Kunstmatige thermische veroudering van polyester versterkt en polyvinyl chloride gecoate technische 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

Hier simuleren we versnelde thermische veroudering van technische stof en zien we hoe dit verouderingsproces de mechanische eigenschappen van de stof beïnvloedt.

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

Architecturale stof AF9032 is onderworpen aan kunstmatige thermische veroudering om veranderingen van de materiaalparameters van de stof te bepalen. De voorgestelde methode is gebaseerd op de versnelde verouderingsaanpak die Arrhenius voorstelt. 300 mm x 50 mm monsters werden gesneden in de warp en vulrichtingen en geplaatst in een thermische kamer op 80 °C gedurende maximaal 12 weken of bij 90 °C gedurende maximaal 6 weken. Dan na een week van conditionering bij omgevingstemperatuur, werden de monsters uniaxially gespannen bij een constante spanningssnelheid. Experimenteel werden de parameters bepaald voor de niet-lineaire elastische (lineaire piecewise) en viscoplastische (Bodner-Partom) modellen. Veranderingen in deze parameters werden bestudeerd met betrekking tot de verouderingstemperatuur en de verouderingsperiode. In beide gevallen werd de lineaire benaderingsfunctie met succes toegepast met behulp van de vereenvoudigde methodologie van Arrhenius. Er werd een correlatie verkregen voor de vulrichting tussen experimentele resultaten en de resultaten van de Arrhenius-aanpak. Voor de warprichting vertoonden de extrapolatieresultaten enkele verschillen. Bij beide temperaturen zijn steeds toenemende en afnemende tendensen waargenomen. De wet Arrhenius werd bevestigd door de experimentele resultaten slechts voor de vulrichting. De voorgestelde methode maakt het mogelijk om echt stofgedrag te voorspellen tijdens langdurige exploitatie, wat een cruciaal probleem is in het ontwerpproces.

Introduction

Polyester gebaseerde architecturale stoffen worden vaak gebruikt voor de bouw van hangende daken1. Omdat ze relatief goedkoop zijn met goede mechanische eigenschappen, kunnen ze worden ingezet in langdurige exploitatie (bijvoorbeeld het hangende dak van de Forest Opera in Sopot - Polen). Helaas kunnen weersomstandigheden, ultraviolette straling, biologische redenen en operationele doeleinden (seizoen pre-stressen en losraken2)hun mechanische eigenschappen beïnvloeden. Hangende daken gemaakt van AF9032 zijn meestal seizoensgebonden structuren onderworpen aan hoge temperatuur (vooral tijdens zonnige dagen in de zomer), regelmatige voorspanning en losmaken. Om een hangend dak goed te kunnen ontwerpen, moeten stofparameters niet alleen aan het begin van de exploitatie, maar ook na enkele jaren gebruik worden bepaald.

Verouderingsanalyse meet de verouderingsindicator en vergelijkt de initiële en uiteindelijke waarden van de parameters om de impact van veroudering te beoordelen. Cash et al.3 stelde een van de eenvoudigste methoden voor door een vergelijkende analyse van 12 verschillende soorten dakmembranen. Deze membranen werden blootgesteld aan buitenverwering voor 2 of 4 jaar. De auteurs gebruikten een classificatiesysteem van verschillende eigenschappen om de duurzaamheid van de stof te beoordelen. Om een analyse van polymeerthermische veroudering te bieden, kan het tijdtemperatuursuperpositieprincipe (TTSP) worden toegepast4. Dit principe stelt dat het gedrag van een materiaal bij lage temperatuur en onder lage spanningsniveau op zijn gedrag bij hoge temperatuur en hoge spanningsniveau lijkt. De eenvoudige vermenigvuldigingsfactor kan worden gebruikt om de huidige temperatuureigenschappen te relateren aan de eigenschappen bij de referentietemperatuur. Grafisch komt het overeen met de curveshift op de logtijdschaal. Wat de temperatuur betreft, worden twee methoden voorgesteld om de verschuivingsfactor en de verouderingstemperatuur te combineren: de Williams-Landel-Ferry (WLF) vergelijkingen en de Arrhenius-wet. Beide methoden zijn opgenomen in de Zweedse standaard ISO 113465 om de levensduur en maximale operationele temperatuur voor rubber, of gevulkaniseerde en thermoplastische materialen te schatten. Onlangs zijn thermische veroudering en Arrhenius methodologie gebruikt in de kabel levensduur voorspelling6,7, verwarmingsbuizen8, en polymeer lijm PMMA4. Een uitbreiding van de Wet Arrhenius is de Wet-Eyring die rekening houdt met andere verouderingsfactoren (bijvoorbeeld spanning, druk, enz.) 9. Andere studies stellen eenvoudige lineaire modellen voor en verifiëren zij voor een beschrijving van de veroudering (bijvoorbeeld biosensorveroudering10). Hoewel de Arrhenius-methode vaak wordt gebruikt, is er discussie over de relevantie ervan in de levenslange voorspelling van elk materiaal. Daarom moet de methode met zorg worden gebruikt, met name in termen van initiële veronderstellingen en experimentele omstandigheden6.

