Waiting
Login processing...

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

Engineering

Polyester Takviyeli ve Polivinil Klorür Kaplı Teknik Kumaşın Yapay Termal Yaşlanma

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

Burada, teknik kumaşın hızlandırılmış termal yaşlanmasını simüle ediyoruz ve bu yaşlanma sürecinin kumaşın mekanik özelliklerini nasıl etkilediğini görüyoruz.

Abstract

Mimari kumaş AF9032, kumaşın malzeme parametrelerindeki değişiklikleri belirlemek için yapay termal yaşlanmaya maruz kalmıştır. Önerilen yöntem Arrhenius tarafından önerilen hızlandırılmış yaşlanma yaklaşımına dayanmaktadır. 300 mm x 50 mm numuneler çözgü ve dolgu yönünden kesilerek 80 °C'de 12 haftaya kadar veya 90 °C'de 6 haftaya kadar termal bir hazneye yerleştirildi. Daha sonra ortam sıcaklığında klima bir hafta sonra, örnekler uniaxially sabit bir gerinim hızında gerildi. Deneysel olarak, parametreler doğrusal olmayan elastik (lineer parça yönünde) ve viskoplastik (Bodner-Partom) modelleri için belirlendi. Bu parametrelerdeki değişiklikler yaşlanma sıcaklığı ve yaşlanma dönemine göre incelenmiştir. Her iki durumda da doğrusal yaklaşım işlevi Arrhenius'un basitleştirilmiş metodolojisi kullanılarak başarıyla uygulandı. Deneysel sonuçlar ile Arrhenius yaklaşımının sonuçları arasındaki dolgu yönü için bir korelasyon elde edildi. Warp yönü için, ekstrapolasyon sonuçları bazı farklılıklar sergiledi. Her iki sıcaklıkta da artan ve azalan eğilimler gözlenmiştir. Arrhenius yasası deneysel sonuçlarla sadece dolgu yönü için doğrulandı. Önerilen yöntem, tasarım sürecinde kritik bir konu olan uzun vadeli sömürü sırasında gerçek kumaş davranışını tahmin etmeyi mümkün kılar.

Introduction

Polyester esaslı mimari kumaşlar genellikle asılı çatılar1inşaat için kullanılır. Iyi mekanik özellikleri ile nispeten ucuz olmak, onlar uzun vadeli sömürü istihdam edilebilir (örneğin, Sopot Orman Operası asma çatı - Polonya). Ne yazık ki, hava koşulları, ultraviyole radyasyon, biyolojik nedenler ve operasyonel amaçlar (sezon öncesi stres ve gevşeme2) mekanik özelliklerini etkileyebilir. AF9032'den yapılmış asma çatılar genellikle yüksek sıcaklığa (özellikle yaz aylarında güneşli günlerde), düzenli ön germe ve gevşemeye maruz kalan mevsimlik yapılardır. Bir asma çatıdüzgün tasarımı için, kumaş parametreleri sadece sömürü başında değil, aynı zamanda kullanım birkaç yıl sonra belirlenmelidir.

Yaşlanma analizi yaşlanma göstergesini ölçer ve yaşlanmanın etkisini değerlendirmek için parametrelerin başlangıç ve son değerlerini karşılaştırır. Cash ve ark.3 çatı membranları 12 farklı türde karşılaştırmalı analizi ile en basit yöntemlerden biri önerdi. Bu membranlar 2 veya 4 yıl boyunca açık hava koşullarına maruz kalmıştır. Yazarlar kumaş dayanıklılığını değerlendirmek için çeşitli özellikleri bir derecelendirme sistemi kullanılır. Polimer Termal yaşlanma analizini sağlamak için zaman-sıcaklık süperpozisyon prensibi (TTSP)4uygulanabilir. Bu ilke, bir malzemenin düşük sıcaklıkta ve düşük gerinim seviyesindeki davranışının yüksek sıcaklık ve yüksek gerinim seviyesindeki davranışına benzediğini belirtir. Basit çarpan faktör referans sıcaklık özellikleri ile geçerli sıcaklık özellikleri ilişkilendirmek için kullanılabilir. Grafik olarak, günlük zaman ölçeğindeki eğri kaymasına karşılık gelir. Sıcaklık ile ilgili olarak, iki yöntem vardiya faktörü ve yaşlanma sıcaklığı birleştirmek için önerilmektedir: Williams-Landel-Ferry (WLF) denklemleri, ve Arrhenius yasa. Her iki yöntem de, kauçuk veya vulkanize ve termoplastik malzemeler için kullanım ömrünü ve maksimum çalışma sıcaklığını tahmin etmek için İsveç standardı ISO 113465'e dahildir. Son zamanlarda, termal yaşlanma ve Arrhenius metodolojisi kablo ömrü tahmin6,7,ısıtma boruları8ve polimer tutkal PMMA4kullanılmıştır. Arrhenius yasasının bir uzantısı diğer yaşlanma faktörlerini (örn. voltaj, basınç, vb.) dikkate alan Eyring yasasıdır. 9. Alternatif olarak, diğer çalışmalar yaşlanmanın bir tanımı için basit doğrusal modeller önermek ve doğrulamak (örneğin, biyosensör yaşlanma10). Arrhenius yöntemi yaygın olarak kullanılmasına rağmen, her malzemenin yaşam boyu tahmin de alaka üzerinde tartışma vardır. Bu nedenle, yöntem özellikle ilk varsayımlar ve deneysel koşullar açısından6dikkatli kullanılmalıdır.

Çoğu polimere benzer şekilde, mevcut araştırmada kullanılan polyester kumaşlar erime sıcaklığı (Tm)ve cam geçiş sıcaklığı (Tg)ile tanımlanan iki farklı geçiş evresini sergilerler. Erime sıcaklığı (Tm)bir malzemenin katı halinden sıvı durumuna değiştiğinde sıcaklıktır ve cam geçiş sıcaklığı (Tg)cam ve kauçuk durumları arasındaki sınırdır11. Üretici verilerine göre AF9032 kumaşı polyester ipliklerden (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250−290 °C13)ve PVC kaplamadan (Tg = 80−87 °C14,15, Tm = 160−260 °C16)yapılır. Yaşlanma sıcaklığı Tα Tgaltında seçilmelidir. Güneşli günlerde, asılı bir çatının üst yüzeyindesıcaklık bile 90 °C'ye ulaşabilir; bu nedenle burada iki yaşlanma sıcaklığı (80 °C ve 90 °C) test edilmektedir. Bu sıcaklıklar tg iplik altında ve kaplama Tgyakındır.

Teknik kumaşlar üzerinde hızlandırılmış yaşlanma protokolünün performansı mevcut çalışmada sunulmuştur. Yapay termal yaşlanma, malzeme özelliklerindeki değişiklikleri tahmin etmek için kullanılır. Makale, uygun laboratuvar test rutinleri ve nispeten kısa vadeli deneysel sonuçlar tahmin etmek için bir yol göstermektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Teknik kumaş üzerinde hızlandırılmış Termal yaşlanma deneyleri

  1. Genel hazırlık
    1. Uygun yazılım (sabit gerinim oranı testleri sağlamak için) ve bir video ekstenomlayıcı ile bir test makinesi hazırlayın.
    2. En az 12 hafta boyunca 80 °C (± 1 °C) ve 90 °C (±1 °C) sabit sıcaklık sağlayan bir termal oda hazırlayın.
  2. Numune hazırlama
    1. Teknik kumaş AF9032 balyasını boşaltın. Çözgü veya dolgu yönüne paralel olarak kumaş yüzeyinde yumuşak bir kalem veya marker ile istenilen şekilleri (300 mm x 50 mm) çizin.
      NOT: Kumaş yüzeyindeki numunelerin dağılımı başka bir yerde verilmiştir17.
    2. Her numunenin çözgü yönünü kalıcı bir belirteçle gösterin. Keskin bir bıçak veya makas ile örnekleri kesin. Kesme için bıçak kullanılıyorsa cetveli kullanın.
      NOT: Örnekler dikdörtgen17olmalıdır. Kumaşın en önemli yük bakım elemanları ipliklerdir. Çalışma aşamasında, kaplama malzemesi genellikle verim sınırını aşarak stres dağılımında yer almamıştır. Yükü taşıyacak tek unsur, bir kavramadan diğerine yayılan ipliklerdir. Bu nedenle, örneklerin sofistike şekillerini (örn. genellikle metaller için kullanılan halter şekli) kullanmak mantıklı değildir. Diğer taraftan, bu tür örnek şekilleri, nihai yük incelendiğinde özel kavramalara veya malzeme parametrelerini değerlendirmek için bir ekstenometrenin kullanılmasına neden olarak sonuçlanır.
    3. Numunenin kalınlığını bir slayt kaliperiyle ölçün ve numunenin kısa kenarındaki iplik sayısını sayın.
      NOT: Her numune için üç kalınlık ölçümleri alın ve ortalama değeri hesapla. Gerekirse iplik sayısını değerlendirmek için büyüteç kullanın.
  3. Kapıyı açık bırakarak termal odayı açın. Düğmeleri ve kontrol ekranını kullanarak sıcaklığı (80 °C) seçin. Termal hazne kapağını kapatın ve kontrol panelindeki sıcaklık artışını gözlemleyin.
  4. Numune ısınması
    1. Sıcaklık 80 °C'ye yakın olduğunda, termal oda kapağını açın. Her set, çözgü yönünde kesilmiş 6, dolgu yönünde 6 numuneden oluşan en az 7 set numune yerleştirin. Sıcaklık düşmesini önlemek için kapıyı mümkün olan en kısa sürede kapatın.
      NOT: Deneyler üç gerinim oranı için yapılmalıdır. Her gerinim hızı için, çözgü yönünde iki, dolgu yönünde iki numune üzerinde deneyler yapılır. Deneylerin başarılı olmaması veya her iki testin sonuçlarının son derece farklı olması durumunda fazla numuneleri odaya yerleştirin.
    2. 1 saat sonra termal eldivenleri donave ilk numune setini (referans seti; warp yönünde 6 numune ve dolgu yönünde 6 numune) çıkarın. Her 2 haftada bir, termal hazneden başarılı bir numune setini çıkarın.
      NOT: Tüm ısınma süreci 12 hafta sürecektir.
  5. Numune koşullandırma
    1. Numuneleri bir hafta oda sıcaklığında bırakın. Numuneleri oda sıcaklığına kadar soğutun (yani özellikleri stabilize edilmelidir).
    2. Testten önce, her numunenin ortasında yaklaşık 50 mm (L0) uzunlamasına ayrıştırışla kalıcı bir işaret kullanarak iki siyah işaret (nokta) çizin.
      NOT: Nokta, video ekstenomlayıcı tarafından kullanılacaktır.
  6. Test makinesi kurulumu
    1. Test makinesine dört adet 60 mm'lik düz kesici takın, bir kavrama başına iki kesici uç. Kesici uçlar balık ölçeğinde yüzey tipini gösterir ve numunelerin kulplardan kaymasını önlemek için kullanılır.
    2. Makineyi aç. Makineyi kontrol eden yazılımı (örneğin, TestXpert) başlatın. Çekme testlerine adanmış programı seçin.
    3. Yazılımdaki ayırmayı kavramak için 200 mm kavrama ile başlangıç konumunu seçin. Ayırmayı kavramak için 200 mm kavrama işlemini yürütmek için Başlangıç Konumu düğmesini tıklatın. Bu kavrama pozisyonu genellikle bir test için başlangıç pozisyonu olarak adlandırılır.
      NOT: 200 mm mesafe ISO standardı17tarafından gereklidir.
  7. Video ekstenometre kurulumu
    1. Video ekstenometrenin kamerasını, kameranın merceği numunenin orta kısmı seviyesinde yer almak için destek çubuğu boyunca hareket ettirin. Kameranın merceğinin tüm deneme sırasında numune işaretçilerinin net bir görünümünü sağlayıp sağlamadığını kontrol edin.
      NOT: Kameranın tüm test sırasında siyah işaretleri takip etmesini sağlamak için olası numune uzama aralığını belirlemek için ana testten önce benzer bir test gerçekleştirin.
    2. Bilgisayar ekranını ve ilgili yazılımı kullanarak lens için uygun parlaklığı ve odağı seçin.
  8. Video ekstenometre kalibrasyonu
    NOT: Kalibrasyon cihazı video ekstenometrenin standart donanımıdır.
    1. Kalibrasyon cihazını kameranın önüne koyun ve kavrama larla sıkıştırın.
    2. Video çıkarıcı yazılımını (örn. VideoXtens) kullanarak, Hedefler penceresinde (genellikle siyah ve beyaz) uygun işaretleyici türünü seçin.
    3. Ölçek seçeneğini kullanarak video çıkarım yazılımındaki kalibrasyon yordamını seçin ve Ölçek penceresindekalibrasyon mesafesini seçin.
      NOT: Mesafe, numuneler üzerindeki belirteçlerin ayrılmasına benzer olmalıdır. Kalibrasyon cihazı üç ölçüm mesafesi sunar: 10, 15 ve 40 mm. 50 mm marker ayırma nedeniyle, 40 mm mesafe uygundur.
    4. Kalibrasyondan sonra, işaretçi türünü Hedefler penceresindedesen olarak değiştirin.
      NOT: Bu, video ekstenometresinin numunede belirtilen işaretleri izlemesini sağlar.
  9. Test performansı
    1. TextXpert yazılımındaki test parametrelerini hazırlayın.
      NOT: Hazırlanan program, tek eksenli gerilim durumunda seçilen bir gerilme oranına sahip bir testi etkinleştirmelidir. Video ekstenometreile ilişkili olmalı. Kaydedilen parametreler ekstenometre işaretlerinin başlangıç mesafesi (L0) ve zaman, kavrama yer değiştirmeleri, akım ekstenometrelerinin işaretleri uzaklığı ve kuvvetin sonuç fonksiyonlarıdır. 50 N17'lik ön yük kuvveti programlanır ve L0 mesafesi ön yüklemeden sonraayarlanır.
    2. Numuneyi makinenin ana dikey eksenine koyun ve boruanahtarını kullanarak kulpları kapatın.
      NOT: Numune dikey ve yatay yönlerde simetrik olarak bulunmalıdır.
    3. Numuneler kırılanına kadar (0,005, 0,001 ve 0,0001 s-1 gerinim oranları kullanın) seçilen sabit gerinim hızıile testleri gerçekleştirin. Her gerinim hızı için, warp yönünde en az iki örnek test edin ve yönünü doldurun. Test sonuçlarını kaydedin.
      NOT: Aşağıdaki veriler gereklidir: ekstenometre belirteçlerinin başlangıç mesafesi (L0), ekstenometrenin işaret mesafesinin zaman fonksiyonları ve kuvvet.
  10. Diğer örnek kümelerini kullanarak (altı kez, 12 haftaya kadar) adımları her iki haftada bir tekrarlayın.
  11. Tüm prosedürü 90 °C'de tekrarlayın. Toplam numune sayısı değişmez. Yaşlanma süreci 6 hafta sürer. Sonraki numune kümelerini her hafta çıkarın ve test edin.

2. Veri hazırlama

  1. Örneklerin kesit alanını bilerek, kayıtlı kuvveti ve uzama artışlarını, malzeme denklemlerinin temel gücüne göre stres-gerinim ilişkilerine göre yeniden hesaplamak için grafik yazılımı (SigmaPlot18 veya benzeri) kullanın. Çözgü ve dolgu örnekleri ve gerinim oranlarının her biri için elde edilen verilerin grafiğini ayrı ayrı çizin.
  2. 80 °C ve 90 °C sonuçları için tekrarlayın.

3. Malzeme modellerinin parametre tanımlaması

  1. Doğrusal olmayan elastik modelleme için parça yönünde doğrusal model
    NOT: Gerilim-gerinim eğrisi doğrusal (veya yaklaşık doğrusal) şekillerin kesitlerine bölünebildiği zaman parça yönünde doğrusal malzeme modelinin uygulanması mümkündür. Komşu bölümlerdeki çizgilerin belirli geçiş noktaları, ilgili satırların uygulanabilirlik aralıklarına karşılık gelir19.
    1. Adım 2.1'de elde edilen her eğride, doğrusal veya doğrusal gerilim-gerinim ilişkisini algılayan gerinim aralıklarını bulun.
    2. Grafik yazılımındaki uygun regresyon seçeneğini ve en az kare yöntemini kullanarak, seçilen bölgedeki en uygun çizgiyi tanımlayın.
      NOT: Bu eğrinin teğet belirli bir aralıktaki sertliğine karşılık gelir.
    3. Teğetolarak eij olarak ifade burada indeks i malzemenin geçerli yönü (W çözgü yönü için w ve f dolgu yönü için) karşılık gelir ve dizin j tanımlanan satırın ardışık bir sayıdır.
    4. Tüm çizgilerin parametrelerine sahip olmak, çizgiler arasındaki kesişme noktalarını bulun; k ve l geçiş çizgilerini işaretlenin εk/l olarakifade edin.
      NOT: Bu noktalar (εk/l)belirli uzunlamasına sertlik değerlerini uygulamak için gerinim aralıklarını oluşturur (Eij) (Şekil 1).
  2. Bodner-Partom viskoplastik model
    NOT: Bodner-Partom kurucu yasası çeşitli malzemelerin elasto-viskoplastik davranışını yansıtmak için kullanılır20,21. Modelin temelleri ve matematiksel formülasyonu ayrıntılı olarak başka bir yerde20,21,22,23,24,25verilir. Temel denklemler tablo 1'de yalnızca tek eksenli gerilim durumunu modellemek için sunulmuştur. Bodner-Partom model parametreleri en az üç farklı gerinim oranı ile yapılan tek eksenli çekme testleri ile tanımlanır. Gerinim oranının değeri en azından deneyin elastik olmayan kısmında sabit olmalıdır. Teknik dokuma kumaşlar için modifiye komple Bodner-Partom modeli tanımlama prosedürü yaygın olarak sunulmaktadır24,25.
    1. Grafik yazılımını kullanarak, Klosowski ve ark.24'tensonra Bodner-Partom model parametrelerini tanımlayın.

4. Arrhenius ekstrapolasyonu

NOT: Arrhenius yasası, ortam sıcaklığı artışının yaşlanma sürecini hızlandırabilecek bir dizi kimyasal reaksiyonun hızlandırılamasına yol açan ampirik bir gözleme dayanmaktadır. Arrhenius kimyasal reaksiyon kavramının tam matematiksel temsili başka bir yerde bulunabilir11,26. Basitleştirilmiş bir biçimde Arrhenius yasa "10 derece kuralı"27denir. Bu kurala göre, yaklaşık 10 °C'lik bir sıcaklık artışı teorik olarak yaşlanma sürecini iki katına çıkar. Bu nedenle, reaksiyon oranı f aşağıdaki gibi tanımlanır17:

Equation 1

ΔT = T - Tref yaşlanma sıcaklığı T ve servis sıcaklığı Tref bir malzeme arasındaki farktır.

  1. T sıcaklığını, yerel meteoroloji istasyonunun sonuçlarına göre ortalama değeregöre sayılsın (burada, Tref = 8 °C28). Yaşlanma testinde kullanılacak ısı t odası sıcaklığını (burada, 80 °C ve 90 °C) varsayalım.
    NOT: Sıcaklık seviyesi daha uzun bir süre için, en az bir yıl için kaydedilmeli ve daha sonra o dönemin ortalama değeri olarak hesaplanmalı ve bu dönemin trefolarak alınan bir zaman ortalaması getirilmelidir.
  2. 1. denklemden sabit f reaksiyon oranını hesaplayın ve daha sonra yaşlanma süresini (haftalar içinde ifade edilen) yıllara tahmin edin(Tablo 2).
    NOT: Mevcut araştırma kapsamında yapılan farklı yaşlanma sürelerinin ekstrapolasyon etkileri Tablo 3'tesunulmuştur. Örneğin, 90 °C'de 4 haftada bir numunenin ısıl yaşlanması 80 °C'de 8 haftada yaşlanmaya eşittir ve yaklaşık 23 yıllık doğal yaşlanmaya karşılık gelir.

5. Veri gösterimi

  1. X'in belirli parametrenin geçerli değerini ve X0'ın yalnızca 1 saat yaşlı bir numuneyle ilgili olarak bu parametrenin başlangıç değerine karşılık geldiği x/x0normalleştirilmiş formunda elde edilen parametre değerlerini sunun.
    NOT: Yapay termal yaşlanma nın zamanı saatler içinde ayarlanır.
  2. Y eksenindeki X/X0 değerlerini, parametrelerin evrimini göstermek için X ekseninde çizilen yaşlanma süresine karşı çizin. Warp için araziler hazırlayın ve test edilen malzemenin yönlerini ayrı ayrı doldurun.
  3. Zaman içinde doğrusal işlevler (veya farklı en uygun işlevler) tarafından çizilen parametre değerlerini en az kare yöntemini kullanarak açıklayın ve R2 değerlerini bildirin.
  4. Arrhenius basitleştirilmiş ilişkisinin AF9032 kumaşı için doğru olup olmadığını değerlendirmek için, Arrhenius yasasına göre "gerçek" zamana yeniden hesaplanan yaşlanma süresine göre 90 °C için elde edilen sonuçları yeniden çizin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 2, farklı yaşlanma zamanlarında elde edilen AF9032 kumaşın gerilim-gerinim eğrilerini, 80 °C sıcaklık seviyesinde 0,001 s-1gerilme oranı için yan yana oluşturur. 1 saat yaşlanma dönemi (referans testi) ile yaşlanma döneminin geri kalanı arasındaki fark açıktır. Yaşlanma süresi, gerilim-gerinim eğrileri son derece tekrarlayan ve nihai çekme mukavemetinde (UTS) önemli bir fark göstermeden, çözgü yönündeki maddi tepkiyi önemli ölçüde etkilemez. Bu dolgu yönü için gözlenen davranışa aykırı kalır, UTS çok daha düşük olduğu yapay yaşlı örnekler durumunda yaşlı durumda daha. Ayrıca, elde edilen gerilme-gerinim eğrileri suşları 0.06'yı aştığında farklı yörüngeleri algılar.

Farklı sıcaklık düzeylerinde elde edilen sonuçlar ve bir grafikte sunulan daha yüksek bir sıcaklık düzeyi için sonuçların ekstrapolasyonu belirli bir parametreile ilgili tüm verileri sıkıştırır. Yaşlanma süresinin her iki sıcaklığında da parametrelerin evrimini temsil eden eğriler aynı yörüngeye düşerse, elde edilen parametre değerlerinin aslında Arrhenius denklemini takip ettiğini doğrular. Çizgiler paralelse, gözlemlenen fenomeni açıklamak için ek deneylerin gerekli olduğunu veya her iki sıcaklıkta da sonuç elde etmek için bazı düzeltme katsayıları bir sıcaklık seviyesinde sonuçlara tanıtılması gerektiğini ileri sürer. Yolu.

PVC kaplama sertliği ve yaşlanma süresi içinde nihai suşları doldurmak varyasyon görüntüleri Şekil 3 ve Şekil 4, sırasıyla bulunmaktadır. 80 °C ve 90 °C'de iki sıcaklık seviyesindeki deneysel sonuçlar Şekil 3a ve Şekil 4a'dasunulmuştur. 24'ten önce, basit bir çekme testinin deneysel gerilim-gerinim eğrisinin ilk doğrusal kısmının (burada EF0olarak belirtilmiştir) PVC'den yapılmış teknik kumaş kaplamasının sertliğine karşılık geldiği kanıtlanmıştır. Arrhenius'un basitleştirilmiş ilişkisine göre saat cinsinden 12 haftaya (2000 saat) kadar 90 °C sıcaklık seviyesinde elde edilen ve "gerçek" yıllara yeniden hesaplanan sonuçlar, sonuçları karşılaştırmak için aynı grafikte çizilir(Şekil 3b ve Şekil 4b).

PVC kaplamanın yaşlanma süresi içinde sertliğinin evrimi, 80 °C ve 90 °C sıcaklık seviyelerinde neredeyse doğrusal dır ve zaman içinde sabit bir artış la, 90 °C'de 80 °C'ye göre çok daha büyüktür. Bu fenomen, nispeten yüksek sıcaklığa maruz kalan PVC'nin, hızlandırılmış yaşlanmanın bir etkisi olarak sertliğinin büyümesine neden olan değişikliklere uğradığını göstermektedir. Bu davranış muhtemelen teknik kumaşlar gibi polimer malzemeler için özel fiziksel yaşlanma, neden olur. Nihai gerilme suşları değerleri (εult)80 °C ve 90 °C dolgu yönü ve sıcaklık seviyelerinde yaşlanma süresine göre azalan bir eğilim sergiler. Warp yönü için UTS değerleri yaşlanma süresine göre önemli bir farklılık göstermez. Diğer taraftan, nihai gerilme suşları (εult)80 °C'de azalır ve 90 °C'de büyür.

Aynı yordam Bodner-Partom model parametrelerini ele almak için kullanılmıştır. Burada çözgü yönünde sertleşme m1 ve dolgu yönündeki viskozite parametresi n sırasıyla Şekil 5 ve Şekil 6'dasunulmuştur.

