Określenie właściwości mechanicznych międzywarstwy stosowanych w projektowaniu szkła laminowanego |
Data dodania: 28.06.21 |
W ostatniej dekadzie obserwujemy szybki rozwój sposobów projektowania szkła laminowanego przy użyciu nowoczesnych metod analitycznych i obliczeniowych.
Niezbędne do prawidłowej symulacji zachowania szkła laminowanego jest jednak opracowanie dokładnych modeli konstytutywnych międzywarstwy polimerowej (folii laminującej).
Rys. 1. Porównanie modułu relaksacji przy ścinaniu, G(t) dla folii Trosifol® Extra Stiff, uzyskanego z badań DMA płytki ścinanej i równoległej z dwóch różnych laboratoriów
Takie modele powinny odzwierciedlać zachowanie polimeru w funkcji temperatury i czasu trwania obciążenia, aby można było wykonać obliczenia, które odzwierciedlają interesujący przypadek obciążenia obliczeniowego.
W tym artykule przedstawiamy kilka podejść do określania zachowania modułu relaksacji (relaxation modulus) międzywarstwy przy ścinaniu. Wyniki metod badawczych opartych na dynamicznej analizie mechanicznej (dynamic mechanical analysis DMA) – ścinanie, równoległa geometria płyty – są porównywane i skontrastowane.
Omówiono dwa kluczowe wnioski: 1) właściwe kondycjonowanie i przygotowanie próbki, 2) minimalizacja deformacji próbki podczas badania. Pokazujemy że spójne wyniki można uzyskać z badań próbek o różnej geometrii, pod warunkiem, że te dwie kwestie są starannie przestrzegane. Kluczowym elementem każdego programu ewaluacyjnego jest niezależna walidacja wyników. Tutaj badamy zastosowanie testów belek ze szkła laminowanego poddawanych czteropunktowemu zginaniu - do takich kontroli walidacyjnych.
Rys. 2. Porównanie modułu relaksacji przy ścinaniu G(t) i modułu zachowawczego/trwałego/zmagazynowanego przy ścinaniu G’, wyprowadzonych z badania DMA dla równoległych płyt
Wprowadzenie
Chociaż narzędzia te różnią się podejściem/metodyką, od prostych przybliżeń analitycznych po szczegółowe, złożone metody elementów skończonych MES, wszystkie wymagają dokładnych informacji dotyczących właściwości materiałów.
Polimery stosowane w szkle laminowanym wykazują złożone zachowanie lepkosprężyste, w którym na sztywność wpływa temperatura i czas działania obciążenia. Minęło 20 lat od pierwszych publikacji badań dotyczących właściwości lepkosprężystych polimerów PVB i związanych z nimi zachowań szkła laminowanego wykonanego przy zastosowaniu takich polimerów [6, 7].
W opisywanej pracy badawczej wykorzystano dynamiczną analizę mechaniczną w trybie rozciągania (dynamic mechanical analysis DMA) w celu wyodrębnienia podstawowego modułu relaksacji przy ścinaniu G(t) międzywarstwy/folii z PVB. Włączenie tych właściwości do modelu elementów skończonych MES okazało się być pomocne aby wyznaczyć odkształcenie szkła laminowanego w próbkach o różnej geometrii i przy odmiennych scenariuszach obciążenia. Badania te zostały powtórzone przez inne grupy badawcze i zasadniczo zwalidowane [8].
Od czasu publikacji wcześniejszych badań widzieliśmy potrzebę wprowadzenie innych międzywarstw polimerowych niż standardowa folia PVB opracowana do tradycyjnych zastosowań w szkleniu laminowanym o zwiększonej odporności na uderzenie. Takie międzywarstwy obejmują szereg właściwości mechanicznych, od najsztywniejszych polimerów strukturalnych, takich jak jonomery, po najbardziej podatne „polimery tłumiące”, takie jak wielowarstwowe folie PVB o zwiększonej izolacyjności akustycznej.
Ta złożoność zachowania materiału spowodowała dodatkowe wyzwania związane z dokładnym określeniem zachowania modułu relaksacji przy ścinaniu potrzebnego do obliczeń projektowych. Zaobserwowaliśmy pewną zmienność wyników testów, która wywołała pytania o najlepszą metodę charakteryzowania międzywarstw polimerowych [9].
Oprócz tej złożoności zaobserwowaliśmy trend, który promuje stosowanie modułu zachowawczego przy ścinaniu (storage shear modulus) polimeru G’, w obliczeniach strukturalnych szkła laminowanego. Zdaniem autorów jest to niewłaściwe podejście. Zachowawczy moduł przy ścinaniu G’ wykazuje wyższe wartości niż relaksacyjny moduł przy ścinaniu G(t). Dlatego obliczenia strukturalne zachowania szkła laminowanego przy użyciu G’ dają lepszą wydajność/efektywność niż rzeczywista, ponieważ to podejście nie uwzględnia relaksacji polimeru podczas obciążenia.
