הזדקנות תרמית מלאכותית של פוליאסטר מחוזק ומצופה פוליוויניל כלוריד בד טכני

Summary

כאן, אנו לדמות מואצת הזדקנות תרמית של בד טכני ולראות איך זה תהליך ההזדקנות משפיע על תכונות מכניות של הבד.

Abstract

אדריכלי בד AF9032 כבר נתון להזדקנות תרמית מלאכותית כדי לקבוע שינויים של הפרמטרים החומריים של הבד. השיטה המוצעת מבוססת על גישת ההזדקנות המואצת שהוצעה על ידי ארניוס. 300 mm x 50 מילימטר דגימות נחתכו הכיוונים פיתול ומילוי והניח בתא תרמית ב 80 ° צ' עד 12 שבועות או בשעה 90 ° c עד 6 שבועות. ואז לאחר שבוע של התניה בטמפרטורת הסביבה, הדגימות היו מגירסה משני הזנים בקצב זן קבוע. הפרמטרים נקבעו עבור דגמי הדגמים הגמישים הבלתי ליניאריים (טיפין ליניארי) ו-viscoplastic. שינויים בפרמטרים אלה נחקרו ביחס לטמפרטורת ההזדקנות ולתקופת ההזדקנות. בשני המקרים, פונקציית הקירוב הליניארית הוחלה בהצלחה באמצעות המתודולוגיה הפשוטה של ארניוס. הושגה התאמה לכיוון המילוי בין התוצאות הנסיוניות לבין התוצאות מגישת ארניוס. עבור כיוון העיוות, תוצאות החילוץ הציגו כמה הבדלים. הגדלת נטיות הולך ופוחת נצפו בשתי הטמפרטורות. חוק ארניוס אושר על ידי התוצאות הנסיוניות רק עבור כיוון המילוי. השיטה המוצעת מאפשרת לנבא התנהגות בד אמיתית במהלך ניצול לטווח ארוך, שהוא סוגיה קריטית בתהליך העיצוב.

Introduction

פוליאסטר בדים אדריכליים מבוססי משמשים בדרך כלל לבניית גגות תלויים¹. להיות זול יחסית עם תכונות מכניות טובות, הם יכולים להיות מועסקים בניצול לטווח ארוך (למשל, הגג התלוי של האופרה של היער בסופוט-פולין). למרבה הצער, תנאי מזג האוויר, קרינה אולטרה סגולה, סיבות ביולוגיות, ומטרות תפעוליות (העונה מראש הדגיש והתרופפות²) יכול להשפיע על תכונות מכניות שלהם. גגות תלויים העשויים מAF9032 הם בדרך כלל מבנים עונתיים החשופים לטמפרטורה גבוהה (במיוחד בימי שטוף שמש בקיץ), קבוע מראש והתרופפות. כדי לעצב כראוי גג תלוי, פרמטרים בד חייב להיקבע לא רק בתחילת ניצול, אלא גם לאחר מספר שנים של שימוש.

ניתוח הזדקנות מודד את מחוון ההזדקנות ומשווה את הערכים הראשוניים והסופיים של הפרמטרים כדי להעריך את ההשפעה של הזדקנות. מזומנים et al^.3 הציע אחת השיטות הפשוטות ביותר על ידי ניתוח השוואתי של 12 סוגים שונים של ממברנות גגות. הקרומים הללו נחשפו לבליה חיצונית במשך 2 או 4 שנים. המחברים השתמשו במערכת דירוג של מספר מאפיינים כדי להעריך עמידות בד. על מנת לספק ניתוח של הזדקנות תרמית פולימר, העיקרון בטמפרטורת הזמן הסופרפוזיציה (TTSP) ניתן להחיל⁴. עיקרון זה קובע כי ההתנהגות של חומר בטמפרטורה נמוכה ומתחת רמת הלחץ נמוכה דומה להתנהגות שלה בטמפרטורה גבוהה ורמת זן גבוה. הגורם המכפיל הפשוט יכול לשמש כדי לקשר את מאפייני הטמפרטורה הנוכחית עם המאפיינים בטמפרטורת ההפניה. באופן גרפי, הוא תואם לשינוי העקומה בסרגל הזמן של יומן הרישום. לגבי הטמפרטורה, שתי שיטות מוצעות לשלב את גורם השינוי ואת טמפרטורת ההזדקנות: משוואות ויליאמס-לנדל-מעבורת (WLF) וחוק ארניוס. שתי השיטות כלולות בתקן השוודי ISO 11346⁵ כדי להעריך את הטמפרטורה המבצעית של החיים ואת הטמפ ' התפעוליות המרביות לגומי, או לגיפריזציה וחומרים תרמופלסטיים. לאחרונה, תרמית הזדקנות מתודולוגיה arrhenius נעשה שימוש בזמן חיזוי אורך החיים^6,7, חימום צינורות⁸, ו-pmma דבק פולימרי⁴. הארכה של חוק ארניוס היא חוק איירינג שלוקח בחשבון גורמי הזדקנות אחרים (למשל, מתח, לחץ, וכו ') ⁹. לחילופין, מחקרים אחרים מציעים ולוודא מודלים ליניאריים פשוטים עבור תיאור של הזדקנות (למשל, ביוסנסור הזדקנות¹⁰). למרות ששיטת ארניוס משמשת בדרך כלל, קיים דיון על הרלוונטיות שלו בחיזוי החיים של כל חומר. לפיכך, יש להשתמש בשיטה בטיפול, בעיקר בהנחות ראשוניות ובתנאים ניסיוניים⁶.

בדומה למרבית הפולימרים, בדים פוליאסטר המשמשים בתערוכה הנוכחית שני שלבי מעבר שונים המוגדרים על ידי טמפרטורת ההיתוך (T_m) ואת טמפרטורת המעבר זכוכית (T_g). טמפרטורת ההיתוך (T_m) היא הטמפרטורה כאשר חומר משתנה ממצבו המוצק אל הנוזל הנוזלי, ואת טמפרטורת המעבר זכוכית (T_g) היא הגבול בין הזכוכית מדינות גומי¹¹. על פי נתוני היצרן, הבד הAF9032 מורכב מחוטי פוליאסטר (t_g = 100-180 °^{צ' 12}, T_m = 250 למעלה-290 ° c) וציפוי PVC (t_g = 80-87 ° צלזיוס^14,15, T_m = 160-260 ° צ'¹⁶). טמפרטורת ההזדקנות T_α יש לבחור מתחת T_g. בימים שטופי שמש, הטמפרטורה על המשטח העליון של גג תלוי יכול אפילו להגיע 90 ° c; לפיכך, שתי טמפרטורות הזדקנות (80 ° c ו-90 ° c) נבדקים כאן. טמפרטורות אלה הן מתחת לחוט T_g וקרוב ציפוי t_g.

הביצועים של פרוטוקול ההזדקנות המואצת על בדים טכניים מוצגים בעבודה הנוכחית. הזדקנות תרמית מלאכותית משמשת לחיזוי שינויים של תכונות החומר. המאמר ממחיש את התרגילים המתאימים בדיקות מעבדה ודרך לשער תוצאות ניסיוני לטווח קצר יחסית.

Protocol

1. ניסויים הזדקנות תרמית מואצת על בד טכני

1. הכנה כוללת
   1. להכין מכונת בדיקה עם התוכנה הנכונה (כדי לספק בדיקות שיעור הזנים קבוע) ו הארכת וידאו.
   2. הכינו תא תרמי המספק טמפרטורה קבועה של 80 ° צ' (± 1 ° c) ו-90 ° צ' (± 1 ° c) למשך 12 שבועות לפחות.
2. הכנה לדגימה
   1. לבטל את הרול של הבד הטכני AF9032 בייל. ציירו את הצורות הרצויות (300 מ"מ x 50 מ"מ) עם עיפרון רך או סמן על משטח הבד מקביל לכיוון פיתול או מילוי.
      הערה: התפלגות הדגימות על משטח הבד ניתנת במקום אחר¹⁷.
   2. ציין את כיוון העיקום בכל אחד מהדגימות באמצעות סמן קבוע. חותכים את הדגימות. עם סכין או מספריים חדים השתמש בסרגל אם סכין משמש לחיתוך.
      הערה: הדגימות צריכות להיות מלבניות¹⁷. הרכיבים העיקריים לטיפול בעומסים של הבד הם חוטים. בשלב המבצעי, חומר הציפוי עולה בדרך כלל על גבול התפוקה שלו, ולכן אינו נוטל חלק בפיזור הלחצים. הגורמים היחידים לנשיאת המטען הם הליכי מריחה מאחיזה אחת לאחרת. לכן, לא סביר להשתמש בצורות מתוחכמות של דגימות (למשל, צורת משקולית המשמשת בדרך כלל למתכות). מצד שני, צורות כאלה לדוגמה לגרום לצורך אוחז מיוחד כאשר העומס האולטימטיבי נחקר, או שימוש הרחבה כדי להעריך את הפרמטרים החומריים.
   3. למדוד את עובי הדגימה עם קליבר שקופית ולספור את מספר הליכי בקצה הקצר של הדגימה.
      הערה: עבור כל אחד מהדגימות, יש לבצע שלוש מדידות עובי ולחשב את הערך הממוצע. השתמש בזכוכית המגדלת כדי להעריך את מספר הליכי האשכולות במידת הצורך.
3. , תדליק את התא התרמי. ואשאיר את הדלת פתוחה באמצעות הלחצנים ותצוגת הפקד, בחר את הטמפרטורה (80 ° c). סגרו את דלת התא התרמי וצפו בעליית הטמפרטורה בלוח הבקרה.
4. התחממות דגימה
   1. כאשר הטמפרטורה קרובה ל 80 ° c, פתחו את דלת התא התרמי. הוסף לפחות 7 קבוצות של דגימות עם כל קבוצה המורכבת 6 דגימות לחתוך את כיוון העיוות ו 6 בכיוון המילוי. סגור את הדלת בהקדם האפשרי כדי למנוע ירידה בטמפרטורה.
      הערה: יש לערוך את הניסויים בשלושה שיעורי זן. עבור כל שיעור זן, ניסויים מבוצעים על שני דגימות בכיוון עיוות ושניים בכיוון המילוי. הניחו את הדגימות העודפות בחדר במקרה שהניסויים לא יצליחו או שהתוצאות משני הבדיקות מובנות מאוד.
   2. לאחר 1 h, דון כפפות תרמיות ולהסיר את הסט הראשון של דגימות (ערכת ההתייחסות; 6 דגימות בכיוון עיוות ו 6 בכיוון המילוי). לאחר כל 2 שבועות, להסיר מערכת להצליח של דגימות מן התא התרמי.
      הערה: כל תהליך ההתחממות ייקח 12 שבועות.
5. מיזוג דגימה
   1. תשאירו את הדגימות. בטמפרטורת החדר לשבוע אחד מצננים את הדגימות לטמפרטורת החדר (כלומר, יש לייצב את תכונותיהם).
   2. לפני הבדיקה, לצייר שני סימנים שחורים (נקודות) באמצעות סמן קבוע עם הפרדה לאורך של כ 50 מ"מ (יזוגי l0) באמצע של כל הדגימה.
      הערה: הנקודות ישמשו להארכה של וידאו.
6. בדיקת מכונת התקנה
   1. התקן 4 60 מ"מ מוסיף שטוח לתוך מכונת הבדיקה, שני מוסיף לאחיזה אחת. התוספות מציגות את סוג המשטח של הדגים ומשמשות כדי למנוע החלקה של הדגימות מתוך אוחז.
   2. . הפעל את המכונה הפעל את התוכנה (למשל, TestXpert) ששולט במחשב. בחר את התוכנית המוקדש בדיקות מתיחה.
   3. בחר את מיקום ההתחלה עם אחיזה 200 מ"מ כדי הפרדה בתוכנה. לחץ על הלחצן ' מיקום פותח ' כדי לבצע את האחיזה 200 מ"מ להפרדת האחיזה. תנוחת אחיזה זו נקראת בדרך כלל תנוחת ההתחלה לבדיקה.
      הערה: המרחק 200 מ"מ נדרש על-ידי תקן ISO¹⁷.
7. התקנת וידאו בהארכה
   1. להעביר את המצלמה של הארכת וידאו לאורך הסרגל התומך למקם את העדשה של המצלמה ברמה של החלק האמצעי של הדגימה. בדוק אם העדשה של המצלמה מספק תצוגה ברורה של הדגימה סמנים במהלך הניסוי כולו.
      הערה: בצע בדיקה דומה לפני הבדיקה הראשית כדי לקבוע את טווח התארכות הסבירות לדוגמה כדי להבטיח שהמצלמה תעקוב אחר הסמנים השחורים במהלך הבדיקה השלמה.
   2. בחר את הבהירות והמיקוד המתאימים לעדשה באמצעות מסך המחשב והתוכנה המשויכת.
8. כיול הארכת וידאו
   הערה: התקן הכיול הוא הציוד הסטנדרטי של הארכת הווידאו.
   1. שים את המכשיר כיול בקדמת המצלמה ולהדק אותו עם אוחז.
   2. באמצעות תוכנת הארכת וידאו (לדוגמה, VideoXtens), בחר את סוג הסמנים המתאים בחלון היעדים (בדרך כלל שחור ולבן).
   3. בחרו בשגרת הכיול בתוכנת הארכת הווידאו בעזרת האפשרות ' קנה מידה ' ובחרו במרחק הכיול בחלון הסרגל .
      הערה: המרחק צריך להיות דומה להפרדה בין סמנים לבין הדגימות. מכשיר הכיול מציע שלושה מרחקים מדידה: 10, 15 ו 40 מ"מ. בשל הפרדת הסמן מ-50 מ"מ, מרחק 40 מ"מ מתאים.
   4. לאחר הכיול, שנה את סוג הסמן לתבנית בחלון היעדים .
      הערה: פעולה זו מאפשרת להארכה וידאו לבצע את הסמנים המצוינים על הדגימה.
9. בדיקת ביצועים
   1. הכן את פרמטרי הבדיקה בתוכנת TextXpert.
      הערה: על התוכנית המוכנה לאפשר בדיקה עם קצב הזנים שנבחר במקרה של מתח uniaxial. זה חייב להיות מתואם. עם הארכת הוידיאו הפרמטרים שנרשמו הם המרחק ההתחלתי של סמני ההארכה (יזוגי l0), ואת פונקציות התוצאה של זמן, אחיזה displacements, מרחק ההארכה הנוכחית של הרחבה, כוח. הכוח לטעון מראש של 50 N¹⁷ מתוכנת ומרחק יזוגי l0 מותאם לאחר טעינת מקדמה.
   2. הכניסו את הדגימה לאורך הציר האנכי הראשי של המכונה וסגרו את הידיות בעזרת החומר המכבדי הצינורי.
      הערה: הדגימה חייבת להיות ממוקמת באופן סימטרי לידיות בכיוונים האנכיים והאופקיים.
   3. בצע את הבדיקות עם קצב הזנים הקבוע שנבחר עד שדגימות לשבור (השימוש 0.005, 0.001, ו 0.0001 s^-1 הזנים שיעור). עבור כל קצב הזנים, בדוק לפחות שני דגימות בכיוון העיקום וכיוון המילוי. שמור את תוצאות הבדיקה.
      הערה: הנתונים הבאים נחוצים: המרחק ההתחלתי של סמני ההארכה (יזוגי l0), פונקציות זמן של מרחק הסימון של ההארכה והכוח.
10. חזור על שלבים 1.5-1.9 לכל שבועיים תוך שימוש בערכות הדגימות האחרות (שש פעמים, עד 12 שבועות).
11. חזור על ההליך כולו ב 90 ° c. המספר הכולל של הדגימות אינו משתנה. תהליך ההזדקנות נמשך 6 שבועות. הסר ובדוק את ערכות הדגימות הבאות בכל שבוע.

2. הכנת הנתונים

1. היכרות עם חתך הרוחב של הדגימות, השתמש בתוכנת גרפים (SigmaPlot¹⁸ או דומה) כדי לחשב מחדש את הכוח הרשום ואת התארכות ההתאמה על פי החוזק היסודי של משוואות החומר ליחסי מתח-מאמץ. התווה גרף של נתונים שהתקבלו, בנפרד, עבור דגימות העיקום והמילוי ועבור כל אחד מקצבי המתח.
2. חזרו ל80 מעלות צלזיוס ו-90 ° c.

3. זיהוי פרמטרים של דגמי חומרים

1. מודל לינארי של טיפין לעיצוב אלסטי שאינו ליניארי
   הערה: היישום של מודל החומר הליניארי של טיפין אפשרי כאשר ניתן לפצל את עקומת מתח המתח למקטעים של צורות לינאריות (או בקירוב). נקודות מעבר מסוימות של הקווים במקטעים סמוכים תואמות לטווחי ישימות של הקווים הקשורים¹⁹.
   1. במקרה של כל עיקול שהושג בשלב 2.1, למצוא את טווחי הזנים, זיהוי ליניארי או קרוב מאמץ ליניארי-הקשר זן.
   2. באמצעות אפשרות הרגרסיה המתאימה בתוכנת הגרפים ובשיטת הריבוע הפחות, זהה את הקו המתאים ביותר באזור הנבחר.
      הערה: הטנגנס לעקומה זו מתאים לנוקשות של החומר בטווח מסוים.
   3. ציין את הטנגנס כ- E_ij שבו האינדקס אני מתאים לכיוון הנוכחי של החומר (W עבור כיוון העיקום ו-F עבור כיוון המילוי) ואינדקס j הוא מספר עוקב של השורה המזוהה.
   4. לאחר הפרמטרים של כל הקווים, למצוא את נקודות החיתוך בין הקווים; לציין אותם כ ε_k/l, כאשר k ו- l לסמן את קווי המעבר.
      הערה: נקודות אלה (ε_k/l) מהוות את טווחי הזנים להחלת ערכי קשיות האורך הספציפיים (E_ij) (איור 1).
2. מודל בודנר-פרטיסום
   הערה: חוק בודנר-פארסום משמש לשקף את התנהגות האלאסאל-ויצוסטית של חומרים שונים^20,21. היסודות והניסוח המתמטי של המודל מוענק בפרוטרוט במקומות אחרים^{20,21,22,23,24,25}. המשוואות האלמנטארית מוצגות בטבלה 1 רק כדי לדגמן את מצב הסטרס החד-צירי. הפרמטרים של מודל בודנר-פארסום מזוהים באמצעות בדיקות מתיחה חד-צירית שנערכו עם לפחות שלושה קצבי זן שונים. הערך של קצב הזנים חייב להיות קבוע לפחות בחלק הגמיש של הניסוי. הליך הזיהוי המלא של מודל בודנר שהשתנה עבור בדים ארוגים טכניים מוצג בהרחבה^24,25.
   1. באמצעות תוכנת הגרפים, זהה את פרמטרי המודל של בודנר-פרטיסום בעקבות קלוסווי ואח '²⁴.

4. מיון ארניוס

הערה: חוק ארניוס מבוסס על תצפית אמפירית שטמפרטורת הסביבה מעלה תוצאות בהאצת מספר תגובות כימיות שעשויות לזרז את תהליך ההזדקנות גם כן. הייצוג המתמטי המלא של רעיון התגובה הכימית של ארניוס ניתן למצוא במקום אחר^11,26. חוק ארניוס בצורה פשוטה נקרא "חוק 10 מעלות"²⁷. על פי כלל זה, עלייה בטמפרטורה שמסביב של כ -10 ° c תיאורטית מכפילה את קצב תהליך ההזדקנות. מכאן, שיעור התגובה f מוגדר כדלקמן¹⁷:

כאשר ΔT = T-T_ref הוא ההבדל בין טמפרטורת ההזדקנות t לבין טמפרטורת השירות t_ref של חומר.

1. להניח את הטמפרטורה T_ref על פי הערך הממוצע המבוסס על תוצאות התחנה המטאורולוגית המקומית (כאן, T_Ref =^{8 ° c}). להניח את טמפרטורת התא תרמית T לשמש במבחן ההזדקנות (כאן, 80 ° c ו 90 ° c).
   הערה: יש לרשום את רמת הטמפרטורה למשך זמן ארוך יותר, לפחות שנה אחת, ולאחר מכן לחשב כערך הממוצע של אותה תקופה, ולהביא ממוצע זמן של תקופה זו שצולמה כ-T_ref.
2. לחשב את קצב התגובה קבוע f מהמשוואה 1 ולאחר מכן לשער את זמן ההזדקנות (מבוטא בשבועות) לשנים (טבלה 2).
   הערה: השפעות החילוץ של תקופות זמן הזדקנות שונות שנערכו במחקר הנוכחי מוצגות בטבלה 3. למשל, הזדקנות תרמית של הדגימה ב 4 שבועות ב 90 ° c שווה ההזדקנות שלה 8 שבועות ב 80 ° c ומקביל הזדקנות טבעית של כ 23 שנים.

5. ייצוג נתונים

1. הציגו את ערכי הפרמטרים שהושגו בצורה המנורמלת של x/x⁰, כאשר x מציין ערך נוכחי של הפרמטר המתאים ו- x⁰ מתאים לערך ההתחלתי של פרמטר זה, ביחס לדגימה בת 1 שעה בלבד.
   הערה: הזמן של הזדקנות תרמית מלאכותית מוגדר בתוך שעות.
2. התווה ערכי X/X⁰ בציר Y לעומת זמן ההזדקנות המותווים על ציר ה-X כדי להציג את האבולוציה של הפרמטרים. הכן מגרשים לכיוון הפיתול והמילוי של החומר הנבדק בנפרד.
3. תאר את ערכי הפרמטרים המותווים לאורך זמן על-ידי פונקציות לינאריות (או פונקציות שונות של התאמה מיטבית) באמצעות שיטה מרובעת לפחות ודיווח על ערכי R² .
4. כדי להעריך אם הקשר הפשוט ביותר של Arrhenius נכון לAF9032, צייר מחדש את התוצאות המתקבלות עבור 90 ° c ביחס לזמן ההזדקנות המחושב לזמן "אמיתי" על פי חוק ארניוס.

תוצאות

איור 2 לעמת את הלחץ-זן עקומות עבור הכיוונים פיתול ומילוי של בד AF9032 שהתקבלו בזמנים ההזדקנות שונים, ברמת הטמפרטורה 80 ° c עבור שיעור זן של 0.001 s^-1. ההבדל בין תקופת ההזדקנות 1 h (בדיקת התייחסות) ושאר תקופות ההזדקנות הוא ברור. זמן ההזדקנות אינו נראה משפיע באופן משמעותי על התגובה...

Discussion

מאמר זה incudes פרוטוקול ניסיוני מפורט כדי לדמות את המעבדה מואצת ניסויים על פוליאסטר מחוזק ובדים מצופה PVC עבור יישומים הנדסה אזרחית. הפרוטוקול מתאר את המקרה של הזדקנות תרמית מלאכותית רק על ידי העלאת טמפרטורת הסביבה. זוהי פישוט ברור של תנאי מזג אוויר אמיתיים, כמו קרינת UV והשפעה מים לשחק תפקיד נ...

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