Envelhecimento Térmico Artificial do Poliéster Reforçado e Tecido Técnico Revestido de Cloreto de Polivinil

Resumo

Aqui, simulamos o envelhecimento térmico acelerado do tecido técnico e vemos como esse processo de envelhecimento influencia as propriedades mecânicas do tecido.

Resumo

O tecido arquitetônico AF9032 foi submetido ao envelhecimento térmico artificial para determinar alterações nos parâmetros materiais do tecido. O método proposto baseia-se na abordagem acelerada de envelhecimento proposta por Arrhenius. Amostras de 300 mm x 50 mm foram cortadas na dobra e preencherem direções e colocadas em uma câmara térmica a 80 °C por até 12 semanas ou a 90 °C por até 6 semanas. Então, após uma semana de condicionamento à temperatura ambiente, as amostras foram uniaxialmente tensionadas a uma taxa de tensão constante. Experimentalmente, os parâmetros foram determinados para os modelos elástico não linear (linear piecewise) e viscoplástico (Bodner-Partom). Foram estudadas mudanças nesses parâmetros em relação ao envelhecimento da temperatura e ao período de envelhecimento. Em ambos os casos, a função de aproximação linear foi aplicada com sucesso utilizando-se a metodologia simplificada de Arrhenius. Foi obtida correlação para a direção de preenchimento entre os resultados experimentais e os resultados da abordagem de Arrhenius. Para a direção da dobra, os resultados de extrapolação mostraram algumas diferenças. Tendências crescentes e decrescentes têm sido observadas em ambas as temperaturas. A lei de Arrhenius foi confirmada pelos resultados experimentais apenas para a direção de preenchimento. O método proposto permite prever o comportamento real do tecido durante a exploração a longo prazo, que é uma questão crítica no processo de design.

Introdução

Tecidos arquitetônicos à base de poliéster são comumente usados para a construção de telhados pendurados¹. Sendo relativamente baratos com boas propriedades mecânicas, eles podem ser empregados na exploração a longo prazo (por exemplo, o teto pendurado da Ópera Florestal em Sopot - Polônia). Infelizmente, as condições climáticas, radiação ultravioleta, razões biológicas e fins operacionais (pré-estresse e afrouxamento da temporada²) podem afetar suas propriedades mecânicas. Telhados pendurados feitos de AF9032 são estruturas tipicamente sazonais sujeitas à alta temperatura (especialmente durante dias ensolarados no verão), pré-tensão regular e afrouxamento. Para projetar adequadamente um teto pendurado, os parâmetros do tecido devem ser determinados não apenas no início da exploração, mas também após vários anos de uso.

A análise de envelhecimento mede o indicador de envelhecimento e compara os valores iniciais e finais dos parâmetros para avaliar o impacto do envelhecimento. O caixa et al.³ propuseram um dos métodos mais simples por meio da análise comparativa de 12 tipos diferentes de membranas de telhado. Essas membranas foram expostas ao clima ao ar livre por 2 ou 4 anos. Os autores utilizaram um sistema de classificação de várias propriedades para avaliar a durabilidade do tecido. Para fornecer uma análise do envelhecimento térmico do polímero, o princípio da superposição de temperatura do tempo (TTSP) pode ser aplicado⁴. Este princípio afirma que o comportamento de um material em baixa temperatura e baixo nível de tensão se assemelha ao seu comportamento em alta temperatura e alto nível de tensão. O simples fator multiplicador pode ser usado para relacionar as propriedades de temperatura atual com as propriedades na temperatura de referência. Graficamente, corresponde à mudança de curva na escala de tempo de registro. Em relação à temperatura, dois métodos são propostos para combinar o fator de mudança e o envelhecimento da temperatura: as equações Williams-Landel-Ferry (WLF) e a lei de Arrhenius. Ambos os métodos estão incluídos no padrão sueco ISO 11346⁵ para estimar a vida útil e a temperatura operacional máxima para borracha, ou materiais vulcanizados e termoplásticos. Recentemente, o envelhecimento térmico e a metodologia Arrhenius têm sido utilizados na previsão de vida útil do cabo^6,7, tubos de aquecimento⁸, e polimeros cola PMMA⁴. Uma extensão da lei de Arrhenius é a lei Eyring que leva em conta outros fatores de envelhecimento (por exemplo, tensão, pressão, etc.) ⁹. Alternativamente, outros estudos propõem e verificam modelos lineares simples para uma descrição do envelhecimento (por exemplo, o envelhecimento do biosensor¹⁰). Embora o método Arrhenius seja comumente utilizado, há discussão sobre sua relevância na previsão vitalícia de cada material. Assim, o método deve ser utilizado com cuidado, especialmente em termos de suposições iniciais e condições experimentais⁶.

Semelhante à maioria dos polímeros, os tecidos de poliéster utilizados na pesquisa atual exibem duas fases de transição distintas definidas pela temperatura de fusão (T_m)e a temperatura de transição de vidro (T_g). A temperatura de fusão (T_m)é a temperatura quando um material muda de seu estado sólido para o líquido, e a temperatura de transição de vidro (T_g) é a fronteira entre o vidro e os estados de borracha¹¹. De acordo com os dados do fabricante, o tecido AF9032 é feito a partir de fios de poliéster (T_g = 100-180 °C¹², T_m = 250-290 °C¹³) e revestimento PVC (T_g = 80-87 °C^14,15, T_m = 160-260 °C¹⁶). A temperatura de envelhecimento T_α deve ser selecionada abaixo de T_g. Durante os dias ensolarados, a temperatura na superfície superior de um telhado pendurado pode chegar até 90 °C; assim, duas temperaturas de envelhecimento (80 °C e 90 °C) são testadas aqui. Essas temperaturas estão abaixo da linha T_g e perto do revestimento T_g.

O desempenho do protocolo de envelhecimento acelerado em tecidos técnicos é apresentado no trabalho atual. O envelhecimento térmico artificial é usado para prever mudanças nas propriedades materiais. O artigo ilustra rotinas adequadas de testes laboratoriais e uma maneira de extrapolar resultados experimentais relativamente curtos.

Protocolo

1. Experimentos de envelhecimento térmico acelerado em tecido técnico

1. Preparação geral
   1. Prepare uma máquina de teste com software adequado (a fim de fornecer testes constantes de taxa de tensão) e um extensometro de vídeo.
   2. Prepare uma câmara térmica proporcionando temperatura constante de 80 °C (± 1 °C) e 90 °C (±1 °C) por pelo menos 12 semanas.
2. Preparação de espécimes
   1. Desenrole o tecido técnico AF9032 bale. Desenhe as formas desejadas (300 mm x 50 mm) com um lápis macio ou marcador na superfície do tecido paralela à direção de dobra ou preenchimento.
      NOTA: A distribuição de espécimes na superfície do tecido é dada em outros lugares¹⁷.
   2. Indique a direção de dobra em cada espécime com um marcador permanente. Corte os espécimes com uma faca afiada ou uma tesoura. Use a régua se uma faca for usada para cortar.
      NOTA: Os espécimes devem ser retangulares¹⁷. Os principais elementos de cuidado de carga do tecido são fios. Na fase operacional, o material de revestimento geralmente excede seu limite de rendimento, não participando assim da distribuição do estresse. Os únicos elementos para carregar a carga são os fios que se espalham de uma aderência para outra. Portanto, não é razoável usar formas sofisticadas de espécimes (por exemplo, uma forma de haltere geralmente usada para metais). Por outro lado, tais formas amostrais resultam na necessidade de apertos especiais quando a carga final é investigada, ou o uso de um extensometro para avaliar parâmetros materiais.
   3. Meça a espessura do espécime com uma pinça de slides e conte o número de fios na borda curta do espécime.
      NOTA: Para cada espécime, faça três medidas de espessura e calcule o valor médio. Use a lupa para avaliar o número de fios, se necessário.
3. Ligue a câmara térmica, deixando a porta aberta. Usando os botões e o visor de controle, selecione a temperatura (80 °C). Feche a porta da câmara térmica e observe o aumento da temperatura no painel de controle.
4. Aquecimento de espécimes
   1. Quando a temperatura estiver próxima de 80 °C, abra a porta da câmara térmica. Insira pelo menos 7 conjuntos de espécimes em cada conjunto composto por 6 espécimes cortados na direção da dobra e 6 na direção de preenchimento. Feche a porta o mais rápido possível para evitar uma queda de temperatura.
      NOTA: Os experimentos devem ser realizados por três taxas de tensão. Para cada taxa de tensão, os experimentos são realizados em dois espécimes na direção da dobra e dois na direção de preenchimento. Coloque espécimes em excesso na câmara caso os experimentos não sejam bem sucedidos ou os resultados de ambos os testes sejam altamente divergentes.
   2. Após 1h, desça luvas térmicas e remova o primeiro conjunto de espécimes (o conjunto de referência; 6 espécimes na direção da dobra e 6 na direção de preenchimento). Depois de 2 semanas, remova um conjunto de espécimes da câmara térmica.
      NOTA: Todo o processo de aquecimento levará 12 semanas.
5. Condicionamento de espécime
   1. Deixe os espécimes em temperatura ambiente por uma semana. Esfrie os espécimes à temperatura ambiente (ou seja, suas propriedades devem ser estabilizadas).
   2. Antes do teste, desenhe duas marcas pretas (pontos) usando um marcador permanente com uma longa separação de cerca de 50 mm (L0) no meio de cada espécime.
      NOTA: Os pontilhões serão usados pelo extensometro de vídeo.
6. Configuração da máquina de teste
   1. Instale quatro inserções planas de 60 mm na máquina de teste, duas inserções por uma aderência. As pastilhas mostram um tipo de superfície de escala de peixe e são usadas para evitar tirar os espécimes das garras.
   2. Ligue a máquina. Inicie o software (por exemplo, TestXpert) que controla a máquina. Escolha o programa dedicado aos testes de tração.
   3. Selecione a posição inicial com uma aderência de 200 mm para segurar a separação no software. Clique no botão Posição de Partida para executar a aderência de 200 mm para segurar a separação. Esta posição de aderência é geralmente chamada de posição inicial para um teste.
      NOTA: A distância de 200 mm é exigida pelo padrão ISO¹⁷.
7. Configuração do extensometro de vídeo
   1. Mova a câmera do extensometro de vídeo ao longo da barra de suporte para situar a lente da câmera no nível da parte média do espécime. Verifique se a lente da câmera fornece uma visão clara dos marcadores do espécime durante todo o experimento.
      NOTA: Realize um teste semelhante antes do teste principal para estabelecer o provável alcance de alongamento da amostra para garantir que a câmera siga os marcadores pretos durante um teste inteiro.
   2. Selecione o brilho e o foco adequados para a lente usando a tela do computador e o software associado.
8. Calibração do extensometro de vídeo
   NOTA: O dispositivo de calibração é o equipamento padrão do extensometro de vídeo.
   1. Coloque o dispositivo de calibração na frente da câmera e aperte-o com as garras.
   2. Usando o software de extensometro de vídeo (por exemplo, VideoXtens), selecione o tipo adequado de marcadores na janela Targets (geralmente preto e branco).
   3. Selecione o procedimento de calibração no software de extensor de vídeo usando a opção Escala e escolha a distância de calibração na janela Escala.
      NOTA: A distância deve ser semelhante à separação de marcadores nos espécimes. O dispositivo de calibração oferece três distâncias de medição: 10, 15 e 40 mm. Devido à separação do marcador de 50 mm, a distância de 40 mm é apropriada.
   4. Após a calibração, altere o tipo de marcador para Padrão na janela Targets.
      NOTA: Isso permite que o extensometro de vídeo siga os marcadores indicados na amostra.
9. Desempenho do teste
   1. Prepare os parâmetros de teste no software TextXpert.
      NOTA: O programa preparado deve habilitar um teste com uma taxa de tensão selecionada no caso de estresse uniaxial. Deve estar correlacionado com o extensometro de vídeo. Os parâmetros registrados são a distância inicial dos marcadores extensometer (L0), e as funções de resultado do tempo, deslocamentos de aderência, distância dos marcadores do extensometro atual e força. A força de pré-carga de 50 N¹⁷ é programada e a distância L0 é ajustada após o pré-carregamento.
   2. Coloque o espécime ao longo do eixo vertical principal da máquina e feche as garras usando a chave tubular.
      NOTA: O espécime deve ser localizado simetricamente às aderências nas direções vertical e horizontal.
   3. Realize os testes com a taxa de tensão constante selecionada até que os espécimes se quebrem (use 0,005, 0.001 e 0,0001 s^-1 taxas de tensão). Para cada taxa de tensão, teste pelo menos dois espécimes na direção da dobra e encha a direção. Salve os resultados dos testes.
      NOTA: São necessários os seguintes dados: a distância inicial dos marcadores extensormeter (L0), funções de tempo da distância do marcador do extensometro e a força.
10. Repita as etapas 1.5-1.9 a cada duas semanas usando os outros conjuntos de amostras (seis vezes, até 12 semanas).
11. Repita todo o procedimento a 90 °C. O número total de espécimes não muda. O processo de envelhecimento dura 6 semanas. Remova e teste conjuntos subsequentes de espécimes toda semana.

2. Preparação de dados

1. Conhecendo a área transversal das amostras, use software de grafeção (SigmaPlot¹⁸ ou similar) para recalcular os incrementos de força e alongamento registrados de acordo com a força elementar das equações materiais para as relações de tensão de estresse. Estique um gráfico de dados obtidos, separadamente, para a dobra e preencha amostras e para cada uma das taxas de tensão.
2. Repita para os resultados de 80 °C e 90 °C.

3. Identificação de parâmetros de modelos materiais

1. Modelo linear em pedaços para modelagem elástica não linear
   NOTA: A aplicação do modelo de material linear em sentido móvel é possível quando a curva de tensão de estresse pode ser dividida em seções de formas lineares (ou aproximadamente lineares). Pontos de travessia particulares das linhas em seções vizinhas correspondem às faixas de aplicabilidade das linhas relacionadas¹⁹.
   1. No caso de cada curva obtida na etapa 2.1, encontre as faixas de tensão, detectando a relação linear ou próxima da estirpe linear.
   2. Usando a opção de regressão fit no software de grafografia e o método menos quadrado, identifique a linha de melhor ajuste na região escolhida.
      NOTA: A tangente a esta curva corresponde à rigidez do material em uma determinada faixa.
   3. Denote a tangente como E_ij onde o índice corresponde à direção atual do material (W para a direção de dobra e F para a direção de preenchimento) e o índice j é um número consecutivo da linha identificada.
   4. Tendo parâmetros de todas as linhas, encontre os pontos de intersecção entre as linhas; denotá-los como ε_k/l,onde k e eu marcam as linhas de travessia.
      NOTA: Esses pontos (ε_k/l) constituem as faixas de tensão para aplicar os valores particulares de rigidez longitudinal (E_ij) (Figura 1).
2. Modelo viscoplástico Bodner-Partom
   NOTA: A lei constitutiva Bodner-Partom é usada para refletir o comportamento elasto-viscoplásico de vários materiais^20,21. O básico e a formulação matemática do modelo são dados em detalhes em outros^{20,21,22,23,24,25}. As equações elementares são apresentadas na Tabela 1 apenas para modelar o estado de estresse uniaxial. Os parâmetros do modelo Bodner-Partom são identificados por meio dos testes de tração uniaxial realizados com pelo menos três taxas de tensão diferentes. O valor da taxa de tensão deve ser constante, pelo menos, na parte inelástica do experimento. O procedimento completo de identificação do modelo Bodner-Partom modificado para tecidos técnicos é amplamente apresentado^24,25.
   1. Usando o software de grafeção, identifique os parâmetros do modelo Bodner-Partom seguindo Klosowski et al.²⁴.

4. Extrapolação de Arrhenius

NOTA: A lei de Arrhenius baseia-se em uma observação empírica de que o aumento da temperatura ambiente resulta na aceleração de uma série de reações químicas que podem acelerar o processo de envelhecimento também. A representação matemática completa do conceito de reação química de Arrhenius pode ser encontrada em outros lugares^11,26. A lei arrénio de forma simplificada é chamada de "regra de 10 graus"²⁷. De acordo com essa regra, um aumento de temperatura circundante de cerca de 10 °C teoricamente dobra a taxa do processo de envelhecimento. Assim, a taxa de reação f é definida da seguinte^{forma 17}:

onde ΔT = T - T_ref é a diferença entre a temperatura de envelhecimento T e a temperatura de serviço T_ref de um material.

1. Assuma o_árbitro de temperatura T de acordo com o valor médio com base nos resultados da estação meteorológica local (aqui,_ref T = 8 °C²⁸). Assuma a temperatura da câmara térmica T a ser utilizada no teste de envelhecimento (aqui, 80 °C e 90 °C).
   NOTA: O nível de temperatura deve ser registrado por um período de tempo maior, pelo menos um ano, e depois calculado como o valor médio desse período, trazendo uma média de tempo desse período tomado como_árbitroT .
2. Calcule a taxa de reação constante f da equação 1 e, em seguida, extrapolar o tempo de envelhecimento (expresso em semanas) para anos (Tabela 2).
   NOTA: Os efeitos de extrapolação de diferentes períodos de tempo de envelhecimento realizados dentro da pesquisa atual são apresentados na Tabela 3. Por exemplo, o envelhecimento térmico de um espécime em 4 semanas a 90 °C é igual ao seu envelhecimento em 8 semanas a 80 °C e corresponde a um envelhecimento natural de aproximadamente 23 anos.

5. Representação de dados

1. Apresentar os valores do parâmetro obtido na forma normalizada de X/X^0,onde X denota um valor atual do parâmetro certo e X⁰ corresponde ao valor inicial deste parâmetro, no que diz respeito a uma amostra de 1 hora apenas.
   NOTA: O tempo do envelhecimento térmico artificial é configurado em horas.
2. Plot X/X⁰ valores no eixo Y versus o tempo de envelhecimento traçado no eixo X para mostrar a evolução dos parâmetros. Prepare as parcelas para a dobra e preencha as direções do material testado separadamente.
3. Descreva os valores do parâmetro traçados ao longo do tempo por funções lineares (ou diferentes funções de melhor ajuste) usando o método menos quadrado e informe valores R^2.
4. Para avaliar se a relação simplificada de Arrhenius está correta para o tecido AF9032, redesenhar os resultados obtidos para 90 °C em relação ao tempo de envelhecimento recalculado em tempo "real" de acordo com a lei arrhenius.

Resultados

A figura 2 justapõe as curvas de tensão de estresse para a dobra e as direções de preenchimento do tecido AF9032 obtidas em diferentes tempos de envelhecimento, no nível de temperatura de 80 °C para uma taxa de tensão de 0,001 s^-1. A diferença entre o período de envelhecimento de 1h (teste de referência) e o resto dos períodos de envelhecimento é clara. O tempo de envelhecimento não parece afetar substancialmente a resposta material na direção da dobra, já que as c...

Discussão

Este artigo insculde um protocolo experimental detalhado para simular os experimentos acelerados em laboratório em tecidos reforçados de poliéster e pvc revestidos para aplicações de engenharia civil. O protocolo descreve o caso do envelhecimento térmico artificial apenas por meio do aumento da temperatura ambiente. Esta é uma simplificação óbvia das condições climáticas reais, já que a radiação UV e a influência da água desempenham um papel adicional no envelhecimento do serviço material.

Materiais

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