Vieillissement thermique artificiel du polyester renforcé et du tissu technique enduit de chlorure de polyvinyle

Résumé

Ici, nous simulons le vieillissement thermique accéléré du tissu technique et voyons comment ce processus de vieillissement influence les propriétés mécaniques du tissu.

Résumé

Le tissu architectural AF9032 a été soumis au vieillissement thermique artificiel pour déterminer les changements des paramètres matériels du tissu. La méthode proposée est basée sur l'approche de vieillissement accéléré proposée par Arrhenius. Des échantillons de 300 mm x 50 mm ont été coupés dans la chaîne et remplissent les directions et placés dans une chambre thermique à 80 oC pendant 12 semaines ou à 90 oC jusqu'à 6 semaines. Puis, après une semaine de conditionnement à température ambiante, les échantillons ont été tensionnés uniaxialement à un rythme de tension constant. Expérimentalement, les paramètres ont été déterminés pour les modèles élastiques non linéaires (linéaires en sens de la pièce) et viscoplastiques (Bodner-Partom). Des changements dans ces paramètres ont été étudiés en ce qui concerne la température et la période de vieillissement. Dans les deux cas, la fonction d'approximation linéaire a été appliquée avec succès en utilisant la méthodologie simplifiée d'Arrhenius. Une corrélation a été obtenue pour la direction de remplissage entre les résultats expérimentaux et les résultats de l'approche Arrhenius. Pour la direction de distorsion, les résultats d'extrapolation ont montré quelques différences. Des tendances croissantes et décroissantes ont été observées aux deux températures. La loi D'Arrhenius n'a été confirmée par les résultats expérimentaux que pour la direction de remplissage. La méthode proposée permet de prédire le comportement réel du tissu pendant l'exploitation à long terme, ce qui est un problème critique dans le processus de conception.

Introduction

Les tissus architecturaux à base de polyester sont couramment utilisés pour la construction de toits suspendus¹. Étant relativement bon marché avec de bonnes propriétés mécaniques, ils peuvent être employés dans l'exploitation à long terme (par exemple, le toit suspendu de l'Opéra forestier à Sopot - Pologne). Malheureusement, les conditions météorologiques, les rayons ultraviolets, les raisons biologiques et les fins opérationnelles (pré-stress de saison et relâchement²) peuvent affecter leurs propriétés mécaniques. Les toits suspendus en AF9032 sont généralement des structures saisonnières soumises à des températures élevées (surtout pendant les journées ensoleillées en été), à un prétension régulier et à desserrer. Afin de bien concevoir un toit suspendu, les paramètres du tissu doivent être déterminés non seulement au début de l'exploitation, mais aussi après plusieurs années d'utilisation.

L'analyse du vieillissement mesure l'indicateur de vieillissement et compare les valeurs initiales et finales des paramètres pour évaluer l'impact du vieillissement. Cash et coll.³ ont proposé l'une des méthodes les plus simples par l'analyse comparative de 12 types différents de membranes de toiture. Ces membranes ont été exposées aux intempéries extérieures pendant 2 ou 4 ans. Les auteurs ont utilisé un système de notation de plusieurs propriétés pour évaluer la durabilité du tissu. Afin de fournir une analyse du vieillissement thermique des polymères, le principe de superposition de température temporelle (TTSP) peut être appliqué⁴. Ce principe stipule que le comportement d'un matériau à basse température et sous un faible niveau de contrainte ressemble à son comportement à haute température et à un niveau de contrainte élevé. Le simple facteur multiplicateur peut être utilisé pour relier les propriétés de température actuelles avec les propriétés à la température de référence. Graphiquement, il correspond au décalage de courbe sur l'échelle de temps de journal. En ce qui concerne la température, deux méthodes sont proposées pour combiner le facteur de décalage et la température de vieillissement : les équations Williams-Landel-Ferry (WLF) et la loi Arrhenius. Les deux méthodes sont incluses dans la norme suédoise ISO 11346⁵ pour estimer la durée de vie et la température maximale opérationnelle des matériaux en caoutchouc, ou vulcanisés et thermoplastiques. Récemment, le vieillissement thermique et la méthodologie Arrhenius ont été utilisés dans la prédiction de durée de vie du câble^6,7, tuyaux de chauffage⁸, et la colle polymère PMMA⁴. Une extension de la loi Arrhenius est la loi Eyring qui prend en compte d'autres facteurs de vieillissement (par exemple, tension, pression, etc.) ⁹. Alternativement, d'autres études proposent et vérifient des modèles linéaires simples pour une description du vieillissement (p. ex., vieillissement biocapteur¹⁰). Bien que la méthode Arrhenius soit couramment utilisée, il y a discussion sur sa pertinence dans la prédiction à vie de chaque matériel. Par conséquent, la méthode doit être utilisée avec soin, en particulier en termes d'hypothèses initiales et les conditions expérimentales⁶.

Comme la plupart des polymères, les tissus en polyester utilisés dans la recherche actuelle présentent deux phases de transition distinctes définies par la température de fusion (T_m) et la température de transition du verre (T_g). La température de fusion (T_m) est la température lorsqu'un matériau passe de son état solide au liquide, et la température de transition du verre (T_g) est la limite entre les états de verre et de caoutchouc¹¹. Selon les données du fabricant, le tissu AF9032 est fabriqué à partir de fils de polyester (T_g 100 '180 'C¹², T_m '250'290 'C¹³) et revêtement PVC (T g '80'87^{'C 14,15}, T_m '160 '260 'C¹⁶). La température de vieillissement T_doit être sélectionnée en dessous de T_g. Pendant les journées ensoleillées, la température sur la surface supérieure d'un toit suspendu peut même atteindre 90 oC; Ainsi, deux températures de vieillissement (80 oC et 90 oC) sont testées ici. Ces températures sont inférieures au fil T_g et proches du revêtement T_g.

La performance du protocole de vieillissement accéléré sur les tissus techniques est présentée dans le travail actuel. Le vieillissement thermique artificiel est utilisé pour prédire les changements des propriétés des matériaux. L'article illustre les routines appropriées d'essais en laboratoire et un moyen d'extrapoler des résultats expérimentaux à relativement court terme.

Protocole

1. Expériences accélérées de vieillissement thermique sur tissu technique

1. Préparation globale
   1. Préparer une machine de test avec un logiciel approprié (afin de fournir des tests de tension constante) et un extensometer vidéo.
   2. Préparer une chambre thermique à température constante de 80 oC (1 oC) et de 90 oC (1 oC) pendant au moins 12 semaines.
2. Préparation des spécimens
   1. Déroulez le tissu technique AF9032 balle. Dessinez les formes désirées (300 mm x 50 mm) avec un crayon ou un marqueur doux sur la surface du tissu parallèle à la direction de chaîne ou de remplissage.
      REMARQUE: La distribution des spécimens sur la surface du tissu est donnée ailleurs¹⁷.
   2. Indiquez la direction de distorsion sur chaque spécimen à l'adresse d'un marqueur permanent. Couper les spécimens à l'aide d'un couteau ou de ciseaux pointus. Utilisez la règle si un couteau est utilisé pour couper.
      REMARQUE: Les spécimens doivent être rectangulaires¹⁷. Les principaux éléments de charge de soin du tissu sont des fils. En phase opérationnelle, le matériau de revêtement dépasse généralement sa limite de rendement, ne prenant donc pas part à la distribution du stress. Les seuls éléments pour transporter la charge sont des fils qui se propagent d'une poignée à l'autre. Par conséquent, il n'est pas raisonnable d'utiliser des formes sophistiquées de spécimens (p. ex., une forme d'haltère habituellement utilisée pour les métaux). D'autre part, ces formes d'échantillon entraînent la nécessité de poignées spéciales lorsque la charge finale est étudiée, ou l'utilisation d'un extensometer afin d'évaluer les paramètres matériels.
   3. Mesurer l'épaisseur du spécimen à l'œil d'un étrier et compter le nombre de fils au bord court du spécimen.
      REMARQUE : Pour chaque spécimen, prenez trois mesures d'épaisseur et calculez la valeur moyenne. Utilisez la loupe pour évaluer le nombre de fils si nécessaire.
3. Allumez la chambre thermique, en laissant la porte ouverte. À l'aide des boutons et de l'écran de commande, sélectionnez la température (80 oC). Fermez la porte de la chambre thermique et observez l'augmentation de la température sur le panneau de commande.
4. Réchauffement des specimens
   1. Lorsque la température est proche de 80 oC, ouvrez la porte de la chambre thermique. Insérez au moins 7 ensembles de spécimens avec chaque ensemble composé de 6 spécimens coupés dans la direction de distorsion et 6 dans la direction de remplissage. Fermez la porte dès que possible afin d'éviter une baisse de température.
      REMARQUE : Les expériences doivent être menées pour trois taux de souche. Pour chaque taux de tension, des expériences sont effectuées sur deux spécimens dans la direction de distorsion et deux dans la direction de remplissage. Placez des spécimens excédentaires dans la chambre au cas où les expériences ne sont pas couronnées de succès ou si les résultats des deux tests sont très divergents.
   2. Après 1 h, enfiler des gants thermiques et retirer la première ensemble de spécimens (l'ensemble de référence; 6 spécimens dans la direction de distorsion et 6 dans la direction de remplissage). Après toutes les 2 semaines, retirer un ensemble de spécimens de la chambre thermique.
      REMARQUE : L'ensemble du processus de réchauffement prendra 12 semaines.
5. Conditionnement de spécimen
   1. Laisser les spécimens à température ambiante pendant une semaine. Refroidir les spécimens à température ambiante (c.-à-d. leurs propriétés doivent être stabilisées).
   2. Avant l'essai, dessiner deux marques noires (points) à l'aide d'un marqueur permanent avec une séparation dans le sens de la longueur d'environ 50 mm (L0) au milieu de chaque spécimen.
      REMARQUE: Les points seront utilisés par l'extensometer vidéo.
6. Configuration de la machine de test
   1. Installez quatre inserts plats de 60 mm dans la machine d'essai, deux inserts par poignée. Les inserts montrent un type de surface d'échelle de poisson et sont employés pour éviter de glisser les spécimens hors des poignées.
   2. Allumez la machine. Démarrez le logiciel (p. ex. TestXpert) qui contrôle la machine. Choisissez le programme dédié aux tests de tension.
   3. Sélectionnez la position de départ avec une poignée de 200 mm pour saisir la séparation dans le logiciel. Cliquez sur le bouton Position de départ pour exécuter la poignée de 200 mm pour saisir la séparation. Cette position d'adhérence est généralement appelée la position de départ pour un test.
      REMARQUE: La distance de 200 mm est requise par la norme ISO¹⁷.
7. Configuration d'extenomètre vidéo
   1. Déplacez la caméra de l'extensometer vidéo le long de la barre de soutien pour situer l'objectif de la caméra au niveau de la partie centrale du spécimen. Vérifiez si l'objectif de la caméra fournit une vue claire des marqueurs du spécimen pendant toute l'expérience.
      REMARQUE : Effectuez un test similaire avant le test principal afin d'établir la plage d'allongement probable de l'échantillon afin de s'assurer que la caméra suivra les marqueurs noirs pendant tout un test.
   2. Sélectionnez la luminosité et la mise au point appropriées pour l'objectif à l'aide de l'écran de l'ordinateur et du logiciel associé.
8. Étalonnage d'extenomètre vidéo
   REMARQUE : Le dispositif d'étalonnage est l'équipement standard de l'extensometer vidéo.
   1. Placez le dispositif d'étalonnage à l'avant de la caméra et pincez-le avec les poignées.
   2. À l'aide du logiciel d'extenomètre vidéo (p. ex. VideoXtens), sélectionnez le type approprié de marqueurs dans la fenêtre Cibles (généralement en noir et blanc).
   3. Sélectionnez la procédure d'étalonnage dans le logiciel d'extenomètre vidéo à l'aide de l'option Échelle et choisissez la distance d'étalonnage dans la fenêtre Échelle.
      REMARQUE : La distance doit être similaire à la séparation des marqueurs sur les spécimens. Le dispositif d'étalonnage offre trois distances de mesure : 10, 15 et 40 mm. En raison de la séparation des marqueurs de 50 mm, la distance de 40 mm est appropriée.
   4. Après l'étalonnage, changer le type de marqueur en modèle dans la fenêtre Cibles.
      REMARQUE : Cela permet à l'extenomètre vidéo de suivre les marqueurs indiqués sur le spécimen.
9. Performances de test
   1. Préparer les paramètres de test dans le logiciel TextXpert.
      REMARQUE : Le programme préparé doit permettre un test avec un taux de tension sélectionné dans le cas de stress uniaxial. Il doit être corrélé avec l'extensometer vidéo. Les paramètres enregistrés sont la distance initiale des marqueurs extenotomètre (L0), et les fonctions de résultat du temps, des déplacements d'adhérence, de la distance des marqueurs extensometer actuels et de la force. La force de pré-charge de 50 N¹⁷ est programmée et la distance L0 est ajustée après lepréchargement.
   2. Placez le spécimen le long de l'axe vertical principal de la machine et fermez les poignées à l'aide de la clé tubulaire.
      REMARQUE : Le spécimen doit être situé symétriquement aux poignées dans les directions verticales et horizontales.
   3. Effectuez les tests avec le taux de tension constant sélectionné jusqu'à ce que les spécimens se brisent (utiliser 0,005, 0,001 et 0,0001 s^-1 taux de souche). Pour chaque taux de tension, testez au moins deux spécimens dans la direction de distorsion et remplissez la direction. Enregistrez les résultats des tests.
      REMARQUE : Les données suivantes sont nécessaires : la distance initiale des marqueurs extenotants (L0), les fonctions temporelles de la distance de marqueur de l'extencoleur et la force.
10. Répétez les étapes 1,5 à 1,9 toutes les deux semaines à l'aide des autres séries d'échantillons (six fois, jusqu'à 12 semaines).
11. Répétez l'ensemble de la procédure à 90 oC. Le nombre total de spécimens ne change pas. Le processus de vieillissement dure 6 semaines. Enlever et tester les ensembles ultérieurs de spécimens chaque semaine.

2. Préparation des données

1. Connaissant la zone transversale des échantillons, utilisez un logiciel de graphique (SigmaPlot¹⁸ ou similaire) pour recalculer la force enregistrée et les incréments d'allongement en fonction de la force élémentaire des équations matérielles aux relations stress-souche. Tracez un graphique des données obtenues, séparément, pour les échantillons de chaîne et de remplissage et pour chacun des taux de souche.
2. Répétez l'opération pour les résultats de 80 et 90 oC.

3. Identification paramètre des modèles matériels

1. Modèle linéaire à la pièce pour modélisation élastique non linéaire
   REMARQUE : L'application du modèle linéaire de matériau fragmentaire est possible lorsque la courbe de contrainte peut être divisée en sections de formes linéaires (ou approximativement linéaires). Les points de passage particuliers des lignes aux sections voisines correspondent aux plages d'applicabilité des lignes connexes¹⁹.
   1. Dans le cas de chaque courbe obtenue à l'étape 2.1, trouver les plages de tension, en détectant la relation linéaire ou proche de la contrainte linéaire.
   2. En utilisant l'option de régression d'ajustement dans le logiciel de graphique et la méthode la moins carrée, identifiez la ligne la mieux adaptée dans la région choisie.
      REMARQUE: La tangente à cette courbe correspond à la rigidité du matériau dans une gamme particulière.
   3. Désigner la tangente comme E_ij où l'indice i correspond à la direction actuelle du matériau (W pour la direction de distorsion et F pour la direction de remplissage) et l'index j est un nombre consécutif de la ligne identifiée.
   4. Ayant des paramètres de toutes les lignes, trouver les points d'intersection entre les lignes; les dénotent comme étant _k/l,où k et l marquent les lignes de croisement.
      REMARQUE : Ces points_(k/l) constituent les gammes de souches pour appliquer les valeurs de rigidité longitudinale particulières (E_ij) (Figure 1).
2. Modèle viscoplastique Bodner-Partom
   REMARQUE: La loi constitutive Bodner-Partom est utilisée pour refléter le comportement élasto-viscoplastique de divers matériaux^20,21. Les bases et la formulation mathématique du modèle est donnée en détail ailleurs^{20,21,22,23,24,25}. Les équations élémentaires sont présentées dans le tableau 1 uniquement pour modéliser l'état de stress uniaxial. Les paramètres du modèle Bodner-Partom sont identifiés au moyen des tests de tension uniaxial effectués avec au moins trois taux de souches différents. La valeur du taux de tension doit être constante au moins dans la partie inélastique de l'expérience. La procédure complète d'identification du modèle Bodner-Partom modifiée pour les tissus tissés techniques est largement présentée^24,25.
   1. À l'aide du logiciel de graphique, identifiez les paramètres du modèle Bodner-Partom suivant Klosowski et coll.²⁴.

4. Arrhenius extrapolation

REMARQUE: La loi Arrhenius est basée sur une observation empirique que l'augmentation de la température ambiante entraîne l'accélération d'un certain nombre de réactions chimiques qui peuvent accélérer le processus de vieillissement ainsi. La représentation mathématique complète du concept de réaction chimique D'Arrhenius peut être trouvée ailleurs^11,26. La loi Arrhenius sous une forme simplifiée s'appelle "la règle des 10 degrés"²⁷. Selon cette règle, une augmentation de température ambiante d'environ 10 oC double théoriquement le taux du processus de vieillissement. Par conséquent, le taux de réaction f est défini comme suit¹⁷:

où_l'arbitre T t - T est la différence entre la température de vieillissement T et la température de service T_ref d'un matériau.

1. Supposons que la température T_ref en fonction de la valeur moyenne basée sur les résultats de la station météorologique locale (ici, T_ref 8 oC²⁸). Supposons que la température de la chambre thermique T soit utilisée lors de l'essai de vieillissement (ici, 80 oC et 90 oC).
   REMARQUE : Le niveau de température doit être enregistré pour une période plus longue, au moins un an, puis calculé comme valeur moyenne de cette période, apportant une moyenne de temps de cette période prise comme_{T ref}.
2. Calculer le taux de réaction constant f de l'équation 1, puis extrapoler le temps de vieillissement (exprimé en semaines) à des années (tableau 2).
   REMARQUE : Les effets d'extrapolation des différentes périodes de vieillissement menées dans le cadre de la recherche actuelle sont présentés au tableau 3. Par exemple, le vieillissement thermique d'un spécimen en 4 semaines à 90 oC est égal à son vieillissement en 8 semaines à 80 oC et correspond à un vieillissement naturel d'environ 23 ans.

5. Représentation des données

1. Présenter les valeurs de paramètres obtenues sous la forme normalisée de X/X⁰, où X dénote une valeur actuelle de certains paramètres et X⁰ correspond à la valeur initiale de ce paramètre, par rapport à un spécimen âgé de 1 heure seulement.
   REMARQUE : Le temps du vieillissement thermique artificiel est mis en place en heures.
2. Tracer les valeurs X/X⁰ sur l'axe Y par rapport au temps de vieillissement tracé sur l'axe X pour montrer l'évolution des paramètres. Préparer les parcelles pour la chaîne et remplir les directions du matériau testé séparément.
3. Décrivez les valeurs de paramètres tracées au fil du temps par des fonctions linéaires (ou différentes fonctions les mieux adaptées) en utilisant la méthode la moins carrée et rapportez les valeurs R^2.
4. Pour évaluer si la relation simplifiée d'Arrhenius est correcte pour le tissu AF9032, redessiner les résultats obtenus à 90 oC en ce qui concerne le temps de vieillissement recalculé en temps "réel" selon la loi Arrhenius.

Résultats

La figure 2 juxtapose les courbes de contrainte pour la chaîne et les directions de remplissage du tissu AF9032 obtenues à des moments de vieillissement différents, dans le niveau de température de 80 oC pour un taux de tension de 0,001 s^-1. La différence entre la période de vieillissement de 1 h (test de référence) et le reste des périodes de vieillissement est claire. Le temps de vieillissement ne semble pas affecter considérablement la réponse matérielle dans la dir...

Discussion

Cet article incude un protocole expérimental détaillé pour simuler les expériences accélérées en laboratoire sur des tissus renforcés en polyester et enduits de PVC pour des applications de génie civil. Le protocole décrit le cas du vieillissement thermique artificiel uniquement au moyen d'une augmentation de la température ambiante. Il s'agit d'une simplification évidente des conditions météorologiques réelles, car le rayonnement UV et l'influence de l'eau jouent un rôle supplémentaire dans le vieilliss...

matériels

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