Kunstig termisk lagring af polyester forstærket og polyvinylchloridbelagt teknisk stof
Summary
Her simulerer vi accelereret termisk ældning af teknisk stof og ser, hvordan denne aldringsproces påvirker stoffets mekaniske egenskaber.
Abstract
Arkitektonisk stof AF9032 har været udsat for kunstig termisk lagring for at bestemme ændringer i materialetparametre af stoffet. Den foreslåede metode er baseret på den fremskyndede aldringsstrategi, som Arrhenius har foreslået. 300 mm x 50 mm prøver blev skåret i fordrejnings- og påfyldningsretningerne og anbragt i et termisk kammer ved 80 °C i op til 12 uger eller ved 90 °C i op til 6 uger. Så efter en uges konditionering ved omgivelsestemperatur, prøverne var uniaxially spændt med en konstant stamme sats. Eksperimentelt blev parametrene fastlagt for de ikke-lineære elastiske (lineære stykker) og viskoplastiske (Bodner-Partom) modeller. Ændringer i disse parametre blev undersøgt med hensyn til ældningstemperatur og ældningsperiode. I begge tilfælde blev den lineære tilnærmelsesfunktion anvendt med succes ved hjælp af Arrhenius’s forenklede metodologi. Der blev opnået en sammenhæng med hensyn til fylderetningen mellem forsøgsresultater og resultaterne af Arrhenius-metoden. For warp retning, ekstrapolation resultater udstillet nogle forskelle. Stigende og faldende tendenser er blevet observeret ved begge temperaturer. Arrhenius-loven blev kun bekræftet af forsøgsresultaterne for påfyldningsretningen. Den foreslåede metode gør det muligt at forudsige reel stof adfærd under langsigtet udnyttelse, hvilket er et kritisk spørgsmål i designprocessen.
Introduction
Polyester baserede arkitektoniske stoffer er almindeligt anvendt til opførelse af hængende tage1. At være relativt billigt med gode mekaniske egenskaber, kan de anvendes i langsigtet udnyttelse (f.eks, det hængende tag af Forest Opera i Sopot – Polen). Desværre kan vejrforhold, ultraviolet stråling, biologiske årsager og operationelle formål (sæson forstressende og løsne2)påvirke deres mekaniske egenskaber. Hængende tage lavet af AF9032 er typisk sæsonbetonede strukturer udsat for høj temperatur (især i solrige dage om sommeren), regelmæssig forspænding og løsne. For korrekt at designe et hængende tag skal stofparametre bestemmes ikke kun i begyndelsen af udnyttelsen, men også efter flere års brug.
Aldringsanalysen måler aldringsindikatoren og sammenligner parametrenes oprindelige og endelige værdier for at vurdere aldringens virkninger. Cash et al.3 foreslog en af de enkleste metoder ved sammenlignende analyse af 12 forskellige typer tagmembraner. Disse membraner blev udsat for udendørs vejri2 eller 4 år. Forfatterne brugte et klassificeringssystem af flere egenskaber til at vurdere stof holdbarhed. For at kunne foretage en analyse af polymertermisk ældning kan princippet om superposition ved tidstemperatur (TTSP) anvendes4. Dette princip hedder det, at adfærdaf et materiale ved lav temperatur og under lav belastning niveau ligner sin adfærd ved høj temperatur og højt belastningsniveau. Den enkle multiplikativ faktor kan bruges til at relatere de aktuelle temperaturegenskaber med egenskaberne ved referencetemperaturen. Grafisk svarer det til kurveskiftet på logtidsskalaen. Med hensyn til temperaturen foreslås der to metoder til at kombinere skiftfaktoren og aldringstemperaturen: ligningerne Williams-Landel-Ferry (WLF) og Arrhenius-loven. Begge metoder er inkluderet i den svenske standard ISO 113465 for at anslå levetiden og den maksimale driftstemperatur for gummi eller vulkaniserede og termoplastiske materialer. For nylig har termisk lagring og Arrhenius metode været anvendt i kablet levetid forudsigelse6,7, varmerør8,og polymer lim PMMA4. En udvidelse af Arrhenius-loven er Eyring-loven, der tager hensyn til andre aldringsfaktorer (f.eks. spænding, tryk osv.) 9. Alternativt foreslår og verificerer andre undersøgelser enkle lineære modeller for en beskrivelse af aldringen (f.eks. lagring af biosensor10). Selv om Arrhenius-metoden er almindeligt anvendt, er der diskussion om dens relevans i levetidforudsigelsen af hvert materiale. Metoden skal derfor anvendes med omhu, især med hensyn til indledende antagelser og forsøgsbetingelser6.
I lighed med de fleste polymerer udviser de polyesterstoffer, der anvendes i den aktuelle forskning, to forskellige overgangsfaser defineret ved smeltetemperaturen (Tm) og glasovergangstemperaturen (Tg). Smeltetemperaturen (Tm) er temperaturen, når et materiale skifter fra fast tilstand til den flydende, og glasovergangstemperaturen (Tg) er grænsen mellem glas- og gummitilstanden11. Ifølge producentens data er AF9032-stoffet fremstillet af polyestertråde (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250−290 °C13) og PVC-belægning (Tg = 80−87 °C14,15, Tm = 160−260 °C16). Ældningstemperaturen Tα skal vælges under Tg. I solrige dage kan temperaturen på den øverste overflade af et hængende tag endda nå 90 °C; Således testes to ældningstemperaturer (80 °C og 90 °C) her. Disse temperaturer er under tråden Tg og tæt på belægningen Tg.
Den accelererede aldringsprotokols ydeevne vedrørende tekniske stoffer præsenteres i det igangværende arbejde. Kunstig termisk ældning bruges til at forudsige ændringer af materialeegenskaberne. Artiklen illustrerer passende laboratorietest rutiner og en måde at ekstrapolere relativt kortsigtede eksperimentelle resultater.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikel incudes en detaljeret eksperimentel protokol til at simulere laboratoriet accelererede eksperimenter på polyester forstærket og PVC belagt stoffer til civilingeniørapplikationer. Protokollen beskriver kun spørgsmålet om kunstig termisk ældning ved hjælp af at hæve omgivelsestemperaturen. Dette er en indlysende forenkling af de reelle vejrforhold, da UV-stråling og vandindflydelse spiller en yderligere rolle i lagringen af materialetjenester.
Generelt bør de forhold, der…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Offentliggørelsen af dette arbejde blev støttet af Det Juridiske Fakultet og Miljøteknik ved Gdansk Teknologiske Universitet.
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 |
References
- 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).
