Kunstig termisk lagring af polyester forstærket og polyvinylchloridbelagt teknisk stof

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

Her simulerer vi accelereret termisk ældning af teknisk stof og ser, hvordan denne aldringsproces påvirker stoffets mekaniske egenskaber.

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

Arkitektonisk stof AF9032 har været udsat for kunstig termisk lagring for at bestemme ændringer i materialetparametre af stoffet. Den foreslåede metode er baseret på den fremskyndede aldringsstrategi, som Arrhenius har foreslået. 300 mm x 50 mm prøver blev skåret i fordrejnings- og påfyldningsretningerne og anbragt i et termisk kammer ved 80 °C i op til 12 uger eller ved 90 °C i op til 6 uger. Så efter en uges konditionering ved omgivelsestemperatur, prøverne var uniaxially spændt med en konstant stamme sats. Eksperimentelt blev parametrene fastlagt for de ikke-lineære elastiske (lineære stykker) og viskoplastiske (Bodner-Partom) modeller. Ændringer i disse parametre blev undersøgt med hensyn til ældningstemperatur og ældningsperiode. I begge tilfælde blev den lineære tilnærmelsesfunktion anvendt med succes ved hjælp af Arrhenius's forenklede metodologi. Der blev opnået en sammenhæng med hensyn til fylderetningen mellem forsøgsresultater og resultaterne af Arrhenius-metoden. For warp retning, ekstrapolation resultater udstillet nogle forskelle. Stigende og faldende tendenser er blevet observeret ved begge temperaturer. Arrhenius-loven blev kun bekræftet af forsøgsresultaterne for påfyldningsretningen. Den foreslåede metode gør det muligt at forudsige reel stof adfærd under langsigtet udnyttelse, hvilket er et kritisk spørgsmål i designprocessen.

Introduction

Polyester baserede arkitektoniske stoffer er almindeligt anvendt til opførelse af hængende tage1. At være relativt billigt med gode mekaniske egenskaber, kan de anvendes i langsigtet udnyttelse (f.eks, det hængende tag af Forest Opera i Sopot - Polen). Desværre kan vejrforhold, ultraviolet stråling, biologiske årsager og operationelle formål (sæson forstressende og løsne2)påvirke deres mekaniske egenskaber. Hængende tage lavet af AF9032 er typisk sæsonbetonede strukturer udsat for høj temperatur (især i solrige dage om sommeren), regelmæssig forspænding og løsne. For korrekt at designe et hængende tag skal stofparametre bestemmes ikke kun i begyndelsen af udnyttelsen, men også efter flere års brug.

Aldringsanalysen måler aldringsindikatoren og sammenligner parametrenes oprindelige og endelige værdier for at vurdere aldringens virkninger. Cash et al.3 foreslog en af de enkleste metoder ved sammenlignende analyse af 12 forskellige typer tagmembraner. Disse membraner blev udsat for udendørs vejri2 eller 4 år. Forfatterne brugte et klassificeringssystem af flere egenskaber til at vurdere stof holdbarhed. For at kunne foretage en analyse af polymertermisk ældning kan princippet om superposition ved tidstemperatur (TTSP) anvendes4. Dette princip hedder det, at adfærdaf et materiale ved lav temperatur og under lav belastning niveau ligner sin adfærd ved høj temperatur og højt belastningsniveau. Den enkle multiplikativ faktor kan bruges til at relatere de aktuelle temperaturegenskaber med egenskaberne ved referencetemperaturen. Grafisk svarer det til kurveskiftet på logtidsskalaen. Med hensyn til temperaturen foreslås der to metoder til at kombinere skiftfaktoren og aldringstemperaturen: ligningerne Williams-Landel-Ferry (WLF) og Arrhenius-loven. Begge metoder er inkluderet i den svenske standard ISO 113465 for at anslå levetiden og den maksimale driftstemperatur for gummi eller vulkaniserede og termoplastiske materialer. For nylig har termisk lagring og Arrhenius metode været anvendt i kablet levetid forudsigelse6,7, varmerør8,og polymer lim PMMA4. En udvidelse af Arrhenius-loven er Eyring-loven, der tager hensyn til andre aldringsfaktorer (f.eks. spænding, tryk osv.) 9. Alternativt foreslår og verificerer andre undersøgelser enkle lineære modeller for en beskrivelse af aldringen (f.eks. lagring af biosensor10). Selv om Arrhenius-metoden er almindeligt anvendt, er der diskussion om dens relevans i levetidforudsigelsen af hvert materiale. Metoden skal derfor anvendes med omhu, især med hensyn til indledende antagelser og forsøgsbetingelser6.

I lighed med de fleste polymerer udviser de polyesterstoffer, der anvendes i den aktuelle forskning, to forskellige overgangsfaser defineret ved smeltetemperaturen (Tm) og glasovergangstemperaturen (Tg). Smeltetemperaturen (Tm) er temperaturen, når et materiale skifter fra fast tilstand til den flydende, og glasovergangstemperaturen (Tg) er grænsen mellem glas- og gummitilstanden11. Ifølge producentens data er AF9032-stoffet fremstillet af polyestertråde (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250−290 °C13) og PVC-belægning (Tg = 80−87 °C14,15, Tm = 160−260 °C16). Ældningstemperaturen Tα skal vælges under Tg. I solrige dage kan temperaturen på den øverste overflade af et hængende tag endda nå 90 °C; Således testes to ældningstemperaturer (80 °C og 90 °C) her. Disse temperaturer er under tråden Tg og tæt på belægningen Tg.

Den accelererede aldringsprotokols ydeevne vedrørende tekniske stoffer præsenteres i det igangværende arbejde. Kunstig termisk ældning bruges til at forudsige ændringer af materialeegenskaberne. Artiklen illustrerer passende laboratorietest rutiner og en måde at ekstrapolere relativt kortsigtede eksperimentelle resultater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fremskyndede termiske aldringsforsøg på teknisk stof

  1. Samlet forberedelse
    1. Forbered en testmaskine med korrekt software (for at give konstant belastning shastighed test) og en video extensometer.
    2. Et termisk kammer, der giver en konstant temperatur på 80 °C (± 1 °C) og 90 °C (±1 °C) i mindst 12 uger.
  2. Forberedelse af prøver
    1. Rul den tekniske stof AF9032 balle. Tegn de ønskede former (300 mm x 50 mm) med en blød blyant eller markør på stofoverfladen parallelt med fordrejningen eller fyldretningen.
      BEMÆRK: Fordelingen af prøver på stofoverfladen gives andetsteds17.
    2. Angiv fordrejningsretningen på hver prøve med en permanent markør. Skær prøverne med en skarp kniv eller saks. Brug linealen, hvis der bruges en kniv til skæring.
      BEMÆRK: Prøverne skal være rektangulære17. De vigtigste belastningsplejeelementer i stoffet er tråde. I driftsfasen overskrider overfladebehandlingsmaterialet normalt dens udbyttegrænse og deltager således ikke i stressfordelingen. De eneste elementer til at bære belastningen er tråde breder sig fra et greb til et andet. Det er derfor ikke rimeligt at bruge sofistikerede former af prøver (f.eks. en håndvægtsform, der normalt anvendes til metaller). På den anden side medfører sådanne prøveformer behovet for særlige greb, når den endelige belastning undersøges, eller anvendelse af et extensometer med henblik på at vurdere materialeparametrene.
    3. Mål prøvens tykkelse med en slidekalier, og tæl antallet af tråde på prøveemnets korte kant.
      BEMÆRK: For hver prøve skal du tage tre tykkelsesmålinger og beregne gennemsnitsværdien. Brug forstørrelsesglasset til at vurdere antallet af tråde, hvis det er nødvendigt.
  3. Tænd for det termiske kammer, så døren er åben. Vælg temperaturen (80 °C) ved hjælp af knapperne og kontroldisplayet. Luk den termiske kammerdør, og overhold temperaturstigningen på kontrolpanelet.
  4. Prøve opvarmning
    1. Når temperaturen er tæt på 80 °C, skal du åbne døren til det termiske kammer. Sæt mindst 7 sæt prøver med hvert sæt bestående af 6 prøver skåret i kæderetningen og 6 i påfyldningsretningen. Luk døren så hurtigt som muligt for at undgå et temperaturfald.
      BEMÆRK: Forsøgene skal udføres for tre belastningsrater. For hver stammerate udføres der forsøg på to prøver i kæderetningen og to i påfyldningsretningen. Anbring overskydende prøver i kammeret, hvis forsøgene ikke lykkes, eller resultaterne fra begge test er meget forskellige.
    2. Efter 1 time må du don termiske handsker og fjerne det første sæt prøver (referencesættet; 6 prøver i kæderetningen og 6 i påfyldningsretningen). Efter hver 2 uger skal du fjerne et efterfølgende sæt prøver fra det termiske kammer.
      BEMÆRK: Hele opvarmningsprocessen vil tage 12 uger.
  5. Konditionering af prøve
    1. Lad prøverne blive opbevaret ved stuetemperatur i en uge. Prøverne afkøles til stuetemperatur (dvs. deres egenskaber skal stabiliseres).
    2. Før prøvningen tegnes to sorte mærker (prikker) ved hjælp af en permanent markør med en længdeadskillelse på ca. 50 mm (L0) midt i hver prøve.
      BEMÆRK: Prikkerne vil blive brugt af videoextensometeret.
  6. Opsætning af testmaskine
    1. Monter fire 60 mm flade skær i testmaskinen, to skær pr. et greb. Skærne viser en overfladetype i fiskeskala og bruges til at undgå at glide prøverne ud af grebene.
    2. Tænd for maskinen. Start den software (f.eks. Vælg det program dedikeret til trækprøverne.
    3. Vælg udgangspositionen med en 200 mm greb til grebsadskillelse i softwaren. Klik på knappen Udgangsposition for at udføre grebet på 200 mm til grebsadskillelse. Denne grebsposition kaldes normalt udgangspositionen for en test.
      BEMÆRK: 200 mm-afstanden kræves i ISO-standard17.
  7. Opsætning af videoextensometer
    1. Flyt kameraet på videoen extensometer langs den understøttende bar for at placere linsen af kameraet på niveau med den midterste del af prøven. Kontroller, om kameraets linse giver et klart overblik over prøvemærkerne under hele eksperimentet.
      BEMÆRK: Udfør en lignende test før hovedtesten for at fastslå det sandsynlige prøveforlængelsesområde for at sikre, at kameraet følger de sorte markører under en hel prøvning.
    2. Vælg den korrekte lysstyrke og fokus for objektivet ved hjælp af computerskærmen og den tilhørende software.
  8. Video extensometer kalibrering
    BEMÆRK: Kalibreringsanordningen er videoextensometerets standardudstyr.
    1. Sæt kalibreringsanordningen foran kameraet, og fastspænding den med grebene.
    2. Ved hjælp af videoextensometersoftwaren (f.eks.
    3. Vælg kalibreringsproceduren i videoextensometersoftwaren ved hjælp af indstillingen Skalering, og vælg kalibreringsafstanden i vinduet Skalering.
      BEMÆRK: Afstanden skal svare til adskillelsen af markører på prøveemnerne. Kalibreringsanordningen har tre måleafstande: 10, 15 og 40 mm. På grund af 50 mm-markøradskillelsen er afstanden på 40 mm passende.
    4. Efter kalibrering skal du ændre mærketypen til Mønster i vinduet Mål.
      BEMÆRK: Dette gør det muligt for videoextensometeratet at følge de markører, der er angivet på prøveemnet.
  9. Testydeevne
    1. Forbered testparametrene i TextXpert-softwaren.
      BEMÆRK: Det forberedte program skal aktivere en test med en valgt belastningshastighed i det eniaksiale stresstilfælde. Det skal være korreleret med videoen extensometer. De registrerede parametre er den oprindelige afstand af extensometermarkørerne (L0) og tidsfunktioner, grebsforskydninger, nuværende extensometers markører afstand og kraft. Forbelastningskraften på 50 N17 programmeres, og L0-afstanden justeres efter forlastning.
    2. Sæt prøven langs maskinens lodrette akse, og luk grebene ved hjælp af den rørformede skruenøgle.
      BEMÆRK: Prøven skal være placeret symmetrisk på grebene i lodrette og vandrette retninger.
    3. Prøverne udføres med den valgte konstante belastningshastighed, indtil prøverne går i stykker (brug 0,005, 0,001 og 0,0001 s-1 stammehastigheder). For hver belastningshastighed testes mindst to prøver i kæderetningen og fyldretningen. Gem testresultaterne.
      BEMÆRK: Følgende data er nødvendige: ekstensometermarkørernes (L0) første afstand, tidsfunktioner for extensometerets markørafstand og kraften.
  10. Gentag trin 1.5−1.9 hver anden uge ved hjælp af de andre sæt prøver (seks gange, op til 12 uger).
  11. Hele proceduren gentages ved 90 °C. Det samlede antal prøver ændres ikke. Aldringsprocessen varer 6 uger. Fjern og test efterfølgende sæt prøver hver uge.

2. Udarbejdelse af data

  1. Kendskab til tværsnit område af prøverne, bruge grafering software (SigmaPlot18 eller lignende) til at genberegne den registrerede kraft og forlængelse intervaller i henhold til elementære styrken af materiale ligninger til stress-stamme relationer. Afbilde en graf over opnåede data, separat, for kæde og fyld prøver og for hver af stammen satser.
  2. Gentag for 80 °C- og 90 °C-resultaterne.

3. Parameteridentifikation af materialemodeller

  1. Lineær model for ikke-lineær elastisk modellering
    BEMÆRK: Det er muligt at anvende den lineære materialemodel, når belastningskurven kan opdeles i sektioner af lineære (eller omtrent lineære) former. Særlige overgangspunkter for linjerne ved tilstødende sektioner svarer til anvendelighedsintervaller for de relaterede linjer19.
    1. Hvis der er tale om hver kurve, der opnås i trin 2.1, skal du finde belastningsintervallerne og detektere den lineære eller tæt på lineær belastningsbelastningsrelation.
    2. Ved hjælp af indstillingen tilpas regression i grafingsoftwaren og den mindste kvadratiske metode skal du identificere den bedst egnede linje i det valgte område.
      BEMÆRK: Tangenten til denne kurve svarer til materialets stivhed i et bestemt område.
    3. Bestil tangent som Eij, hvor indekset i svarer til den aktuelle retning af materialet (W for kæderetningen og F for fyldretningen), og indeks j er et fortløbende nummer af den identificerede linje.
    4. Hvis du har parametre for alle linjerne, skal du finde skæringspunkterne mellem linjerne. betegne dem som εk/l, hvor k og l markerer krydsningslinjerne.
      BEMÆRK: Disse punkter (εk/l) udgør belastningsintervallerne for at anvende de særlige længdestivhedsværdier (Eij) (figur 1).
  2. Bodner-Partom tyktflydende model
    BEMÆRK: Bodner-partom konstituerende lov bruges til at afspejle elasto-viskoopiske adfærd forskellige materialer20,21. Det grundlæggende og matematiske formulering af modellen er givet i detaljer andetsteds20,21,22,23,24,25. De elementære ligninger præsenteres kun i tabel 1 for at modellere den uniaktale stresstilstand. Bodner-Partom modelparametre ne identificeres ved hjælp af de uniakkiale trækiletest udført med mindst tre forskellige belastningshastigheder. Belastningshastighedens værdi skal være konstant i det mindste i den uelastiske del af forsøget. Den komplette Bodner-Partom model identifikation procedure modificeret til tekniske vævede stoffer er bredt præsenteret24,25.
    1. Ved hjælp af grafing software, identificere Bodner-Partom model parametre efter Klosowski et al.24.

4. Arrhenius ekstrapolation

BEMÆRK: Arrhenius-loven er baseret på en empirisk observation, at den omgivende temperaturstigning resulterer i acceleration af en række kemiske reaktioner, der også kan fremskynde aldringsprocessen. Den fuldstændige matematiske repræsentation af arrhenius-kemikaliereaktionskonceptet findes andetsteds11,26. Arrhenius-loven i forenklet form kaldes "10 graders reglen"27. Ifølge denne regel fordobler en omgivende temperaturstigning på ca. 10 °C teoretisk hastigheden af aldringsprocessen. Reaktionshastigheden f defineres således som følger17:

Equation 1

hvor ΔT = T - Tref er forskellen mellem et materiales ældningstemperatur T og servicetemperaturen Tref.

  1. Antag temperatur Tref i henhold til den gennemsnitlige værdi baseret på resultaterne af den lokale meteorologiske station (her, Tref = 8 °C28). Antag den termiske kammertemperatur T, der skal anvendes i ældningstesten (her, 80 °C og 90 °C).
    BEMÆRK: Temperaturniveauet bør registreres i en længere periode, mindst et år, og derefter beregnes som gennemsnitsværdien af denne periode, hvilket bringer et tidsgennemsnit for denne periode taget som Tref.
  2. Reaktionshastigheden konstant f fra ligning 1 og derefter ekstrapolere aldringstiden (udtrykt i uger) til år (Tabel 2).
    BEMÆRK: Ekstrapoleringsvirkningerne af forskellige aldringsperioder , der udføres inden for den aktuelle forskning , er vist i tabel 3. F.eks. svarer varmelagring af en prøve i 4 uger ved 90 °C til dens ældning i 8 uger ved 80 °C og svarer til en naturlig ældning på ca. 23 år.

