Künstliche thermische Alterung von Polyester verstärkte und Polyvinylchlorid beschichtet technische samt
Summary
Hier simulieren wir die beschleunigte thermische Alterung des technischen Gewebes und sehen, wie dieser Alterungsprozess die mechanischen Eigenschaften des Gewebes beeinflusst.
Abstract
Das architektonische Gewebe AF9032 wurde einer künstlichen thermischen Alterung unterzogen, um Veränderungen der Materialparameter des Gewebes zu bestimmen. Die vorgeschlagene Methode basiert auf dem von Arrhenius vorgeschlagenen Ansatz der beschleunigten Alterung. 300 mm x 50 mm Proben wurden in die Kett- und Füllrichtung geschnitten und bis zu 12 Wochen bei 80 °C oder bis zu 6 Wochen bei 90 °C in eine Wärmekammer gelegt. Nach einer Woche Konditionierung bei Umgebungstemperatur wurden die Proben dann mit konstanter Dehnungsrate uniaxial gespannt. Experimentell wurden die Parameter für die nichtlinearen elastischen (linearen Stück) und viskoplastischen (Bodner-Partom) Modelle bestimmt. Änderungen dieser Parameter wurden im Hinblick auf die Alterungstemperatur und die Alterungszeit untersucht. In beiden Fällen wurde die lineare Approximationsfunktion mit der vereinfachten Methode von Arrhenius erfolgreich angewendet. Für die Füllrichtung zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Ergebnissen des Arrhenius-Ansatzes wurde eine Korrelation erzielt. Für die Kettrichtung wiesen die Extrapolationsergebnisse einige Unterschiede auf. Bei beiden Temperaturen wurden steigende und abnehmende Tendenzen beobachtet. Das Arrhenius-Gesetz wurde durch die experimentellen Ergebnisse nur für die Füllrichtung bestätigt. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht es, echtes Gewebeverhalten während der langfristigen Nutzung vorherzusagen, was ein kritisches Problem im Entwurfsprozess ist.
Introduction
Polyester-basierte architektonische Stoffe werden häufig für den Bau von HängendenDächern1 verwendet. Da sie relativ günstig sind und gute mechanische Eigenschaften aufweisen, können sie in der langfristigen Verwertung eingesetzt werden (z.B. das Hängedach der Waldoper in Sopot – Polen). Leider können Wetterbedingungen, ultraviolette Strahlung, biologische Gründe und betriebliche Zwecke (Saison-Vorspannung und Lockerung2) ihre mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Hängedächer aus AF9032 sind typischerweise saisonale Strukturen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind (besonders an sonnigen Tagen im Sommer), regelmäßiges Vorspannen und Lösen. Um ein hängeres Dach richtig zu gestalten, müssen die Stoffparameter nicht nur zu Beginn der Verwertung, sondern auch nach mehrjähriger Nutzung ermittelt werden.
Die Alterungsanalyse misst den Alterungsindikator und vergleicht die Anfangs- und Endwerte der Parameter, um die Auswirkungen des Alterns zu bewerten. Cash et al.3 schlug eine der einfachsten Methoden durch vergleichende Analyse von 12 verschiedenen Arten von Dachmembranen vor. Diese Membranen waren 2 oder 4 Jahre lang der Verwitterung im Freien ausgesetzt. Die Autoren verwendeten ein Bewertungssystem mit mehreren Eigenschaften, um die Haltbarkeit von Stoffen zu bewerten. Um eine Analyse der thermischen Polymeralterung zu ermöglichen, kann das Zeittemperatur-Überlagerungsprinzip (TTSP) angewendet werden4. Dieses Prinzip besagt, dass das Verhalten eines Materials bei niedriger Temperatur und unter niedrigem Dehnungsgrad seinem Verhalten bei hoher Temperatur und hohem Dehnungsgrad ähnelt. Der einfache Multiplikationsfaktor kann verwendet werden, um die aktuellen Temperatureigenschaften mit den Eigenschaften bei der Referenztemperatur in Beziehung zu setzen. Grafisch entspricht sie der Kurvenverschiebung auf der Protokollzeitskala. In Bezug auf die Temperatur werden zwei Methoden vorgeschlagen, um den Schaltfaktor und die Alterungstemperatur zu kombinieren: die Williams-Landel-Ferry (WLF)-Gleichungen und das Arrhenius-Gesetz. Beide Methoden sind in der schwedischen Norm ISO 113465 enthalten, um die Lebensdauer und maximale Betriebstemperatur für Gummi oder vulkanisierte und thermoplastische Materialien zu schätzen. Kürzlich wurden thermische Alterung und Arrhenius-Methodik in der Kabellebensdauervorhersage6,7, Heizungsrohre8und Polymerkleber PMMA4verwendet. Eine Erweiterung des Arrhenius-Gesetzes ist das Eyring-Gesetz, das andere Alterungsfaktoren (z. B. Spannung, Druck usw.) berücksichtigt. 9. Alternativ schlagen andere Studien einfache lineare Modelle für eine Beschreibung des Alterns vor (z. B. Biosensoralterung10). Obwohl die Arrhenius-Methode häufig verwendet wird, wird über ihre Relevanz in der Lebensdauervorhersage jedes Materials diskutiert. Daher muss die Methode mit Vorsicht verwendet werden, insbesondere in Bezug auf anfängliche Annahmen und experimentelle Bedingungen6.
