Vybrané mechanické vlastnosti polymerních optických vláken

Juan Huang, M.Eng.

Doctoral thesis

Selected Mechanical Properties of Polymeric Optical Fiber (POF)

Abstract:

The integration of polymeric optical fiber (POF) into fabrics has brought a lot of interest in textile design, on the other hand, it also displays the profiles of human beings, animals, objects (warning devices), obstacles (steps and carpets) and the like in places with poor visibility. However, this integration is facing huge problems. The major problems are derived from the poor flexibility, drapability, durability and side illumination of POF fabrics. The Properties of POF are considered as the critical factors that would influence the manufacturing processes and properties of POF fabrics. Compared with traditional textile yarns or filaments, POF is relatively brittle, stiff, and sensitive to bend due to its thick diameter. At present, the diameter of end emitting POF in weaves, knits and embroideries is generally in the range of 0.2 ~ 1.0 mm, the diameter of side emitting POF applied in safety applications (corridors and obstacles) varies in the range of 2 ~ 6 mm or above. The big challenge is to manufacture POF with sufficient flexibility and good side illumination intensity. The side illumination intensity of POF is usually enhanced by surface modifications (chemically and mechanically) or using the fluorescent fabric cover which could also protect the naked POF from mechanical damage and UV radiation and improve the comfort of POF. This thesis work is aimed to investigation the selected mechanical properties of POF based on the less contributions from the standpoint of the properties of POF integrated fabrics at present, rather than propose new methods to improve the side illumination of POF or propose new manufacturing techniques of POF fabrics. The experimental work starts from tensile testing and the results indicate that, there is an inverse relation between fiber diameter and tensile strength of POF. The strain value decreases as the fiber diameter increases. And the modulus varies significantly and is assumed to be determined by the various changes of tensile strength and strain. As a synthetic polymer fiber, however, POF is not uniform in fiber thickness, the results from strength distribution represent that the gauge length plays an important role in tensile strength. The results evaluated by Weibull distribution indicate that there is a decay exponential relation between tensile strength and gauge length. POF is with the core/cladding structure. The contributions of core and cladding to the mechanical properties of the whole fiber, and the interphase property between core and cladding are investigated by nanoindentation technique. It is observed from the experimental data that the core is harder than the cladding. Both core and cladding show very strong loading rate sensitivity during nanoindentation testing, which could be explained by the visco-elastic properties of polymers. The interphase width is estimated to be in the range of 800 ~ 1600 nm roughly. In the investigation of POF durability, two fatigue testing are taken into account. One is the tension fatigue testing which is applied to measure the strain response of POF under constant stress amplitude. The results demonstrate that both cyclic extension and total extension go up with increasing fatigue cycles. Compared with other fibers, while, 0.5 mm POF has higher total extension but lower cyclic extension than thicker POFs, which could be explained by different applied external stress and different amount of irreversible deformation in each fiber during fatigue testing. Another is the flex fatigue testing, which is aimed to investigate the flex fatigue lifetime based on the number of bending cycles to break by using the model of fatigue life curve. It is estimated that the fatigue lifetime could be influenced significantly by the testing condition such as the bending angle and speed. In the meanwhile, the flex fatigue sensitivity coefficient is also evaluated and compared with the general value for other materials.

Abstract:

Integrace polymerních optických vláken (POF) do textilií je přínosem z hlediska designu na jedné straně, ale na druhé straně umožňuje také zviditelnění obrysů osob, zvířat, předmětů, vymezení překážek (schody, kraje koberců) apod. Při zabudování optických vláken do textilií se sleduje zejména jejich ohebnost, trvanlivost a intenzita vyzařování. Ve srovnání se standardními textilními materiály (příze, hedvábí) jsou některá POF relativně křehká, tuhá a citlivá na ohyb v závislosti na jejich průměru. V současné době je průměr běžně využívaných POF pro tkaniny, pleteniny a výšivky v rozmezí od 0,2 do 1,0 mm. Pro integraci do oděvních textilií s cílem zviditelnění osob lze použít stranově vyzařující optická vlákna o průměru 2-6 mm a např. Pro osvětlení chodeb a vymezení překážek je možno použít optická vlákna o průměru od 6 mm výše. Pro uvedené aplikace je nutno vždy hledat kompromis mezi dostatečnou ohebností a světelným výkonem vláken. Pro zvýšení intenzity vyzařování se používá pokrytí povrchu stranově vyzařujících vláken textilním potahem. Vlákna jsou umístěna v dutině tkaniny nebo opletena textilními přízemi Textilní potah současně chrání optické vlákno před mechanickým poškozením a vlivem UV záření a zvyšuje komfort při nošení. Disertační práce je zaměřena na zkoumání vybraných mechanických vlastností POF. Experimentální práce je založena nejprve na zkoumání tahových vlastností stranově vyzařujících optických vláken v závislosti na jejich průměru. S rostoucím průměrem vlákna se relativní pevnost a tažnost snižuje. Modul optických vláken se mění významně spolu se změnami pevnosti a tažnosti. Podobně jako u syntetických polymerních vláken ovlivňuje také upínací délka pevnost polymerních optických vláken. Výsledky získané na základě Weibullova rozdělení indikují exponenciální pokles pevnosti v závislosti na upínací délce. POF mají strukturu jádro/plášť. Příspěvek této struktury i vlastností na rozhraní povrchů mezi jádrem a pláštěm k mechanickým vlastnostem POF byl zkoumán s využitím nanoindentační metody. Bylo zjištěno, že jádro POF je tvrdší než plášť. Obě komponenty, jak jádro, tak i plášť indikují velmi silnou citlivost na rychlosti zatěžování v průběhu nanoindentačního testu, která může být popsána pomocí visko-elastických vlastností polymerů. Odhad šířky mezifáze je přibližně v rozmezí od 800 ~ 1600 nm. Při hodnocení ohebnosti a životnosti (únavy) POF, byly vzaty v úvahu dva typy testování. Nejprve bylo testováno cyklické namáhání založené na měření deformační odezvy POF na konstantní amplitudu zatěžování. Výsledky ukazují, že jak cyklické protažení, tak i celkové protažení souvisí s přírůstkem únavových cyklů. Ve srovnání s jinými vlákny vykazuje POF o průměru 0,5 mm vyšší celkové protažení, ale nižší cyklické protažení, než POF s větším průměrem. To by mohlo být vysvětleno různým množstvím nevratné deformace každého vlákna v průběhu testování únavy. Dále bylo provedeno testování odolnosti v ohybu dle počtu ohybových cyklů do přetrhu. Bylo ukázáno, že tato veličina je významně ovlivněna podmínkami testování, což je úhel ohybu a rychlost. Byl hodnocen také koeficient ohybové citlivosti a porovnán s hodnotami běžnými pro jiné materiály.

Keywords

polymerní optické vlákno, rozložení pevnosti, nanoindentační vlastnosti, únava při cyklickém namáhání v tahu, únava při opakovaném namáhání v ohybu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 12. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 26. 5. 2016
• Supervisor: doc. Dr. Ing. Dana Křemenáková

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering