Kunstmatige thermische veroudering van polyester versterkt en polyvinyl chloride gecoate technische stof
Summary
Hier simuleren we versnelde thermische veroudering van technische stof en zien we hoe dit verouderingsproces de mechanische eigenschappen van de stof beïnvloedt.
Abstract
Architecturale stof AF9032 is onderworpen aan kunstmatige thermische veroudering om veranderingen van de materiaalparameters van de stof te bepalen. De voorgestelde methode is gebaseerd op de versnelde verouderingsaanpak die Arrhenius voorstelt. 300 mm x 50 mm monsters werden gesneden in de warp en vulrichtingen en geplaatst in een thermische kamer op 80 °C gedurende maximaal 12 weken of bij 90 °C gedurende maximaal 6 weken. Dan na een week van conditionering bij omgevingstemperatuur, werden de monsters uniaxially gespannen bij een constante spanningssnelheid. Experimenteel werden de parameters bepaald voor de niet-lineaire elastische (lineaire piecewise) en viscoplastische (Bodner-Partom) modellen. Veranderingen in deze parameters werden bestudeerd met betrekking tot de verouderingstemperatuur en de verouderingsperiode. In beide gevallen werd de lineaire benaderingsfunctie met succes toegepast met behulp van de vereenvoudigde methodologie van Arrhenius. Er werd een correlatie verkregen voor de vulrichting tussen experimentele resultaten en de resultaten van de Arrhenius-aanpak. Voor de warprichting vertoonden de extrapolatieresultaten enkele verschillen. Bij beide temperaturen zijn steeds toenemende en afnemende tendensen waargenomen. De wet Arrhenius werd bevestigd door de experimentele resultaten slechts voor de vulrichting. De voorgestelde methode maakt het mogelijk om echt stofgedrag te voorspellen tijdens langdurige exploitatie, wat een cruciaal probleem is in het ontwerpproces.
Introduction
Polyester gebaseerde architecturale stoffen worden vaak gebruikt voor de bouw van hangende daken1. Omdat ze relatief goedkoop zijn met goede mechanische eigenschappen, kunnen ze worden ingezet in langdurige exploitatie (bijvoorbeeld het hangende dak van de Forest Opera in Sopot – Polen). Helaas kunnen weersomstandigheden, ultraviolette straling, biologische redenen en operationele doeleinden (seizoen pre-stressen en losraken2)hun mechanische eigenschappen beïnvloeden. Hangende daken gemaakt van AF9032 zijn meestal seizoensgebonden structuren onderworpen aan hoge temperatuur (vooral tijdens zonnige dagen in de zomer), regelmatige voorspanning en losmaken. Om een hangend dak goed te kunnen ontwerpen, moeten stofparameters niet alleen aan het begin van de exploitatie, maar ook na enkele jaren gebruik worden bepaald.
Verouderingsanalyse meet de verouderingsindicator en vergelijkt de initiële en uiteindelijke waarden van de parameters om de impact van veroudering te beoordelen. Cash et al.3 stelde een van de eenvoudigste methoden voor door een vergelijkende analyse van 12 verschillende soorten dakmembranen. Deze membranen werden blootgesteld aan buitenverwering voor 2 of 4 jaar. De auteurs gebruikten een classificatiesysteem van verschillende eigenschappen om de duurzaamheid van de stof te beoordelen. Om een analyse van polymeerthermische veroudering te bieden, kan het tijdtemperatuursuperpositieprincipe (TTSP) worden toegepast4. Dit principe stelt dat het gedrag van een materiaal bij lage temperatuur en onder lage spanningsniveau op zijn gedrag bij hoge temperatuur en hoge spanningsniveau lijkt. De eenvoudige vermenigvuldigingsfactor kan worden gebruikt om de huidige temperatuureigenschappen te relateren aan de eigenschappen bij de referentietemperatuur. Grafisch komt het overeen met de curveshift op de logtijdschaal. Wat de temperatuur betreft, worden twee methoden voorgesteld om de verschuivingsfactor en de verouderingstemperatuur te combineren: de Williams-Landel-Ferry (WLF) vergelijkingen en de Arrhenius-wet. Beide methoden zijn opgenomen in de Zweedse standaard ISO 113465 om de levensduur en maximale operationele temperatuur voor rubber, of gevulkaniseerde en thermoplastische materialen te schatten. Onlangs zijn thermische veroudering en Arrhenius methodologie gebruikt in de kabel levensduur voorspelling6,7, verwarmingsbuizen8, en polymeer lijm PMMA4. Een uitbreiding van de Wet Arrhenius is de Wet-Eyring die rekening houdt met andere verouderingsfactoren (bijvoorbeeld spanning, druk, enz.) 9. Andere studies stellen eenvoudige lineaire modellen voor en verifiëren zij voor een beschrijving van de veroudering (bijvoorbeeld biosensorveroudering10). Hoewel de Arrhenius-methode vaak wordt gebruikt, is er discussie over de relevantie ervan in de levenslange voorspelling van elk materiaal. Daarom moet de methode met zorg worden gebruikt, met name in termen van initiële veronderstellingen en experimentele omstandigheden6.
Net als bij de meeste polymeren vertonen de polyesterstoffen die in het huidige onderzoek worden gebruikt twee verschillende overgangsfasen die worden gedefinieerd door de smelttemperatuur (Tm)en de glasovergangstemperatuur (Tg). De smelttemperatuur (Tm)is de temperatuur wanneer een materiaal verandert van zijn vaste toestand naar de vloeibare, en de glasovergangstemperatuur (Tg)is de grens tussen het glas en rubbertoestanden 11. Volgens de gegevens van de fabrikant is de AF9032 stof gemaakt van polyester draden (Tg = 100−180 °C12, Tm = 250−290 °C13) en PVC-coating (Tg = 80−87 °C14,15, Tm = 160−260 °C16). De rijpingstemperatuur Tα moet worden gekozen onder Tg. Tijdens zonnige dagen kan de temperatuur op het bovenste oppervlak van een hangend dak zelfs 90 °C bereiken; zo worden hier twee rijpingstemperaturen (80 °C en 90 °C) getest. Deze temperaturen zijn onder de draad Tg en dicht bij de coating Tg.
De prestaties van het versnelde verouderingsprotocol op technische stoffen worden in het huidige werk gepresenteerd. Kunstmatige thermische veroudering wordt gebruikt om veranderingen van de materiaaleigenschappen te voorspellen. Het artikel illustreert passende laboratoriumtestroutines en een manier om relatief korte termijn experimentele resultaten te extrapoleren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel incudes een gedetailleerd experimenteel protocol om de laboratorium versnelde experimenten op polyester versterkte en PVC gecoate stoffen voor civieltechnische toepassingen te simuleren. Het protocol beschrijft het geval van kunstmatige thermische veroudering alleen door middel van het verhogen van de omgevingstemperatuur. Dit is een duidelijke vereenvoudiging van de reële weersomstandigheden, aangezien UV-straling en waterinvloed een extra rol spelen bij de veroudering van de materiaaldienst.
<p class="…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De publicatie van dit werk werd ondersteund door de Faculteit Civiele En Milieutechniek van de Technische Universiteit van Gdansk.
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).
