Envejecimiento térmico artificial de poliéster reforzado y polivinilo cloruro recubierto de tejido técnico

Resumen

Aquí, simulamos el envejecimiento térmico acelerado del tejido técnico y vemos cómo este proceso de envejecimiento influye en las propiedades mecánicas de la tela.

Resumen

El tejido arquitectónico AF9032 ha sido sometido a un envejecimiento térmico artificial para determinar los cambios en los parámetros materiales de la tela. El método propuesto se basa en el enfoque acelerado del envejecimiento propuesto por Arrhenius. Las muestras de 300 mm x 50 mm se cortaron en las direcciones warp y de llenado y se colocaron en una cámara térmica a 80 oC durante un máximo de 12 semanas o a 90 oC durante un máximo de 6 semanas. Luego, después de una semana de acondicionamiento a temperatura ambiente, las muestras se tensaron uniaxialmente a una velocidad de tensión constante. Experimentalmente, los parámetros se determinaron para los modelos elástico no lineal (lineal por piezas) y viscoplástico (Bodner-Partom). Se estudiaron cambios en estos parámetros con respecto a la temperatura de envejecimiento y el período de envejecimiento. En ambos casos, la función de aproximación lineal se aplicó con éxito utilizando la metodología simplificada de Arrhenius. Se obtuvo una correlación para la dirección de relleno entre los resultados experimentales y los resultados del enfoque de Arrhenius. Para la dirección warp, los resultados de la extrapolación mostraron algunas diferencias. Se han observado tendencias crecientes y decrecientes a ambas temperaturas. La ley Arrhenius fue confirmada por los resultados experimentales sólo para la dirección de llenado. El método propuesto permite predecir el comportamiento real de la tela durante la explotación a largo plazo, que es un problema crítico en el proceso de diseño.

Introducción

Tejidos arquitectónicos a base de poliéster se utilizan comúnmente para la construcción de techos colgantes¹. Al ser relativamente baratos con buenas propiedades mecánicas, se pueden emplear en la explotación a largo plazo (por ejemplo, el techo colgante de la ópera del bosque en Sopot - Polonia). Desafortunadamente, las condiciones climáticas, la radiación ultravioleta, las razones biológicas y los propósitos operativos (pretensado y aflojamiento de temporada²⁾pueden afectar sus propiedades mecánicas. Los techos colgantes de AF9032 son típicamente estructuras estacionales sometidas a alta temperatura (especialmente durante los días soleados en el verano), pretensado regular y aflojamiento. Con el fin de diseñar correctamente un techo colgante, los parámetros de la tela deben determinarse no sólo al comienzo de la explotación, sino también después de varios años de uso.

El análisis de envejecimiento mide el indicador de envejecimiento y compara los valores inicialy final de los parámetros para evaluar el impacto del envejecimiento. ³ propusieron uno de los métodos más simples mediante el análisis comparativo de 12 tipos diferentes de membranas para techos. Estas membranas estuvieron expuestas a la intemperie al aire libre durante 2 o 4 años. Los autores utilizaron un sistema de clasificación de varias propiedades para evaluar la durabilidad de la tela. Con el fin de proporcionar un análisis del envejecimiento térmico de polímeros, se puede aplicar el principio de superposición de temperatura de tiempo (TTSP)⁴. Este principio establece que el comportamiento de un material a baja temperatura y bajo bajo nivel de tensión se asemeja a su comportamiento a alta temperatura y alto nivel de tensión. El factor multiplicativo simple se puede utilizar para relacionar las propiedades de temperatura actuales con las propiedades a la temperatura de referencia. Gráficamente, corresponde al desplazamiento de curva en la escala de tiempo del registro. En cuanto a la temperatura, se proponen dos métodos para combinar el factor de cambio y la temperatura de envejecimiento: las ecuaciones Williams-Landel-Ferry (WLF) y la ley Arrhenius. Ambos métodos están incluidos en la norma sueca ISO 11346⁵ para estimar la vida útil y la temperatura máxima de funcionamiento de los materiales de caucho, o vulcanizados y termoplásticos. Recientemente, el envejecimiento térmico y la metodología Arrhenius se han utilizado en la predicción de la vida útil del cable^6,7, tubos de calefacción⁸, y pegamento de polímero PMMA⁴. Una extensión de la ley Arrhenius es la ley Eyring que tiene en cuenta otros factores de envejecimiento (por ejemplo, voltaje, presión, etc.) ⁹. Alternativamente, otros estudios proponen y verifican modelos lineales simples para una descripción del envejecimiento (por ejemplo, biosensor envejecimiento¹⁰). Aunque el método Arrhenius se utiliza comúnmente, hay discusión sobre su relevancia en la predicción de por vida de cada material. Por lo tanto, el método debe utilizarse con cuidado, especialmente en términos de supuestos iniciales y condiciones experimentales⁶.

Al igual que la mayoría de los polímeros, los tejidos de poliéster utilizados en la investigación actual exhiben dos fases de transición distintas definidas por la temperatura de fusión (T_m) y la temperatura de transición del vidrio (T_g). La temperatura de fusión (T_m) es la temperatura cuando un material cambia de su estado sólido al líquido, y la temperatura de transición de vidrio (T_g) es el límite entre los estados de vidrio y caucho¹¹. De acuerdo con los datos del fabricante, el tejido AF9032 está hecho de roscas de poliéster (T_g a 100 a 180 oC^12,_{T m} a 250 a 290 oC¹³) y revestimiento de PVC (T_g a 80 x 87 oC^14,15, T_m a 160 a 260 oC¹⁶). La temperatura de envejecimiento_T debe seleccionarse por debajo de T_g. Durante los días soleados, la temperatura en la superficie superior de un techo colgante puede incluso llegar a 90 oC; por lo tanto, se prueban dos temperaturas de envejecimiento (80 oC y 90 oC). Estas temperaturas están por debajo de la rosca T_g y cerca del recubrimiento T_g.

El rendimiento del protocolo de envejecimiento acelerado en tejidos técnicos se presenta en el trabajo actual. El envejecimiento térmico artificial se utiliza para predecir los cambios de las propiedades del material. El artículo ilustra rutinas de pruebas de laboratorio apropiadas y una manera de extrapolar resultados experimentales relativamente a corto plazo.

Protocolo

1. Experimentos acelerados de envejecimiento térmico en tejido técnico

1. Preparación general
   1. Prepare una máquina de pruebas con el software adecuado (con el fin de proporcionar pruebas de velocidad de tensión constantes) y un extensómetro de vídeo.
   2. Preparar una cámara térmica que proporcione una temperatura constante de 80 oC (a 1 oC) y de 90 oC (1 oC) durante al menos 12 semanas.
2. Preparación de especímenes
   1. Desenrolle el fardo aF9032 del tejido técnico. Dibuje las formas deseadas (300 mm x 50 mm) con un lápiz suave o marcador en la superficie de la tela paralelo a la dirección de deformación o relleno.
      NOTA: La distribución de muestras en la superficie de la tela se da en otros lugares¹⁷.
   2. Indique la dirección de deformación en cada espécimen con un marcador permanente. Corta los especímenes con un cuchillo afilado o tijeras. Utilice la regla si se utiliza un cuchillo para cortar.
      NOTA: Las muestras deben ser rectangulares^17. Los principales elementos de cuidado de la carga de la tela son los hilos. En la fase operativa, el material de recubrimiento suele superar su límite de rendimiento, por lo que no participa en la distribución de la tensión. Los únicos elementos que llevan la carga son roscas que se extienden de un pinzamiento a otro. Por lo tanto, no es razonable utilizar formas sofisticadas de especímenes (por ejemplo, una forma de mancuerna utilizada generalmente para metales). Por otro lado, tales formas de muestra dan lugar a la necesidad de agarres especiales cuando se investiga la carga final, o el uso de un extensómetro con el fin de evaluar los parámetros del material.
   3. Mida el grosor de la muestra con una pinza deslizante y cuente el número de hilos en el borde corto de la muestra.
      NOTA: Para cada muestra, tome tres mediciones de espesor y calcule el valor promedio. Utilice la lupa para evaluar el número de hilos si es necesario.
3. Encienda la cámara térmica, dejando la puerta abierta. Usando los botones y la pantalla de control, seleccione la temperatura (80 oC). Cierre la puerta de la cámara térmica y observe el aumento de la temperatura en el panel de control.
4. Calentamiento de especímenes
   1. Cuando la temperatura esté cerca de 80 oC, abra la puerta de la cámara térmica. Inserte al menos 7 conjuntos de especímenes con cada conjunto que consta de 6 especímenes cortados en la dirección de deformación y 6 en la dirección de relleno. Cierre la puerta lo antes posible para evitar una caída de temperatura.
      NOTA: Los experimentos deben llevarse a cabo para tres tasas de tensión. Para cada velocidad de deformación, se realizan experimentos en dos muestras en la dirección warp y dos en la dirección de llenado. Coloque el exceso de muestras en la cámara en caso de que los experimentos no tengan éxito o los resultados de ambas pruebas sean muy divergentes.
   2. Después de 1 h, poner guantes térmicos y retirar el primer conjunto de especímenes (el conjunto de referencia; 6 especímenes en la dirección warp y 6 en la dirección de relleno). Después de cada 2 semanas, retire un conjunto de muestras sucesivo de la cámara térmica.
      NOTA: Todo el proceso de calentamiento tomará 12 semanas.
5. Acondicionamiento de especímenes
   1. Deje los especímenes a temperatura ambiente durante una semana. Enfriar las muestras a temperatura ambiente (es decir, sus propiedades deben estabilizarse).
   2. Antes de la prueba, dibuje dos marcas negras (puntos) utilizando un marcador permanente con una separación longitudinal de unos 50 mm (L0) en el centro de cada espécimen.
      NOTA: Los puntos serán utilizados por el extensor de vídeo.
6. Configuración de la máquina de prueba
   1. Instale cuatro plaquitas planas de 60 mm en la máquina de ensayo, dos plaquitas por uno. Las plaquitas muestran un tipo de superficie de escala de peces y se utilizan para evitar que las muestras salgan de las empuñaduras.
   2. Encienda la máquina. Inicie el software (por ejemplo, TestXpert) que controla la máquina. Elija el programa dedicado a las pruebas de tracción.
   3. Seleccione la posición inicial con una separación de agarre de 200 mm en el software. Haga clic en el botón Posición inicial para ejecutar el pinzamiento de 200 mm para separar el pinzamiento. Esta posición de agarre se suele denominar posición inicial para una prueba.
      NOTA: La distancia de 200 mm es requerida por la norma ISO¹⁷.
7. Configuración del extensómetro de vídeo
   1. Mueva la cámara del extensómetro de vídeo a lo largo de la barra de soporte para situar la lente de la cámara a la altura de la parte media de la muestra. Compruebe si la lente de la cámara proporciona una vista clara de los marcadores de muestra durante todo el experimento.
      NOTA: Realice una prueba similar antes de la prueba principal para establecer el rango de alargamiento de la muestra probable para asegurarse de que la cámara seguirá los marcadores negros durante toda una prueba.
   2. Seleccione el brillo y el enfoque adecuados para la lente utilizando la pantalla del ordenador y el software asociado.
8. Calibración del extensómetro de vídeo
   NOTA: El dispositivo de calibración es el equipo estándar del extensómetro de vídeo.
   1. Coloque el dispositivo de calibración en la parte delantera de la cámara y fíjela con las empuñaduras.
   2. Usando el software de extensómetro de vídeo (por ejemplo, VideoXtens), seleccione el tipo adecuado de marcadores en la ventana Targets (normalmente blanco y negro).
   3. Seleccione el procedimiento de calibración en el software del extensómetro de vídeo mediante la opción Escala y elija la distancia de calibración en la ventana Escala.
      NOTA: La distancia debe ser similar a la separación de los marcadores en las muestras. El dispositivo de calibración ofrece tres distancias de medición: 10, 15 y 40 mm. Debido a la separación del marcador de 50 mm, la distancia de 40 mm es adecuada.
   4. Después de la calibración, cambie el tipo de marcador a Patrón en la ventana Objetivos.
      NOTA: Esto permite que el extensómetro de vídeo siga los marcadores indicados en la muestra.
9. Rendimiento de la prueba
   1. Prepare los parámetros de prueba en el software TextXpert.
      NOTA: El programa preparado debe habilitar una prueba con una tasa de tensión seleccionada en el caso de tensión uniaxial. Debe estar correlacionado con el extensor de vídeo. Los parámetros registrados son la distancia inicial de los marcadores de extensómetro (L0) y las funciones de resultado del tiempo, los desplazamientos de agarre, la distancia de los marcadores del extensómetro actual y la fuerza. La fuerza de precarga de 50 N¹⁷ está programada y la distancia L0 se ajusta después de laprecarga.
   2. Coloque la muestra a lo largo del eje vertical principal de la máquina y cierre las empuñaduras con la llave tubular.
      NOTA: La muestra debe estar situada simétricamente a las empuñaduras en las direcciones vertical y horizontal.
   3. Realice las pruebas con la velocidad de deformación constante seleccionada hasta que las muestras se rompan (utilice las tasas de tensión de 0,005, 0,001 y 0,0001 s^-1). Para cada velocidad de deformación, pruebe al menos dos muestras en la dirección de deformación y la dirección de llenado. Guarde los resultados de la prueba.
      NOTA: Los siguientes datos son necesarios: la distancia inicial de los marcadores de extensómetro (L0), las funciones de tiempo de la distancia de marcador del extensómetro y la fuerza.
10. Repita los pasos 1.5-1.9 cada dos semanas usando los otros conjuntos de muestras (seis veces, hasta 12 semanas).
11. Repita todo el procedimiento a 90 oC. El número total de especímenes no cambia. El proceso de envejecimiento dura 6 semanas. Retire y pruebe los conjuntos posteriores de muestras cada semana.

2. Preparación de datos

1. Conociendo el área de sección transversal de las muestras, utilice el software de gráficos (SigmaPlot¹⁸ o similar) para recalcular los incrementos de fuerza y alargamiento registrados de acuerdo con la fuerza elemental de las ecuaciones de material a las relaciones tensión-tensión. Trazar un gráfico de los datos obtenidos, por separado, para las muestras de deformación y relleno y para cada una de las tasas de deformación.
2. Repita el proceso para los resultados de 80 oC y 90 oC.

3. Identificación de parámetros de modelos de materiales

1. Modelo lineal por pieza para modelado elástico no lineal
   NOTA: La aplicación del modelo de material lineal por pieza es posible cuando la curva de tensión-deformación unitaria se puede dividir en secciones de formas lineales (o aproximadamente lineales). Los puntos de cruce particulares de las líneas en las secciones vecinas corresponden a los rangos de aplicabilidad de las líneas relacionadas¹⁹.
   1. En el caso de cada curva obtenida en el paso 2.1, busque los rangos de deformación unitaria, detectando la relación tensión-deformación unitaria lineal o cercana a la lineal.
   2. Utilizando la opción de regresión de ajuste en el software de gráficos y el método menos cuadrado, identifique la línea de ajuste óptimo en la región elegida.
      NOTA: La tangente a esta curva corresponde a la rigidez del material en un rango determinado.
   3. Denotar la tangente como E_ij donde el índice i corresponde a la dirección actual del material (W para la dirección de deformación y F para la dirección de relleno) y el índice j es un número consecutivo de la línea identificada.
   4. Al tener parámetros de todas las líneas, busque los puntos de intersección entre las líneas; denotándolos como_k/l, donde k y l marcan las líneas de cruce.
      NOTA: Estos puntos_(k/l)constituyen los rangos de deformación unitaria para aplicar los valores de rigidez longitudinal es decir (E_ij) (Figura 1).
2. Modelo viscososo Bodner-Partom
   NOTA: La ley constitutiva Bodner-Partom se utiliza para reflejar el comportamiento elasto-viscoplástico de diversos materiales^20,21. Los fundamentos y la formulación matemática del modelo se dan en detalle en otros lugares^{20,21,22,23,24,25}. Las ecuaciones elementales se presentan en la Tabla 1 sólo para modelar el estado de tensión uniaxial. Los parámetros del modelo Bodner-Partom se identifican mediante las pruebas de tracción uniaxial realizadas con al menos tres velocidades de deformación unitaria diferentes. El valor de la tasa de deformación unitaria debe ser constante al menos en la parte inelástica del experimento. El procedimiento completo de identificación del modelo Bodner-Partom modificado para tejidos técnicos se presenta ampliamente^24,25.
   1. Usando el software de gráficos, identifique los parámetros del modelo Bodner–Partom siguiendo Klosowski et al.²⁴.

4. Extrapolación de Arrhenius

NOTA: La ley Arrhenius se basa en una observación empírica de que el aumento de la temperatura ambiente da como resultado la aceleración de una serie de reacciones químicas que también pueden acelerar el proceso de envejecimiento. La representación matemática completa del concepto de reacción química de Arrhenius se puede encontrar en otros lugares^11,26. La ley Arrhenius en forma simplificada se llama "la regla de 10 grados"²⁷. De acuerdo con esta regla, un aumento de la temperatura circundante de unos 10 oC teóricamente duplica la velocidad del proceso de envejecimiento. Por lo tanto, la velocidad de reacción f se define como sigue^17:

donde la temperatura de envejecimiento T y la temperatura de servicio T_{ref de} un material es t.

1. Asuma la temperatura T_ref de acuerdo con el valor medio basado en los resultados de la estación meteorológica local (aquí, T_ref a 8 oC²⁸). Supongamos que la temperatura de la cámara térmica T se utilizará en la prueba de envejecimiento (aquí, 80 oC y 90 oC).
   NOTA: El nivel de temperatura debe registrarse durante un período de tiempo más largo, al menos un año, y luego calcularse como el valor medio de ese período, con lo que se toma como T_refun promedio de tiempo.
2. Calcular la velocidad de reacción constante f de la ecuación 1 y luego extrapolar el tiempo de envejecimiento (expresado en semanas) a años (Tabla 2).
   NOTA: Los efectos de extrapolación de los diferentes períodos de envejecimiento realizados dentro de la investigación actual se presentan en la Tabla 3. Por ejemplo, el envejecimiento térmico de un espécimen en 4 semanas a 90oC es igual a su crianza en 8 semanas a 80oC y corresponde a una crianza natural de aproximadamente 23 años.

5. Representación de datos

1. Presentar los valores de parámetro obtenidos en la forma normalizada de X/X⁰, donde X denota un valor actual del parámetro determinado y X⁰ corresponde al valor inicial de este parámetro, con respecto a una muestra de 1 hora de edad solamente.
   NOTA: El tiempo de envejecimiento térmico artificial se configura en horas.
2. Trazar valores X/X⁰ en el eje Y frente al tiempo de envejecimiento trazado en el eje X para mostrar la evolución de los parámetros. Prepare las gráficas para las direcciones warp y fill del material probado por separado.
3. Describir los valores de parámetro trazados a lo largo del tiempo por funciones lineales (o diferentes funciones de ajuste recomendado) utilizando el método menos cuadrado y los valores del informe R^2.
4. Para evaluar si la relación simplificada de Arrhenius es correcta para el tejido AF9032, vuelva a dibujar los resultados obtenidos para 90 oC con respecto al tiempo de envejecimiento recalculado en tiempo "real" de acuerdo con la ley de Arrhenius.

Resultados

La Figura 2 yuxtapone las curvas de tensión-deformación para las direcciones de deformación y llenado del tejido AF9032 obtenidos en diferentes épocas de envejecimiento, en el nivel de temperatura de 80oC para una velocidad de deformación de 0,001 s^-1. La diferencia entre el período de envejecimiento de 1 h (prueba de referencia) y el resto de los períodos de envejecimiento es clara. El tiempo de envejecimiento no parece afectar sustancialmente a la respuesta material en la...

Discusión

Este artículo incluye un protocolo experimental detallado para simular los experimentos acelerados de laboratorio en tejidos reforzados con poliéster y recubiertos de PVC para aplicaciones de ingeniería civil. El protocolo describe el caso del envejecimiento térmico artificial sólo por medio de elevar la temperatura ambiente. Se trata de una simplificación obvia de las condiciones climáticas reales, ya que la radiación UV y la influencia del agua desempeñan un papel adicional en el envejecimiento del servicio ma...

Materiales

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