Ähnlich wie die meisten Polymere weisen die in der aktuellen Forschung verwendeten Polyestergewebe zwei unterschiedliche Übergangsphasen auf, die durch die Schmelztemperatur (Tm) und die Glasübergangstemperatur (Tg) definiert sind. Die Schmelztemperatur (Tm) ist die Temperatur, wenn sich ein Material von seinem festen zustand in den flüssigen ändert, und die Glasübergangstemperatur (Tg) ist die Grenze zwischen dem Glas- und dem Gummizuständen11. Nach Herstellerangaben besteht das Gewebe AF9032 aus Polyestergewinden (Tg = 100 x 180 °C12, Tm = 250 x 290 °C13) und PVC-Beschichtung (Tg = 80 x 87 °C14,15, Tm = 160 x 260 °C16). Die Alterungstemperatur T– sollte unter Tgausgewählt werden. An sonnigen Tagen kann die Temperatur auf der Oberseite eines hängenden Daches sogar 90 °C erreichen; Daher werden hier zwei Alterungstemperaturen (80 °C und 90 °C) getestet. Diese Temperaturen liegen unterhalb des Gewindes Tg und in der Nähe der Beschichtung Tg.
Die Leistungsfähigkeit des beschleunigten Alterungsprotokolls auf technischen Geweben wird in der aktuellen Arbeit dargestellt. Künstliche thermische Alterung wird verwendet, um Veränderungen der Materialeigenschaften vorherzusagen. Der Artikel veranschaulicht geeignete Labortestroutinen und eine Möglichkeit, relativ kurzfristige experimentelle Ergebnisse zu extrapolieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieser Artikel enthält ein detailliertes experimentelles Protokoll zur Simulation der laborbeschleunigten Experimente an polyesterverstärkten und PVC-beschichteten Geweben für den Tiefbau. Das Protokoll beschreibt den Fall der künstlichen thermischen Alterung nur durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur. Dies ist eine offensichtliche Vereinfachung der realen Wetterbedingungen, da UV-Strahlung und Wassereinfluss eine zusätzliche Rolle bei der Alterung des Materialdienstes spielen.
Im Al…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Veröffentlichung dieser Arbeit wurde von der Fakultät für Bau- und Umwelttechnik der Technischen Universität Danzig unterstützt.
Materials
| 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 |
Referenzen
- Ambroziak, A. Mechanical properties of Precontraint 1202S coated fabric under biaxial tensile test with different load ratios. Construction and Building Materials. 80, 210-224 (2015).
- Żerdzicki, K., Kłosowski, P., Woźnica, K., Pietraszkiewicz, W., Witkowski, W. Analysis of the cyclic load-unload-reload tests of VALMEX aged fabric. Shell Structures: Theory and Applications. , 477-480 (2017).
- Cash, C. G., Bailey, D. M. . Predictive service life tests for roofing membranes: Phase 2. Durability of Building Materials and Components. , (2014).
- Yin, W., et al. Aging behavior and lifetime prediction of PMMA under tensile stress and liquid scintillator conditions. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 2 (2), 82-87 (2019).
- Swedish Standards Insitute. Buildings And Constructed Assets – Service Life Planning – Part 7: Performance Evaluation For Feedback Of Service Life Data From Practice. International Organization of Standardization. , 15686-15687 (2017).
- Šaršounová, Z. The Inconveniences Related to Accelerated Thermal Ageing of Cables. Transportation Research Procedia. 40, 90-95 (2019).
- Gong, Y., et al. Comparative study on different methods for determination of activation energies of nuclear cable materials. Polymer Testing. 70, 81-91 (2018).
- Vega, A., Yarahmadi, N., Jakubowicz, I. Optimal conditions for accelerated thermal ageing of district heating pipes. Energy Procedia. 149, 79-83 (2018).
- Redondo-Iglesias, E., Venet, P., Pelissier, S. Eyring acceleration model for predicting calendar ageing of lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage. 13, 176-183 (2017).
- Panjan, P., Virtanen, V., Sesay, A. M. Determination of stability characteristics for electrochemical biosensors via thermally accelerated ageing. Talanta. 170, 331-336 (2017).
- Martin, R. . Ageing of Composites. , (2008).
- Mouzakis, D. E., Zoga, H., Galiotis, C. Accelerated environmental ageing study of polyester/glass fiber reinforced composites (GFRPCs). Composites Part B: Engineering. 39 (3), 467-475 (2008).
- Rosato, D., Rosato, M. . Plastic product material and process selection handbook. , (2004).
- Brebu, M., et al. Study of the natural ageing of PVC insulation for electrical cables. Polymer Degradation and Stability. 67 (2), 209-221 (2000).
- Martienssen, W., Warlimont, H. . Handbook of Condensed Matter and Materials Data. , (2005).
- Berard, M. T., Daniels, C. A., Summers, J. W., Wilkes, C. E. . PVC Handbook. , (2005).
- . . Rubber – or plastics-coated fabrics – Determination of tensile strength and elongation at break. , (2017).
- Systat Software, Inc. . SigmaPlot 12.0 User’s Guide. , (2015).
- Ambroziak, A., Kłosowski, P. Mechanical testing of technical woven fabrics. Journal of Reinforced and Plastic Composites. 32 (10), 726-739 (2013).
- Bodner, S. R., Partom, Y. Constitutive equations for elastic-viscoplastic strain-hardening materials. Journal of Applied Mechanics. 42, 385-389 (1985).
- Andersson, H. An implicit formulation of the Bodner-Partom constitutive equations. Computers and Structures. 81 (13), 1405-1414 (2003).
- Kłosowski, P., Zagubień, A., Woznica, K. Investigation on rheological properties of technical fabric “Panama”. Archive of Applied Mechanics. 73 (9-10), 661-681 (2004).
- Zaïri, F., Naït-Abdelaziz, M., Woznica, K., Gloaguen, J. M. Constitutive equations for the viscoplastic-damage behaviour of a rubber-modified polymer. European Journal of Mechanics, A/Solids. 24 (1), 169-182 (2005).
- Klosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Identification of Bodner-Partom model parameters for technical fabrics. Computers and Structures. 187, (2017).
- Zerdzicki, K. . Durability evaluation of textile hanging roofs materials. , (2015).
- Bystritskaya, E. V., Pomerantsev, A. L., Rodionova, O. Y. Prediction of the aging of polymer materials. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 47 (2), 175-178 (1999).
- Hukins, D. W. L., Mahomed, A., Kukureka, S. N. Accelerated aging for testing polymeric biomaterials and medical devices. Medical Engineering and Physics. 30 (10), 1270-1274 (2008).
- Zerdzicki, K., Klosowski, P., Woznica, K. Influence of service ageing on polyester-reinforced polyvinyl chloride-coated fabrics reported through mathematical material models. Textile Research Journal. 89 (8), 1472-1487 (2019).
- Klosowski, P., Zerdzicki, K., Woznica, K. Influence of artificial thermal ageing on polyester-reinforced and polyvinyl chloride coated AF9032 technical fabric. Textile Research Journal. 89 (21-22), 4632-4646 (2019).
- Firdosh, S., et al. Durability of GFRP nanocomposites subjected to hygrothermal ageing. Composites Part B: Engineering. 69, 443-451 (2015).
- Le Saux, V., Le Gac, P. Y., Marco, Y., Calloch, S. Limits in the validity of Arrhenius predictions for field ageing of a silica filled polychloroprene in a marine environment. Polymer Degradation and Stability. 99 (1), 254-261 (2014).
