الشيخوخة الحرارية الاصطناعية من البوليستر المقوى والبولي فينيل كلوريد النسيج التقني المغلفة
Summary
هنا ، نحاكي الشيخوخة الحرارية المتسارعة للنسيج التقني ونرى كيف تؤثر عملية الشيخوخة هذه على الخصائص الميكانيكية للنسيج.
Abstract
وقد تعرض النسيج المعماري AF9032 لشيخوخة الحرارية الاصطناعية لتحديد التغيرات في المعلمات المادية للنسيج. وتستند الطريقة المقترحة إلى نهج الشيخوخة المعجل الذي اقترحه أرهينيوس. تم قطع عينات 300 مم × 50 مم في الاعوجاج وملء الاتجاهات ووضعها في غرفة حرارية عند 80 درجة مئوية لمدة تصل إلى 12 أسبوعا أو في 90 درجة مئوية لمدة تصل إلى 6 أسابيع. ثم بعد أسبوع واحد من تكييف في درجة الحرارة المحيطة، وتوترت العينات uniaxially بمعدل سلالة ثابتة. تجريبيا، تم تحديد المعلمات لنماذج مرنة غير خطية (قطع خطي) ولزجة (بودنر-Partom). وجرت دراسة التغيرات في هذه البارامترات فيما يتعلق بالشيخوخة وفترة الشيخوخة. وفي كلتا الحالتين، تم تطبيق وظيفة التقريب الخطي بنجاح باستخدام المنهجية المبسطة لأرهينيوس. تم الحصول على ارتباط لإتجاه التعبئة بين النتائج التجريبية والنتائج من نهج Arrhenius. بالنسبة للاتجاه الاعوجاج، أظهرت نتائج الاستقراء بعض الاختلافات. وقد لوحظت اتجاهات متزايدة ومتناقصة في كلتا الحالتين. أكّدت ال [أرهينيوس ّس ّت” قانون بالنتائج تجريبيّة فقط للتعبئة اتّجاه. الطريقة المقترحة تجعل من الممكن التنبؤ بسلوك النسيج الحقيقي أثناء الاستغلال على المدى الطويل ، وهي قضية حاسمة في عملية التصميم.
Introduction
وتستخدم عادة الأقمشة المعمارية القائمة البوليستر لبناء السقوف المعلقة1. كونها رخيصة نسبيا مع خصائص ميكانيكية جيدة، ويمكن استخدامها في الاستغلال على المدى الطويل (على سبيل المثال، سقف شنقا من أوبرا الغابات في سوبوت – بولندا). لسوء الحظ ، يمكن أن تؤثر الظروف الجوية والأشعة فوق البنفسجية والأسباب البيولوجية والأغراض التشغيلية (الإجهاد المسبق وتخفيف2)على خصائصها الميكانيكية. السقوف المعلقة المصنوعة من AF9032 هي عادة الهياكل الموسمية التي تتعرض لدرجة حرارة عالية (وخاصة خلال الأيام المشمسة في فصل الصيف)، العادية قبل التوتر وتخفيف. من أجل تصميم سقف معلق بشكل صحيح ، يجب تحديد معلمات النسيج ليس فقط في بداية الاستغلال ، ولكن أيضًا بعد عدة سنوات من الاستخدام.
ويقيس تحليل الشيخوخة مؤشر الشيخوخة ويقارن بين القيم الأولية والنهائية للبارامترات لتقييم أثر الشيخوخة. اقترح Cash وآخرون3 واحدة من أبسط الطرق من خلال التحليل المقارن لـ 12 نوعًا مختلفًا من أغشية التسقيف. تعرضت هذه الأغشية للتجوية في الهواء الطلق لمدة 2 أو 4 سنوات. استخدم المؤلفون نظام تصنيف لعدة خصائص لتقييم متانة النسيج. من أجل تقديم تحليل للشيخوخة الحرارية البوليمر، يمكن تطبيق مبدأ فائقة درجة الحرارة الوقت (TTSP)4. ينص هذا المبدأ على أن سلوك مادة في درجة حرارة منخفضة وتحت مستوى سلالة منخفضة يشبه سلوكها في درجة حرارة عالية ومستوى سلالة عالية. يمكن استخدام العامل البسيط للإشارة إلى خصائص درجة الحرارة الحالية والخصائص في درجة الحرارة المرجعية. بيانيا، فإنه يتوافق مع التحول منحنى على مقياس وقت السجل. وفيما يتعلق بالحرارة، يقترح طريقتان للجمع بين عامل التحول ودرجة حرارة الشيخوخة: معادلات ويليامز – لاندل – فيري (WLF)، وقانون أرهينيوس. يتم تضمين كلتا الطريقتين في المعيار السويدي ISO 113465 لتقدير عمر ودرجة الحرارة التشغيلية القصوى للمواد المطاطية أو البلاستيكية الفولكانية والحرارية. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام الشيخوخة الحرارية ومنهجية Arrhenius في التنبؤ مدى الحياة كابل6،7، أنابيب التدفئة8، والبوليمر الغراء PMMA4. وامتداد قانون أرهينيوس هو قانون Eyring الذي يأخذ في الاعتبار عوامل الشيخوخة الأخرى (مثل الجهد، والضغط، وما إلى ذلك) 9– وبدلا من ذلك، تقترح دراسات أخرى نماذج خطية بسيطة وتتحقق منها لوصف الشيخوخة (مثل شيخوخة أجهزة الاستشعار البيولوجية10). على الرغم من أن طريقة Arrhenius شائعة الاستخدام ، إلا أن هناك مناقشة حول أهميتها في التنبؤ مدى الحياة بكل مادة. ومن ثم يجب استخدام الطريقة بعناية خاصة من حيث الافتراضات الأولية والظروف التجريبية6.
على غرار معظم البوليمرات ، فإن أقمشة البوليستر المستخدمة في البحث الحالي تعرض مرحلتين انتقاليتين متميزتين تحددهما درجة حرارة الذوبان (Tm)ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg). درجة حرارة الذوبان (Tm)هي درجة الحرارة عندما تتغير المادة من حالتها الصلبة إلى الحالة السائلة ، ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg)هي الحد الفاصل بين حالات الزجاج والمطاط11. وفقا لبيانات الشركة المصنعة، يتكون النسيج AF9032 من خيوط البوليستر (Tg = 100−180 درجة مئوية12،Tm = 250−290 درجة مئوية13)وطلاء PVC (Tg = 80−87 درجة مئوية14،15، Tm = 160−260 درجة مئوية16). وينبغي اختيار درجة حرارة الشيخوخة Tα أدناه Tg. خلال الأيام المشمسة، قد تصل درجة الحرارة على السطح العلوي للسقف المعلق حتى إلى 90 درجة مئوية. وهكذا، يتم اختبار اثنين من درجات الحرارة الشيخوخة (80 درجة مئوية و 90 درجة مئوية) هنا. درجات الحرارة هذه هي تحت الصفحات Tز وعلى مقربة من طلاء Tز.
يتم عرض أداء بروتوكول الشيخوخة المعجل على الأقمشة التقنية في العمل الحالي. يتم استخدام الشيخوخة الحرارية الاصطناعية للتنبؤ بالتغيرات في خصائص المواد. وتوضح المقالة إجراءات الاختبار المختبري المناسبة وطريقة لاستقراء النتائج التجريبية قصيرة الأجل نسبياً.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذه المقالة incudes بروتوكول تجريبي مفصل لمحاكاة التجارب المتسارعة المختبر على البوليستر المقوى والأقمشة المغلفة PVC لتطبيقات الهندسة المدنية. ويصف البروتوكول حالة الشيخوخة الحرارية الاصطناعية فقط عن طريق رفع درجة الحرارة المحيطة. وهذا تبسيط واضح للظروف الجوية الحقيقية، حيث تلعب الأشعة فو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم نشر هذا العمل من قبل كلية الهندسة المدنية والبيئية في جامعة غدانسك للتكنولوجيا.
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).
