Künstliche thermische Alterung von Polyester verstärkte und Polyvinylchlorid beschichtet technische samt

Zusammenfassung

Hier simulieren wir die beschleunigte thermische Alterung des technischen Gewebes und sehen, wie dieser Alterungsprozess die mechanischen Eigenschaften des Gewebes beeinflusst.

Zusammenfassung

Das architektonische Gewebe AF9032 wurde einer künstlichen thermischen Alterung unterzogen, um Veränderungen der Materialparameter des Gewebes zu bestimmen. Die vorgeschlagene Methode basiert auf dem von Arrhenius vorgeschlagenen Ansatz der beschleunigten Alterung. 300 mm x 50 mm Proben wurden in die Kett- und Füllrichtung geschnitten und bis zu 12 Wochen bei 80 °C oder bis zu 6 Wochen bei 90 °C in eine Wärmekammer gelegt. Nach einer Woche Konditionierung bei Umgebungstemperatur wurden die Proben dann mit konstanter Dehnungsrate uniaxial gespannt. Experimentell wurden die Parameter für die nichtlinearen elastischen (linearen Stück) und viskoplastischen (Bodner-Partom) Modelle bestimmt. Änderungen dieser Parameter wurden im Hinblick auf die Alterungstemperatur und die Alterungszeit untersucht. In beiden Fällen wurde die lineare Approximationsfunktion mit der vereinfachten Methode von Arrhenius erfolgreich angewendet. Für die Füllrichtung zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Ergebnissen des Arrhenius-Ansatzes wurde eine Korrelation erzielt. Für die Kettrichtung wiesen die Extrapolationsergebnisse einige Unterschiede auf. Bei beiden Temperaturen wurden steigende und abnehmende Tendenzen beobachtet. Das Arrhenius-Gesetz wurde durch die experimentellen Ergebnisse nur für die Füllrichtung bestätigt. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht es, echtes Gewebeverhalten während der langfristigen Nutzung vorherzusagen, was ein kritisches Problem im Entwurfsprozess ist.

Einleitung

Polyester-basierte architektonische Stoffe werden häufig für den Bau von Hängenden^Dächern1 verwendet. Da sie relativ günstig sind und gute mechanische Eigenschaften aufweisen, können sie in der langfristigen Verwertung eingesetzt werden (z.B. das Hängedach der Waldoper in Sopot - Polen). Leider können Wetterbedingungen, ultraviolette Strahlung, biologische Gründe und betriebliche Zwecke (Saison-Vorspannung und Lockerung²) ihre mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Hängedächer aus AF9032 sind typischerweise saisonale Strukturen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind (besonders an sonnigen Tagen im Sommer), regelmäßiges Vorspannen und Lösen. Um ein hängeres Dach richtig zu gestalten, müssen die Stoffparameter nicht nur zu Beginn der Verwertung, sondern auch nach mehrjähriger Nutzung ermittelt werden.

Die Alterungsanalyse misst den Alterungsindikator und vergleicht die Anfangs- und Endwerte der Parameter, um die Auswirkungen des Alterns zu bewerten. Cash et al.³ schlug eine der einfachsten Methoden durch vergleichende Analyse von 12 verschiedenen Arten von Dachmembranen vor. Diese Membranen waren 2 oder 4 Jahre lang der Verwitterung im Freien ausgesetzt. Die Autoren verwendeten ein Bewertungssystem mit mehreren Eigenschaften, um die Haltbarkeit von Stoffen zu bewerten. Um eine Analyse der thermischen Polymeralterung zu ermöglichen, kann das Zeittemperatur-Überlagerungsprinzip (TTSP) angewendet werden⁴. Dieses Prinzip besagt, dass das Verhalten eines Materials bei niedriger Temperatur und unter niedrigem Dehnungsgrad seinem Verhalten bei hoher Temperatur und hohem Dehnungsgrad ähnelt. Der einfache Multiplikationsfaktor kann verwendet werden, um die aktuellen Temperatureigenschaften mit den Eigenschaften bei der Referenztemperatur in Beziehung zu setzen. Grafisch entspricht sie der Kurvenverschiebung auf der Protokollzeitskala. In Bezug auf die Temperatur werden zwei Methoden vorgeschlagen, um den Schaltfaktor und die Alterungstemperatur zu kombinieren: die Williams-Landel-Ferry (WLF)-Gleichungen und das Arrhenius-Gesetz. Beide Methoden sind in der schwedischen Norm ISO 11346⁵ enthalten, um die Lebensdauer und maximale Betriebstemperatur für Gummi oder vulkanisierte und thermoplastische Materialien zu schätzen. Kürzlich wurden thermische Alterung und Arrhenius-Methodik in der Kabellebensdauervorhersage^6,7, Heizungsrohre⁸und Polymerkleber PMMA⁴verwendet. Eine Erweiterung des Arrhenius-Gesetzes ist das Eyring-Gesetz, das andere Alterungsfaktoren (z. B. Spannung, Druck usw.) berücksichtigt. ⁹. Alternativ schlagen andere Studien einfache lineare Modelle für eine Beschreibung des Alterns vor (z. B. Biosensoralterung¹⁰). Obwohl die Arrhenius-Methode häufig verwendet wird, wird über ihre Relevanz in der Lebensdauervorhersage jedes Materials diskutiert. Daher muss die Methode mit Vorsicht verwendet werden, insbesondere in Bezug auf anfängliche Annahmen und experimentelle Bedingungen⁶.

Ähnlich wie die meisten Polymere weisen die in der aktuellen Forschung verwendeten Polyestergewebe zwei unterschiedliche Übergangsphasen auf, die durch die Schmelztemperatur (T_m) und die Glasübergangstemperatur (T_g) definiert sind. Die Schmelztemperatur (T_m) ist die Temperatur, wenn sich ein Material von seinem festen zustand in den flüssigen ändert, und die Glasübergangstemperatur (T_g) ist die Grenze zwischen dem Glas- und dem Gummizuständen¹¹. Nach Herstellerangaben besteht das Gewebe AF9032 aus Polyestergewinden (T_g = 100 x 180 °C¹², T_m = 250 x 290 °C¹³) und PVC-Beschichtung (T_g = 80 x 87 °C^14,15, T_m = 160 x 260 °C¹⁶). Die Alterungstemperatur T_- sollte unter T_gausgewählt werden. An sonnigen Tagen kann die Temperatur auf der Oberseite eines hängenden Daches sogar 90 °C erreichen; Daher werden hier zwei Alterungstemperaturen (80 °C und 90 °C) getestet. Diese Temperaturen liegen unterhalb des Gewindes T_g und in der Nähe der Beschichtung T_g.

Die Leistungsfähigkeit des beschleunigten Alterungsprotokolls auf technischen Geweben wird in der aktuellen Arbeit dargestellt. Künstliche thermische Alterung wird verwendet, um Veränderungen der Materialeigenschaften vorherzusagen. Der Artikel veranschaulicht geeignete Labortestroutinen und eine Möglichkeit, relativ kurzfristige experimentelle Ergebnisse zu extrapolieren.

Protokoll

1. Beschleunigte thermische Alterungsexperimente auf technischem Gewebe

1. Gesamtvorbereitung
   1. Bereiten Sie eine Testmaschine mit der richtigen Software (um konstante Dehnungsgeschwindigkeitstests bereitzustellen) und einem Video-Extensometer vor.
   2. Bereiten Sie eine Wärmekammer mit einer konstanten Temperatur von 80 °C (ca. 1 °C) und 90 °C (ca. 1 °C) für mindestens 12 Wochen vor.
2. Probenvorbereitung
   1. Entrollen Sie den technischen Stoff AF9032 Ballen. Zeichnen Sie die gewünschten Formen (300 mm x 50 mm) mit einem weichen Bleistift oder Marker auf der Stoffoberfläche parallel zur Kett- oder Füllrichtung.
      HINWEIS: Die Verteilung der Proben auf der Gewebeoberfläche ist an anderer Stelle angegeben¹⁷.
   2. Zeigen Sie die Kettrichtung an jedem Exemplar mit einem permanenten Marker an. Schneiden Sie die Proben mit einem scharfen Messer oder einer Schere. Verwenden Sie das Lineal, wenn ein Messer zum Schneiden verwendet wird.
      HINWEIS: Die Proben sollten rechteckig^{sein 17}. Die wichtigsten lastpflegenden Elemente des Gewebes sind Fäden. In der Betriebsphase überschreitet das Beschichtungsmaterial in der Regel seine Ausbeutegrenze und nimmt somit nicht an der Spannungsverteilung teil. Die einzigen Elemente, die die Last tragen, sind Gewinde, die sich von einem Griff zum anderen ausbreiten. Daher ist es nicht sinnvoll, ausgeklügelte Formen von Proben zu verwenden (z. B. eine Hantelform, die normalerweise für Metalle verwendet wird). Andererseits führen solche Probenformen dazu, dass bei der Untersuchung der Endlast spezielle Griffe oder ein Extensometer zur Beurteilung von Materialparametern benötigt werden.
   3. Messen Sie die Dicke der Probe mit einem Schiebesattel und zählen Sie die Anzahl der Fäden am kurzen Rand der Probe.
      ANMERKUNG: Nehmen Sie für jede Probe drei Dickenmessungen vor, und berechnen Sie den Durchschnittswert. Verwenden Sie die Lupe, um bei Bedarf die Anzahl der Gewinde zu bewerten.
3. Schalten Sie die Wärmekammer ein und lassen Sie die Tür offen. Wählen Sie über die Tasten und die Steueranzeige die Temperatur (80 °C) aus. Schließen Sie die Wärmekammertür und beobachten Sie den Temperaturanstieg auf dem Bedienfeld.
4. Probenerwärmung
   1. Wenn die Temperatur nahe 80 °C liegt, öffnen Sie die Wärmekammertür. Setzen Sie mindestens 7 Probensätze mit jedem Satz ein, der aus 6 in Warp-Richtung geschnittenen Proben und 6 in Füllrichtung besteht. Schließen Sie die Tür so schnell wie möglich, um einen Temperatursturz zu vermeiden.
      HINWEIS: Die Experimente sollten für drei Dehnungsraten durchgeführt werden. Für jede Dehnungsrate werden Experimente an zwei Proben in Kettrichtung und zwei in Füllrichtung durchgeführt. Platzieren Sie überschüssige Proben in der Kammer, falls die Experimente nicht erfolgreich sind oder die Ergebnisse beider Tests sehr unterschiedlich sind.
   2. Nach 1 h, thermothermische Handschuhe und entfernen Sie den ersten Satz von Proben (der Referenzsatz; 6 Proben in warp-Richtung und 6 in der Füllrichtung). Entfernen Sie nach alle 2 Wochen einen nachfolgenden Satz von Proben aus der Wärmekammer.
      HINWEIS: Der gesamte Erwärmungsprozess wird 12 Wochen dauern.
5. Probenkonditionierung
   1. Lassen Sie die Proben eine Woche bei Raumtemperatur. Kühlen Sie die Proben auf Raumtemperatur (d. h. ihre Eigenschaften sollten stabilisiert werden).
   2. Zeichnen Sie vor dem Test zwei schwarze Markierungen (Punkte) mit einem permanenten Marker mit einer längs trennung von etwa 50 mm (L0) in der Mitte jeder Probe.
      HINWEIS: Die Punkte werden vom Video-Extensometer verwendet.
6. Testmaschine-Setup
   1. Installieren Sie vier 60 mm flache Einsätze in die Prüfmaschine, zwei Einsätze pro Griff. Die Einsätze zeigen einen Fischmaßstabsoberflächentyp und werden verwendet, um zu vermeiden, dass die Proben aus den Griffen verrutschen.
   2. Schalten Sie die Maschine ein. Starten Sie die Software (z. B. TestXpert), die das Gerät steuert. Wählen Sie das Programm aus, das den Zugversuchen gewidmet ist.
   3. Wählen Sie die Startposition mit einem Griff von 200 mm zur Grifftrennung in der Software aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche Startposition, um die 200 mm Griff-zu-Griff-Trennung auszuführen. Diese Griffposition wird in der Regel als Ausgangsposition für einen Test bezeichnet.
      HINWEIS: Der Abstand von 200 mm wird nach der ISO-Norm¹⁷benötigt.
7. Einrichtung von Video-Extensometern
   1. Bewegen Sie die Kamera des Videoextensometers entlang der Stützleiste, um das Objektiv der Kamera auf der Ebene des mittleren Teils der Probe zu positionieren. Prüfen Sie, ob das Objektiv der Kamera während des gesamten Experiments eine klare Sicht auf die Probenmarker bietet.
      HINWEIS: Führen Sie vor dem Haupttest einen ähnlichen Test durch, um den wahrscheinlichen Dehnungsbereich der Probe festzulegen, um sicherzustellen, dass die Kamera während eines gesamten Tests den schwarzen Markierungen folgt.
   2. Wählen Sie die richtige Helligkeit und Fokus für das Objektiv mit dem Computerbildschirm und der zugehörigen Software.
8. Video-Extensometer-Kalibrierung
   HINWEIS: Das Kalibriergerät ist die Standardausstattung des Videoextensometers.
   1. Setzen Sie das Kalibriergerät in die Vorderseite der Kamera und klemmen Sie es mit den Griffen.
   2. Wählen Sie mit der Video-Extensometer-Software (z. B. VideoXtens) den richtigen Markertyp im Zielfenster aus (in der Regel schwarz und weiß).
   3. Wählen Sie den Kalibrierungsvorgang in der Video-Extensometer-Software mit der Option Skalieren aus, und wählen Sie den Kalibrierungsabstand im Scale-Fenster aus.
      HINWEIS: Der Abstand sollte der Trennung der Marker auf den Proben ähneln. Das Kalibriergerät bietet drei Messabstände: 10, 15 und 40 mm. Durch die 50 mm Markertrennung ist der Abstand von 40 mm angemessen.
   4. Ändern Sie nach der Kalibrierung den Markertyp im Fenster Ziele in Muster.
      HINWEIS: Dadurch kann das Video-Extensometer den auf der Probe angegebenen Markern folgen.
9. Testleistung
   1. Bereiten Sie die Testparameter in der TextXpert-Software vor.
      HINWEIS: Das vorbereitete Programm muss einen Test mit einer ausgewählten Dehnungsrate im einachsigen Spannungsfall ermöglichen. Es muss mit dem Video-Extensometer korreliert werden. Die aufgezeichneten Parameter sind der Anfangsabstand der Extensometer-Marker (L0) und Ergebnisfunktionen von Zeit, Griffverschiebungen, Abstand der Markierungen des Stromextensometers und Kraft. Die Vorspannkraft von 50 N¹⁷ wird programmiert und der L0-Abstand nach dem Vorladeneingestellt.
   2. Legen Sie die Probe entlang der vertikalen Hauptachse der Maschine und schließen Sie die Griffe mit dem Rohrspanner.
      HINWEIS: Die Probe muss symmetrisch zu den Griffen in vertikaler und horizontaler Richtung angeordnet sein.
   3. Führen Sie die Tests mit der ausgewählten konstanten Dehnungsrate bis zum Bruch der Proben durch (verwenden Sie 0,005, 0,001 und 0,0001 s^-1 Dehnungsraten). Testen Sie für jede Dehnungsrate mindestens zwei Proben in Kettrichtung und Füllrichtung. Speichern Sie die Testergebnisse.
      HINWEIS: Die folgenden Daten sind erforderlich: der Anfangsabstand der Extensometer-Marker (L0), die Zeitfunktionen des Markerabstands des Extensometers und die Kraft.
10. Wiederholen Sie die Schritte 1,5 bis 1,9 alle zwei Wochen mit den anderen Probensätzen (sechsmal, bis zu 12 Wochen).
11. Wiederholen Sie den gesamten Vorgang bei 90 °C. Die Gesamtzahl der Proben ändert sich nicht. Der Alterungsprozess dauert 6 Wochen. Entfernen und testen Sie nachfolgende Probensätze jede Woche.

2. Datenaufbereitung

1. Wenn Sie den Querschnittsbereich der Proben kennen, verwenden Sie Graphik (SigmaPlot¹⁸ oder ähnlich), um die registrierten Kraft- und Dehnungsschritte entsprechend der elementaren Stärke von Materialgleichungen zu den Spannungs-Dehnungs-Beziehungen neu zu berechnen. Zeichnen Sie ein Diagramm der erhaltenen Daten, separat, für die Kett- und Füllproben und für jede der Dehnungsraten.
2. Wiederholen Sie dies für die Ergebnisse 80 °C und 90 °C.

3. Parameteridentifikation von Materialmodellen

1. Stückweises lineares Modell für nichtlineare elastische Modellierung
   HINWEIS: Die Anwendung des stückweise linearen Materialmodells ist möglich, wenn die Spannungs-Dehnungskurve in Abschnitte linearer (oder ungefähr linearer) Formen aufgeteilt werden kann. Besondere Kreuzungspunkte der Linien an benachbarten Abschnitten entsprechen den Anwendbarkeitsbereichen der zugehörigen Linien¹⁹.
   1. Bei jeder Kurve, die in Schritt 2.1 erhalten wird, finden Sie die Dehnungsbereiche, um die lineare oder nahe an der linearen Spannungs-Dehnungsbeziehung zu erkennen.
   2. Identifizieren Sie mit der Option Regression anpassen in der Grafiksoftware und der Methode mit dem kleinsten Quadrat die am besten geeignete Linie in der ausgewählten Region.
      HINWEIS: Die Tangente zu dieser Kurve entspricht der Steifigkeit des Materials in einem bestimmten Bereich.
   3. Bezeichnen Sie die Tangente als E_ij, wobei der Index i der aktuellen Richtung des Materials entspricht (W für die Kettrichtung und F für die Füllrichtung) und der Index j eine fortlaufende Zahl der identifizierten Linie ist.
   4. Mit Parametern aller Linien, finden Sie die Schnittpunkte zwischen den Linien; bezeichnen sie als_k/l, wobei k und l die Kreuzungslinien markieren.
      ANMERKUNG: Diese Punkte_(k/l) bilden die Dehnungsbereiche, um die besonderen Längssteifigkeitswerte anzuwenden (E_ij) ( Abbildung1).
2. Bodner-Partom-Viskoplastik-Modell
   HINWEIS: Das Bodner-Partom-Konstitutive Gesetz wird verwendet, um das elasto-viskoplastische Verhalten verschiedener Materialien widerzuspiegeln^20,21. Die Grundlagen und mathematische Formulierung des Modells ist im Detail an anderer Stelle gegeben^{20,21,22,23,24,25}. Die elementaren Gleichungen werden in Tabelle 1 nur dargestellt, um den einachsigen Spannungszustand zu modellieren. Die Parameter des Bodner-Partom-Modells werden durch die uniaxialen Zugversuche identifiziert, die mit mindestens drei unterschiedlichen Dehnungsraten durchgeführt werden. Der Wert der Dehnungsrate muss mindestens im unelastischen Teil des Experiments konstant sein. Das komplette Bodner-Partom-Modellidentifikationsverfahren, modifiziert für technische Gewebe, ist weit verbreitet^24,25.
   1. Identifizieren Sie mit der Graphik-Software Bodner-Partom-Modellparameter nach Klosowski et al.²⁴.

4. Arrhenius-Extrapolation

HINWEIS: Das Arrhenius-Gesetz basiert auf einer empirischen Beobachtung, dass der Anstieg der Umgebungstemperatur zu einer Beschleunigung einer Reihe chemischer Reaktionen führt, die auch den Alterungsprozess beschleunigen können. Die vollständige mathematische Darstellung des chemischen Reaktionskonzepts arrhenius findet sich an anderer Stelle^11,26. Das Arrhenius-Gesetz in vereinfachter Form wird "die 10-Grad-Regel" genannt²⁷. Nach dieser Regel verdoppelt ein Temperaturanstieg um die Umgebung von ca. 10 °C theoretisch die Rate des Alterungsprozesses. Daher wird die Reaktionsgeschwindigkeit f wie folgt definiert¹⁷:

wobei die Differenz zwischen der Alterungstemperatur T und der Betriebstemperatur T_ref eines Materials ist.

1. Nehmen wir die Temperatur T_ref entsprechend dem Durchschnittswert an, der auf den Ergebnissen der lokalen meteorologischen Station basiert (hier T_ref = 8 °C²⁸). Nehmen wir die thermische Kammertemperatur T an, die bei der Alterungsprüfung verwendet werden soll (hier 80 °C und 90 °C).
   ANMERKUNG: Das Temperaturniveau sollte für einen längeren Zeitraum, mindestens ein Jahr, registriert und dann als Mittelwert dieses Zeitraums berechnet werden, was einen Zeitdurchschnitt dieses Zeitraums als T_ref.
2. Berechnen Sie die Reaktionsgeschwindigkeit konstant f aus Gleichung 1 und extrapolieren Sie dann die Alterungszeit (ausgedrückt in Wochen) auf Jahre (Tabelle 2).
   ANMERKUNG: Die Extrapolationseffekte verschiedener Alterungszeiträume, die im Rahmen der aktuellen Forschung durchgeführt werden, sind in Tabelle 3dargestellt. So entspricht die thermische Alterung einer Probe in 4 Wochen bei 90 °C ihrer Alterung in 8 Wochen bei 80 °C und entspricht einer natürlichen Alterung von ca. 23 Jahren.

5. Datendarstellung

1. Präsentieren Sie die erhaltenen Parameterwerte in der normalisierten Form von X/X⁰, wobei X einen aktuellen Wert des bestimmten Parameters und X⁰ dem Anfangswert dieses Parameters entspricht, in Bezug auf eine Probe, die nur 1 Stunde alt ist.
   HINWEIS: Die Zeit der künstlichen thermischen Alterung wird in Stunden eingestellt.
2. Plotten Sie X/X^0-Werte auf der Y-Achse im Vergleich zur Alterungszeit, die auf der X-Achse dargestellt wird, um die Entwicklung der Parameter anzuzeigen. Bereiten Sie die Plots für die Kett- und Füllrichtungen des getesteten Materials separat vor.
3. Beschreiben Sie die Parameterwerte, die im Laufe der Zeit von linearen Funktionen (oder verschiedenen Best-Fit-Funktionen) mit der am wenigsten quadratischen Methode dargestellt werden, und melden Sie R 2-Werte.
4. Um zu beurteilen, ob die vereinfachte Arrhenius-Relation für das AF9032-Gewebe richtig ist, zeichnen Sie die für 90 °C erzielten Ergebnisse in Bezug auf die Alterungszeit neu in "real" Zeit nach dem Arrhenius-Gesetz neu.

Ergebnisse

Abbildung 2 stellt die Spannungs-Dehnungskurven für die Kett- und Füllrichtungen des AF9032-Gewebes, die zu unterschiedlichen Alterungszeiten erhalten werden, in der Temperatur von 80 °C bei einer Dehnungsrate von 0,001 s^-1gegenüber. Der Unterschied zwischen der 1 h-Alterungsdauer (Referenztest) und den übrigen Alterungszeiträumen ist deutlich. Die Alterungszeit scheint die materielle Reaktion in Kettrichtung nicht wesentlich zu beeinflussen, da sich die Spannungs-Dehnungsku...

Diskussion

Dieser Artikel enthält ein detailliertes experimentelles Protokoll zur Simulation der laborbeschleunigten Experimente an polyesterverstärkten und PVC-beschichteten Geweben für den Tiefbau. Das Protokoll beschreibt den Fall der künstlichen thermischen Alterung nur durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur. Dies ist eine offensichtliche Vereinfachung der realen Wetterbedingungen, da UV-Strahlung und Wassereinfluss eine zusätzliche Rolle bei der Alterung des Materialdienstes spielen.

Im Al...

Materialien

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