5. Datarepræsentation

  1. Fremstil de opnåede parameterværdier i den normaliserede form af X/X0, hvor X angiver en aktuel værdi af den bestemte parameter, og X0 svarer til den oprindelige værdi af denne parameter, kun for en prøve på 1 time.
    BEMÆRK: Tidspunktet for kunstig termisk ældning er sat op i timer.
  2. Afbilde X/X0-værdier på Y-aksen i forhold til den ældningstid, der afbildes på X-aksen for at vise parametrenes udvikling. Forbered parceller til kæde og fyld retninger af det testede materiale separat.
  3. Beskriv de parameterværdier, der med tiden afbildes af lineære funktioner (eller forskellige funktioner med den bedste tilpasning) ved hjælp af de mindst firkantede metode- og rapportR 2-værdier.
  4. For at vurdere, om arrhenius-den forenklede relation er korrekt for AF9032-stoffet, skal du gentegne de opnåede resultater for 90 °C med hensyn til den aldrende tid, der genberegnes til "realtid" i henhold til Arrhenius-loven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 sidestiller stressbelastningskurverne for fordrejningen og påfyldningsretningerne af AF9032 stof, der er fremstillet ved forskellige ældningstider, i 80 °C-temperaturniveauet for en stammehastighed på 0,001 s-1. Forskellen mellem 1 t i lagringsperioden (referencetest) og resten af aldringsperioderne er klar. Aldringstiden synes ikke at påvirke den materielle respons i kæderetningen væsentligt, da stressstammekurverne er meget gentagne, hvilket ikke viser nogen væsentlige forskelle i den ultimative trækstyrke (UTS). Det forbliver i strid med den adfærd, der overholdes for fylderetningen, hvor UTS er meget lavere i tilfælde af kunstigt alderen prøver end i den ulagrede tilfælde. Desuden registrerer de opnåede stress-stamme kurver forskellige baner, når stammerne overstiger 0,06.

De resultater, der opnås ved forskellige temperaturniveauer, og ekstrapolering af resultaterne for et højere temperaturniveau, der præsenteres i én graf, komprimerer alle data vedrørende en bestemt parameter. Hvis kurverne, der repræsenterer udviklingen i parametrene i begge temperaturer i løbet af den aldrende tid, falder i samme bane, bekræfter den, at de opnåede parameterværdier faktisk følger Arrhenius-ligningen. Hvis linjerne er parallelle, foreslås det, at yderligere forsøg er nødvendige for at forklare det observerede fænomen, eller at der bør indføres visse korrektionskoefficienter for resultaterne ved ét temperaturniveau for at opnå, at resultaterne i begge temperaturer falder i én Sti.

Variationsbilleder af PVC-belægningens stivhed og fyld ultimativt stammer over ældningstiden findes i figur 3 og figur 4. Forsøgsresultaterne ved to temperaturniveauer på 80 °C og 90 °C er angivet i figur 3a og figur 4a. Det blev bevist før24, at den første lineære del af den eksperimentelle stress-stamme kurve af en simpel trækstyrke test (betegnet her som EF0)svarer til stivhed en teknisk stof belægning lavet af PVC. De resultater, der opnås ved temperaturniveauet på 90 °C ekstrapoleret i timer til 12 uger (2000 timer) og genberegnes til "rigtige" år i henhold til Arrhenius's forenklede relation, tegnes i samme graf for at sammenligne resultaterne (figur 3b og figur 4b).

Udviklingen i pvc-belægningens stivhed over ældningstiden er næsten lineær ved temperaturniveauer på 80 °C og 90 °C med en konstant stigning i tid, meget større i 90 °C end i 80 °C. Dette fænomen tyder på, at PVC udsat for relativt høje temperaturer gennemgår ændringer, der resulterer i vækst af stivhed, som en effekt af accelereret aldring. Denne adfærd er muligvis forårsaget af fysisk aldring, specifik for polymer materialer, ligesom tekniske stoffer. De ultimative trækstammersværdier (εult)udviser en faldende tendens over ældningstiden i påfyldningsretningen og temperaturniveauet på 80 °C og 90 °C. For kæderetningen viser UTS-værdierne ingen signifikant variation i forhold til aldringstiden. På den anden side falder de ultimative trækstammer (εult) i 80 °C og vokser i 90 °C.

Den samme procedure er blevet brugt til at løse Bodner-Partom model parametre. Her præsenteres hærdningsparameteren m1 i kæderetningen og viskositetsparameteren n i påfyldningsretningen i figur 5 og figur 6.

De endelige forskningsresultater er sæt af lineære funktioner, som repræsenterer visse materialeparametre eller stofegenskaber over ældningstiden. Efter dette blev alle de grundlæggende mekaniske egenskaber (stivhed, udbyttegrænse, ultimativ tiltrækningskraft syre og stamme) og Bodner-Partom modelparametre (n, D0,D1,R0, R1,m 1, m2) identificeret, sat sammen ved temperaturniveauer på 80 °C og 90 °C og analyseret ved hjælp af Arrhenius ekstrapolationsmetode29.

Tilnærmelseslinjerne, der svarer til parametertendenserne i hele aldringstiden, kollapser til én linje for UTS, εult, m1 i tilfælde af påfyldningsretning. Andre parameter tilnærmelse linjer i aldrende tid udviser parallelle tendenser uden sammenbrud til en linje.

I tilfælde af kæderetning, kun tilnærmelse linjer UTS, EW2 og m1 sammenbrud i én linje, mens andre parametre viser hverken klar tendens eller parallel karakter af kurverne. Alle parameterværdier i lagringstiden for fyldretningen udtrykker parallelle tendenser eller kollapser til én linje. Den fremgangsmåde, som Arrhenius forenklede ligning enedes om, og som er vist i denne artikel, er således kun blevet bevist i denne retning.

Figure 1
Figur 1: Skematisk repræsentation af den lineære model for AF9032-stoffet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Virkningen i sagen om termisk ældning ved 80 °C på belastningsbelastningen i kæde- og påfyldningsretningerne af AF9032-stoffet for belastningshastigheden på 0,01 s-1. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Pvc-belægningens stivhed ved forskellige lagringstider i timer (røde og blå linjer) (a), stivhedsværdier opnået ved 90 °C beregnet til tiden i år i henhold til Arrhenius's forenklede ligning (blå linjer) for fyldretningen af AF9032-stoffet (b). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Ultimativ tandpresning af PVC-belægningen på forskellige lagringstider i (røde og blå linjer), forsøg (a), ultimativ tandføringsværdier opnået ved 90 °C beregnet til tiden i år i henhold til Arrhenius's forenklede ligning (blå linjer) i fyldretningen af AF9032 (b). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Bodner-Partom-koefficient for isotropisk hærdning m1 ved forskellige ældningstider i timer (røde og blå linjer), eksperimenter (a), koefficient for isotropiskhærdningm 1-værdier opnået ved 90 °C beregnet til tiden i år i henhold til Arrhenius forenklede ligning (blå linjer) i warpretningen af AF9032 (b). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Bodner-Partom stammehastighedsfølsomhedsparameter n ved forskellige lagringstider i timer (røde og blå linjer) forsøg (a) og belastningsfølsomhedsparameter n værdier opnået for 90 °C genberegnet til tiden i år i henhold til Arrhenius forenklede ligning (blå linjer) for fyldretningen af AF9032 (b). Klik her for at se en større version af denne figur.

Uelastisk belastningshastighed Equation 1
Kumuleret uelastisk belastningshastighed Equation 2
Yderligere ligninger Equation 3
Isotropic hærdning Equation 4
Kinematisk hærdning Equation 5
Materialeparametre Equation 6

Tabel 1: Basis Bodner-Partom ligninger i enaksial tilstand.

Variabel Tref T ΔT (ΔT) F Beregningseksempel for 4 ugers therml-ældning
Formulering - - T-Tref 2(ΔT/10) f*4/52
Enhed [-] [år]
Resultater 8 80 72 147 11.3
90 82 294 22.6

Tabel 2: Eksempelberegninger af Arrhenius forenklede ligning.

Laboratorielagringstid [uger] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tid ifølge Arrhenius [år] 80 °C 2.8 (5.7) 8.5 (11.3) 14.1 (17.0) 19.8 (22.6) 25.4 (28.3) 31.1 (33.9)
90 °C (5.7) (11.3) (17.0) (22.6) (28.3) (33.9) 39.6 45.2 50.9 56.6 62.2 67.9
) markerer de aldringstest, der blev udført i denne undersøgelse, og som anvendes til at identificere parametre.

Tabel 3: Ekstrapolering af ældningstiden, der er genberegnet med Arrhenius-ligningen ved temperaturniveauer på 80 °C og 90 °C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne artikel incudes en detaljeret eksperimentel protokol til at simulere laboratoriet accelererede eksperimenter på polyester forstærket og PVC belagt stoffer til civilingeniørapplikationer. Protokollen beskriver kun spørgsmålet om kunstig termisk ældning ved hjælp af at hæve omgivelsestemperaturen. Dette er en indlysende forenkling af de reelle vejrforhold, da UV-stråling og vandindflydelse spiller en yderligere rolle i lagringen af materialetjenester.

Generelt bør de forhold, der gør sig gældende for den accelererede ældning, der udføres i laboratoriet, være så tæt som muligt på de sande vejrforhold og serviceforhold i et afprøvet materiale. For eksempel gennemgår materialer, der anvendes i luft- og rumfarts- eller havkonstruktioner hydrotermisk ældning, når fugtighed og temperatur primært virker på materialets holdbarhed30,31. Med hensyn til batterinedbrydningsniveauet overvåges to ældningsfaktorer normalt: temperatur ogopladningstilstand 9. I elektriske kabelisoleringer, bortset fra temperatur, skal forskellige spændings- og stressniveauer medtages, mens der udføres accelereret laboratorieældning14. Men den termiske form for accelereret aldring er den mest almindelige, og det er derfor let at afspejle den i laboratoriet. Kalibreringen af de opnåede resultater med udendørs data fra tjenesten alderen materiale skaber et pålideligt værktøj til at forudsige den fremtidige adfærd tekstilstoffer eller andre materialer.

En ulempe ved den præsenterede metode er antallet af testede prøver. Da der udføres uniaksiale trækforsøg med tre forskellige konstante hastigheder, blev to prøver testet i hver materialeretning for hver stammehastighedssag. Da analysen skal dække både kæde- og påfyldningsretninger af stoffet, testet ved to temperaturniveauer med mindst 5 lagringstidsintervaller, kræves der et stort antal prøver. Heldigvis er resultaterne meget gentagne, viser meget lignende tendenser; de opnåede resultater betragtes derfor som pålidelige, selv om to prøver kun testes under de samme betingelser.

Proceduren for gennemførelse af uniaxial trækile test med konstant stamme satser og med video extensometer dataregistrering præsenteres grundigt. Den europæiske nationale standard1 kræver ikke anvendelse af et extensometer til afprøvning af tekniske stoffer. Den foreslåede protokol er derfor mere præcis end standardkravene. de opnåede data er således mere nøjagtige.

Den foreslåede protokol gør det muligt at fastlægge materialeparametre for stoffer i fremtiden. Derfor er det et egnet værktøj i design. Metoden er blevet valideret med succes under forskningen i skovoperaens hængende tag i Sopot. Prøverne af polyester forstærket, og PVC belagte stoffer blev indsamlet fra taget efter 20 års drift. Der blev også indhentet prøver af uældet materiale fra samme producent. Begge typer prøver foregik gennem de samme laboratorieforsøg og parameteridentifikationsrutiner. Resultaterne var repræsenteret ved parametrene for de stykkevis lineære og Bodner-Partom modeller. De tendenser, der observeres i mekanisk adfærd af materiale fra Forest Opera ligne tendenser findes i tilfælde af termisk aldring. Således er de resultater, der præsenteres her, blevet bekræftet af test af et stof efter 20 års tjeneste28. For andre former for tekniske stoffer kan der dog være behov for visse ændringer af den foreslåede metode, og forsøgsprotokollen bør derfor justeres korrekt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Offentliggørelsen af dette arbejde blev støttet af Det Juridiske Fakultet og Miljøteknik ved Gdansk Teknologiske Universitet.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AF 9032 technical fabric Shelter-Rite Seaman Corporation
knife of scisors
marker pernament
ruler
Sigma Plot Systat Software Inc. v. 12.5
Testing machine Z020 Zwick Roell BT1-FR020TN.A50
TestXpert II program Zwick Roell v. 3.50
Thermal chamber Eurotherm Controls 2408
tubular spanner 13 mm
Video extensometer Zwick Roell BTC-EXVIDEO.PAC.3.2.EN Instead of video extensometer, a mechanical one can be used
VideoXtens Zwick Roell 5.28.0.0 SP2

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ambroziak, A. Mechanical properties of Precontraint 1202S coated fabric under biaxial tensile test with different load ratios. Construction and Building Materials. 80, 210-224 (2015).
  2. Żerdzicki, K., Kłosowski, P., Woźnica, K. Analysis of the cyclic load-unload-reload tests of VALMEX aged fabric. Shell Structures: Theory and Applications. Pietraszkiewicz, W., Witkowski, W. CRC Press. Boca Raton, FL. 477-480 (2017).
  3. Cash, C. G., Bailey, D. M. Predictive service life tests for roofing membranes: Phase 2. Durability of Building Materials and Components. Taylor, Francis. London. (2014).
  4. Yin, W., et al. Aging behavior and lifetime prediction of PMMA under tensile stress and liquid scintillator conditions. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 2, (2), 82-87 (2019).
  5. Swedish Standards Insitute. Buildings And Constructed Assets - Service Life Planning - Part 7: Performance Evaluation For Feedback Of Service Life Data From Practice. International Organization of Standardization. 15686-15687 (2017).
  6. Šaršounová, Z. The Inconveniences Related to Accelerated Thermal Ageing of Cables. Transportation Research Procedia. 40, 90-95 (2019).
  7. Gong, Y., et al. Comparative study on different methods for determination of activation energies of nuclear cable materials. Polymer Testing. 70, 81-91 (2018).
  8. Vega, A., Yarahmadi, N., Jakubowicz, I. Optimal conditions for accelerated thermal ageing of district heating pipes. Energy Procedia. 149, 79-83 (2018).
  9. Redondo-Iglesias, E., Venet, P., Pelissier, S. Eyring acceleration model for predicting calendar ageing of lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage. 13, 176-183 (2017).
  10. Panjan, P., Virtanen, V., Sesay, A. M. Determination of stability characteristics for electrochemical biosensors via thermally accelerated ageing. Talanta. 170, 331-336 (2017).
  11. Martin, R. Ageing of Composites. Woodhead Publishing. (2008).
  12. Mouzakis, D. E., Zoga, H., Galiotis, C. Accelerated environmental ageing study of polyester/glass fiber reinforced composites (GFRPCs). Composites Part B: Engineering. 39, (3), 467-475 (2008).
  13. Rosato, D., Rosato, M. Plastic product material and process selection handbook. Elsevier. Kidlington, Oxford. (2004).
  14. Brebu, M., et al. Study of the natural ageing of PVC insulation for electrical cables. Polymer Degradation and Stability. 67, (2), 209-221 (2000).
  15. Martienssen, W., Warlimont, H. Handbook of Condensed Matter and Materials Data. Springer Berlin. Berlin. (2005).
  16. Berard, M. T., Daniels, C. A., Summers, J. W., Wilkes, C. E. PVC Handbook. Munchen: Hanser. (2005).
  17. Rubber - or plastics-coated fabrics - Determination of tensile strength and elongation at break. Beauth Publishing. SN EN ISO 1421 (2017).
  18. Systat Software, Inc. SigmaPlot 12.0 User's Guide. (2015).
  19. Ambroziak, A., Kłosowski, P. Mechanical testing of technical woven fabrics. Journal of Reinforced and Plastic Composites. 32, (10), 726-739 (2013).
  20. Bodner, S. R., Partom, Y. Constitutive equations for elastic-viscoplastic strain-hardening materials. Journal of Applied Mechanics. 42, 385-389 (1985).
  21. Andersson, H. An implicit formulation of the Bodner-Partom constitutive equations. Computers and Structures. 81, (13), 1405-1414 (2003).
  22. Kłosowski, P., Zagubień, A., Woznica, K. Investigation on rheological properties of technical fabric "Panama". Archive of Applied Mechanics. 73, (9-10), 661-681 (2004).
  23. Zaïri, F., Naït-Abdelaziz, M., Woznica, K., Gloaguen, J. M. Constitutive equations for the viscoplastic-damage behaviour of a rubber-modified polymer. European Journal of Mechanics, A/Solids. 24, (1), 169-182 (2005).
  24. Klosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Identification of Bodner-Partom model parameters for technical fabrics. Computers and Structures. 187, (2017).
  25. Zerdzicki, K. Durability evaluation of textile hanging roofs materials. Gdansk University of Technology. Ph.D Thesis (2015).
  26. Bystritskaya, E. V., Pomerantsev, A. L., Rodionova, O. Y. Prediction of the aging of polymer materials. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 47, (2), 175-178 (1999).
  27. Hukins, D. W. L., Mahomed, A., Kukureka, S. N. Accelerated aging for testing polymeric biomaterials and medical devices. Medical Engineering and Physics. 30, (10), 1270-1274 (2008).
  28. Zerdzicki, K., Klosowski, P., Woznica, K. Influence of service ageing on polyester-reinforced polyvinyl chloride-coated fabrics reported through mathematical material models. Textile Research Journal. 89, (8), 1472-1487 (2019).
  29. Klosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Influence of artificial thermal ageing on polyester-reinforced and polyvinyl chloride coated AF9032 technical fabric. Textile Research Journal. 89, (21-22), 4632-4646 (2019).
  30. Firdosh, S., et al. Durability of GFRP nanocomposites subjected to hygrothermal ageing. Composites Part B: Engineering. 69, 443-451 (2015).
  31. Le Saux, V., Le Gac, P. Y., Marco, Y., Calloch, S. Limits in the validity of Arrhenius predictions for field ageing of a silica filled polychloroprene in a marine environment. Polymer Degradation and Stability. 99, (1), 254-261 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics