع بين عامل التحول ودرجة حرارة الشيخوخة: معادلات ويليامز - لاندل - فيري (WLF)، وقانون أرهينيوس. يتم تضمين كلتا الطريقتين في المعيار السويدي ISO 113465 لتقدير عمر ودرجة الحرارة التشغيلية القصوى للمواد المطاطية أو البلاستيكية الفولكانية والحرارية. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام الشيخوخة الحرارية ومنهجية Arrhenius في التنبؤ مدى الحياة كابل6،7، أنابيب التدفئة8، والبوليمر الغراء PMMA4. وامتداد قانون أرهينيوس هو قانون Eyring الذي يأخذ في الاعتبار عوامل الشيخوخة الأخرى (مثل الجهد، والضغط، وما إلى ذلك) 9- وبدلا من ذلك، تقترح دراسات أخرى نماذج خطية بسيطة وتتحقق منها لوصف الشيخوخة (مثل شيخوخة أجهزة الاستشعار البيولوجية10). على الرغم من أن طريقة Arrhenius شائعة الاستخدام ، إلا أن هناك مناقشة حول أهميتها في التنبؤ مدى الحياة بكل مادة. ومن ثم يجب استخدام الطريقة بعناية خاصة من حيث الافتراضات الأولية والظروف التجريبية6.
على غرار معظم البوليمرات ، فإن أقمشة البوليستر المستخدمة في البحث الحالي تعرض مرحلتين انتقاليتين متميزتين تحددهما درجة حرارة الذوبان (Tm)ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg). درجة حرارة الذوبان (Tm)هي درجة الحرارة عندما تتغير المادة من حالتها الصلبة إلى الحالة السائلة ، ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg)هي الحد الفاصل بين حالات الزجاج والمطاط11. وفقا لبيانات الشركة المصنعة، يتكون النسيج AF9032 من خيوط البوليستر (Tg = 100−180 درجة مئوية12،Tm = 250−290 درجة مئوية13)وطلاء PVC (Tg = 80−87 درجة مئوية14،15، Tm = 160−260 درجة مئوية16). وينبغي اختيار درجة حرارة الشيخوخة Tα أدناه Tg. خلال الأيام المشمسة، قد تصل درجة الحرارة على السطح العلوي للسقف المعلق حتى إلى 90 درجة مئوية. وهكذا، يتم اختبار اثنين من درجات الحرارة الشيخوخة (80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية) هنا. درجات الحرارة هذه هي تحت الصفحات Tز وعلى مقربة من طلاء Tز.
يتم عرض أداء بروتوكول الشيخوخة المعجل على الأقمشة التقنية في العمل الحالي. يتم استخدام الشيخوخة الحرارية الاصطناعية للتنبؤ بالتغيرات في خصائص المواد. وتوضح المقالة إجراءات الاختبار المختبري المناسبة وطريقة لاستقراء النتائج التجريبية قصيرة الأجل نسبياً.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 - التعجيل بتجارب الشيخوخة الحرارية على النسيج التقني
- الإعداد العام
- إعداد آلة اختبار مع البرمجيات المناسبة (من أجل توفير اختبارات معدل سلالة ثابتة) ومقياس الفيديو.
- إعداد غرفة حرارية توفر درجة حرارة ثابتة من 80 درجة مئوية (± 1 درجة مئوية) و 90 درجة مئوية (± 1 درجة مئوية) لمدة 12 أسبوعا على الأقل.
- إعداد العينة
- Unroll النسيج التقني AF9032 بالة. رسم الأشكال المطلوبة (300 ملم × 50 ملم) مع قلم رصاص لينة أو علامة على سطح النسيج بالتوازي مع الاعوجاج أو ملء الاتجاه.
ملاحظة: يتم إعطاء توزيع العينات على سطح النسيج في مكان آخر17. - الإشارة إلى اتجاه الاعوجاج على كل عينة مع علامة دائمة. قطع العينات بسكين حاد أو مقص. استخدام المسطرة إذا تم استخدام سكين لقطع.
ملاحظة: يجب أن تكون العينات مستطيلة17. العناصر الرئيسية لرعاية الحمل من النسيج هي المواضيع. في المرحلة التشغيلية ، عادة ما تتجاوز مواد الطلاء حد العائد ، وبالتالي لا تشارك في توزيع الإجهاد. العناصر الوحيدة لحمل الحمل هي المواضيع التي تنتشر من قبضة واحدة إلى أخرى. لذلك ، ليس من المعقول استخدام أشكال متطورة من العينات (على سبيل المثال ، شكل الدمبل المستخدم عادة للمعادن). من ناحية أخرى ، تؤدي أشكال العينة هذه إلى الحاجة إلى قبضات خاصة عند التحقيق في الحمل النهائي ، أو استخدام مقياس الاختزال من أجل تقييم معلمات المواد. - قياس سمك العينة مع الفرجار الشريحة وحساب عدد من المواضيع على الحافة القصيرة للعينة.
ملاحظة: لكل عينة، خذ ثلاثة قياسات سمك، وحساب متوسط القيمة. استخدم العدسة المكبرة لتقييم عدد مؤشرات الترابط إذا لزم الأمر.
- Unroll النسيج التقني AF9032 بالة. رسم الأشكال المطلوبة (300 ملم × 50 ملم) مع قلم رصاص لينة أو علامة على سطح النسيج بالتوازي مع الاعوجاج أو ملء الاتجاه.
- تشغيل الغرفة الحرارية، وترك الباب مفتوحا. باستخدام الأزرار وعرض التحكم، حدد درجة الحرارة (80 درجة مئوية). أغلق باب الغرفة الحرارية ولاحظ زيادة درجة الحرارة على لوحة التحكم.
- ارتفاع درجة حرارة العينة
- عندما تكون درجة الحرارة قريبة من 80 درجة مئوية، افتح باب الغرفة الحرارية. إدراج ما لا يقل عن 7 مجموعات من العينات مع كل مجموعة تتكون من 6 عينات قطع في اتجاه الاعوجاج و 6 في اتجاه التعبئة. أغلق الباب في أقرب وقت ممكن من أجل تجنب انخفاض درجة الحرارة.
ملاحظة: يجب إجراء التجارب لثلاثة معدلات سلالة. لكل معدل سلالة، يتم إجراء التجارب على عينتين في اتجاه الاعوجاج واثنين في اتجاه التعبئة. ضع العينات الزائدة في الغرفة في حالة عدم نجاح التجارب أو كانت نتائج كلا الاختبارين متباينة للغاية. - بعد 1 ساعة، دون قفازات حرارية وإزالة المجموعة الأولى من العينات (مجموعة المرجع؛ 6 عينات في اتجاه الاعوجاج و 6 في اتجاه التعبئة). بعد كل أسبوعين، قم بإزالة مجموعة من العينات اللاحقة من الغرفة الحرارية.
ملاحظة: عملية الاحترار بأكملها سوف يستغرق 12 أسبوعا.
- عندما تكون درجة الحرارة قريبة من 80 درجة مئوية، افتح باب الغرفة الحرارية. إدراج ما لا يقل عن 7 مجموعات من العينات مع كل مجموعة تتكون من 6 عينات قطع في اتجاه الاعوجاج و 6 في اتجاه التعبئة. أغلق الباب في أقرب وقت ممكن من أجل تجنب انخفاض درجة الحرارة.
- تكييف العينات
- ترك العينات في درجة حرارة الغرفة لمدة أسبوع واحد. تبريد العينات إلى درجة حرارة الغرفة (أي، يجب أن تستقر خصائصها).
- قبل الاختبار، ارسم علامتين سوداوتين (نقاط) باستخدام علامة دائمة مع فصل طولي حوالي 50 مم (L0) في منتصف كل عينة.
ملاحظة: سيتم استخدام النقاط بواسطة مقياس الفيديو.
- إعداد جهاز الاختبار
- تثبيت أربعة إدراج 60 ملم شقة في آلة الاختبار، واثنين من إدراج لكل قبضة واحدة. تظهر الإدراجات نوع سطح مقياس السمك وتستخدم لتجنب الانزلاق العينات من قبضة.
- شغّل الآلة. بدء تشغيل البرنامج (على سبيل المثال، TestXpert) الذي يتحكم في الجهاز. اختر البرنامج المخصص لاختبارات الشد.
- حدد موضع البداية مع قبضة 200 مم لقبضة الفصل في البرنامج. انقر فوق الزر "نقطة البداية" لتنفيذ قبضة 200 مم لقبضة الفصل. عادة ما يسمى هذا الموقف قبضة موقف البداية لاختبار.
ملاحظة: المسافة 200 مم مطلوبة وفقًا لمعيار ISO17.
- إعداد مقياس الفيديو
- حرك الكاميرا من مقياس الفيديو على طول شريط الدعم لوضع عدسة الكاميرا على مستوى الجزء الأوسط من العينة. تحقق مما إذا كانت عدسة الكاميرا توفر رؤية واضحة لعلامات العينة أثناء التجربة بأكملها.
ملاحظة: إجراء اختبار مماثل قبل الاختبار الرئيسي لإنشاء نطاق استطالة العينة المحتملة للتأكد من أن الكاميرا ستتبع العلامات السوداء أثناء الاختبار بأكمله. - حدد السطوع والتركيز المناسبين للعدسة باستخدام شاشة الكمبيوتر والبرامج المرتبطة بها.
- حرك الكاميرا من مقياس الفيديو على طول شريط الدعم لوضع عدسة الكاميرا على مستوى الجزء الأوسط من العينة. تحقق مما إذا كانت عدسة الكاميرا توفر رؤية واضحة لعلامات العينة أثناء التجربة بأكملها.
- معايرة مقياس الفيديو
ملاحظة: جهاز المعايرة هو المعدات القياسية لمقياس الفيديو.- وضع جهاز المعايرة في الجزء الأمامي من الكاميرا والمشبك مع القبضات.
- باستخدام برنامج مقياس الفيديو (على سبيل المثال، VideoXtens)، حدد النوع المناسب من العلامات في نافذة الأهداف (عادة ً بالأبيض والأسود).
- حدد إجراء المعايرة في برنامج مقياس الفيديو باستخدام خيار المقياس واختر مسافة المعايرة في إطار المقياس.
ملاحظة: يجب أن تكون المسافة مشابهة لفصل العلامات على العينات. يوفر جهاز المعايرة ثلاث مسافات قياس: 10 و 15 و 40 مم. نظرًا لفصل علامة 50 مم ، فإن مسافة 40 مم مناسبة. - بعد المعايرة، قم بتغيير نوع العلامة إلى نمط في إطار الأهداف.
ملاحظة: هذا يمكّن مقياس الفيديو من اتباع العلامات المشار إليها على العينة.
- أداء الاختبار
- إعداد معلمات الاختبار في برنامج TextXpert.
ملاحظة: يجب أن البرنامج المعدة تمكين اختبار مع معدل إجهاد محدد في حالة الإجهاد أحادي ة. يجب أن تكون مرتبطة مع مقياس الفيديو. المعلمات المسجلة هي المسافة الأولية لعلامات مقياس الاكستينومتر (L0) ، ووظائف النتيجة للوقت ، وتشريد القبضة ، ومسافة علامات مقياس الاكستينومتر الحالية ، والقوة. تتم برمجة قوة التحميل المسبق لـ 50 N17 ويتم تعديل مسافة L0 بعد التحميلالمسبق. - وضع العينة على طول المحور الرأسي الرئيسي آلة وإغلاق القبضات باستخدام المداس أنبوبي.
ملاحظة: يجب أن تكون العينة موجودة بشكل متناظر إلى القبضات في الاتجاهات الرأسية والأفقية. - إجراء الاختبارات مع معدل السلالة الثابتة المحددة حتى كسر العينات (استخدام 0.005، 0.001، و 0.0001s-1 معدلات السلالة). لكل معدل سلالة، اختبار على الأقل اثنين من العينات في اتجاه الاعوجاج وملء الاتجاه. حفظ نتائج الاختبار.
ملاحظة: البيانات التالية ضرورية: المسافة الأولية لعلامات مقياس الاكستينومتر (L0)، وظائف الوقت لمسافة علامة مقياس الاكستينومتر، والقوة.
- إعداد معلمات الاختبار في برنامج TextXpert.
- كرر الخطوات 1.5-1.9 كل أسبوعين باستخدام مجموعات أخرى من العينات (ست مرات، تصل إلى 12 أسبوعا).
- كرر الإجراء بأكمله عند درجة حرارة 90 درجة مئوية. لا يتغير العدد الإجمالي للعينات. تستمر عملية الشيخوخة 6 أسابيع. إزالة واختبار مجموعات لاحقة من العينات كل أسبوع.
2- إعداد البيانات
- معرفة منطقة المقطع العرضي للعينات ، واستخدام برامج الرسوم البيانية (SigmaPlot18 أو ما شابه ذلك) لإعادة حساب القوة المسجلة وزيادات اطالة وفقا لقوة الأولية من المعادلات المادية للعلاقات الإجهاد الإجهاد. رسم رسم بياني للبيانات التي تم الحصول عليها ، بشكل منفصل ، لعينات الاعوجاج وملء ولكل من معدلات الإجهاد.
- كرر لنتائج 80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية.
3- تحديد معلمة لنماذج المواد
- نموذج خطي قطعي لنمذجة مرنة غير خطية
ملاحظة: يمكن تطبيق نموذج المواد الخطية القطعة عندما يمكن تقسيم منحنى الإجهاد إلى أقسام من الأشكال الخطية (أو الخطية تقريباً). نقاط عبور معينة من الخطوط في الأقسام المجاورة تتوافق مع نطاقات انطباق الخطوط ذات الصلة19.- في حالة كل منحنى تم الحصول عليه في الخطوة 2.1 ، ابحث عن نطاقات السلالة ، واكتشاف العلاقة الخطية أو القريبة من علاقة الإجهاد الخطي.
- باستخدام خيار الانحدار المناسب في برنامج الرسم البياني والأسلوب المربع الأقل، حدد الخط الأنسب في المنطقة المختارة.
ملاحظة: المماس إلى هذا المنحنى يتوافق مع صلابة المواد في نطاق معين. - تشير إلى المماس كـ Eij حيث يتوافق المؤشر i مع الاتجاه الحالي للمواد (W للاتجاه الاعوجاج وF لإتجاه التعبئة) والفهرس j هو عدد متتالي من الخط المحدد.
- وجود معلمات من جميع الخطوط، والعثور على نقاط التقاطع بين الخطوط؛ تدل عليها ك/لتر، حيث ك وأنا علامة خطوط العبور.
ملاحظة: هذه النقاط (οk/l)تشكل نطاقات سلالة لتطبيق قيم تصلب طولية معينة (Eij) (الشكل 1).
- بودنر-بارتوم نموذج الفيسكوني
ملاحظة: يستخدم قانون بودنر-بارتون التأسيسي ليعكس السلوك اللاشتوي- اللزج للمواد المختلفة20،21. يتم إعطاء الأساسيات والصياغة الرياضية للنموذج بالتفصيل في مكان آخر20،21،22،23، 24،25. يتم تقديم المعادلات الأولية في الجدول 1 فقط لنموذج حالة الإجهاد أحادية الكل. يتم تحديد معلمات نموذج Bodner-Partom عن طريق اختبارات الشد الأحادية التي أجريت مع ثلاثة معدلات إجهاد مختلفة على الأقل. يجب أن تكون قيمة معدل السلالة ثابتة على الأقل في الجزء غير المرن من التجربة. يتم تقديم كامل بودنر-Partom نموذج تحديد الإجراء المعدلة للأقمشة المنسوجة التقنية على نطاق واسع24،25.- باستخدام برنامج الرسوم البيانية ، حدد معلمات نموذج Bodner-Partom بعد Klosowski et al.24.
4- استقراء أرهينيوس
ملاحظة: يستند قانون أرهينيوس إلى ملاحظة تجريبية مفادها أن زيادة درجة الحرارة المحيطة تؤدي إلى تسارع عدد من التفاعلات الكيميائية التي قد تسرع عملية الشيخوخة أيضًا. يمكن العثور على التمثيل الرياضي الكامل لمفهوم التفاعل الكيميائي Arrhenius في مكان آخر11،26. يسمى قانون أرهينيوس في شكل مبسط "قاعدة 10 درجة"27. وفقا لهذه القاعدة، وزيادة درجة الحرارة المحيطة بها من حوالي 10 درجة مئوية يضاعف نظريا معدل عملية الشيخوخة. وبالتالي، يتم تعريف معدل رد الفعل و على النحو التالي17:
حيث ΟT = T - Tالمرجع هو الفرق بين درجة حرارة الشيخوخة T ودرجة حرارة الخدمة Tالمرجع من مادة.
- افترض درجة الحرارة Tالمرجع وفقا لمتوسط القيمة على أساس نتائج محطة الأرصاد الجوية المحلية (هنا، Tالمرجع = 8 °C28). افترض درجة حرارة الغرفة الحرارية T لاستخدامها في اختبار الشيخوخة (هنا، 80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية).
ملاحظة: يجب تسجيل مستوى درجة الحرارة لفترة زمنية أطول، سنة واحدة على الأقل، ثم يتم حسابها كمتوسط قيمة تلك الفترة، وبذلك متوسط الوقت لهذه الفترة التي اتخذتكمرجعT . - حساب معدل التفاعل ثابت و من المعادلة 1 ومن ثم استقراء وقت الشيخوخة (معبرا في أسابيع) إلى سنوات(الجدول 2).
ملاحظة: آثار الاستقراء لمختلف الفترات الزمنية للشيخوخة التي أجريت في إطار البحث الحالي في الجدول 3. على سبيل المثال، الشيخوخة الحرارية للعينة في 4 أسابيع في 90 درجة مئوية يساوي الشيخوخة في 8 أسابيع في 80 درجة مئوية ويتوافق مع الشيخوخة الطبيعية من حوالي 23 عاما.
5 - تمثيل البيانات
- تقديم قيم المعلمة التي تم الحصول عليها في النموذج العادي لـ X/X0، حيث تشير X إلى قيمة حالية للمعلمة معينة وX0 يتوافق مع القيمة الأولية لهذه المعلمة ، فيما يتعلق بنموذج يبلغ من العمر ساعة واحدة فقط.
ملاحظة: يتم إعداد وقت الشيخوخة الحرارية الاصطناعية في ساعات. - قيم رسم X/X0 على محور Y مقابل وقت الشيخوخة المرسوم على محور X لإظهار تطور المعلمات. إعداد المؤامرات للاعوجاج وملء الاتجاهات من المواد التي تم اختبارها بشكل منفصل.
- وصف قيم المعلمة المرسومة على مر الزمن بواسطة الدالات الخطية (أو الدالات المختلفة الأفضل ملاءمة) باستخدام الأسلوب المربع الأقل والتقرير قيم R2.
- لتقييم ما إذا كانت العلاقة المبسطة Arrhenius صحيحة لنسيج AF9032 ، قم بإعادة رسم النتائج التي تم الحصول عليها لـ 90 درجة مئوية فيما يتعلق بوقت الشيخوخة المعاد حسابه إلى وقت "حقيقي" وفقًا لقانون Arrhenius.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
الشكل 2 يتجاور منحنيات الإجهاد سلالة للاعوجاج وملء اتجاهات النسيج AF9032 التي تم الحصول عليها في أوقات الشيخوخة المختلفة، في مستوى درجة الحرارة 80 درجة مئوية لمعدل سلالة من 0.001 s-1. والفرق واضح بين فترة الشيخوخة التي تتراوح بين ساعة واحدة (الاختبار المرجعي) وبقية فترات الشيخوخة. لا يبدو أن وقت الشيخوخة يؤثر بشكل كبير على الاستجابة المادية في اتجاه الاعوجاج ، حيث أن منحنيات الإجهاد - الإجهاد متكررة للغاية ، ولا تظهر اختلافات مهمة في قوة الشد النهائية (UTS). يبقى على عكس السلوك الذي لوحظ في اتجاه التعبئة ، حيث يكون UTS أقل بكثير في حالة العينات التي تتراوح أعمارهم بين اصطناعيًا مما كانت عليه في الحالة غير المعمرة. وعلاوة على ذلك، فإن منحنيات الإجهاد والإجهاد المحققة تكشف عن مسارات متباينة عندما تتجاوز السلالات 0.06.
النتائج التي تم الحصول عليها في مستويات مختلفة من درجة الحرارة واستقراء النتائج لمستوى درجة حرارة أعلى المعروضة في رسم بياني واحد ضغط جميع البيانات المتعلقة معلمة معينة. إذا كانت المنحنيات التي تمثل تطور المعلمات في كل من درجات الحرارة على مدى وقت الشيخوخة تقع في نفس المسار ، فإنه يؤكد أن قيم المعلمة التي تم الحصول عليها تتبع بالفعل معادلة Arrhenius. إذا كانت الخطوط متوازية، فإنه يشير إلى أن التجارب الإضافية ضرورية لشرح الظاهرة الملاحظة أو أنه ينبغي إدخال بعض معاملات التصحيح إلى النتائج عند مستوى درجة حرارة واحدة لجعل النتائج في كلتا درجات الحرارة تقع في واحد مسار.
صور الاختلاف من صلابة طلاء PVC وملء سلالات في نهاية المطاف على مدى وقت الشيخوخة هي في الشكل 3 والشكل 4، على التوالي. وترد النتائج التجريبية عند مستويين من درجات الحرارة من 80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية في الشكل 3أ والشكل 4أ. وقد ثبت قبل24 أن الجزء الخطي الأول من منحنى الإجهاد الإجهاد التجريبي من اختبار الشد البسيط (المشار إليه هنا باسم EF0)يتوافق مع صلابة النسيج التقني الذي يغطي مصنوعًا من PVC. النتائج التي تم الحصول عليها على مستوى درجة الحرارة من 90 درجة مئوية استقراء في ساعات إلى 12 أسبوعا (2000 ساعة) وإعادة حسابها إلى سنوات "حقيقية" وفقا للعلاقة المبسطة Arrhenius يتم رسمها في الرسم البياني نفسه من أجل مقارنة النتائج(الشكل 3ب والشكل 4ب).
تطور صلابة طلاء PVC على مدى وقت الشيخوخة هو خطي تقريبا في مستويات درجة الحرارة من 80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية مع زيادة ثابتة في الوقت المناسب، أكبر بكثير في 90 درجة مئوية مما كانت عليه في 80 درجة مئوية. وتشير هذه الظاهرة إلى أن PVC التي تتعرض لدرجة حرارة عالية نسبيا يخضع لتغيرات تؤدي إلى نمو صلابته، كتأثير للشيخوخة المتسارعة. ربما يكون هذا السلوك بسبب الشيخوخة المادية ، محددة لمواد البوليمر ، مثل الأقمشة التقنية. الشد في نهاية المطاف سلالات القيم(إي ت)تظهر اتجاها تناقصا على مدى وقت الشيخوخة في اتجاه التعبئة ومستويات درجة الحرارة من 80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية. بالنسبة إلى اتجاه الاعوجاج، لا تظهر قيم UTS أي اختلاف كبير خلال فترة الشيخوخة. من ناحية أخرى، تنخفض سلالات الشد في نهاية المطاف(ult)في 80 درجة مئوية وتنمو في 90 درجة مئوية.
وقد استخدم نفس الإجراء لمعالجة معلمات نموذج بودنر-بارتوم. هنا، يتم تقديم معلمة التصلب M1 في اتجاه الاعوجاج والمعلمة اللزوجة n في اتجاه التعبئة في الشكل 5 والشكل 6، على التوالي.
نتائج البحث النهائية هي مجموعات من الوظائف الخطية ، والتي تمثل بعض المعلمات المادية أو خصائص النسيج على مدى فترة الشيخوخة. بعد ذلك ، تم تحديد جميع الخصائص الميكانيكية الأساسية (صلابة ، حد العائد ، إجهاد الشد في نهاية المطاف والإجهاد) ومعلمات نموذج Bodner-Partom (n ، D0، D1، R0، R1، m1، m2)، وضعت معًا عند مستويات درجة حرارة 80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية وتم تحليلها بواسطة منهجية استقراء Arrhenius29.
خطوط التقريب المقابلة لاتجاهات المعلمة في جميع أنحاء انهيار وقت الشيخوخة إلى سطر واحد لUTS ،ult، m1 في حالة اتجاه التعبئة. خطوط تقريب المعلمة الأخرى في وقت الشيخوخة تظهر ميولا متوازية دون انهيار إلى خط واحد.
في حالة اتجاه الاعوجاج ، فقط خطوط التقريب من UTS ، EW2 و M1 تنهار في سطر واحد ، في حين أن المعلمات الأخرى لا تظهر اتجاهًا واضحًا ولا طابعًا متوازيًا للمنحنيات. جميع قيم المعلمة في وقت الشيخوخة لاتجاهات التعبئة تعبر عن اتجاهات متوازية أو تنهار إلى سطر واحد. وهكذا، فإن نهج المعادلة المبسطة في أرهينيوس، المبين في هذه المادة، قد ثبت لهذا الاتجاه فقط.
الشكل 1: التمثيل التخطيطي للنموذج الخطي القطعي لنسيج AF9032. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: التأثير في حالة الشيخوخة الحرارية عند 80 درجة مئوية على استجابة الإجهاد والإجهاد في الاعوجاج وملء اتجاهات النسيج AF9032 ، لمعدل سلالة 0.01 s-1. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: صلابة طلاء PVC في أوقات الشيخوخة المختلفة في الساعات (خطوط حمراء وزرقاء) (أ)؛ قيم صلابة تم الحصول عليها في 90 درجة مئوية أعيد حسابها إلى الوقت في السنوات وفقا للمعادلة المبسطة Arrhenius (خطوط زرقاء) لملء اتجاه النسيج AF9032 (ب). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: السلالات النهائية من طلاء PVC في أوقات الشيخوخة المختلفة في (خطوط حمراء وزرقاء)، والتجارب (أ)؛ القيم سلالات النهائي التي تم الحصول عليها في 90 درجة مئوية إعادة حسابها إلى الوقت في السنوات وفقا لمعادلة Arrhenius المبسطة (خطوط زرقاء) في اتجاه ملء AF9032 (ب). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: معامل Bodner-Partom للتصلب المتساوي الخواص M1 في أوقات شيخوخة مختلفة في الساعات (خطوط حمراء وزرقاء)، والتجارب (أ)؛ معامل تصلب متساوي الخواص م1 القيم التي تم الحصول عليها في 90 درجة مئوية إعادة حسابها إلى الوقت في السنوات وفقا لمعادلة Arrhenius المبسطة (خطوط زرقاء) في اتجاه الاعوجاج من AF9032 (ب). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: معلمة حساسية معدل سلالة Bodner-Partom في أوقات الشيخوخة المختلفة في الساعات (الخطوط الحمراء والزرقاء) التجارب (أ)؛ ومعلمات حساسية معدل السلالة n القيم التي تم الحصول عليها لـ 90 درجة مئوية أعيد حسابها إلى الوقت في السنوات وفقًا لمعادلة Arrhenius المبسطة (الخطوط الزرقاء) لإتجاه تعبئة AF9032 (ب). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| معدل سلالة غير مرنة |  |
| معدل السلالة غير المرنة المتراكمة |  |
| معادلات إضافية |  |
| تصلب متساوي الخواص |  |
| تصلب حركي |  |
| معلمات المواد |  |
الجدول 1: أساس معادلات بودنر-بارتون في الحالة الأحادية.
| متغير | Tالمرجع | تي | درجة في الـ | و | مثال حسابي لـ 4 أسابيع من شيخوخة therml |
| صياغه | - | - | T-Tالمرجع | 2(ΟT/10) | و*4/52 |
| وحده | °مئويه | °مئويه | °مئويه | [-] | [سنوات] |
| نتائج | 8 | 80 | 72 | 147 | 11.3 |
| 90 | 82 | 294 | 22.6 |
الجدول 2: مثال حسابات المعادلة المبسطة في أرهينيوس.
| وقت الشيخوخة المختبري [أسابيع] | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| الوقت وفقا لأرهينيوس [سنوات] | 80 درجة مئوية | 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 درجة مئوية | (5.7) | (11.3) | (17.0) | (22.6) | (28.3) | (33.9) | 39.6 | 45.2 | 50.9 | 56.6 | 62.2 | 67.9 | ||
| () علامات اختبارات الشيخوخة التي أجريت في هذه الدراسة وتستخدم لتحديد المعلمات. | ||||||||||||||
الجدول 3: استقراء وقت الشيخوخة المعاد حسابه بمعادلة أرهينيوس عند مستويات حرارة 80 درجة مئوية و90 درجة مئوية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
هذه المقالة incudes بروتوكول تجريبي مفصل لمحاكاة التجارب المتسارعة المختبر على البوليستر المقوى والأقمشة المغلفة PVC لتطبيقات الهندسة المدنية. ويصف البروتوكول حالة الشيخوخة الحرارية الاصطناعية فقط عن طريق رفع درجة الحرارة المحيطة. وهذا تبسيط واضح للظروف الجوية الحقيقية، حيث تلعب الأشعة فوق البنفسجية وتأثير المياه دورا إضافيا في شيخوخة الخدمات المادية.
وبوجه عام، ينبغي أن تكون ظروف الشيخوخة المتسارعة التي يتم إجراؤها في المختبر أقرب ما يمكن إلى الظروف الجوية والخدمة الحقيقية للمواد المختبرة. على سبيل المثال ، تخضع المواد المستخدمة في الهياكل الفضائية أو البحرية للشيخوخة الحرارية المائية ، عندما تعمل الرطوبة ودرجة الحرارة في المقام الأول على متانة المواد30،31. وفيما يتعلق بمستوى تدهور البطارية، عادة ما يتم رصد عاملين للشيخوخة: درجة الحرارة وحالة الشحن9. في عزل الكابلات الكهربائية ، وبصرف النظر عن درجة الحرارة ، يجب تضمين مستويات الجهد والإجهاد المختلفة ، أثناء أداء الشيخوخة المختبرية المتسارعة14. ومع ذلك ، فإن النوع الحراري من الشيخوخة المتسارعة هو الأكثر شيوعًا ، وبالتالي من السهل أن تعكسه في المختبر. معايرة النتائج التي تم الحصول عليها مع البيانات في الهواء الطلق من المواد المسنين الخدمة يخلق أداة موثوق بها للتنبؤ السلوك المستقبلي للأقمشة النسيجية أو غيرها من المواد.
ومن عيوب الطريقة المقدمة عدد العينات التي تم اختبارها. ونظراً لإجراء تجارب الشد الأحادي الأنحدمع مع ثلاثة معدلات ثابتة مختلفة، تم اختبار عينتين في كل اتجاه مادي لكل حالة معدل سلالة. كما أن التحليل يجب أن تغطي كل من الاعوجاج وملء اتجاهات النسيج، واختبارها على مستويين درجة الحرارة، مع ما لا يقل عن 5 فترات زمنية الشيخوخة، مطلوب عدد كبير من العينات. لحسن الحظ ، فإن النتائج متكررة للغاية ، وتظهر ميولًا متشابهة جدًا . ولذلك، تعتبر النتائج التي تم الحصول عليها موثوقة حتى لو تم اختبار عينتين في نفس الظروف فقط.
يتم تقديم إجراءات إجراء اختبارات الشد أحادية الحلقات مع معدلات إجهاد ثابتة ومع تسجيل بيانات مقياس الفيديو بدقة. المعيار الوطني الأوروبي1 لا يتطلب استخدام مقياس الاكستينومتر لاختبار الأقمشة التقنية. ولذلك، فإن البروتوكول المقترح أكثر دقة من المتطلبات الموحدة؛ وبالتالي ، فإن البيانات التي تم الحصول عليها هي أكثر دقة.
ويتيح البروتوكول المقترح تحديد البارامترات المادية للأقمشة في المستقبل؛ ولذلك، بل هو أداة مناسبة في التصميم. وقد تم التحقق من صحة هذه الطريقة بنجاح خلال البحث في السقف المعلق لأوبرا الغابات في سوبوت. تم جمع عينات من البوليستر المقوى ، والأقمشة المغلفة PVC من السقف بعد 20 عاما من التشغيل. كما تم الحصول على عينات من المواد غير المسنة من نفس الشركة المصنعة. وشرع كلا النوعين من العينات من خلال نفس التجارب المختبرية وإجراءات تحديد المعلمة. تم تمثيل النتائج من خلال معلمات نماذج الخطي ة القطعية ونماذج Bodner-Partom. الاتجاهات التي لوحظت في السلوك الميكانيكي للمواد من أوبرا الغابات تشبه الاتجاهات الموجودة في حالة الشيخوخة الحرارية. وهكذا ، فإن النتائج المعروضة هنا قد تم تأكيدها من خلال اختبارات النسيج بعد 20 عاما من الخدمة28. ومع ذلك، بالنسبة لأنواع أخرى من الأقمشة التقنية، قد تكون هناك حاجة إلى إدخال بعض التعديلات على الطريقة المقترحة، وبالتالي ينبغي تعديل البروتوكول التجريبي على النحو المناسب.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
وقد تم دعم نشر هذا العمل من قبل كلية الهندسة المدنية والبيئية في جامعة غدانسك للتكنولوجيا.
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).
