Invecchiamento termico artificiale del poliestere rinforzato e del tessuto tecnico rivestito di poligono in polivinile

Riepilogo

Qui, simuliamo l'invecchiamento termico accelerato del tessuto tecnico e vediamo come questo processo di invecchiamento influenza le proprietà meccaniche del tessuto.

Abstract

Tessuto architettonico AF9032 è stato sottoposto a invecchiamento termico artificiale per determinare i cambiamenti dei parametri del materiale del tessuto. Il metodo proposto si basa sull'approccio accelerato di invecchiamento proposto da Arrhenius. 300 mm x 50 mm campioni sono stati tagliati nelle direzioni di detestata e riempimento e collocati in una camera termica a 80 gradi centigradi per un massimo di 12 settimane o a 90 gradi centigradi per un massimo di 6 settimane. Poi, dopo una settimana di condizionamento a temperatura ambiente, i campioni sono stati tesi in modo uniaxally ad una velocità di deformazione costante. Sperimentalmente, i parametri sono stati determinati per i modelli elastici non lineari (lineari) e viscoplastici (Bodner-Partom). I cambiamenti in questi parametri sono stati studiati per quanto riguarda la temperatura dell'invecchiamento e il periodo di invecchiamento. In entrambi i casi, la funzione di approssimazione lineare è stata applicata con successo utilizzando la metodologia semplificata di Arrhenius. È stata ottenuta una correlazione per la direzione di riempimento tra i risultati sperimentali e i risultati dell'approccio Arrhenius. Per la direzione di curvatura, i risultati dell'estrapolazione hanno mostrato alcune differenze. Le tendenze in aumento e in diminuzione sono state osservate a entrambe le temperature. La legge Arrhenius è stata confermata dai risultati sperimentali solo per la direzione di riempimento. Il metodo proposto consente di prevedere il comportamento reale del tessuto durante lo sfruttamento a lungo termine, che è un problema critico nel processo di progettazione.

Introduzione

Tessuti architettonici a base di poliestere sono comunemente utilizzati per la costruzione di tetti appesi¹. Essendo relativamente a buon mercato con buone proprietà meccaniche, possono essere impiegati nello sfruttamento a lungo termine (ad esempio, il tetto appeso della Forest Opera a Sopot - Polonia). Purtroppo, le condizioni atmosferiche, le radiazioni ultraviolette, le ragioni biologiche e gli scopi operativi (pre-stress e allentamento della stagione²⁾possono influenzare le loro proprietà meccaniche. I tetti appesi in AF9032 sono tipicamente strutture stagionali soggette ad alte temperature (soprattutto durante le giornate di sole in estate), pre-tensione e allentamento regolari. Al fine di progettare correttamente un tetto appeso, i parametri del tessuto devono essere determinati non solo all'inizio dello sfruttamento, ma anche dopo diversi anni di utilizzo.

L'analisi dell'invecchiamento misura l'indicatore dell'invecchiamento e confronta i valori iniziali e finali dei parametri per valutare l'impatto dell'invecchiamento. Il cash et al.³ ha proposto uno dei metodi più semplici mediante l'analisi comparativa di 12 diversi tipi di membrane di copertura. Queste membrane sono state esposte agli agenti atmosferici esterni per 2 o 4 anni. Gli autori hanno utilizzato un sistema di classificazione di diverse proprietà per valutare la durata del tessuto. Al fine di fornire un'analisi dell'invecchiamento termico polimerico, il principio di sovrapposizione tempo-temperatura (TTSP) può essere applicato⁴. Questo principio afferma che il comportamento di un materiale a bassa temperatura e sotto basso livello di sforzo assomiglia al suo comportamento ad alta temperatura e alto livello di deformazione. Il semplice fattore moltiplicativo può essere utilizzato per correlare le proprietà di temperatura correnti con le proprietà alla temperatura di riferimento. Graficamente, corrisponde allo spostamento della curva sulla scala temporale del log. Per quanto riguarda la temperatura, vengono proposti due metodi per combinare il fattore di spostamento e la temperatura di invecchiamento: le equazioni Williams-Landel-Ferry (WLF) e la legge Arrhenius. Entrambi i metodi sono inclusi nello standard svedese ISO 11346⁵ per stimare la durata e la temperatura operativa massima per i materiali in gomma, o vulcanizzati e termoplastici. Recentemente, l'invecchiamento termico e la metodologia Arrhenius sono stati utilizzati nella previsione della durata del cavo^6,7, tubi di riscaldamento⁸, e colla polimerica PMMA⁴. Un'estensione della legge Arrhenius è la legge Eyring che tiene conto di altri fattori di invecchiamento (ad esempio, tensione, pressione, ecc.) ⁹. In alternativa, altri studi propongono e verificano semplici modelli lineari per una descrizione dell'invecchiamento (ad esempio, l'invecchiamento del biosensore^10). Anche se il metodo Arrhenius è comunemente usato, c'è discussione sulla sua rilevanza nella previsione di vita di ogni materiale. Pertanto, il metodo deve essere utilizzato con cura, soprattutto in termini di ipotesi iniziali e condizioni sperimentali⁶.

Simile alla maggior parte dei polimeri, i tessuti in poliestere utilizzati nella ricerca attuale presentano due distinte fasi di transizione definite dalla temperatura di fusione (T_m) e dalla temperatura di transizione del vetro (T_g). La temperatura di fusione (T_m) è la temperatura quando un materiale cambia dal suo stato solido a quello liquido, e la temperatura di transizione del vetro (T_g) è il confine tra il vetro e la gomma stati¹¹. Secondo i dati del produttore, il tessuto AF9032 è costituito da fili di poliestere (T_g , 100 , 180 C¹², T_m , 250 , C 13 ) e rivestimento in PVC (T_g - 80-87 C^14,15, T_m , 160 ,260 C¹⁶). La temperatura di invecchiamento T_- dovrebbe essere selezionata sotto T_g. Durante le giornate di sole, la temperatura sulla superficie superiore di un tetto appeso può anche raggiungere i 90 gradi centigradi; qui vengono testate due temperature di invecchiamento (80 e 90 gradi centigradi). Queste temperature sono sotto il filo T_g e vicino al rivestimento T_g.

Le prestazioni del protocollo di invecchiamento accelerato sui tessuti tecnici sono presentate nel lavoro attuale. L'invecchiamento termico artificiale viene utilizzato per prevedere i cambiamenti delle proprietà del materiale. L'articolo illustra le routine appropriate di test di laboratorio e un modo per estrapolare risultati sperimentali relativamente a breve termine.

Protocollo

1. Esperimenti di invecchiamento termico accelerato sul tessuto tecnico

1. Preparazione complessiva
   1. Preparare una macchina di prova con un software adeguato (al fine di fornire test di deformazione costante) e un estensore video.
   2. Preparare una camera termica che fornisca una temperatura costante di 80 gradi centigradi e di 90 gradi centigradi per almeno 12 settimane.
2. Preparazione di campioni
   1. Srotolare il tessuto tecnico AF9032 balle. Disegnare le forme desiderate (300 mm x 50 mm) con una matita morbida o un pennarello sulla superficie del tessuto parallelamente alla direzione di deposizione o riempimento.
      NOTA: La distribuzione degli esemplari sulla superficie del tessuto è data altrove¹⁷.
   2. Indicare la direzione di deformazione su ogni campione con un marcatore permanente. Tagliare gli esemplari con un coltello affilato o forbici. Utilizzare il righello se un coltello viene utilizzato per il taglio.
      NOTA: I campioni devono essere rettangolari¹⁷. I principali elementi di carico del tessuto sono fili. Nella fase operativa, il materiale di rivestimento di solito supera il suo limite di resa, quindi non prendendo parte alla distribuzione della sollecitazione. Gli unici elementi per trasportare il carico sono i fili che si diffondono da un grip all'altro. Pertanto, non è ragionevole utilizzare forme sofisticate di campioni (ad esempio, una forma di manubrio di solito utilizzata per i metalli). D'altra parte, tali forme campione comportano la necessità di impugnature speciali quando viene studiato il carico finale o l'uso di un estensore per valutare i parametri del materiale.
   3. Misurare lo spessore del campione con una pinza di diapositive e contare il numero di fili sul bordo corto del campione.
      NOTA: per ogni campione, eseguire tre misurazioni dello spessore e calcolare il valore medio. Utilizzare la lente di ingrandimento per valutare il numero di fili, se necessario.
3. Accendere la camera termica, lasciando la porta aperta. Utilizzando i pulsanti e il display di controllo, selezionare la temperatura (80 gradi centigradi). Chiudere la porta termica e osservare l'aumento della temperatura sul pannello di controllo.
4. Riscaldamento degli impetati
   1. Quando la temperatura è vicina agli 80 gradi centigradi, aprire la porta della camera termica. Inserire almeno 7 serie di campioni con ogni set costituito da 6 campioni tagliati nella direzione di curvatura e 6 nella direzione di riempimento. Chiudere lo sportello il prima possibile per evitare un calo della temperatura.
      NOTA: Gli esperimenti devono essere condotti per tre velocità di sforzo. Per ogni velocità di deformazione, vengono eseguiti esperimenti su due campioni nella direzione di curvatura e due nella direzione di riempimento. Posizionare i campioni in eccesso nella camera nel caso in cui gli esperimenti non abbiano successo o i risultati di entrambi i test siano altamente divergenti.
   2. Dopo 1 h, indossare guanti termici e rimuovere il primo set di campioni (il set di riferimento; 6 esemplari nella direzione di curvatura e 6 nella direzione di riempimento). Dopo ogni 2 settimane, rimuovere un set di esemplari successivo dalla camera termica.
      NOTA: L'intero processo di riscaldamento richiederà 12 settimane.
5. Condizionamento degli esemplari
   1. Lasciare i campioni a temperatura ambiente per una settimana. Raffreddare gli esemplari a temperatura ambiente (cioè, le loro proprietà devono essere stabilizzate).
   2. Prima della prova, disegnare due segni neri (punti) utilizzando un marcatore permanente con una separazione longitudinale di circa 50 mm (L0) al centro di ogni esemplare.
      NOTA: i punti verranno utilizzati dall'estensore video.
6. Configurazione della macchina di prova
   1. Installare quattro inserti piatti da 60 mm nella macchina di prova, due inserti per una presa. Gli inserti mostrano un tipo di superficie della scala del pesce e vengono utilizzati per evitare di scivolare i campioni fuori dalle impugnature.
   2. Accendere la macchina. Avviare il software (ad esempio, TestXpert) che controlla la macchina. Scegli il programma dedicato ai test di tensione.
   3. Selezionare la posizione iniziale con una presa da 200 mm per afferrare la separazione nel software. Fare clic sul pulsante Posizione iniziale per eseguire la separazione grip da 200 mm per eseguire la separazione grip. Questa posizione di grip è in genere chiamata posizione iniziale per un test.
      NOTA: la distanza di 200 mm è richiesta dallo standard ISO¹⁷.
7. Configurazione dell'estensore video
   1. Spostare la fotocamera dell'estensoro video lungo la barra di supporto per posizionare l'obiettivo della fotocamera al livello della parte centrale del campione. Controllare se l'obiettivo della fotocamera fornisce una visione chiara dei marcatori campione durante l'intero esperimento.
      NOTA: Eseguire un test simile prima del test principale per stabilire la probabile gamma di allungamento del campione per garantire che la fotocamera segua i marcatori neri durante un intero test.
   2. Selezionare la luminosità e la messa a fuoco appropriate per l'obiettivo utilizzando lo schermo del computer e il software associato.
8. Calibrazione dell'estensore video
   NOTA: il dispositivo di calibrazione è l'apparecchiatura standard dell'estensore video.
   1. Posizionare il dispositivo di calibrazione nella parte anteriore della fotocamera e bloccarlo con le impugnature.
   2. Utilizzando il software di estensore video (ad esempio, VideoXtens), selezionare il tipo corretto di marcatori nella finestra Obiettivi (solitamente in bianco e nero).
   3. Selezionare la procedura di calibrazione nel software dell'estensore video utilizzando l'opzione Scala e scegliere la distanza di calibrazione nella finestra Scala.
      NOTA: La distanza dovrebbe essere simile alla separazione dei marcatori sui campioni. Il dispositivo di calibrazione offre tre distanze di misura: 10, 15 e 40 mm. A causa della separazione del marcatore 50 mm, la distanza di 40 mm è appropriata.
   4. Dopo la calibrazione, modificare il tipo di marcatore in Modello nella finestra Destinazioni.
      NOTA: Ciò consente all'estensore video di seguire i marcatori indicati sul campione.
9. Prestazioni di test
   1. Preparare i parametri di test nel software TextXpert.
      NOTA: Il programma preparato deve abilitare un test con una velocità di deformazione selezionata nel caso di sollecitazione uniaxiale. Deve essere correlato con l'estensore video. I parametri registrati sono la distanza iniziale dei marcatori estensori (L0) e le funzioni dei risultati di spostamenti di grip, distanza dei marcatori dell'estensore corrente e forza. La forza di pre-caricamento di 50 N¹⁷ viene programmata e la distanza L0 viene regolata dopo ilprecaricamento.
   2. Posizionare il campione lungo l'asse verticale principale della macchina e chiudere le impugnature utilizzando la chiavetta tubolare.
      NOTA: il campione deve essere posizionato simmetricamente alle impugnature nelle direzioni verticale e orizzontale.
   3. Eseguire i test con la velocità di deformazione costante selezionata fino a quando i campioni si rompono (utilizzare 0,005, 0,001 e 0,0001 s^-1 tasso di deformazione). Per ogni velocità di deformazione, testare almeno due campioni nella direzione di curvatura e nella direzione di riempimento. Salvare i risultati del test.
      NOTA: Sono necessari i seguenti dati: la distanza iniziale dei marcatori estensori (L0), le funzioni temporali della distanza del marcatore dell'estensotro e la forza.
10. Ripetere i passaggi 1,5 e 1,9 ogni due settimane usando gli altri set di campioni (sei volte, fino a 12 settimane).
11. Ripetere l'intera procedura a 90 gradi centigradi. Il numero totale di campioni non cambia. Il processo di invecchiamento dura 6 settimane. Rimuovere e testare i successivi gruppi di campioni ogni settimana.

2. Preparazione dei dati

1. Conoscendo l'area della sezione trasversale dei campioni, utilizzare un software grafico (SigmaPlot¹⁸ o simili) per ricalcolare gli incrementi di forza ed allungamento registrati in base alla forza elementare delle equazioni dei materiali alle relazioni stress-deformazione. Tracciare un grafico dei dati ottenuti, separatamente, per i campioni di deformazione e riempimento e per ciascuno dei tassi di deformazione.
2. Ripetere l'operazione per i risultati di 80 e 90 gradi centigradi.

3. Identificazione dei parametri dei modelli di materiale

1. Modello lineare a cetti per la modellazione elastica non lineare
   NOTA: l'applicazione del modello di materiale lineare pezzo per pezzo è possibile quando la curva di sollecitazione-deformazione può essere divisa in sezioni di forme lineari (o approssimativamente lineari). Particolari punti di intersezione delle linee nelle sezioni adiacenti corrispondono agli intervalli di applicabilità delle righe correlate¹⁹.
   1. Nel caso di ogni curva ottenuta al punto 2.1, trovare le gamme di deformazione, rilevando la relazione tra sollecitazione lineare o vicino a sollecitazione-deformazione lineare.
   2. Utilizzando l'opzione di regressione di adattamento nel software di grafica e il metodo meno quadrato, identificare la linea più adatta nella regione scelta.
      NOTA: la tangente a questa curva corrisponde alla rigidità del materiale in una particolare gamma.
   3. Denota la tangente come E_ij dove l'indice i corrisponde alla direzione corrente del materiale (W per la direzione di curvatura e F per la direzione di riempimento) e l'indice j è un numero consecutivo della linea identificata.
   4. Con i parametri di tutte le linee, trovare i punti di intersezione tra le linee; denotarli come_k/l, dove k e l segnano le linee di incrocio.
      NOTA: questi punti (e_k/l) costituiscono le gamme di deformazione per applicare i valori di rigidità longitudinale particolari (E_ij) (Figura 1).
2. Modello viscoplastico Bodner-Partom
   NOTA: La legge tutututive Bodner-Partom viene utilizzata per riflettere il comportamento elasto-viscoplastico di vari materiali^20,21. Le basi e la formulazione matematica del modello è data in dettaglio altrove^20,21,22,23^,24,25. Le equazioni elementari sono presentate nella Tabella 1 solo per modellare lo stato di sollecitazione uniaxiale. I parametri del modello Bodner-Partom sono identificati mediante i test di tensile uniaxial condotti con almeno tre diverse velocità di deformazione. Il valore della velocità di deformazione deve essere costante almeno nella parte inelastica dell'esperimento. La procedura completa di identificazione del modello Bodner-Partom modificata per tessuti tecnici è ampiamente presentata^24,25.
   1. Utilizzando il software di grafica, identificare i parametri del modello Bodner-Partom seguendo Klosowski et^al.

4. Estrapolazione di Arrhenius

NOTA: La legge Arrhenius si basa su un'osservazione empirica che l'aumento della temperatura ambiente comporta l'accelerazione di una serie di reazioni chimiche che possono accelerare anche il processo di invecchiamento. La rappresentazione matematica completa del concetto di reazione chimica di Arrhenius può essere trovata altrove^11,26. La legge Arrhenius in forma semplificata è chiamata "la regola dei 10 gradi"²⁷. Secondo questa regola, un aumento della temperatura circostante di circa 10 gradi centigradi raddoppia teoricamente il tasso del processo di invecchiamento. Quindi, il tasso di reazione f è definito come segue¹⁷:

dove la temperatura di servizio T - T - T_ref è la differenza tra la temperatura di invecchiamento T e la temperatura di servizio T_ref di un materiale.

1. Si supponga la temperatura T_ref in base al valore medio in base airisultati della stazione meteorologica locale (qui, T_ref Si supponga che la temperatura della camera termica T venga utilizzata nella prova di invecchiamento (qui, 80 e 90 gradi centigradi).
   NOTA: Il livello di temperatura deve essere registrato per un periodo di tempo più lungo, almeno un anno, e quindi calcolato come valore medio di tale periodo, portando una media temporale di questo periodo preso come T_ref.
2. Calcolare il tasso di reazione costante f dall'equazione 1 e quindi estrapolare il tempo di invecchiamento (espresso in settimane) in anni (Tabella 2).
   NOTA: Gli effetti di estrapolazione dei diversi periodi di invecchiamento condotti nell'ambito della ricerca in corso sono presentati nella tabella 3. Ad esempio, l'invecchiamento termico di un esemplare in 4 settimane a 90 gradi centigradi è pari al suo invecchiamento in 8 settimane a 80 gradi centigradi e corrisponde a un invecchiamento naturale di circa 23 anni.

5. Rappresentazione dei dati

1. Presentare i valori dei parametri ottenuti nella forma normalizzata di X/X^0,dove X indica un valore corrente del determinato parametro e X⁰ corrisponde al valore iniziale di questo parametro, per quanto riguarda un campione di soli 1 ora.
   NOTA: il tempo di invecchiamento termico artificiale è impostato in ore.
2. Tracciare i valori X/X⁰ sull'asse Y rispetto al tempo di invecchiamento tracciato sull'asse X per mostrare l'evoluzione dei parametri. Preparare i grafici per le direzioni di deposizione e riempimento del materiale testato separatamente.
3. Descrivere i valori dei parametri tracciati nel tempo da funzioni lineari (o diverse funzioni di adattamento) utilizzando il metodo meno quadrato e i valori R² del report.
4. Per valutare se la relazione semplificata di Arrhenius è corretta per il tessuto AF9032, ridisegnare i risultati ottenuti per 90 gradi centigradi rispetto al tempo di invecchiamento ricalcolato in tempo "reale" secondo la legge Arrhenius.

Risultati

Figura 2 giustapposta le curve di sollecitazione-deformazione per le direzioni di curvatura e riempimento del tessuto AF9032 ottenuto in tempi di invecchiamento diversi, nel livello di temperatura di 80 gradi centigradi per una velocità di deformazione di 0,001 s^-1. La differenza tra il periodo di invecchiamento di 1 h (test di riferimento) e il resto dei periodi di invecchiamento è evidente. Il tempo di invecchiamento non sembra influenzare sostanzialmente la risposta del mater...

Discussione

Questo articolo incude un protocollo sperimentale dettagliato per simulare gli esperimenti accelerati di laboratorio sui tessuti rinforzati in poliestere e PVC per applicazioni di ingegneria civile. Il protocollo descrive il caso dell'invecchiamento termico artificiale solo per mezzo di un aumento della temperatura ambiente. Si tratta di un'ovvia semplificazione delle condizioni meteorologiche reali, poiché le radiazioni UV e l'influenza dell'acqua svolgono un ruolo aggiuntivo nell'invecchiamento del servizio materiale....

Materiali

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