W artykule przedstawiono autorskie podejście do wyznaczania modułu relaksacji przy ścinania G(t) dla międzywarst/przekładek polimerowych. Skupiono się na kilku kluczowych zagadnieniach: 1) prawidłowe kondycjonowanie i przygotowanie próbki, 2) minimalizacja deformacji próbki podczas badania, 3) metody analizy przy superpozycji czasu i temperatury TTS (Time-Temperature Superposition) i dokładne określenia G(t), 4) walidacja wyników za pomocą badań zginania belek.
Pokazano, że spójne wyniki dla określonej klasy międzywarstwy można uzyskać przy różnej geometrii próbek testowych, pod warunkiem, że kwestie te są starannie kontrolowane. Dodatkowo podano przykłady różnic między G’ i G(t) dla serii polimerów na bazie PVB.
Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA )
Następnie normalną/prostopadłą siłę ustawiono na 0,4 N, a reometr ogrzano do 120°C, a następnie schłodzono do najniższej temperatury badania -20°C. Procedura ta umożliwiła wymaganą adhezję pomiędzy metalową płytką montażową a próbką z folią PVB.
Przemiatanie częstotliwości przeprowadzono w liniowym zakresie odkształcenia (maksymalne odkształcenie 0,1%) i przy normalnej sile 0 N, aby uniknąć deformacji próbki podczas pomiaru. Temperatura zmieniała się od -20°C do 105°C w krokach co 5°C.
Obciążenie próbki przeprowadzono w temperaturze pokojowej, a normalną siłę utrzymywano na poziomie 0 N przez cały test. Próbki schłodzono do najniższej temperatury badania wynoszącej -20°C i rozpoczęto przemiatanie częstotliwości temperatury.
Przemiatanie częstotliwości przeprowadzono w liniowym zakresie odkształcenia (odkształcenie < 0,1%) i przy normalnej sile 0 N, aby uniknąć deformacji próbki podczas pomiaru. Temperatura zmieniała się od -20°C do 105°C w krokach co 5°C.
Analizę dynamiczno-mechaniczną przeprowadzono za pomocą miernika DMA firmy Mettler Instruments w trybie ścinania. Należy zauważyć, że próbkę z cienkiego laminatu szklanego (dysk 8 mm) przyklejono do płytek montażowych również przy użyciu wysokotemperaturowej żywicy epoksydowej. Ładowanie próbki do uchwytu próbki odbywało się w najniższej temperaturze badania -20°C.
Minimalna siła docisku została przyłożona do próbek podczas montażu w celu zminimalizowania deformacji polimeru podczas testowania. Przemiatania częstotliwości prowadzono w liniowym zakresie odkształcenia (odkształcenie < 0,1%), a temperaturę zmieniano od -20°C do 105°C przy w krokach co 5°C.
Testy polegają na pomiarze ugięcia belek ze szkła laminowanego i powiązaniu zachowania ugięcia przy obciążeniu z modułem przy ścinaniu za pomocą modelowania elementów skończonych. Omówienie stosowalności tej odwrotnej metody znajduje się w innej publikacji [10].
Rys. 3. Porównanie modułu relaksacji przy ścinaniu G(t) i modułu zachowawczego przy ścinaniu G’, wyprowadzonego z badań DMA dla równoległej płyty z modułem ścinania wyprowadzonym z 4-punktowych testów zginania (wyniki dzięki uprzejmości Uniwersytetu Bundeswehr w Monachium).
Tabela 1. Porównanie modułu relaksacji przy ścinaniu G(t) i modułu zachowawczego (storage modulus) przy ścinaniu G’, dla folii Trosifolu® ES otrzymanego z badań DMA dla równoległych płyt
Rysunek 2 i tabela 1 pokazują, że różnica między G(t) i G’ może być znaczna (w niektórych przypadkach nawet do w stosunku 1: 5). Odkształcenie płyt ze szkła laminowanego zależy od modułu relaksacji przy ścinaniu G(t) międzywarstwy.
Jeżeli moduł zachowawczy ścinania międzywarstwy G’ zostanie użyty do celów obliczeniowych, wówczas prognoza/analiza będzie niedokładna. Faktycznie obliczenia mogą być znacznie odmienne w zależności od czasu trwania obciążenia, temperatury i różnicy między G(t) i G’.
Walidacja za pomocą testów 4-punktowego zginania
Jak widać na rys. 3, istnieje zgodność między wynikami testów 4-punktowego zginania a wynikami pomiarów z badań DMA. Porównanie dodatkowo zaleca zastosowanie G(t) w obliczeniach odkształceń szkła laminowanego.
Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii
Michael Harth, Stephen J Bennison, Steven R Sauerbrunn
Bibliografia
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne |