Искусственное термическое старение полиэстера усилено и поливинилхлоридное покрытие технических тканей

Резюме

Здесь мы моделируем ускоренное тепловое старение технической ткани и видим, как этот процесс старения влияет на механические свойства ткани.

Аннотация

Архитектурная ткань AF9032 подверглась искусственному термческому старению для определения изменений материальных параметров ткани. Предлагаемый метод основан на ускоренном подходе к старению, предложенном Аррениусом. 300 мм х 50 мм образцы были сокращены в деформации и заполнить направления и помещены в тепловой камере при 80 градусов по Цельсию на срок до 12 недель или при 90 градусов по Цельсию в течение 6 недель. Затем, после одной недели кондиционирования при температуре окружающей среды, образцы были одноразовимо натянуты при постоянной скорости напряжения. Экспериментально параметры были определены для нелинейных упругих (линейных кусковидных) и вископластических (Bodner-Partom) моделей. Были изучены изменения в этих параметрах в отношении температуры и старения. В обоих случаях функция линейного приближения была успешно применена с использованием упрощенной методологии Arrhenius. Была получена корреляция для направления заполнения между экспериментальными результатами и результатами подхода Arrhenius. Для направления деформации результаты экстраполяции продемонстрировали некоторые различия. При обеих температурах наблюдались тенденции к увеличению и снижению. Закон Arrhenius был подтвержден экспериментальными результатами только для направления заполнения. Предлагаемый метод позволяет предсказать реальное поведение ткани во время долгосрочной эксплуатации, что является критическим вопросом в процессе проектирования.

Введение

Полиэстер основе архитектурных тканей обычно используются для строительства подвесных крыш¹. Будучи относительно дешевыми с хорошими механическими свойствами, они могут быть использованы в долгосрочной эксплуатации (например, висячая крыша Лесной оперы в Сопоте - Польша). К сожалению, погодные условия, ультрафиолетовое излучение, биологические причины и эксплуатационные цели (сезон ные тренинг и ослабление²⁾могут повлиять на их механические свойства. Висячие крыши из AF9032, как правило, сезонные структуры подвергаются высокой температуре (особенно в солнечные дни летом), регулярное предварительное напряжение и ослабление. Для правильной конструкции подвесной крыши параметры ткани должны определяться не только в начале эксплуатации, но и после нескольких лет эксплуатации.

Анализ старения измеряет показатель старения и сравнивает начальные и конечные значения параметров для оценки воздействия старения. Cash et al.³ предложили один из самых простых методов путем сравнительного анализа 12 различных типов кровельных мембран. Эти мембраны подвергались воздействию наружного выветривания в течение 2 или 4 лет. Авторы использовали рейтинговую систему нескольких свойств для оценки долговечности ткани. Для проведения анализа полимерного теплового старения можно применять принцип временнойтемпературы (TTSP). Этот принцип гласит, что поведение материала при низкой температуре и при низком уровне деформации напоминает его поведение при высокой температуре и высоком уровне деформации. Простой мультипликативный фактор может быть использован для соотнеса текущих температурных свойств со свойствами при эталонной температуре. Графически это соответствует сдвигу кривой по шкале времени журнала. Что касается температуры, то предлагается два метода, чтобы объединить фактор смещения и температуру старения: уравнения Уильямс-Ландель-Ферри (WLF) и закон Arrhenius. Оба метода включены в шведский стандарт ISO 11346⁵ для оценки срока службы и максимальной рабочей температуры для резиновых, или вулканизированных и термопластичных материалов. В последнее время, теплового старения и Arrhenius методологии были использованы в прогнозе жизни кабеля^6,7, трубы отопления⁸, и полимерный клей PMMA⁴. Расширением закона Arrhenius является закон Айринга, который учитывает другие факторы старения (например, напряжение, давление и т.д.) ⁹. В качестве альтернативы, другие исследования предлагают и проверить простые линейные модели для описания старения (например, биосенсор старения¹⁰). Хотя метод Arrhenius широко используется, обсуждается его актуальность в прогнозе жизни каждого материала. Следовательно, метод должен быть использован с осторожностью, особенно с точки зрения первоначальных предположений и экспериментальных^{условий 6}.

Как и большинство полимеров, полиэфирные ткани, используемые в текущих исследованиях, демонстрируют две различные переходные фазы, определяемые температурой плавления (T_m)и температурой перехода стекла (T_g). Температура плавления (T_m) - это температура, когда материал изменяется от твердого состояния к жидкому, а температура перехода стекла (T_g)является границей между стеклом и резиновыми состояниями^11. По данным производителя, ткань AF9032 изготовлена из полиэфирных нитей (T_g, 100-180 х^12,_Т-м, 250-290 градусов по Цельсию¹³) и ПВХ-покрытия (T_g, 80-87 C^14,15, T_m 160-260 c¹⁶). Температура старения T_- должна быть выбрана ниже T_g. В солнечные дни температура на верхней поверхности подвесной крыши может достигать даже 90 градусов по Цельсию; таким образом, здесь проверяются две температуры старения (80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию). Эти температуры ниже нити T_g и близко к покрытию T_g.

В текущей работе представлена работа протокола ускоренного старения по техническим тканям. Искусственное термическое старение используется для прогнозирования изменений свойств материала. В статье иллюстрируются соответствующие процедуры лабораторного тестирования и способ экстраполировать относительно краткосрочные экспериментальные результаты.

протокол

1. Ускоренные эксперименты по термостарению на технической ткани

1. Общая подготовка
   1. Подготовьте испытательную машину с надлежащим программным обеспечением (для обеспечения постоянных тестов скорости напряжения) и видео-экстенсомера.
   2. Подготовьте тепловую камеру, обеспечивающую постоянную температуру в 80 градусов по Цельсию (1 кв. C) и 90 градусов по Цельсию (1 кв.к. ) в течение по крайней мере 12 недель.
2. Подготовка образцов
   1. Развернуть техническую ткань AF9032 тюк. Нарисуйте нужные формы (300 мм х 50 мм) мягким карандашом или маркером на поверхности ткани параллельно варп или заполнить направление.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Распределение образцов на поверхности ткани дается в другом месте¹⁷.
   2. Укажите направление деформации на каждый образец с помощью постоянного маркера. Вырезать образцы острым ножом или ножницами. Используйте линейку, если нож используется для резки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Образцы должны быть прямоугольными¹⁷. Основными грузоподъемными элементами ткани являются нити. На этапе эксплуатации материал покрытия обычно превышает предел своей урожайности, тем самым не принимая участия в распределении напряжения. Единственными элементами, переносимыми грузом, являются потоки, распространяющиеся от одного захвата к другому. Поэтому неразумно использовать сложные формы образцов (например, форму гантели, обычно используемую для металлов). С другой стороны, такие формы выборки приводят к необходимости специальных захватов при исследуемом конечном объеме нагрузки или использованию экстенсометра для оценки материальных параметров.
   3. Измерьте толщину образца слайд-кадетским калибром и подсчитайте количество нитей на коротком краю образца.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждого образца, принять три измерения толщины, и вычислить среднее значение. Используйте увеличительное стекло, чтобы оценить количество потоков, если это необходимо.
3. Включите тепловую камеру, оставив дверь открытой. Используя кнопки и дисплей управления, выберите температуру (80 градусов по Цельсию). Закройте дверь тепловой камеры и наблюдайте за повышением температуры на панели управления.
4. Потепление видов
   1. Когда температура близка к 80 градусам Цельсия, откройте дверь тепловой камеры. Вставьте не менее 7 комплектов образцов с каждым набором, состоящим из 6 образцов, вырезанных в направлении деформации и 6 в направлении заполнения. Закройте дверь как можно скорее, чтобы избежать понижения температуры.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперименты должны проводиться для трех штаммов. Для каждого скорости напряжения, эксперименты выполняются на двух образцах в направлении деформации и два в направлении заполнения. Поместите избыточные образцы в камеру в случае, если эксперименты не увенчаются успехом или результаты обоих тестов сильно расходятся.
   2. После 1 ч наденьте тепловые перчатки и удалите первый набор образцов (справочный набор; 6 экземпляров в направлении деформации и 6 в направлении заполнения). После каждых 2 недель, удалить последующий набор образцов из тепловой камеры.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Весь процесс потепления займет 12 недель.
5. Кондиционирование образцов
   1. Оставьте образцы при комнатной температуре на одну неделю. Охладить образцы до комнатной температуры (т.е. их свойства должны быть стабилизированы).
   2. Перед испытанием нарисуйте две черные метки (точки) с помощью постоянного маркера с продольным разделением около 50 мм (L0) в середине каждого образца.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Точки будут использоваться видео extensometer.
6. Настройка машины тестирования
   1. Установите четыре 60 мм плоские вставки в машину тестирования, две вставки на одно сцепление. Вставки показывают тип поверхности рыбной шкалы и используются, чтобы избежать выскальзывания образцов из захватов.
   2. Включите машину. Запустите программное обеспечение (например, TestXpert), которое управляет машиной. Выберите программу, посвященную тензие-тестам.
   3. Выберите исходное положение с 200-мм сцеплением для разделения в программном обеспечении. Нажмите кнопку "Исходная позиция", чтобы выполнить 200-мм сцепление с сцеплением. Это положение захвата обычно называется исходной позицией для теста.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Расстояние 200 мм требуется по стандарту ISO¹⁷.
7. Установка видео-экстенсометра
   1. Переместите камеру видеоextensometer вдоль опорной панели, чтобы расставить объектив камеры на уровне средней части образца. Проверьте, обеспечивает ли объектив камеры четкое представление маркеров образца в течение всего эксперимента.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните аналогичный тест перед основным тестом, чтобы установить вероятный диапазон удлинения образца, чтобы гарантировать, что камера будет следовать черным маркерам в течение всего теста.
   2. Выберите надлежащую яркость и фокус для объектива с помощью экрана компьютера и связанного с ним программного обеспечения.
8. Калибровка экстенсометра
   ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровочное устройство является стандартным оборудованием видео extensometer.
   1. Поместите калибровочное устройство в передней части камеры и зажмите его сцеплениями.
   2. Используя программное обеспечение для экстенсометера видео (например, VideoXtens), выберите правильный тип маркеров в окне Цели (обычно черно-белый).
   3. Выберите процедуру калибровки в программном обеспечении видеоextensometer с помощью опции Шкала и выберите расстояние калибровки в окне шкалы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Расстояние должно быть похоже на разделение маркеров на образцах. Калибровочное устройство предлагает три измерения расстояния: 10, 15 и 40 мм. Из-за разделения 50 мм маркера, расстояние 40 мм является целесообразным.
   4. После калибровки измените тип маркера на шаблон в окне Цели.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это позволяет видео extensometer следовать маркеры, указанные на образце.
9. Тестовая производительность
   1. Подготовьте параметры тестирования в программном обеспечении TextXpert.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Подготовленная программа должна включить тест с выбранной скоростью напряжения в случае однооясного стресса. Она должна быть коррелирована с видео extensometer. Записанные параметры представляют начальное расстояние маркеров extensometer (L0), и функции результата времени, смещения захвата, расстояние маркеров текущего extensometer, и усилие. Преднагрузка 50 N¹⁷ запрограммирована, а расстояние L0 корректируется после предварительнойзагрузки.
   2. Поместите образец вдоль основной вертикальной оси машины и закройте захваты с помощью трубчатого шпангоура.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Образец должен быть расположен симметрично к захватам в вертикальных и горизонтальных направлениях.
   3. Выполните тесты с выбранной постоянной скоростью деформации до перерыва образцов (использовать 0,005, 0,001 и 0,0001 с^-1 скорость напряжения). Для каждого напряжения скорость, проверить по крайней мере два образца в направлении деформации и заполнить направлении. Сохранить результаты теста.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимы следующие данные: начальное расстояние маркеров extensometer (L0), временные функции расстояния маркера extensometer, и сила.
10. Повторите шаги 1,5–1,9 каждые две недели, используя другие наборы образцов (шесть раз, до 12 недель).
11. Повторите всю процедуру при 90 градусах По Цельсию. Общее количество образцов не меняется. Процесс старения длится 6 недель. Удалять и тестировать последующие наборы образцов каждую неделю.

2. Подготовка данных

1. Зная область поперечного сечения образцов, используйте графическое программное обеспечение (SigmaPlot¹⁸ или аналогичный) для пересчета зарегистрированной силы и приращений к усилению силы и удлинения в соответствии с элементарной прочностью материальных уравнений к отношениям напряжения-напряжения. Участок график полученных данных, отдельно, для деформации и заполнить образцы и для каждого из штаммов ставки.
2. Повторите для 80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию.

3. Идентификация параметров материальных моделей

1. Piecewise линейная модель для нелинейного эластного моделирования
   ПРИМЕЧАНИЕ: Применение частичной линейной материальной модели возможно, когда кривая напряжения может быть разделена на секции линейных (или приблизительно линейных) форм. Определенные пункты пересечения линий на соседних участках соответствуют диапазонам применимости соответствующих линий^19.
   1. В случае каждой кривой, полученной в шаге 2.1, найдите диапазоны штаммов, обнаруживая линейное или близкое к линейной связи напряжения.
   2. Используя опцию регрессии в программном обеспечении для графиков и наименьший квадратный метод, определите наиболее подходяющую линию в выбранном регионе.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Касательная к этой кривой соответствует жесткости материала в определенном диапазоне.
   3. Обозначите касательную как E_ij, где индекс i соответствует текущему направлению материала (W для направления деформации и F для направления заполнения), а индекс j является последовательным числом идентифицированной строки.
   4. Имея параметры всех линий, найдите точки пересечения между линиями; обозначают их как_к/л, где k и l отмечают пересечение линий.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти точки_{(к/ л}) составляют диапазоны штаммов для применения конкретных значений продольной жесткости (E_ij) (Рисунок 1).
2. Боднер-Партом вископластическая модель
   ПРИМЕЧАНИЕ: Bodner-Partom constitutive закон используется для отражения эласто-вископластического поведения различных материалов^20,21. Основы и математическая формулировка модели приведена подробно в другом месте^{20,21,22,23,24,25}. Элементарные уравнения представлены в таблице 1 только для моделирования состояния однооясного стресса. Параметры модели Bodner-Partom определяются с помощью однооясных тестов, проводимых по крайней мере с тремя различными показателями напряжения. Значение скорости деформации должно быть постоянным, по крайней мере, в неупругой части эксперимента. Полная процедура идентификации модели Bodner-Partom, измененная для технических тканых^{тканей,}широко^{представлена 24,25}.
   1. Используя программное обеспечение для графиков, определите параметры модели Bodner-Partom вслед за Klosowski et al.²⁴.

4. Экстраполяция Аррениуса

ПРИМЕЧАНИЕ: Закон Arrhenius основан на эмпирических наблюдениях, что повышение температуры окружающей среды приводит к ускорению ряда химических реакций, которые могут ускорить процесс старения, а также. Полное математическое представление концепции химической реакции Arrhenius можно найти в другом месте^11,26. Закон Arrhenius в упрощенной форме называется "правило 10 градусов"²⁷. Согласно этому правилу, окружающее повышение температуры примерно на 10 градусов по Цельсию теоретически удваивает скорость процесса старения. Таким образом, скорость реакции f определяется следующим^{образом:}

где T T - T_ref является разница между температурой старения T и температурой обслуживания T_реф материала.

1. Предположим, температура T_реф в соответствии со средним значением на основе результатов местной метеорологической станции (здесь, T_реф No 8 C²⁸). Предположим, что температура тепловой камеры T будет использоваться в тесте на старение (здесь, 80 градусов по Цельсию и 90 градусов по Цельсию).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Уровень температуры должен быть зарегистрирован в течение более длительного периода времени, по крайней мере один год, а затем рассчитывается как среднее значение этого периода, в результате чего среднее время этого периода, принятых как T_ref.
2. Рассчитайте скорость реакции постоянной f от уравнения 1, а затем экстраполировать время старения (выраженное в неделях) на годы(таблица 2).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эффекты экстраполяции различных периодов времени старения, проведенные в рамках текущих исследований, представлены в таблице 3. Например, термическое старение образца в течение 4 недель при 90 градусах Цельсия равно его старению в 8 недель при 80 градусах Цельсия и соответствует естественному старению примерно 23 лет.

5. Представление данных

1. Представление полученных значений параметров в нормализованной форме X/X^0,где X обозначает текущее значение определенного параметра, а X⁰ соответствует первоначальному значению этого параметра, в отношении образца в возрасте 1 часа.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Время искусственного теплового старения устанавливается в часах.
2. Значения участка X/X⁰ на оси Y по сравнению со временем старения, нарисованные на оси X, чтобы показать эволюцию параметров. Подготовьте участки для деформации и заполните направления проверенного материала отдельно.
3. Опишите значения параметров, начертанные с течением времени линейными функциями (или различными наилучшими функциями), используя наименьший квадратный метод, и сообщите о значениях R^2.
4. Чтобы оценить, является ли упрощенное отношение Arrhenius правильным для ткани AF9032, перерисуйте результаты, полученные за 90 градусов по Цельсию в отношении времени старения, пересчитанных в "реальное" время в соответствии с законом Arrhenius.

Результаты

Рисунок 2 сопоставляет кривые напряжения для деформации и заполняет направления ткани AF9032, полученные в разное время старения, при температуре 80 градусов по Цельсию для напряжения 0,001 с^-1. Разница между 1 h период старения (справочный тест) и остальные периоды старен...

Обсуждение

Эта статья incudes подробный экспериментальный протокол для имитации лаборатории ускоренных экспериментов на полиэстер аранее и ПВХ покрытием тканей для гражданского строительства приложений. Протокол описывает случай искусственного теплового старения только путем повышения темпера?...

Материалы

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