Hoe kun je de levensduur van kunststofvezels beter voorspellen?

14-09-2017

13.45

Aula

Probabilistic lifetime prediction with application to high-performance p-aramid fiber

H. Knoester

prof.dr. R.W.J. Meester, prof.dr. J. Hulshof

Faculteit der Bètawetenschappen

Exacte wetenschappen

Promotie

Wiskundige Henk Knoester, buitenpromovendus en werkzaam in de kunststofvezelindustrie, zoekt naar wiskundige modellen om de levensduur van kunststofvezels te voorspellen.

Kunststof high-performance vezels worden in de industrie gebruikt in allerlei toepassingen waar sterkte, chemische resistentie, maar ook hittebestendigheid van belang zijn. Denk bijvoorbeeld aan autobanden, olie- en gaspijpleidingen en garenversterkte composietmaterialen.

Knoester: “Vaak zijn deze vezels sterker dan staal en per definitie hebben ze geen last van roest, maar er zitten ook nadelen aan deze kunststof krachtpatsers. Er is relatief weinig ervaring met deze garens in de praktijk. Zo is het lastig te voorspellen wanneer garens kunnen gaan breken in industriële toepassingen. Kennis hierover is wel van belang: constructies kunnen dan tijdig, maar niet te vroeg, worden vervangen. Experimenteel onderzoek alleen biedt geen soelaas, want in veel toepassingen is de beoogde levensduur vele jaren tot zelfs tientallen jaren. Zoveel tijd hebben we niet in het laboratorium.”

Kansverdeling
De onvoorspelbaarheid van de levensduur is deels gerelateerd aan variabiliteit. Knoester: “Levensduur is een grootheid die wordt beschreven door een kansverdeling. Vergelijk dit met het steeds opnieuw trekken van een balletje uit een vaas met 5 rode en 2 gele balletjes. De kleur van het getrokken balletje is vooraf niet te voorspellen (rood of geel). Maar als je het experiment vaak herhaalt zal circa 5/7 van alle experimenten resulteren in een rood balletje en 2/7 van alle experimenten in een gele. Zo is het in feite ook met het garen. Het breken van één individueel garen is slecht voorspelbaar, maar bij een grote groep van garens kun je wel goede, exacte uitspraken doen over de waaier aan faaltijden die deze garens zullen hebben.”

Knoester onderzocht het faalgedrag (het breken) van één bepaald type garen: p-aramide garen. Hij keek naar de levensduur van de garens in praktische, industriële omstandigheden. De p-aramide garen zijn onderworpen aan een constante kracht of een stapsgewijs veranderende kracht. Met eenvoudige wiskundige modellen probeerden Knoester en zijn collega-wiskundigen de geobserveerde patronen in het faalgedrag van p-aramide garens te beschrijven.

Stap dichterbij het ideale model
De onderzochte modellen van Knoester en collega’s bleken echter helaas niet bruikbaar, maar de onderzoekers zijn wel weer een stap verder gekomen in hun zoektocht naar het ideale model: “We hebben modellen ontwikkeld voor de faaltijd van garens bij een willekeurige belasting, waarbij expliciet de variabiliteit van de garens (als kansverdeling) is meegenomen. Dergelijke modellen zijn vrij zeldzaam in de wetenschappelijke literatuur. Onze modellen zijn geïnspireerd op faalprincipes die juist wel wijd en zijd in de literatuur gebruikt worden voor het falen van willekeurige materialen en producten. Met onze modellen kan de bruikbaarheid en toepasbaarheid van deze faalprincipes voor een materiaal nu experimenteel getest worden, en dat is nieuw. Maar voor p-aramide garens werken deze faalprincipes dus niet.”

Knoester is in dienst van het industriële bedrijf Teijin Aramid, een grote fabrikant van kunststofvezels, en deed als zogeheten buitenpromovendus zijn promotieonderzoek aan de VU.

Meer informatie over het proefschrift in PURE