Artificiellt termiskt åldrande av polyester förstärkt och polyvinylkloridbelagd teknisk tand

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Här simulerar vi accelererat termiskt åldrande av tekniskt tyg och ser hur denna åldrandeprocess påverkar tygets mekaniska egenskaper.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Arkitektoniskt tyg AF9032 har utsatts för artificiellt termiskt åldrande för att bestämma förändringar av materialets parametrar för tyget. Den föreslagna metoden bygger på den accelererade åldrandestrategi som Arrhenius föreslår. 300 mm x 50 mm prover kapades i varp- och fyllningsriktningarna och placerades i en termisk kammare vid 80 °C i upp till 12 veckor eller vid 90 °C i upp till 6 veckor. Sedan efter en veckas konditionering vid omgivningstemperatur, var proverna uniaxially spända med en konstant stamhastighet. Experimentellt fastställdes parametrarna för de icke-linjära elastiska (linjära bitvis) och viscoplastic (Bodner-Partom) modeller. Förändringar i dessa parametrar studerades med avseende på lagringstemperatur och åldringsperiod. I båda fallen tillämpades den linjära approximationsfunktionen med hjälp av arrhenius förenklade metod. Ett samband erhölls för fyllningsriktningen mellan experimentella resultat och resultaten från Arrhenius-metoden. För warpriktningen uppvisade extrapoleringsresultaten vissa skillnader. Ökande och minskande tendenser har observerats vid båda temperaturerna. Arrhenius lagen bekräftades av experimentella resultat endast för fyllning riktning. Den föreslagna metoden gör det möjligt att förutsäga verkligt tygbeteende under långsiktig exploatering, vilket är en kritisk fråga i designprocessen.

Introduction

Polyesterbaserade arkitektoniska tyger används ofta för konstruktion av hängande tak1. Att vara relativt billig med goda mekaniska egenskaper, kan de användas i långsiktigexploatering (t.ex. det hängande taket på Skogsoperan i Sopot - Polen). Tyvärr kan väderförhållanden, ultraviolett strålning, biologiska skäl och operativa ändamål (säsong förstressande och lossa2) påverka deras mekaniska egenskaper. Hängande tak gjorda av AF9032 är vanligtvis säsongsstrukturer utsätts för hög temperatur (särskilt under soliga dagar på sommaren), regelbunden pre-spänning och lossning. För att korrekt utforma ett hängande tak måste tygparametrar bestämmas inte bara i början av exploateringen, utan även efter flera års användning.

Åldrandeanalysen mäter den åldrande indikatorn och jämför parametrarnas ursprungliga och slutliga värden för att bedöma effekterna av åldrandet. Cash et al.3 föreslog en av de enklaste metoderna genom jämförande analys av 12 olika typer av takmembran. Dessa membran utsattes för utomhusvittring i 2 eller 4 år. Författarna använde ett klassificeringssystem av flera egenskaper för att bedöma tyg hållbarhet. För att ge en analys av polymertermiskt åldrande kan tidstemperatursuperpositionsprincipen (TTSP) tillämpas4. Denna princip påstår att uppförandet av ett materiellt på låg temperatur och under låg stamnivå liknar dess uppförande på hög temperatur och kick stamnivå. Den enkla multiplikativa faktorn kan användas för att relatera de aktuella temperaturegenskaperna med egenskaperna vid referenstemperaturen. Grafiskt motsvarar den kurvan skiftpå loggtidskala. När det gäller temperaturen föreslås två metoder för att kombinera skiftfaktorn och den åldrande temperaturen: Williams-Landel-Ferry (WLF) ekvationer, och Arrhenius lag. Båda metoderna ingår i den svenska standarden ISO 113465 för att uppskatta livslängden och den maximala driftstemperaturen för gummi, eller vulkaniserade och termoplastiska material. Nyligen har termiskt åldrande och Arrhenius metodik använts i kabel livstid förutsägelse6,7, värmerör8och polymerlim PMMA4. En förlängning av Arrhenius-lagen är Eyring-lagen som tar hänsyn till andra åldrande faktorer (t.ex. spänning, tryck osv.) 9. Alternativt föreslår och kontrollerar andra studier enkla linjära modeller för en beskrivning av åldrandet (t.ex. biosensoråldrande10). Även om Arrhenius metoden används ofta, det finns diskussion om dess relevans i livstid förutsägelse av varje material. Metoden måste därför användas med försiktighet, särskilt när det gäller initiala antaganden och experimentella förhållanden6.

I likhet med de flesta polymerer uppvisar de polyestertyger som används i den aktuella forskningen två olika övergångsfaser som definieras av smälttemperaturen (Tm) och glasövergångstemperaturen (Tg). Smälttemperaturen (Tm)är temperaturen när ett material ändras från dess fasta tillstånd till den flytande, och glasövergångstemperaturen (Tg)är gränsen mellan glas- och gummitillstånd11. Enligt tillverkarens uppgifter är AF9032-tyget tillverkat av polyestertrådar (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250−290 °C13) och PVC-beläggning (Tg = 80−87 °C14,15, Tm = 160−260 °C16). Den åldringstemperatur Tα bör väljas under Tg. Under soliga dagar kan temperaturen på den övre ytan av ett hängande tak till och med nå 90 °C. Därför testas två åldringstemperaturer (80 °C och 90 °C) här. Dessa temperaturer är under tråden Tg och nära beläggningen Tg.

Prestandan hos det accelererade åldrandeprotokollet om tekniska tyger presenteras i det aktuella arbetet. Artificiellt termiskt åldrande används för att förutsäga förändringar av materialegenskaperna. Artikeln illustrerar lämpliga laboratorietester rutiner och ett sätt att extrapolera relativt kortsiktiga experimentella resultat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Accelererade termiska åldrandeexperiment på tekniskt tyg

