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ここでは、技術ファブリックの加速熱老化をシミュレートし、この老化プロセスがファブリックの機械的特性にどのような影響を与えるかを確認します。
建築ファブリックAF9032は、ファブリックの材料パラメータの変化を決定するために人工的な熱老化を受けている。提案された方法は、アレニウスによって提案された加速老化アプローチに基づいている。300mm x 50 mmのサンプルをワープ方向と充填方向に切断し、80°Cの熱室に最大12週間、または最大90°Cで6週間まで入れた。その後、周囲温度で1週間のコンディショニングを行った後、サンプルを一定の歪み速度で一元的に張力した。実験的には、非線形弾性(線形区分)モデルと粘塑性(Bodner-Partom)モデルのパラメータを決定しました。これらのパラメータの変化は、老化温度および老化期間に関して研究された。いずれの場合も、直線近似関数は、アレニウスの簡素な方法論を用いて正常に適用された。実験結果とアレニウスアプローチの結果との間の充填方向に対して相関が得られた。ワープ方向では、外挿結果にはいくつかの違いがありました。両方の温度で傾向の増加と減少が観察されています。アレニウス法は、充填方向についてのみ実験結果によって確認された。提案された方法は、設計プロセスにおいて重要な問題である長期的な利用の間に実際のファブリックの動作を予測することを可能にします。
ポリエステルベースの建築ファブリックは、一般的に吊り屋根1の建設に使用されています。良好な機械的特性を有する比較的安価であるため、長期的な搾取(例えば、ソポトの森林オペラの吊り屋根 - ポーランド)に採用することができます。残念ながら、気象条件、紫外線、生物学的理由、および運用目的(シーズンの事前ストレスと緩み2)は、機械的特性に影響を与える可能性があります。AF9032で作られたハンギング屋根は、通常、高温(特に夏の晴れの日)、定期的なプレテンションと緩みを受ける季節の構造です。吊り下げ屋根を適切に設計するためには、ファブリックパラメータは、搾取の開始時だけでなく、数年間の使用後に決定されなければなりません。
エイジング分析は、老化インジケーターを測定し、老化の影響を評価するために、パラメータの初期値と最終値を比較します。現金3は、12種類の屋根膜の比較分析による最も簡単な方法の1つを提案した。これらの膜は2〜4年間屋外風化にさらされた。著者らは、いくつかの特性の評価システムを使用して、ファブリックの耐久性を評価した。ポリマー熱老化の分析を提供するために、時間温度重ね合わせ原理(TTSP)を4に適用することができる。この原則は、低温および低ひずみレベルでの材料の挙動が、高温および高ひずみレベルでの動作に似ていると述べています。単純な乗乗係数を使用して、現在の温度特性を参照温度の特性と関連付けることができます。グラフィカルには、ログタイムスケールのカーブシフトに対応します。温度に関しては、シフト係数と老化温度を組み合わせる2つの方法が提案されている:ウィリアムズ・ランデル・フェリー(WLF)方程式、アレニウス法。どちらの方法も、スウェーデン規格 ISO 113465に含まれており、ゴム、または加硫および熱可塑性材料の寿命と最大動作温度を推定します。近年、熱老化およびアレニウス方法論は、ケーブル寿命予測6、7、加熱管8、およびポリマー接着剤PMMA4に使用されている。アレニウス法の延長は、他の老化要因(例えば、電圧、圧力など)を考慮したアイリング法です。9.あるいは、他の研究は、老化の説明のための単純な線形モデルを提案し、検証する(例えば、バイオセンサーの老化10)。アレニウス法は一般的に使用されていますが、すべての材料の寿命予測におけるその関連性について議論があります。したがって、この方法は、特に初期の仮定および実験条件6の観点から、注意して使用する必要があります。
ほとんどのポリマーと同様に、現在の研究で使用されるポリエステル織物は、溶融温度(Tm)およびガラス転移温度(Tg)によって定義される2つの異なる遷移相を示す。融解温度(Tm)は、材料が固体状態から液体に変化する温度であり、ガラス転移温度(Tg)はガラスとゴムの状態11の境界である。メーカーのデータによると、AF9032ファブリックはポリエステルスレッド(Tg = 100-180 °C12、Tm = 250-290 °C13)およびPVCコーティング(Tg = 80-87 °C 14、15、Tm = 160-26°C16)から作られています。老化温度TαはTg以下で選択する必要があります。晴れた日には、吊り下げ屋根の上面の温度が90°Cに達することもあります。従って、2つの老化温度(80°Cおよび90 °C)はここでテストされる。これらの温度は、糸Tgより下にあり、コーティングTgに近い。
技術ファブリック上の加速老化プロトコルの性能は、現在の作品で提示されています。人工的な熱の老化は、材料特性の変化を予測するために使用されます。この記事は、適切な実験室試験ルーチンと比較的短期的な実験結果を推定する方法を示しています。
1. 技術ファブリック上の加速熱老化実験
2. データ準備
3. 材料モデルのパラメータ識別
4. アレニウス外挿
注:アレニウス法は、周囲温度の上昇が老化プロセスをスピードアップする可能性のある多くの化学反応の加速をもたらすという経験的観察に基づいています。アレニウス化学反応の概念の完全な数学的表現は、他の場所で見つけることができます11,26.簡体字のアレニウス法は「10度ルール」27と呼ばれています。この規則によれば、周囲の温度上昇が約10°Cと理論上、エージングプロセスの速度が2倍になる。したがって、反応速度fは次のように定義されます。
ここでΔT = T-Trefは、材料の老化温度Tとサービス温度T参照の差である。
5. データ表現
図2は、異なる老化時間で得られたAF9032ファブリックの歪み及び充填方向に対する応力-ひずみ曲線を、0.001s-1の歪み速度に対する80°Cの温度レベルで並置する。1時間の老化期間(参照試験)とそれ以外の老化期間の違いは明らかである。応力-ひずみ曲線は反復性が高く、最終的な引張強度(UTS)に重要な違いが見なされないため、老化時間はワープ方向の材料応答に大きな影響を与えないようです。これは、埋め込み方向に対して観察された行動に反し続け、人工的に老化したサンプルの場合は、未熟の場合よりもUTSがはるかに低い。さらに、達成された応力-ひずみ曲線は、歪みが 0.06 を超えると発散軌道を検出します。
異なる温度レベルで得られた結果と、1つのグラフに提示されるより高い温度レベルの結果の外挿は、特定のパラメータに関するすべてのデータを圧縮します。両方の温度におけるパラメータの進化を表す曲線が同じ軌道に落ちる場合、得られたパラメータ値が実際にアレニウス方程式に従っていることを確認します。線が平行である場合、観測された現象を説明するために追加の実験が必要であるか、または両方の温度が1に落ちる結果を得るために、ある温度レベルで結果にいくつかの補正係数を導入する必要があることを示唆していますパス。
老化時間にわたるPVCコーティング剛性およびフィル究極の歪みのバリエーション画像は、それぞれ図3および図4に示されています。80°Cと90°Cの2つの温度レベルでの実験結果を図3aおよび図4aに示す。24より前に、単純な引張試験の実験的応力-ひずみ曲線の最初の線形部分(ここではEF0と表記)がPVC製の技術的な布製のカバーの剛性に対応することが証明された。90°Cの温度レベルで得られた結果を、12週(2000時間)に数時間で外挿し、アレニウス単純化関係に従って「実」年に再計算し、結果を比較するために同じグラフに描く(図3bと図4b)。
老化時間の経過に伴うPVCコーティングの剛性の進化は、80°Cおよび90°Cの温度レベルでほぼ線形であり、時間の一定の増分で、80°Cよりも90°Cではるかに大きい。この現象は、比較的高温に供されたPVCが、加速老化の影響として、その剛性の成長をもたらす変化を受けることを示唆している。この動作は、技術的な布のようなポリマー材料に固有の物理的な老化によって引き起こされる可能性があります。最終的な引張歪値(εult)は、80°Cおよび90°Cの充填方向および温度レベルにおいて、老化時間に比べ減少傾向を示します。ワープ方向の場合、UTS 値は、エージング時間に大きなばらつきを示しません。一方、究極の引張株(εult)は80°Cで減少し、90°Cで成長する。
Bodner-Partom モデルパラメータの処理にも同じ手順が使用されています。ここで、充填方向における歪み方向の硬化パラメータm1と充填方向の粘度パラメータnをそれぞれ図5および図6に示す。
最終的な研究結果は、特定の材料パラメータまたはエージング時間の経過に関するファブリック特性を表す線形関数のセットです。これに続いて、すべての基本的な機械的特性(剛性、降伏限界、最終的な引張応力およびひずみ)およびBodner-Partomモデルパラメータ(n,D0,D1,R0,R1,m1,m2)が同定され、80°Cおよび90°Cの温度レベルでまとめられ、Arrhenius外挿法29によって分析された。
エイジング時間を通じてパラメータの傾向に対応する近似線はUTS、εult、m1の充填方向の場合には1行に崩壊する。老化時間における他のパラメータ近似線は、1行に崩壊することなく平行傾向を示す。
ワープ方向の場合、UTS、EW2、m 1の近似線のみが1つのラインに崩壊し、他のパラメータは曲線の明確な傾向も平行文字も示していません。フィル方向のエージング時間のすべてのパラメータ値は、平行トレンドを表すか、1 行に折りたたみます。従って、本稿に示すアレニウスの簡素な式のアプローチは、その方向に対してのみ証明されている。
図1:AF9032ファブリックの区分線形モデルの概略図この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:AF9032ファブリックの反りおよび充填方向における応力-ひずみ応答に対する80°Cの熱エージングケースの影響、0.01s-1の歪み率。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:時間の異なる老化時間におけるPVCコーティングの剛性(赤線と青色線)(a);90°Cで得られた剛性値は、AF9032布の充填方向(b)のArrhenius簡略化式(青線)に従って数年に再計算される。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:異なる老化時間(赤線と青色線)におけるPVCコーティングの最終株、実験(a);AF9032(b)の充填方向におけるアレニウス単純化式(青線)に従って90°Cで得られた最終的な株値を数年に再計算する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:時間の異なる老化時間における等方硬化m1のボドナー-パルトム係数(赤線と青線)、実験(a)、90°Cで得られた等方硬化m1値の係数は、AF9032(b)のワープ方向のアレニウス単純化された方程式(青い線)に従って数年で再計算される。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:時間の異なる老化時間(赤線と青線)におけるBodner-Partom歪み感度パラメータn(赤線と青線)実験(a);および90°Cで得られた歪み感度パラメータn値は、AF9032(b)の充填方向に関するアレニウス単純化式(青線)に従って年に再計算される。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
非弾性歪み速度 | ![]() |
累積非弾性歪速度 | ![]() |
その他の方程式 | ![]() |
等方性硬化 | ![]() |
キネマティック硬化 | ![]() |
材料パラメータ | ![]() |
表1:一軸状態における基礎ボドナー-Partom方程式。
変数 | T参照 | T | ΔT | F | サーム老化の4週間の計算例 |
定式 化 | - | - | T-Tレファレンス | 2(ΔT/10) | f*4/52 |
ユニット | ° | ° | ° | [-] | [年] |
結果 | 8 | 80 | 72 | 147 | 11.3 |
90 | 82 | 294 | 22.6 |
表 2: アレニウス単純化方程式の計算例
実験室の老化時間 [週] | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
アレニウスによる時間 [年] | 80°C | 2.8 | (5.7) | 8.5 | (11.3) | 14.1 | (17.0) | 19.8 | (22.6) | 25.4 | (28.3) | 31.1 | (33.9) | |
90°C | (5.7) | (11.3) | (17.0) | (22.6) | (28.3) | (33.9) | 39.6 | 45.2 | 50.9 | 56.6 | 62.2 | 67.9 | ||
( ) は、本研究で行われた老化テストを示し、パラメータを識別するために使用します。 |
表3:80°C及び90°Cの温度レベルでのアレニウス方程式で再計算された老化時間の外挿。
この記事では、土木工学アプリケーション用ポリエステル強化およびPVCコーティングされたファブリックに関する実験室の加速実験をシミュレートするための詳細な実験プロトコルを紹介します。このプロトコルは、周囲温度を上げる方法によってのみ人工熱老化のケースを記述する。これは、UV放射と水の影響が材料サービスの老化に追加の役割を果たすので、実際の気象条件の明らかな単純化です。
一般に、実験室で行われる加速老化の条件は、試験された材料の真の天候とサービス条件にできるだけ近いはずです。例えば、航空宇宙や海洋構造物で使用される材料は、湿度および温度が主に材料の耐久性30、31に基づいて作用する場合、熱水老化を受ける。電池劣化レベルに関しては、通常、温度と充電状態の2つの老化要因が監視される。電気ケーブル絶縁体では、温度とは別に、加速実験室の老化14を実行しながら、異なる電圧とストレスレベルを含める必要があります。しかし、加速老化の熱型は最も一般的なものであるため、実験室に反映するのは容易である。サービス老朽化した材料の屋外データで得られた結果の較正は、繊維織物または他の材料の将来の挙動を予測するための信頼性の高いツールを作成します。
提示されたメソッドの欠点は、テストされたサンプルの数です。3つの異なる定率を持つ単軸引張実験が行われるため、各ひずみ率ケースについて各材料方向で2つのサンプルを試験した。分析は、織物のワープと充填方向の両方をカバーする必要があり、少なくとも5つの老化時間間隔で、2つの温度レベルでテストされ、多数のサンプルが必要とされる。幸いなことに、結果は非常に反復的であり、非常に類似した傾向を示しています。したがって、2つのサンプルが同じ条件でのみテストされた場合でも、得られた結果は信頼できると考えられます。
一定のひずみ速度およびビデオ伸張計データ登録との一軸張りのテストを行うためのプロシージャは完全に提示される。ヨーロッパの国家規格1は、技術的なファブリックをテストするための拡張計の使用を必要としません。したがって、提案されたプロトコルは標準要件よりも正確です。したがって、得られたデータはより正確です。
提案されたプロトコルは、将来的に生地の材料パラメータを決定することを可能にします。したがって、設計に適したツールです。この方法は、ソポトのフォレストオペラの吊り屋根の研究中に正常に検証されました。ポリエステル強化のサンプルを、およびPVCコーティングされた生地は、操作の20年後に屋根から収集しました。未採の材料のサンプルも同じメーカーから得た。両方のタイプのサンプルは、同じ実験室実験とパラメータ識別ルーチンを介して進行した。結果は、区分線形モデルとボドナー-パルトム モデルのパラメータによって表されました。フォレストオペラからの材料の機械的挙動で観察された傾向は、熱老化の場合に見られる傾向に似ています。したがって、ここで提示された結果は、20年の勤続28年後の布地の試験によって確認されている。それにもかかわらず、他の種類の技術的な布地の場合、提案された方法のいくつかの変更が必要となり得、したがって実験プロトコルは適切に調整されるべきである。
著者たちは開示するものは何もない。
この作品の出版は、グダニスク工科大学土木環境工学部の支援を受けています。
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 |
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