Net als bij de meeste polymeren vertonen de polyesterstoffen die in het huidige onderzoek worden gebruikt twee verschillende overgangsfasen die worden gedefinieerd door de smelttemperatuur (Tm)en de glasovergangstemperatuur (Tg). De smelttemperatuur (Tm)is de temperatuur wanneer een materiaal verandert van zijn vaste toestand naar de vloeibare, en de glasovergangstemperatuur (Tg)is de grens tussen het glas en rubbertoestanden 11. Volgens de gegevens van de fabrikant is de AF9032 stof gemaakt van polyester draden (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250−290 °C13) en PVC-coating (Tg = 80−87 °C14,15, Tm = 160−260 °C16). De rijpingstemperatuur Tα moet worden gekozen onder Tg. Tijdens zonnige dagen kan de temperatuur op het bovenste oppervlak van een hangend dak zelfs 90 °C bereiken; zo worden hier twee rijpingstemperaturen (80 °C en 90 °C) getest. Deze temperaturen zijn onder de draad Tg en dicht bij de coating Tg.

De prestaties van het versnelde verouderingsprotocol op technische stoffen worden in het huidige werk gepresenteerd. Kunstmatige thermische veroudering wordt gebruikt om veranderingen van de materiaaleigenschappen te voorspellen. Het artikel illustreert passende laboratoriumtestroutines en een manier om relatief korte termijn experimentele resultaten te extrapoleren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Versnelde thermische verouderingsexperimenten op technisch materiaal

  1. Algehele voorbereiding
    1. Bereid een testmachine voor met de juiste software (om constante spanningssnelheidtests te bieden) en een video-extensom.
    2. Bereid gedurende ten minste 12 weken een thermische kamer voor met een constante temperatuur van 80 °C (± 1 °C) en 90 °C (±1 °C).
  2. Monsterbereiding
    1. Rol de technische stof AF9032 baal uit. Teken de gewenste vormen (300 mm x 50 mm) met een zacht potlood of markering op het stofoppervlak parallel aan de warp- of vulrichting.
      OPMERKING: De verdeling van de specimens op het stofoppervlak wordt elders gegeven17.
    2. Geef de warprichting van elk exemplaar aan met een permanente markering. Snijd de exemplaren met een scherp mes of schaar. Gebruik de liniaal als een mes wordt gebruikt voor het snijden.
      LET OP: De specimens moeten rechthoekig zijn17. De belangrijkste belasting-verzorgende elementen van de stof zijn draden. In de operationele fase overschrijdt het coatingmateriaal meestal de opbrengstlimiet en neemt het dus niet deel aan de stressverdeling. De enige elementen om de belasting te dragen zijn draden verspreiden van de ene grip naar de andere. Daarom is het niet redelijk om geavanceerde vormen van specimens te gebruiken (bijvoorbeeld een haltervorm die meestal voor metalen wordt gebruikt). Anderzijds leiden dergelijke monstervormen tot de noodzaak van speciale grepen wanneer de uiteindelijke belasting wordt onderzocht, of het gebruik van een extensom om materiaalparameters te beoordelen.
    3. Meet de dikte van het monster met een schuifremklauw en tel het aantal draden aan de korte rand van het monster.
      OPMERKING: Neem voor elk exemplaar drie diktemetingen en bereken de gemiddelde waarde. Gebruik het vergrootglas om het aantal draden indien nodig te beoordelen.
  3. Zet de thermische kamer aan en laat de deur open. Selecteer met behulp van de knoppen en het bedieningsdisplay de temperatuur (80 °C). Sluit de thermische kamerdeur en observeer de temperatuurstijging op het bedieningspaneel.
  4. Specimen opwarming
    1. Wanneer de temperatuur dicht bij 80 °C ligt, opent u de thermische kamerdeur. Plaats ten minste 7 sets exemplaren bij elke set bestaande uit 6 exemplaren die in de warprichting worden gesneden en 6 in de vulrichting. Sluit de deur zo snel mogelijk om een temperatuurdaling te voorkomen.
      OPMERKING: De experimenten moeten worden uitgevoerd voor drie stamsnelheden. Voor elke stamsnelheid worden experimenten uitgevoerd op twee exemplaren in de warprichting en twee in de vulrichting. Plaats overtollige exemplaren in de kamer in het geval de experimenten niet succesvol zijn of de resultaten van beide tests zijn zeer uiteenlopend.
    2. Trek na 1 uur thermische handschoenen aan en verwijder de eerste set exemplaren (de referentieset; 6 exemplaren in de warprichting en 6 in de vulrichting). Verwijder na elke 2 weken een volgende set exemplaren uit de thermische kamer.
      LET OP: Het hele opwarmingsproces duurt 12 weken.
  5. Specimen conditionering
    1. Laat de exemplaren een week op kamertemperatuur staan. Koel de exemplaren af tot kamertemperatuur (d.w.z. hun eigenschappen moeten worden gestabiliseerd).
    2. Teken vóór de test twee zwarte merken (stippen) met behulp van een permanente markering met een in de lengte scheiding van ongeveer 50 mm (L0) in het midden van elk monster.
      LET OP: De stippen worden gebruikt door de video-extensometer.
  6. Installatie van de testmachine
    1. Installeer vier 60 mm platte inzetstukken in de testmachine, twee inzetstukken per één greep. De wisselplaten tonen een oppervlaktetype visschaal en worden gebruikt om te voorkomen dat de exemplaren uit de grepen worden gegleden.
    2. Schakel de machine in. Start de software (bijvoorbeeld TestXpert) die de machine bestuurt. Kies het programma gewijd aan de trektests.
    3. Selecteer de startpositie met een grip van 200 mm om de scheiding in de software vast te houden. Klik op de knop Startpositie om de grip van 200 mm uit te voeren om de scheiding van de grip uit te voeren. Deze grippositie wordt meestal de startpositie voor een test genoemd.
      OPMERKING: De afstand van 200 mm is vereist door de ISO-norm17.
  7. Video-extensometer setup
    1. Verplaats de camera van de video-extensom over de draagbalk om de lens van de camera op het niveau van het middelste deel van het exemplaar te plaatsen. Controleer of de lens van de camera tijdens het hele experiment een duidelijk beeld geeft van de modelmarkeringen.
      OPMERKING: Voer een soortgelijke test uit vóór de hoofdtest om het waarschijnlijke monsterverlengingsbereik vast te stellen om ervoor te zorgen dat de camera de zwarte markeringen tijdens een hele test volgt.
    2. Selecteer de juiste helderheid en focus voor de lens met behulp van het computerscherm en de bijbehorende software.
  8. Video-extensometer kalibratie
    OPMERKING: Het kalibratieapparaat is de standaarduitrusting van de video-extensom.
    1. Zet het kalibratieapparaat vooraan in de camera en klem het vast met de handgrepen.
    2. Selecteer met behulp van de software voor video-extensom (bijvoorbeeld VideoXtens) het juiste type markeringen in het venster Doelen (meestal zwart-wit).
    3. Selecteer de kalibratieprocedure in de video-extensomsoftware met de optie Schalen en kies de kalibratieafstand in het venster Schalen.
      OPMERKING: De afstand moet vergelijkbaar zijn met de scheiding van markeringen op de specimens. De kalibratie-inrichting biedt drie meetafstanden: 10, 15 en 40 mm. Door de 50 mm markeringsscheiding is de afstand van 40 mm geschikt.
    4. Wijzig na kalibratie het markeringstype in Patroon in het venster Doelen.
      LET OP: Hiermee kan de video-extensom de markeringen die op het exemplaar zijn aangegeven, volgen.
  9. Testprestaties
    1. Bereid de testparameters in de TextXpert-software voor.
      OPMERKING: Het voorbereide programma moet een test mogelijk maken met een geselecteerde spanningssnelheid in de uniaxiale stressbehuizing. Het moet worden gecorreleerd met de video extensometer. De geregistreerde parameters zijn de initiële afstand van de extensometermarkeringen (L0) en resultaatfuncties van tijd, gripverplaatsingen, de afstand van de markeringen van de huidige extensometer en kracht. De voorbelasting van 50 N17 is geprogrammeerd en de L0-afstand wordt na voorbelading aangepast.
    2. Plaats het monster langs de verticale as van de machine en sluit de grepen met behulp van de buisvormige sleutel.
      OPMERKING: Het monster moet symmetrisch aan de grepen in de verticale en horizontale richtingen worden geplaatst.
    3. Voer de tests uit met de geselecteerde constante spanningssnelheid totdat de exemplaren breken (gebruik 0,005, 0,001 en 0,0001 s-1 stamsnelheden). Test voor elke spanningssnelheid ten minste twee exemplaren in de warprichting en vulrichting. Sla de testresultaten op.
      OPMERKING: De volgende gegevens zijn noodzakelijk: de initiële afstand van de extensometermarkeringen (L0), tijdfuncties van de markeringsafstand van de extensometer en de kracht.
  10. Herhaal stap 1,5−1.9 om de twee weken met behulp van de andere sets monsters (zes keer, tot 12 weken).
  11. Herhaal de hele procedure bij 90 °C. Het totale aantal exemplaren verandert niet. Het verouderingsproces duurt 6 weken. Verwijder en test elke week volgende exemplaren.

2. Voorbereiding van gegevens

  1. Het kennen van de dwarsdoorsnede gebied van de monsters, gebruik grafieken software (SigmaPlot18 of iets dergelijks) om de geregistreerde kracht en verlenging stappen opnieuw te berekenen op basis van elementaire sterkte van materiaalvergelijkingen aan de stress-stam relaties. Plot een grafiek van verkregen gegevens, afzonderlijk, voor de warp en vul monsters en voor elk van de stam tarieven.
  2. Herhaal dit voor de resultaten van 80 °C en 90 °C.

3. Parameteridentificatie van materiaalmodellen

  1. Piecewise lineair model voor niet-lineaire elastische modellering
    OPMERKING: De toepassing van het piecewise lineaire materiaalmodel is mogelijk wanneer de stress-spanningscurve kan worden opgesplitst in secties van lineaire (of ongeveer lineaire) vormen. Bijzondere doorlaatpunten van de lijnen bij naburige secties komen overeen met de toepasbaarheidsbereiken van de verwante lijnen19.
    1. In het geval van elke curve verkregen in stap 2.1, vind de stam bereiken, het detecteren van de lineaire of dicht bij lineaire stress-spanning relatie.
    2. Met behulp van de geschikte regressieoptie in de grafische software en de minst vierkante methode, identificeer t u de best-fit lijn in de gekozen regio.
      OPMERKING: De raaklijn met deze curve komt overeen met de stijfheid van het materiaal in een bepaald bereik.
    3. Noteer de raaklijn als Eij waar de index i overeenkomt met de huidige richting van het materiaal (W voor de warprichting en F voor de vulrichting) en de index j een opeenvolgend aantal van de geïdentificeerde regel is.
    4. Als u parameters van alle lijnen hebt, zoekt u de snijpunten tussen de lijnen; geven ze aan als εk/l, waar k en l de kruisingslijnen markeren.
      OPMERKING: Deze punten (εk/l)vormen de spanningsbereiken om de bijzondere longitudinale stijfheidswaarden toe te passen (Eij) (figuur 1).
  2. Bodner-Partom viscoplastisch model
    OPMERKING: De Bodner-Partom constitutieve wet wordt gebruikt om de elasto-viscoplastisch gedrag van verschillende materialen20,21weerspiegelen. De basis- en wiskundige formulering van het model wordt elders in detail gegeven20,21,22,23,24,25. De elementaire vergelijkingen worden gepresenteerd in tabel 1 alleen om de uniaxiale stresstoestand te modelleren. De Bodner-Partom model parameters worden geïdentificeerd door middel van de uniaxiale trekproeven uitgevoerd met ten minste drie verschillende stam snelheden. De waarde van de stamsnelheid moet ten minste constant zijn in het inelastische deel van het experiment. De volledige Bodner-Partom model identificatie procedure gewijzigd voor technische geweven stoffen wordt op grote schaal gepresenteerd24,25.
    1. Identificeer met behulp van de grafische software bodner-Partom modelparameters na Klosowski et al.24.

4. Arrhenius extrapolatie

OPMERKING: De Wet Arrhenius is gebaseerd op een empirische observatie dat de stijging van de omgevingstemperatuur resulteert in versnelling van een aantal chemische reacties die het verouderingsproces ook kunnen versnellen. De volledige wiskundige representatie van het arrhenius chemische reactieconcept is elders te vinden11,26. De Arrhenius wet in een vereenvoudigde vorm heet "de 10 graden regel"27. Volgens deze regel verdubbelt een omringende temperatuurstijging van ongeveer 10 °C theoretisch de snelheid van het verouderingsproces. Vandaar dat het reactiepercentage f als volgt wordtgedefinieerd:

Equation 1

waar ΔT = T - Tref het verschil is tussen de verouderingstemperatuur T en de bedrijfstemperatuur Tref van een materiaal.

  1. Ga uit van de temperatuur Tref volgens de gemiddelde waarde op basis van de resultaten van het lokale meteorologische station (hier, Tref = 8 °C28). Stel dat de thermische kamertemperatuur T bij de verouderingstest wordt gebruikt (hier, 80 °C en 90 °C).
    OPMERKING: Het temperatuurniveau moet worden geregistreerd voor een langere periode, ten minste één jaar, en vervolgens berekend als de gemiddelde waarde van die periode, waardoor een tijdgemiddelde van deze periode als Trefwordt beschouwd.
  2. Bereken de reactiesnelheid constant f uit vergelijking 1 en extrapoleer vervolgens de verouderingstijd (uitgedrukt in weken) tot jaren(tabel 2).
    OPMERKING: De extrapolatie-effecten van verschillende verouderingsperioden die in het kader van het huidige onderzoek worden uitgevoerd, worden weergegeven in tabel 3. Zo is de thermische veroudering van een monster in 4 weken bij 90 °C gelijk aan de veroudering in 8 weken bij 80 °C en komt het overeen met een natuurlijke veroudering van ongeveer 23 jaar.

5. Gegevensvertegenwoordiging

  1. Presenteer de verkregen parameterwaarden in de genormaliseerde vorm van X/X0, waarbij X een actuele waarde van de bepaalde parameter aangeeft en X0 overeenkomt met de oorspronkelijke waarde van deze parameter, alleen voor een model van 1 uur.
    LET OP: De tijd van kunstmatige thermische veroudering wordt in uren ingesteld.
  2. Plot X/X0-waarden op de Y-as versus de verouderingstijd die is uitgezet op de X-as om de evolutie van de parameters weer te geven. Bereid percelen voor op de warp en vul de richtingen van het geteste materiaal afzonderlijk.
  3. Beschrijf de parameterwaarden die in de loop van de tijd zijn uitgezet door lineaire functies (of verschillende best-fit functies) met behulp van de minst vierkante methode en rapport R 2-waarden.
  4. Om te beoordelen of de arrhenius vereenvoudigde relatie juist is voor AF9032 stof, hertekenen van de resultaten verkregen voor 90 °C met betrekking tot de vergrijzing tijd herberekend in "echte" tijd volgens de Arrhenius wet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 2 plaatst de spanningsdrukkrommen voor de kromtrekken de en de vulrichtingen van AF9032 stof verkregen op verschillende verouderingstijden, in het temperatuurniveau van 80 °C voor een stamsnelheid van 0,001 s-1. Het verschil tussen de 1 uur verouderende periode (referentietest) en de rest van de verouderingsperiode is duidelijk. De verouderingstijd lijkt de materiële respons in de warprichting niet wezenlijk te beïnvloeden, omdat de spanningsspanningscurven zeer repetitief zijn, wat geen belangrijke verschillen in de ultieme treksterkte (UTS) laat zien. Het blijft in strijd met het gedrag waargenomen voor de vulrichting, waar de UTS veel lager is in het geval van kunstmatig verouderde monsters dan in het ongerijpte geval. Bovendien detecteren de bereikte stress-spanningskrommen uiteenlopende trajecten wanneer de stammen meer dan 0,06 bedragen.

De resultaten verkregen bij verschillende temperatuurniveaus en de extrapolatie van de resultaten voor een hoger temperatuurniveau gepresenteerd in een grafiek comprimeren alle gegevens met betrekking tot een bepaalde parameter. Als de krommen die de evolutie van de parameters in beide temperaturen gedurende de verouderingstijd vertegenwoordigen, in hetzelfde traject vallen, bevestigt dit dat de verkregen parameterwaarden daadwerkelijk de Arrhenius-vergelijking volgen. Als de lijnen parallel zijn, suggereert het dat aanvullende experimenten nodig zijn om het waargenomen verschijnsel te verklaren of dat sommige correctiecoëfficiënten in de resultaten op één temperatuurniveau moeten worden ingevoerd om de resultaten in beide temperaturen in één Pad.

Variatiebeelden van de stijfheid van de PVC-coating en het vullen van de ultieme stammen gedurende de verouderingstijd bevinden zich respectievelijk figuur 3 en figuur 4. De experimentele resultaten bij twee temperatuurniveaus van 80 °C en 90 °C worden gepresenteerd in figuur 3a en figuur 4a. Vóór24 werd bewezen dat het eerste lineaire deel van de experimentele stressspanningscurve van een eenvoudige trekproef (hier aangeduid als EF0)overeenkomt met de stijfheid van technische stofbekleding van PVC. De resultaten die worden verkregen bij het temperatuurniveau van 90 °C geëxtrapoleerd in uren tot 12 weken (2000 uur) en herberekend tot "echte" jaren volgens de vereenvoudigde relatie arrhenius worden in dezelfde grafiek getrokken om de resultaten te vergelijken (figuur 3b en figuur 4b).

De evolutie van de stijfheid van de PVC-coating in de verouderingstijd is bijna lineair bij temperaturen van 80 °C en 90 °C met een constante toename in de tijd, veel groter in 90 °C dan in 80 °C. Dit verschijnsel suggereert dat PVC dat aan relatief hoge temperatuur wordt blootgesteld veranderingen ondergaat die resulteren in de groei van de stijfheid, als een effect van versnelde veroudering. Dit gedrag wordt mogelijk veroorzaakt door fysieke veroudering, specifiek voor polymeermaterialen, zoals technische stoffen. De uiteindelijke trekspanningen (εult)vertonen een dalende trend in de verouderingstijd in de vulrichting en temperatuurniveaus van 80 °C en 90 °C. Voor de warprichting vertonen de UTS-waarden geen significante variatie in de verouderingstijd. Aan de andere kant nemen de ultieme trekspanningen (εult)af in 80 °C en groeien in 90 °C.

Dezelfde procedure is gebruikt om de bodner-Partom-modelparameters aan te pakken. Hier worden de verhardingsparameter m1 in de warprichting en de viscositeitparameter n in de vulrichting respectievelijk in figuur 5 en figuur 6gepresenteerd.

De uiteindelijke onderzoeksresultaten zijn sets van lineaire functies, die bepaalde materiaalparameters of stofeigenschappen in de verouderingstijd vertegenwoordigen. Hierna werden alle basismechanische eigenschappen (stijfheid, opbrengstlimiet, ultieme trekspanning en spanning) en Bodner-Partom-modelparameters (n, D0, D1, R0, R1, m1, m2) geïdentificeerd, samengebracht bij temperatuurniveaus van 80 °C en 90 °C en geanalyseerd door middel van de Arrhenius-extrapolatiemethodologie29.

De benaderingslijnen die overeenkomen met de parametertrends gedurende de verouderingstijd storten in op één regel voor UTS, εult, m1 in het geval van vulrichting. Andere parameterbenaderingslijnen in de verouderingstijd vertonen parallelle tendensen zonder samentevouwen tot één regel.

In het geval van warprichting storten alleen de benaderingslijnen van UTS, EW2 en m1 in één regel samen, terwijl andere parameters geen duidelijke tendens of parallel karakter van de curven vertonen. Alle parameterwaarden in de verouderingstijd voor de vulrichting geven parallelle trends weer of storten samen naar één regel. Zo is de aanpak van de Arrhenius vereenvoudigde vergelijking, weergegeven in het onderhavige artikel, alleen voor die richting bewezen.

Figure 1
Figuur 1: Schematische weergave van het stukgewijze lineaire model voor AF9032 stof. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: De impact in het geval van thermische veroudering bij 80 °C op de stress-stamrespons in de warp- en vulrichtingen van AF9032-stof, voor de spanningssnelheid van 0,01 s-1. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Stijfheid van de PVC-coating op verschillende verouderingstijden in uren (rode en blauwe lijnen) (a); stijfheidswaarden verkregen bij 90 °C herberekend op tijd in jaren volgens de Arrhenius vereenvoudigde vergelijking (blauwe lijnen) voor de vulrichting van AF9032 stof (b). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Ultieme stammen van de PVC-coating in verschillende verouderingstijden in (rode en blauwe lijnen), experimenten (a); uiteindelijke stammenwaarden die bij 90 °C zijn verkregen, herberekend op tijd in jaren volgens de vereenvoudigde vergelijking arrhenius (blauwe lijnen) in de vulrichting van AF9032 (b). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Bodner-Partom coëfficiënt van isotropische verharding m1 op verschillende verouderingstijden in uren (rode en blauwe lijnen), experimenten (a); coëfficiënt van isotropische verharding m1 waarden verkregen bij 90 °C herberekend op tijd in jaren volgens de Arrhenius vereenvoudigde vergelijking (blauwe lijnen) in de warprichting van AF9032 (b). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Bodner-Partom-stamgevoeligheidsparameter n op verschillende verouderingstijden in uren (rode en blauwe lijnen) experimenten (a); en parameter n waarden voor spanningsgevoeligheid n waarden die voor 90 °C zijn verkregen, herberekend op tijd in jaren volgens de vereenvoudigde vergelijking arrhenius (blauwe lijnen) voor de vulrichting van de AF9032 (b). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Inelastische spanningssnelheid Equation 1
Gecumuleerde inelastische stamsnelheid Equation 2
Aanvullende vergelijkingen Equation 3
Isotropische verharding Equation 4
Kinematic verharding Equation 5
Materiaalparameters Equation 6

Tabel 1: Basis Bodner-Partom-vergelijkingen in uniaxiale toestand.

Variabele Tref T ΔT (ΔT) F Berekeningsvoorbeeld voor 4 weken therml veroudering
Formulering - - T-Tref 2(ΔT/10) f*4/52
Eenheid °C °C °C [-] [jaren]
Resultaten 8 80 72 147 11.3
90 82 294 22.6

Tabel 2: Voorbeeldberekeningen van de arrhenius vereenvoudigde vergelijking.

De rijpingstijd van het laboratorium [weken] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tijd volgens Arrhenius [jaren] 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
( ) markeert de verouderingstests die in het onderhavige onderzoek zijn uitgevoerd en die worden gebruikt om parameters te identificeren.

Tabel 3: Extrapolatie van de verouderingstijd herberekend met de Arrhenius-vergelijking bij temperatuurniveaus van 80 °C en 90 °C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit artikel incudes een gedetailleerd experimenteel protocol om de laboratorium versnelde experimenten op polyester versterkte en PVC gecoate stoffen voor civieltechnische toepassingen te simuleren. Het protocol beschrijft het geval van kunstmatige thermische veroudering alleen door middel van het verhogen van de omgevingstemperatuur. Dit is een duidelijke vereenvoudiging van de reële weersomstandigheden, aangezien UV-straling en waterinvloed een extra rol spelen bij de veroudering van de materiaaldienst.

Over het algemeen moeten de omstandigheden van versnelde veroudering die in het laboratorium worden uitgevoerd zo dicht mogelijk bij de ware weersomstandigheden en de serviceomstandigheden van een getest materiaal liggen. Materialen die worden gebruikt in lucht- en ruimtevaart- of mariene structuren ondergaan bijvoorbeeld hydrothermische veroudering, wanneer vochtigheid en temperatuur voornamelijk werken aan de duurzaamheid van het materiaal30,31. Wat het aandegraads niveau van de batterij betreft, worden meestal twee verouderingsfactoren gecontroleerd: temperatuur en laadtoestand9. In elektrische kabelisolatie, afgezien van de temperatuur, moeten verschillende spannings- en spanningsniveaus worden opgenomen, terwijl het uitvoeren van versnelde laboratoriumveroudering14. Het thermische type versnelde veroudering is echter de meest voorkomende, dus het is gemakkelijk om het in het laboratorium weer te geven. De kalibratie van de verkregen resultaten met outdoor gegevens van de dienst verouderd materiaal creëert een betrouwbaar instrument om het toekomstige gedrag van textielstoffen of andere materialen te voorspellen.

Een nadeel van de gepresenteerde methode is het aantal geteste monsters. Omdat uniaxiale trekexperimenten met drie verschillende constante snelheden worden uitgevoerd, werden twee monsters in elke materiaalrichting getest voor elke stamsnelheid. Aangezien de analyse zowel de vervormings- als de vulrichtingen van de stof moet bestrijken, getest op twee temperatuurniveaus, met ten minste 5 rijpingstijdsintervallen, is een groot aantal monsters vereist. Gelukkig zijn de resultaten zeer repetitief, met zeer vergelijkbare tendensen; daarom worden de verkregen resultaten als betrouwbaar beschouwd, zelfs als twee monsters alleen onder dezelfde omstandigheden worden getest.

De procedure voor het uitvoeren van de uniaxiale trekproeven met constante spanningssnelheden en met de video-extensometer gegevensregistratie wordt grondig gepresenteerd. De Europese nationale norm1 vereist geen gebruik van een extensometer voor het testen van technische stoffen. Daarom is het voorgestelde protocol nauwkeuriger dan de standaardeisen; zo zijn de verkregen gegevens nauwkeuriger.

Het voorgestelde protocol maakt het mogelijk om in de toekomst materiaalparameters voor stoffen te bepalen; daarom is het een geschikt hulpmiddel in ontwerp. De methode is met succes gevalideerd tijdens het onderzoek naar het hangende dak van de Bosopera in Sopot. De monsters van de polyester versterkte, en PVC gecoate stoffen werden verzameld van het dak na 20 jaar van de werking. Monsters van niet-verouderd materiaal werden ook van dezelfde fabrikant verkregen. Beide soorten monsters gingen door dezelfde laboratoriumexperimenten en parameteridentificatieroutines. De resultaten werden vertegenwoordigd door de parameters van de piecewise lineaire en Bodner-Partom modellen. De waargenomen trends in mechanisch gedrag van materiaal van de Forest Opera lijken op trends gevonden in het geval van thermische veroudering. De hier gepresenteerde resultaten zijn dus bevestigd door de tests van een stof na 20 dienstjaren28. Voor andere soorten technische stoffen kunnen echter enkele wijzigingen van de voorgestelde methode nodig zijn, zodat het experimentele protocol naar behoren moet worden aangepast.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De publicatie van dit werk werd ondersteund door de Faculteit Civiele En Milieutechniek van de Technische Universiteit van Gdansk.

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