  1. Övergripande förberedelser
    1. Förbered en testmaskin med rätt programvara (för att ge konstant aföningsfrekvenstester) och en videoextensometer.
    2. Förbered en termisk kammare som ger konstant temperatur på 80 °C (± 1 °C) och 90 °C (±1 °C) i minst 12 veckor.
  2. Preparat beredning
    1. Rulla loss det tekniska tyget AF9032 balen. Rita önskade former (300 mm x 50 mm) med en mjuk penna eller markör på tygytan parallellt med varp- eller fyllningsriktningen.
      OBS: Distributionen av prover på tygytan ges någon annanstans17.
    2. Ange varpriktningen på varje prov med en permanent markör. Skär exemplaren med en vass kniv eller sax. Använd linjalen om en kniv används för skärning.
      OBS: Exemplaren ska vara rektangulära17. De stora belastningsvårdande elementen i tyget är trådar. I den operativa fasen överskrider beläggningsmaterialet vanligtvis sin avkastningsgräns, vilket innebär att det inte deltar i stressfördelningen. De enda elementen som bär lasten är trådar som sprider sig från ett grepp till ett annat. Därför är det inte rimligt att använda sofistikerade former av exemplar (t.ex. en hantelform som vanligtvis används för metaller). Å andra sidan leder sådana provformer till behovet av speciella grepp när den ultimata belastningen undersöks, eller användning av en extensometer för att bedöma materialparametrar.
    3. Mät preparatets tjocklek med ett glidok och räkna antalet trådar i preparatets kortkant.
      Obs! För varje exemplar, ta tre tjockleksmätningar och beräkna medelvärdet. Använd förstoringsglaset för att bedöma antalet trådar om det behövs.
  3. Slå på värmekammaren och lämna dörren öppen. Använd knapparna och kontrolldisplayen och välj temperaturen (80 °C). Stäng värmekammarens dörr och observera temperaturökningen på kontrollpanelen.
  4. Preparat uppvärmning
    1. När temperaturen är nära 80 °C öppnar du värmekammardörren. För in minst 7 uppsättningar exemplar med varje uppsättning bestående av 6 prover som skärs i varpriktningen och 6 i fyllningsriktningen. Stäng dörren så snart som möjligt för att undvika en temperaturfall.
      Obs! För varje stamhastighet utförs experiment på två exemplar i varpriktningen och två i fyllningsriktningen. Placera överflödiga exemplar i kammaren om experimenten inte lyckas eller resultaten från båda testerna är mycket olika.
    2. Efter 1 h, don termiska handskar och ta bort den första uppsättningen exemplar (referensuppsättningen; 6 exemplar i varpriktningen och 6 i fyllningsriktningen). Efter varannan vecka, ta bort en efterföljande uppsättning exemplar från den termiska kammaren.
      OBS: Hela uppvärmningsprocessen kommer att ta 12 veckor.
  5. Preparat konditionering
    1. Lämna proverna i rumstemperatur i en vecka. Kyl proverna till rumstemperatur (dvs. deras egenskaper bör stabiliseras).
    2. Före provningen, rita två svarta märken (prickar) med hjälp av en permanent markör med en pålängden separation på ca 50 mm (L0) i mitten av varje provexemplar.
      Punkterna används av videoextensometern.
  6. Inställning av testmaskin
    1. Montera fyra 60 mm platta skär i testmaskinen, två skär per ett grepp. Skären visar en yta av fiskskala och används för att undvika att glida ut exemplaren ur greppen.
    2. Slå på maskinen. Starta programvaran (t.ex. TestXpert) som styr maskinen. Välj det program som är avsett för dragprovningen.
    3. Välj startläget med ett 200 mm grepp för att greppa separationen i programvaran. Klicka på knappen Startposition för att köra 200 mm grepp för att greppa separation. Detta greppläge kallas vanligtvis startpositionen för ett test.
      OBS: 200 mm avstånd krävs enligt ISO-standard17.
  7. Inställning av videoextensometer
    1. Flytta kameran på videoextensometern längs stödfältet för att placera kamerans lins i mitten av exemplaret. Kontrollera om kamerans lins ger en tydlig bild av provmarkörerna under hela experimentet.
      Obs: Utför ett liknande test före huvudtestet för att fastställa det sannolika provförlängningsintervallet för att säkerställa att kameran följer de svarta markörerna under ett helt test.
    2. Välj rätt ljusstyrka och fokus för linsen med hjälp av datorskärmen och tillhörande programvara.
  8. Video extensometer kalibrering
    Kalibreringsanordningen är standardutrustningen på videoextensometern.
    1. Sätt kalibreringsanordningen i kamerans framsida och kläm fast den med handtagen.
    2. Med hjälp av programvaran för videoextensometer (t.ex. VideoXtens) väljer du rätt typ av markörer i fönstret Mål (vanligtvis svartvitt).
    3. Välj kalibreringsproceduren i videoextensometerprogramvaran med alternativet Skala och välj kalibreringsavståndet i fönstret Skala.
      AVSTÅND BÖR LIKNA SEPARATIONAV markörer på provexemplaren. Kalibreringsanordningen erbjuder tre mätavstånd: 10, 15 och 40 mm. På grund av markeringsseparationen på 50 mm är 40 mm-avståndet lämpligt.
    4. Efter kalibrering ändrar du markörtypen till Mönster i fönstret Mål.
      Detta gör det möjligt för videoextensometern att följa de markörer som anges på preparatet.
  9. Testprestanda
    1. Förbered testparametrarna i TextXpert-programvaran.
      Det förberedda programmet måste möjliggöra ett test med en vald stamhastighet i det uniaxiella stressfallet. Det måste korreleras med videoextensometern. De inspelade parametrarna är det ursprungliga avståndet mellan extensometermarkörerna (L0) och tidsfunktioner, greppförskjutningar, strömextensometerns markeringar avstånd och kraft. Förbelastningskraften på 50 N17 är programmerad och L0-avståndet justeras efter förladdning.
    2. Sätt preparatet längs maskinens vertikala axel och stäng greppen med rörnyckeln.
      OBS: Preparatet måste placeras symmetriskt mot greppen i vertikala och horisontella riktningar.
    3. Utför testerna med den valda konstanta belastningsgraden tills proverna går sönder (använd 0,005, 0,001 och 0,0001 s-1 stamhastigheter). För varje stamhastighet, testa minst två exemplar i varpriktningen och fyll riktning. Spara testresultaten.
      OBS: Följande data är nödvändiga: det ursprungliga avståndet för extensometermarkörerna (L0), tidsfunktionerna för extensometerns markeringsavstånd och kraften.
  10. Upprepa steg 1,5−1,9 varannan vecka med hjälp av de andra uppsättningarna med prover (sex gånger, upp till 12 veckor).
  11. Upprepa hela proceduren vid 90 °C. Det totala antalet exemplar ändras inte. Åldrandet varar i 6 veckor. Ta bort och testa efterföljande uppsättningar exemplar varje vecka.