Nihai araştırma sonuçları, yaşlanma süresi boyunca belirli malzeme parametrelerini veya kumaş özelliklerini temsil eden doğrusal fonksiyonlar kümesidir. Bunu takiben, tüm temel mekanik özellikleri (sertlik, verim sınırı, nihai çekme gerilimi ve gerinim) ve Bodner-Partom model parametreleri (n, D0, D1, R0, R1, m1, m2) tespit edildi, 80 °C ve 90 °C sıcaklık seviyelerinde bir araya getirildi ve Arrhenius ekstrapolasyon metodolojisi29ile analiz edildi.

Yaşlanma süresi boyunca parametre eğilimlerine karşılık gelen yaklaşık satırlar UTS için bir satıra daraltılmış, εult, m1 dolgu yönü durumunda. Yaşlanma süresindeki diğer parametre yaklaşım çizgileri tek bir satıra çökmeden paralel eğilimler sergiler.

Çözgü yönünde, yalnızca UTS, EW2 ve m1'in yaklaşık çizgileri tek bir satıra çökerken, diğer parametreler eğrilerin ne net bir eğilim ne de paralel karakterini gösterir. Dolgu yönü için yaşlanma süresindeki tüm parametre değerleri paralel eğilimleri ifade veya tek bir satıra daraltma. Böylece, bu makalede gösterilen Arrhenius basitleştirilmiş denklemin yaklaşımı, sadece bu yönde kanıtlanmıştır.

Figure 1
Şekil 1: AF9032 kumaş için parça yönünden doğrusal modelin şematik gösterimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: 80 °C'deki termal yaşlanma durumunda, AF9032 kumaşının gerilim-gerinim tepkisi üzerindeki etkisi, 0,01 s-1gerinim oranı için . Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: PVC kaplamanın saat içinde farklı yaşlanma zamanlarında sertliği (kırmızı ve mavi çizgiler) (a); 90 °C'de elde edilen sertlik değerleri AF9032 kumaşının (b) dolgu yönü için Arrhenius basitleştirilmiş denklemine (mavi çizgiler) göre yıllar içinde zamana yeniden hesaplanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: PVC kaplamanın farklı yaşlanma zamanlarında (kırmızı ve mavi çizgiler), deneyler (a); 90 °C'de elde edilen nihai suş değerleri, AF9032 (b) dolgu yönünde ki Arrhenius basitleştirilmiş denklemine (mavi çizgiler) göre yıllar içinde zamana göre yeniden hesaplanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Bodner-Partom katsayısı izotropik sertleşme m1 saat (kırmızı ve mavi çizgiler), deneyler (a); 90 °C'de elde edilen izotropik sertleşme m1 değerleri sayısı AF9032 (b) çözgü yönünde Arrhenius basitleştirilmiş denklemine (mavi çizgiler) göre yıllar içinde yeniden hesaplanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Bodner-Partom gerinim hızı duyarlılık parametresi n saat (kırmızı ve mavi çizgiler) deneyleri (a) ve af9032 (b) dolgu yönü için Arrhenius basitleştirilmiş denklemine (mavi çizgiler) göre yıllar içinde zamana göre yeniden hesaplanan 90 °C için elde edilen gerinim oranı duyarlılık parametresi n değerleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Elastik süzme oranı Equation 1
Kümüel elastik gerilme hızı Equation 2
Ek denklemler Equation 3
Isotropik sertleşme Equation 4
Kinematik sertleştirme Equation 5
Malzeme parametreleri Equation 6

Tablo 1: Tek eksenli durumda Temel Bodner-Partom denklemleri.

Değişken Tref T ΔT F Terminer yaşlanma4 hafta için hesaplama örneği
Formülasyon - - T-Tref 2(ΔT/10) f*4/52
Birim ℃ ℃ ℃ [-] [yıl]
Sonuç -ları 8 80 72 147 11.3
90 82 294 22.6

Tablo 2: Arrhenius basitleştirilmiş denkleminörnek hesaplamaları.

Laboratuvar yaşlanma süresi [hafta] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Arrhenius göre Zaman [yıl] 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
( ) bu çalışmada yapılan ve parametreleri tanımlamak için kullanılan yaşlanma testlerini işaretler.

Tablo 3: Arrhenius denklemi ile 80 °C ve 90 °C sıcaklık düzeylerinde yeniden hesaplanan yaşlanma süresinin ekstrapolasyonu.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu makale, inşaat mühendisliği uygulamaları için polyester takviyeli ve PVC kaplamalı kumaşlar üzerinde laboratuvar hızlandırılmış deneyler simüle etmek için ayrıntılı bir deneysel protokol incudes. Protokol, yapay termal yaşlanma durumunu sadece ortam sıcaklığını yükseltmek yoluyla tanımlar. Uv radyasyonu ve su etkisi malzeme hizmet yaşlanma ek bir rol oynadığı gibi bu, gerçek hava koşullarının bariz bir basitleştirme olduğunu.

Genel olarak, laboratuvarda gerçekleştirilen hızlandırılmış yaşlanma koşulları test edilmiş bir malzemenin gerçek hava ve servis koşullarına mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Örneğin, havacılık veya deniz yapılarında kullanılan malzemeler hidrotermal yaşlanma, nem ve sıcaklık öncelikle malzeme dayanıklılık30,31üzerine hareket uğrar. Pil bozulması düzeyi ile ilgili olarak, iki yaşlanma faktörleri genellikle izlenir: sıcaklık ve şarj durumu9. Elektrik kablo yalıtımlarında sıcaklık dışında farklı voltaj ve gerilim seviyeleri dahil edilmeli, hızlandırılmış laboratuvar yaşlandırması ise14. Ancak, hızlandırılmış yaşlanma termal türü en yaygın olanıdır, bu nedenle laboratuvarda yansıtmak kolaydır. Servis yaşlı malzeme açık veri ile elde edilen sonuçların kalibrasyonu tekstil kumaşveya diğer malzemelerin gelecekteki davranışını tahmin etmek için güvenilir bir araç oluşturur.

Sunulan yöntemin bir dezavantajı test edilen örnek sayısıdır. Üç farklı sabit oranlı tek eksenli çekme deneyleri yapıldığından, her gerinim oranı için her malzeme yönünde iki örnek test edilmiştir. Analiz, en az 5 yaşlanma süresi aralığı ile iki sıcaklık seviyesinde test edilen kumaşın hem çözgü hem de dolgu yönlerini kapsayacak şekilde olduğundan, çok sayıda numune gereklidir. Neyse ki, sonuçlar çok tekrarlayan, çok benzer eğilimler gösteren; bu nedenle, elde edilen sonuçlar, yalnızca aynı koşullarda iki örnek test edilebilse bile güvenilir kabul edilir.

Tek eksenli çekme testlerini sabit gerinim oranlarıyla ve video ekstenometreli veri kaydıyla gerçekleştirme prosedürü eksiksiz olarak sunulur. Avrupa ulusal standardı1, teknik kumaşları test etmek için ekstenometre kullanımını gerektirmez. Bu nedenle, önerilen protokol standart gereksinimlerden daha kesindir; böylece elde edilen veriler daha doğrudur.

Önerilen protokol, gelecekte kumaşlar için malzeme parametrelerinin belirlenmesini mümkün kılar; bu nedenle, tasarım da uygun bir araçtır. Yöntem, Sopot'taki Orman Operası'nın asma çatısının araştırılması sırasında başarıyla doğrulanmıştır. Polyester takviyeli ve PVC kaplı kumaşörnekleri 20 yıllık çalışmadan sonra çatıdan toplanmıştır. Aynı üreticiden de yaşlanmamış malzeme örnekleri alındı. Her iki numune türü de aynı laboratuvar deneylerinden ve parametre tanımlama rutinleri ile devam etti. Sonuçlar parça yönünde doğrusal ve Bodner-Partom modellerinin parametreleri ile temsil edildi. Orman Operası'ndan gelen malzemenin mekanik davranışında gözlenen eğilimler, termal yaşlanma durumunda bulunan eğilimlere benzer. Böylece, burada sunulan sonuçlar hizmet2820 yıl sonra bir kumaş testleri ile teyit edilmiştir. Bununla birlikte, diğer teknik kumaş türleri için önerilen yöntemde bazı değişiklikler gerekebilir, bu nedenle deneysel protokol düzgün bir şekilde ayarlanmalıdır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışmanın yayınlanması Gdansk Teknoloji Üniversitesi İnşaat ve Çevre Mühendisliği Fakültesi tarafından desteklenmiştir.

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

Mühendislik Sayı 155 mekanik özellikleri yaşlanma performans Arrhenius kompozitler teknik kumaş
Polyester Takviyeli ve Polivinil Klorür Kaplı Teknik Kumaşın Yapay Termal Yaşlanma
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