2. Förberedelse av uppgifter

  1. Att känna till tvärsnittsområdet i proverna, använd graferprogram (SigmaPlot18 eller liknande) för att beräkna om den registrerade kraften och förlängningssteg beroende på elementär styrka av materialekvationer till stress-stam relationer. Rita ett diagram över erhållna data, separat, för varp och fyll prover och för var och en av stamhastigheterna.
  2. Upprepa för 80 °C- och 90 °C-resultaten.

3. Parameteridentifiering av materialmodeller

  1. Piecewise linjär modell för icke-linjär elastisk modellering
    OBS: Tillämpningen av den bitsamma linjära materialmodellen är möjlig när stressbelastningskurvan kan delas upp i delar av linjära (eller ungefär linjära) former. Särskilda övergångsställen för linjerna vid angränsande sektioner motsvarar tillämplighetsintervallen för de relaterade linjerna19.
    1. När det gäller varje kurva som erhålls i steg 2.1, hitta stamintervallen, upptäcka den linjära eller nära linjära stressstammens relation.
    2. Med hjälp av alternativet passformregression i graferprogrammet och den minst fyrkantiga metoden identifierar du den bäst lämpade linjen i den valda regionen.
      OBS: Tangenten till denna kurva motsvarar styvheten hos materialet i ett visst intervall.
    3. Beteckna tangenten som Eij där indexet i motsvarar den aktuella riktningen för materialet (W för varpriktningen och F för fyllningsriktningen) och indexet j är ett på varandra följande antal av den identifierade linjen.
    4. Med parametrar för alla linjer, hitta skärningspunkterna mellan raderna; beteckna dem som εk/l, där k och l markerar övergångslinjerna.
      Obs!
  2. Bodner–Partom viscoplastic modell
    OBS: Bodner-Partom konstituerande lag används för att återspegla elasto-viscoplastic beteende olika material20,21. Grunderna och matematiskformuleringen av modellen ges i detalj på annat håll20,21,22,23,24,25. De elementära ekvationerna presenteras endast i tabell 1 för att modellera det uniaxiella stresstillståndet. Bodner-Partom-modellparametrarna identifieras med hjälp av de uniaxialdragiletester som utförs med minst tre olika belastningshastigheter. Värdet av belastningsgraden måste vara konstant åtminstone i den oelastiska delen av experimentet. Den kompletta Bodner-Partom modell identifieringförfarande modifierad för tekniska vävnader presenteras allmänt24,25.
    1. Med hjälp av grafprogramvaran identifierar du Bodner–Partom-modellparametrarefter Klosowski m.fl.

4. Arrhenius extrapolering

OBS: Arrhenius lagen bygger på en empirisk iakttagelse att omgivningstemperaturökning resulterar i acceleration av ett antal kemiska reaktioner som kan påskynda åldrandet också. Den fullständiga matematiska framställningen av Arrhenius kemiska reaktionskoncept finns någon annanstans11,26. Arrheniuslagen i förenklad form kallas "10 gradhärskaren"27. Enligt denna regel fördubblar en omgivande temperaturökning på ca 10 °C teoretiskt åldrandets hastighet. Reaktionsfrekvensen f definieras därför enligt följande17:

Equation 1

där ΔT = T - Tref är skillnaden mellan åldringstemperaturen T och servicetemperaturen Tref av ett material.

  1. Anta temperaturen Tref enligt det genomsnittliga värdet baserat på resultaten av den lokala meteorologiska stationen (här, Tref = 8 °C28). Anta att termisk kammaretemperatur T används vid åldringsprovningen (här, 80 °C och 90 °C).
    OBS: Temperaturnivån bör registreras under en längre tidsperiod, minst ett år, och beräknas sedan som det genomsnittliga värdet av den perioden, vilket innebär ett tidsgenomsnitt för denna period som tas som Tref.
  2. Beräkna reaktionshastigheten konstant f från ekvation 1 och sedan extrapolera åldrandet (uttryckt i veckor) till år(tabell 2).
    OBS: De extrapoleringseffekter av olika åldersperioder som utförs inom den aktuella forskningen presenteras i tabell 3. Till exempel är termiskt åldrande av ett prov i 4 veckor vid 90 °C lika med dess åldrande i 8 veckor vid 80 °C och motsvarar ett naturligt åldrande på cirka 23 år.

5. Representation av uppgifter

  1. Presentera de erhållna parametervärdena i den normaliserade formen av X/X0, där X betecknar ett aktuellt värde för den vissa parametern och X0 motsvarar det ursprungliga värdet för denna parameter, endast med avseende på ett prov exemplar i åldern 1 timme.
    OBS: Tiden för artificiellt termiskt åldrande sätts upp i timmar.
  2. Rita X/X0-värden på Y-axeln jämfört med den åldrande tid som ritats på X-axeln för att visa parametrarnas utveckling. Förbered tomter för varp och fyll riktningar av det testade materialet separat.
  3. Beskriv parametervärdena som ritats över tid av linjära funktioner (eller olika funktioner för bästa passform) med hjälp av de minst kvadratiska metoden och rapportera R 2-värden.
  4. För att bedöma om arrhenius förenklade relation är korrekt för AF9032-tyget ritar du om de resultat som erhållits för 90 °C med avseende på den åldrande tid som omräknats till "verklig" tid enligt Arrhenius-lagen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 juxtautgör stressbelastningskurvorna för varp- och fyllningsriktningarna för AF9032-tyget som erhålls vid olika åldrandetider, i temperaturnivån 80 °C för en belastningshastighet på 0,001s-1. Skillnaden mellan åldringsperioden 1 h (referenstest) och resten av lagringsperioderna är tydlig. Den åldrande tiden verkar inte väsentligt påverka det materiella svaret i varpriktningen, eftersom stress-stam kurvor är mycket repetitiva, visar inga viktiga skillnader i den ultimata draghållfastheten (UTS). Det förblir i strid med det beteende som observerats för fyllningriktningen, där UTS är mycket lägre när det gäller artificiellt åldrade prover än i det oåldrade fallet. Dessutom upptäcker de uppnådda stress-stamkurvorna olika banor när stammarna överstiger 0,06.

De resultat som erhålls vid olika temperaturnivåer och extrapolering av resultaten för en högre temperaturnivå som presenteras i ett diagram komprimerar alla data om en viss parameter. Om kurvorna som representerar utvecklingen av parametrarna i båda temperaturerna under åldrandetiden faller i samma bana, bekräftar den att de erhållna parametervärdena faktiskt följer Arrhenius ekvation. Om linjerna är parallella tyder det på att ytterligare experiment är nödvändiga för att förklara det observerade fenomenet eller att vissa korrigeringskoefficienter bör införas till resultaten vid en temperaturnivå för att få resultat i båda temperaturerna att falla i en Sökvägen.

Variationbilder av PVC-beläggningsstyvheten och fyll ultimata stammar över lagringstiden finns i figur 3 respektive figur 4. De experimentella resultaten vid två temperaturnivåer på 80 °C och 90 °C presenteras i figur 3a och figur 4a. Det bevisades före24 att den första linjära delen av den experimentella stress-stamkurvan av ett enkelt dragprov (betecknas här som EF0) motsvarar styvheten hos tekniskt tygsom täcker av PVC. De resultat som erhålls vid temperaturnivån 90 °C extrapolerat i timmar till 12 veckor (2000 timmar) och omräknat till "verkliga" år enligt arrhenius förenklade relation dras i samma graf för att jämföra resultaten (figur 3b och figur 4b).

Utvecklingen av styvhet pvc-beläggningen över lagringstiden är nästan linjär vid temperaturnivåer på 80 °C och 90 °C med en konstant ökning i tid, mycket större i 90 °C än i 80 °C. Detta fenomen tyder på att PVC utsätts för relativt hög temperatur genomgår förändringar som leder till tillväxt av dess styvhet, som en effekt av snabbare åldrande. Detta beteende orsakas möjligen av fysiskt åldrande, specifikt för polymermaterial, som tekniska tyger. De yttersta dragstammarna (εult)uppvisar en nedåtgående trend jämfört med åldrandet i fyllningsriktnings- och temperaturnivåerna på 80 °C och 90 °C. För warpriktningen visar UTS-värdena ingen signifikant variation över åldrandetiden. Å andra sidan minskar de ultimata dragstammarna (εult)i 80 °C och växer i 90 °C.

Samma procedur har använts för att hantera modellparametrarna bodner–Partom. Här presenteras den härdande parametern m1 i varpriktningen och viskositetsparametern n i fyllningsriktningen i figur 5 respektive figur 6.

De slutliga forskningsresultaten är uppsättningar av linjära funktioner, som representerar vissa materialparametrar eller tygegenskaper över åldrandetid. Därefter identifierades alla grundläggande mekaniska egenskaper (styvhet, avkastningsgräns, ultimat dragspänning och belastning) och Bodner–Partom-modellparametrar (n, D0, D1, R0, R1, m1, m2) som sattes samman vid temperaturnivåer på 80 °C och 90 °C och analyserades med hjälp av Arrhenius extrapoleringsmetod29.

De approximationslinjer som motsvarar parametertrenderna under hela åldrandet kollapsar till en rad för UTS, εult, m1 när det gäller fyllningsriktning. Andra parameterapproximationslinjer i åldrandetid uppvisar parallella tendenser utan kollaps till en linje.

När det gäller varpriktning kollapsar endast approximationslinjerna för UTS, EW2 och m1 i en rad, medan andra parametrar visar varken tydlig tendens eller parallell karaktär av kurvorna. Alla parametervärden i åldrandetid för fyllningsriktningen uttrycker parallella trender eller kollapsar till en rad. Således har tillvägagångssättet av Arrhenius förenklad ekvation, som visas i denna artikel, bevisats för den riktningen endast.

Figure 1
Figur 1: Schematisk representation av den bitvisa linjära modellen för AF9032-tyget. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Inverkan i termiskt åldringsfall vid 80 °C på svaren på spänningspåfrestningar i varp- och fyllningsriktningarna för AF9032-tyget för stamgraden på 0,01 s-1. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: PVC-beläggningens styvhet vid olika lagringstider i timmar (röda och blå linjer) (a); styvhetsvärden som erhålls vid 90 °C omräknat till tiden i år enligt arrhenius förenklade ekvation (blå linjer) för fyllningsriktningen för AF9032-tyget (b). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: De slutliga stammarna av PVC-beläggningen vid olika åldrande gånger i (röda och blå linjer), experiment (a); slutliga stammar värden som erhållits vid 90 °C omräknat till tid i år enligt Arrhenius förenklade ekvation (blå linjer) i fyllningsriktningen för AF9032 (b). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Bodner–Partomkoefficient för isotropisk härdning m1 vid olika ålderstider i timmar (röda och blå linjer), experiment (a); koefficient för isotrop härdning m1 värden som erhålls vid 90 °C omräknat till tiden i år enligt Arrhenius förenklade ekvation (blå linjer) i varpriktningen av AF9032 (b). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Känslighetsparameter för frekvens för bodner–partoms känslighet n vid olika ålderstider i timmar (röda och blå linjer) (a) och känslighetsparameter för stamhastighet n värden som erhållits för 90 °C omräknat till tid i år enligt Arrhenius förenklade ekvation (blå linjer) för fyllningsriktningen för AF9032 (b). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Oelastisk töjningshastighet Equation 1
Kumulerad oelastisk töjningshastighet Equation 2
Ytterligare ekvationer Equation 3
Isotropisk härdning Equation 4
Kinematisk härdning Equation 5
Väsentliga parametrar Equation 6

Tabell 1: Bas Bodner-Partom ekvationer i uniaxial tillstånd.

Variabel Tref (t ref) T Δt (på 476) F Beräkningsexempel för 4 veckors åldrande
Formulering - - T-Tref 2(ΔT/10) f*4/52
Enhet [-] [år]
Resultat 8 80 72 147 11.3
90 82 294 22.6

Tabell 2: Exempel beräkningar av arrhenius förenklade ekvation.

Åldrande laboratorietid [veckor] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tid enligt 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 (10 °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
( ) markerar de åldrande tester som utförts i denna studie och används för att identifiera parametrar.

Tabell 3: Extrapolering av åldrandet omräknat med Arrhenius ekvation vid temperaturnivåer på 80 °C och 90 °C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denna artikel inkuper ett detaljerat experimentellt protokoll för att simulera laboratorieaccelererade experiment på polyester förstärkta och PVC belagda tyger för anläggningsarbeten applikationer. Protokollet beskriver fallet med artificiellt termiskt åldrande endast med hjälp av att höja omgivningstemperaturen. Detta är en uppenbar förenkling av verkliga väderförhållanden, eftersom UV-strålning och vattenpåverkan spelar en ytterligare roll i den materiella livslängden.

I allmänhet bör villkoren för accelererat åldrande som utförs i laboratoriet vara så nära som möjligt till de verkliga väderförhållandena och serviceförhållandena för ett testat material. Till exempel genomgår material som används i flyg- eller marinkonstruktioner hydrotermiskt åldrande, när fuktighet och temperatur främst fungerar på materialhållbarheten30,31. När det gäller batterinedbrytningsnivån övervakas vanligtvis två åldringsfaktorer: temperatur och laddningstillstånd9. I elektriska kabelisoleringar måste, förutom temperatur, olika spännings- och stressnivåer inkluderas, samtidigt som det utför ett accelererat laboratorieåldrande14. Den termiska typen av accelererat åldrande är dock den vanligaste, och därför är det lätt att reflektera det i laboratoriet. Kalibreringen av de erhållna resultaten med utomhusdata av det tjänsteåldern materialet skapar ett tillförlitligt verktyg för att förutsäga textiltygers eller andra materials framtida beteende.

En nackdel med den presenterade metoden är antalet testade prover. Eftersom uniaxial dragexperiment med tre olika konstanta priser utförs, testades två prover i varje materiell riktning för varje stamhastighet fall. Eftersom analysen måste täcka både varp- och fyllningsriktningar på tyget, testad vid två temperaturnivåer, med minst 5 ålderstidsintervall, krävs ett stort antal prover. Lyckligtvis är resultaten mycket repetitiva, visar mycket liknande tendenser; De erhållna resultaten anses därför vara tillförlitliga även om två prover endast testas under samma förhållanden.

Förfarandet för att utföra uniaxial dragprovning med konstant aföning sats och med video extensometer dataregistrering presenteras noggrant. Den europeiska nationellastandard1 kräver inte användning av en extensometer för att testa tekniska tyger. Det föreslagna protokollet är därför mer exakt än standardkraven. de erhållna uppgifterna är därför mer exakta.

Det föreslagna protokollet gör det möjligt att fastställa materialparametrar för tyger i framtiden. därför är det ett lämpligt verktyg i design. Metoden har framgångsrikt validerats under forskningen av skogsoperans hängande tak i Sopot. Proverna av polyesterförstärkta och PVC-belagda tyger samlades in från taket efter 20 års drift. Prover av oåldrat material erhölls också från samma tillverkare. Båda typerna av prover fortsatte genom samma laboratorieexperiment och parameteridentifieringsrutiner. Resultaten representerades av parametrarna för de piecewise linjära och Bodner-Partom modeller. De trender som observerats i mekaniskt beteende av material från Skogsoperan liknar trender som finns i fallet med termiskt åldrande. Således har de resultat som presenteras här bekräftats av tester av ett tyg efter 20 års tjänst28. För andra typer av tekniska tyger kan dock vissa ändringar av den föreslagna metoden krävas, vilket innebär att försöksprotokollet bör justeras korrekt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Publiceringen av detta arbete stöddes av fakulteten för samhällsbyggnad vid Gdansk sett till tekniska 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics