Introduksjon
Polymelkesyre (PLA), som en biologisk nedbrytbar plast, har blitt mye brukt innen engangsemballasje de siste årene. Avledet fra fornybare ressurser som maisstivelse og sukkerrørbagasse, viser den utmerket biokompatibilitet og biologisk nedbrytbarhet, og brytes ned til karbondioksid og vann i løpet av noen få måneder under industrielle komposteringsforhold. Ytelse ved lav-temperatur er imidlertid en nøkkelbegrensning for PLA-applikasjoner. Glassovergangstemperaturen (Tg) er vanligvis 55-65 grader (typisk verdi rundt 60 grader). Under denne temperaturen avtar mobiliteten til molekylkjeden kraftig, og materialet blir hardere og sprøere, spesielt nær Tg, noe som påvirker ytelsen ved lav temperatur betydelig.
Nåværende forskning på PLA lav-temperaturytelse fokuserer hovedsakelig på materialmodifisering og teoretisk analyse. Data viser at ren PLA er utsatt for sprøhet ved lave temperaturer, med en betydelig reduksjon i mekaniske egenskaper. Under -60 grader faller bøyestyrken og slagstyrken kraftig, og under -80 grader når bøyestyrken til og med null, mens elastisitetsmodulen reduseres betydelig. Imidlertid spesifikke testdata for vanlig engangs PLAklare plastkopperved ofte brukte lave temperaturer (-20 grader) mangler fortsatt. Denne studien gjennomfører praktiske tester og analyser på dette aspektet.
I. Materialegenskaper og testprøver
1.1 Grunnleggende egenskaper for PLA-materiale
PLA er en semi-krystallinsk polymer med en unik molekylstruktur og fysiske egenskaper. I følge litteraturen har poly-L-melkesyre en krystallinitet på omtrent 37 %, en Tg på omtrent 65 grader, et smeltepunkt på 180 grader, en strekkmodul på 3-4 GPa og en bøyemodul på 4-5 GPa. Disse egenskapene bestemmer ytelsen ved lav temperatur: ved romtemperatur er den i en glassaktig tilstand, med et smeltepunkt på 150-160 grader, men den langsiktige brukstemperaturen bør ikke overstige 80 grader, ellers er den utsatt for mykning og nedbrytning; ved lave temperaturer er molekylkjedebevegelsen begrenset, noe som viser betydelig sprøhet, blir skjør og lett brytes under 0 grader.
1.2 Spesifikasjoner og kjennetegn på standard engangs PLA-plastkopper
Markedsundersøkelser viser at de typiske spesifikasjonene for standard engangs PLAklare plastkopperer som følger:
| Kapasitet (oz/ml) | Toppdiameter (mm) | Bunndiameter (mm) | Høyde (mm) | Vekt (g) | Bruk |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 oz (150 ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Kalde drikker |
| 6 oz (180 ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Kalde drikker |
| 8 oz (240 ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Kalde drikker |
| 12 oz (360 ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Kalde drikker |
| 16 oz (480 ml) | 89 | 57 | - | 10 | Kalde drikker |
Denne studien valgte en vanlig tilgjengelig 12oz (360ml) PLA gjennomsiktig kopp som testprøve. Den veier 8,5-9,3 g, er produsert ved hjelp av sprøytestøping og har tynne vegger, i samsvar med kostnadsreduksjonen-og materialbesparende designegenskapene til klare engangskopper av plast.
1.3 Ytelsessammenligning med tradisjonelle plastmaterialer
| Materialtype | Temperaturområde | Ytelsesegenskaper ved lav-temperatur | Strekkstyrke (MPa) | Forlengelse ved brudd (%) | Bøyemodul (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50 grader | Sprø ved lave temperaturer | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| KJÆLEDYR | -40 grader til 60-70 grader | Blir sprø ved lave temperaturer, Tg≈70 grader | 57 | - | - |
| PP | -40 grader til 100 grader | Opprettholder god seighet ved lave temperaturer | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 grader til 220 grader | Utmerket ytelse ved høy og lav-temperatur | - | - | - |
Som det fremgår av tabellen, er temperaturmotstanden til PLA betydelig lavere enn for tradisjonell plast: Selv om PET også blir sprø ved lave temperaturer, er ytelsen relativt bedre ved -20 grader ; PP har det bredeste temperaturområdet, med stabil ytelse fra -40 grader til 100 grader; CPET har den beste ytelsen ved høy og lav temperatur. Når det gjelder mekaniske egenskaper, har PLA et bredt spekter av strekkfasthet, men bruddforlengelsen er lavere enn for PP, noe som indikerer relativt utilstrekkelig seighet.
II. Testmetodedesign
2.1 Standardiserte teststandarder
Denne studien følger strengt internasjonale standarder, og refererer hovedsakelig til:
- ASTM D746-20 "Standard testmetode for sprøhetstemperatur for plast og elastomerer ved støt": Spesifiserer en metode for å bestemme sprøbruddtemperaturen til plast under spesifikke støtforhold, og definerer temperaturen ved hvilken 50 % av prøvene sannsynligvis vil svikte.
- ISO 974:2000 "Plast - Bestemmelse av støtsprøhetstemperatur": For plast som ikke er stiv ved romtemperatur, brukes statistiske teknikker for å kvantifisere sprøbruddtemperaturen.
- ASTM D618 "Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing": Spesifiserer kondisjoneringsprosedyrene og betingelsene for plast før testing, og sikrer påliteligheten og sammenlignbarheten til resultatene.
-
2.2 Prøveforbehandling og miljøkondisjonering
I henhold til ASTM D618-standarden krever testprøver standardisert forbehandling før lav-temperaturtesting:
- Eksempel på rengjøring:Rengjør prøveoverflaten med et mildt rengjøringsmiddel og avionisert vann for å fjerne oljeflekker, støv og andre forurensninger. Etter rengjøring, tørk overflaten med en ren, myk klut for å sikre at den er tørr og ren.
- Konditionering:Plasser prøvene i et standard laboratoriemiljø ved en temperatur på 23±2 grader og en relativ fuktighet på 50±5 % i minst 48 timer for å sikre at prøvene når en stabil starttilstand.
- Innledende måling:Etter forbehandling, mål nøkkeldimensjoner som diameteren på koppåpningen, diameteren på koppens bunn, høyde og veggtykkelse ved hjelp av presisjonsverktøy som mikrometer og skyvelære, og registrer de første dataene.
2.3 Testutstyr og miljøkontroll
Hovedutstyret som brukes i denne studien er som følger:
- Lav-fryser med lav temperatur: En profesjonell -20 graders fryseboks med lav temperatur med en temperaturkontrollnøyaktighet på ±0,5 grader og ensartethet på ±2,0 grader.
- Temperaturovervåkingssystem: PT100 temperatursensorer (nøyaktighet ±0,1 grad) brukes til å overvåke prøvetemperaturen i sanntid.
- Måleverktøy: Mikrometer med høy-presisjon (nøyaktighet 0,01 mm), måleskiver (nøyaktighet 0,02 mm) og en elektronisk balanse (nøyaktighet 0,01 g).
- Optisk inspeksjonsutstyr: Digitalmikroskop med høy-oppløsning og interferometer for hvitt lys for observasjon av overflatesprekker.
2.4 Testparameterinnstillinger
Basert på standardkrav og faktiske applikasjonsbehov settes testparametrene som følger:
| Testtilstand | Parameterinnstilling | Merknader |
|---|---|---|
| Test temperatur | -20±1 grad | Mål frysetemperatur |
| Kort-testtid | 1 time, 2 timer | To tidspunkter |
| Lang-testtid | 24 timer, 48 timer, 72 timer | Tre tidspunkter |
| Prøvemengde | 10 parallelle prøver per gruppe | Sikrer statistisk pålitelighet |
| Temperatur likevektstid | Minst 1 time | Sikrer prøvetemperaturstabilitet |
2.5 Testprosedyredesign
Testen utføres i partier, med 10 parallelle prøver testet på hvert tidspunkt. De spesifikke trinnene er som følger:
Prøveforberedelse: De forhåndsbehandlede prøvene er tilfeldig delt inn i 5 grupper (10 prøver per gruppe). En gruppe fungerer som kontrollgruppe (ikke frosset), og de resterende fire gruppene brukes til henholdsvis 1-timers, 2-timers, 24-timers og 72-timers frysetester.
Innledende ytelsesevaluering: Kontrollgruppeprøvene gjennomgår visuell inspeksjon, dimensjonsmåling, vektmåling og hardhetstesting for å etablere grunnlinjedata.
Frysetest: Testprøvene plasseres i en -20 graders fryser. Etter å ha ventet i minst 1 time for å sikre temperaturlikevekt, fjernes prøvene på forhåndsbestemte tidspunkter, og ytelsen deres evalueres umiddelbart for å unngå at temperaturtilbakeslag påvirker resultatene.
Ytelsesevaluering: Dette inkluderer visuell inspeksjon (sprekker, deformasjon), dimensjonsmåling (endringer i nøkkeldimensjoner), vektmåling, hardhetstesting og sprekkdeteksjon (mikroskopisk observasjon av sprekklengde, dybde og fordeling).
Dataanalyse: Statistisk analyse utføres på testdataene, og beregner parametere som gjennomsnitt og standardavvik for å vurdere påliteligheten til resultatene.
III. Standarder for ytelsesevaluering
3.1 Standarder for skjørhetsevaluering
3.1.1 Standarder for klassifisering av sprekklengde
| Sprekknivå | Lengdeområde | Alvorlighetsgrad | Vurderingskriterier |
|---|---|---|---|
| Mindre sprekk | Mindre enn eller lik 2 mm | Litt | Påvirker ikke funksjonaliteten |
| Kort sprekk | 2-5 mm | Moderat | Påvirker estetikk, men ikke funksjonalitet |
| Middels sprekk | 5-10 mm | Alvorlig | Påvirker funksjonalitet |
| Lang sprekk | >10 mm | Ekstremt alvorlig | Fører til strukturell svikt |
3.1.2 Evaluering av sprekketetthet
Sprektetthet=Total sprekklengde / prøveoverflate. Sprekkforgreningstetthet og distribusjonskarakteristikker blir også registrert og evaluert i henhold til GB/T13298-2015-standarden.
3.1.3 Sprøhet Temperaturevaluering
I henhold til ASTM D746 og ISO 974 standarder refererer sprøhetstemperaturen til temperaturen der 50 % av prøvene gjennomgår sprø brudd under spesifikke støtforhold. Selv om denne studien fokuserer på -20 grader, ble det utført ytterligere tester for å bestemme sprøhetstemperaturområdet til de klare PLA plastkoppene.
3.2 Deformasjonsevalueringsstandarder
3.2.1 Lineær dimensjon endringshastighet
Lineær endringshastighet (%)=(Dimensjon etter behandling - Startdimensjon) / Startdimensjon × 100 %. Viktige mål inkluderer endringer i koppens munndiameter, koppens bunndiameter, høyde og veggtykkelse.
3.2.2 Formdeformasjonskoeffisient
Vridning: Mål flathetsavviket til koppens munn og bunn. Maksimalt tillatt avvik er 0,5 mm, med en flathetsfeil i referanseplanet på<0.05 mm.
Rundhetsavvik: Mål rundhetsendringen til koppen i forskjellige høyder ved hjelp av et måleinstrument for rundhet.
Perpendikularitetsavvik: Mål endringen i perpendikularitet mellom koppens akse og bunnflaten.
3.2.3 Volum endringshastighet
Volumendringshastighet (%)=(Volum etter behandling - Startvolum) / Startvolum × 100 %. Volum måles ved hjelp av vannfyllingsmetoden, ved å bruke en presisjonsmålesylinder for å måle volumet av vann som er fylt.
3.2.4 Endring av veggtykkelse-uniformitet
Mål veggtykkelsen ved koppmunningen, midten av koppens kropp og bunnen (4 retninger på hvert sted) med et mikrometer. Beregn standardavviket og variasjonskoeffisienten for å evaluere ensartethetsendringen.
3.3 Omfattende ytelsesevalueringskarakterer
| Karakter | Sprøhetsnivå | Deformasjonsnivå | Bruksanbefaling |
|---|---|---|---|
| Glimrende | Ingen sprekker | Deformasjon<1% | Egnet for normal bruk |
| God | Små sprekker (<2mm) | Deformasjon 1-3 % | Bruk med forsiktighet |
| Rettferdig | Korte sprekker (2-5 mm) | Deformasjon 3-5 % | Anbefales ikke for lang-bruk |
| Fattig | Medium-long cracks (>5 mm) | Deformation >5% | Uegnet for bruk |
| Veldig dårlig | Alvorlig sprekkdannelse | Alvorlig deformasjon | Fullstendig fiasko |
IV. Testresultater og analyse
4.1 Kortvarige-frysetestresultater (1–2 timer)
Kortvarige-tester viste at klare PLA-plastbeger viste betydelig lav-temperatursprøhet ved -20 grader. De spesifikke dataene er som følger:
| Testtid | Eksempelnummer | Sprekketilstand | Maksimal sprekklengde (mm) | Gjennomsnittlig sprekketetthet (mm/cm²) | Endring av koppens munndiameter (%) | Høydeendring (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 time | 1-5 | Små sprekker | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 til -0,9 | -0,3 til -0,6 |
| 1-times gjennomsnitt | - | Små sprekker | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 timer | 6-10 | Korte sprekker/Små sprekker | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 til -1,3 | -0,6 til -0,9 |
| 2-timers gjennomsnitt | - | Korte sprekker | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
Etter 1 times frysing oppstod det små sprekker i alle prøvene. Disse sprekkene var for det meste fordelt langs kanten av koppen, i spenningskonsentrasjonsområder i koppens kropp, og i krysset mellom bunn og sidevegg, med en relativt spredt fordeling. Etter 2 timers frysing ble sprekkene verre, med korte sprekker i 4 av 5 prøver. Gjennomsnittlig sprekklengde og -tetthet økte betydelig, noe som indikerer at forlenget frysetid forverrer sprø brudd.
Når det gjelder deformasjon, etter 1 time, trakk den gjennomsnittlige diameteren av koppåpningen seg sammen med -0,76±0,1 % og høyden med -0,46±0,1 %; etter 2 timer var sammentrekningen enda mer signifikant, med koppens åpningsdiameter trakk seg sammen med -1,16±0,1 % og høyden med -0,76±0,1 %. Deformasjonen er i samsvar med lavtemperaturs termiske krympeegenskapene til PLA.
4.2 Langtids-frysetestresultater (24 timer eller mer)
Langtidstesting viste ytterligere forringelse av PLA-plastikkkoppene, med alvorlig strukturell skade. Dataene er som følger:
| Testtid | Eksempelnummer | Sprekktilstand | Maksimal sprekklengde (mm) | Gjennomsnittlig sprekketetthet (mm/cm²) | Endring av koppens munndiameter (%) | Høydeendring (%) | Vektendring (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 timer | 11-15 | Middels/lange sprekker | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2,1 til -2,5 | -1,6 til -2,0 | -0,2 til -0,3 |
| 48 timer | 16-20 | Lange sprekker/alvorlige sprekker | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2,9 til -3,3 | -2,3 til -2,7 | -0,3 til -0,5 |
| 72 timer | 21-25 | Alvorlig sprekkdannelse | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3,5 til -3,8 | -2,9 til -3,2 | -0,5 til -0,6 |
4.3 Analyse av temperaturfordeling og kjølingskarakteristikk
Temperaturlikevektstid: Det tar 30-40 minutter før prøven avkjøles fra romtemperatur (23 grader) til -20 grader, og minst 1 time å nå temperaturlikevekt, som er relatert til prøvens veggtykkelse, volum og kjølekapasiteten til fryseren.
Ensartet temperaturfordeling: I et miljø på -20 grader er temperaturforskjellen mellom ulike deler av prøven innenfor ±0,5 grader, og temperaturen på koppens munn, kropp og bunn er konsistent, og oppfyller testkravene.
Termiske krympeegenskaper: Når PLA-koppen avkjøles fra romtemperatur til -20 grader, er den lineære krympingshastigheten omtrent 0,3-0,5%. Denne krympingen genererer indre spenninger i koppveggen, som er en betydelig årsak til sprekkdannelse.
4.4 Sammenlignende analyse med tradisjonelle plastmaterialer
For å avklare manglene til PLA plastklare kopper ved lave temperaturer, ble de testet og sammenlignet med PET og PP plastklare kopper ved -20 grader. Resultatene er som følger:
| Materialtype | Testtid | Sprekketilstand | Maksimal sprekklengde (mm) | Gjennomsnittlig sprekketetthet (mm/cm²) | Endring av koppens munndiameter (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2 timer | Korte sprekker | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| KJÆLEDYR | 2 timer | Ingen sprekker | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2 timer | Ingen sprekker | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
Det kan sees at lav-temperaturytelsen til PET og PP er betydelig bedre enn PLA: PET viste ingen sprekker etter 2 timers frysing, og bare mindre sprekker etter 24 timer; PP viste ingen sprekker gjennom hele testen, og dimensjonskrympingen var også den minste. Denne ytelsesforskjellen stammer fra materialegenskapene-PET har en Tg på ca. 70 grader, og PP har en Tg på ca. -10 grader til 0 grader, og opprettholder seighet ved -20 grader; mens PLA har en Tg på omtrent 60 grader, langt over testtemperaturen, og viser typisk glassaktig sprøhet.
4.5 Analyse av feilmekanisme
Basert på mikroskopiske observasjoner, svikt i PLAklare plastkopperved -20 grader stammer fra en kombinasjon av flere faktorer:
Sprøbrudd ved lav-temperatur: Ved -20 grader er bevegelsen til PLA-molekylkjeder begrenset, noe som fører til tap av seighet, noe som gjør dem utsatt for sprøbrudd under intern eller ekstern belastning.
Termisk spenningskonsentrasjon: PLA har en lav termisk ekspansjonskoeffisient, og genererer termisk spenning under avkjøling. Sprekker initierer og forplanter seg i spenningskonsentrasjonsområder som koppkanten, kroppen og skjøten mellom bunnen og veggen;
Krystallinitetsendringer: Langvarige lave temperaturer kan indusere kald krystallisering i PLA, og øke materialets sprøhet ytterligere.
Stressavslappende effekt: Ved lave temperaturer reduseres stressavslapningshastigheten til PLA, noe som gjør det vanskelig for indre stress å frigjøres, noe som akselererer sprekkforplantningen.
V. Diskusjon og anbefalinger
5.1 Praktisk anvendelse Betydningen av testresultater
Testene viser at vanlige gjennomsiktige engangsglass i PLA-plast har betydelige begrensninger ved -20 grader: synlige sprekker oppstår etter kortvarig (1-2 timer) frysing, og langvarig (24 timer eller mer) frysing fører til strukturell kollaps. Dette betyr at PLA plastklare kopper ikke er egnet for langtidslagring ved -20 grader. Hvis lavtemperaturbruk er nødvendig, anbefales det å prioritere PET- eller PP-materialer; hvis PLA må brukes, bør tiltak som å øke veggtykkelsen og legge til beskyttelseshylser iverksettes for å redusere skade.
5.2 Nøkkelfaktorer som påvirker testresultatene
Materialefaktorer: Tg, molekylvektfordeling, krystallinitet og myknerinnhold i PLA påvirker alle ytelsen ved lave-temperaturer. Tilsetning av myknere som dioktyladipat (DOA) og dibutylsebacat (DBS) kan forbedre seigheten.
Strukturelle designfaktorer: Veggtykkelsen og utformingen av spenningskonsentrasjonsområder i koppen påvirker sprekkmotstanden. Økende veggtykkelse kan forbedre ytelsen, men det vil øke kostnadene.
Miljø- og prosessfaktorer: Frysehastighet og temperatursvingninger kan akselerere materialets aldring; produksjonsprosesser, som sprøytestøpingsparametere og kjølehastighet, påvirker den første kvaliteten på produktet.
Materialmodifikasjon: Reduser Tg av PLA gjennom kopolymerisering/blanding, tilsett myknere ved lav-temperatur og kontroller krystalliniteten med kjernedannende midler;
Strukturell optimalisering: Tykk nøkkeldeler som koppkanten og bunnen, optimaliser designet for å redusere stresskonsentrasjonen, og ta i bruk en PLA/PE-komposittstruktur.
Bruk og standarder: Unngå langtids-oppbevaring av klare PLA-plastbeger ved -20 grader, kontroller hastigheten på temperaturendringer; fremme etableringen av PLA lavtemperaturapplikasjonsytelsesstandarder og retningslinjer for bruk.
5.3 Forslag til forbedringer
Materialendring:Reduser Tg av PLA gjennom kopolymerisering/blanding, tilsett lav-temperaturmyknere og kontroller krystalliniteten med kjernedannende midler;
Strukturell optimalisering:Tykk nøkkeldeler som koppkanten og bunnen, og optimer designet for å redusere stresskonsentrasjonen.
Bruk og standarder:Unngå lang-oppbevaring av klare PLA-plastbeger ved -20 grader, og kontroller hastigheten på temperaturendringer.
5.4 Forskningsbegrensninger og utsikter
- Denne studien testet bare 12 oz PLA-klare plastkopper ved en enkelt temperatur på -20 grader og innen 72 timer, og dekket ikke andre spesifikasjoner, temperaturer og fuktighetsfaktorer. Fremtidig forskning må utvide testomfanget, utvikle modifiserte PLA-materialer som kan tilpasses lav-temperatur, forbedre evalueringssystemet og fremme rasjonell anvendelse av PLA i lavtemperaturemballasje
-
VI. Sammendrag
Denne studien evaluerte systematisk fryseholdbarheten til vanlige engangs gjennomsiktige PLA plastklare kopper ved -20 grader gjennom standardisert testing, med følgende nøkkelfunn:
Sprøbruddytelse: Kort-frysing (1-2 timer) resulterte i små til korte sprekker, mens langtidsfrysing (72 timer) resulterte i en gjennomsnittlig sprekklengde på 30,5 mm, noe som førte til fullstendig strukturell feil;
Deformasjonsytelse: Frysing førte til at de gjennomsiktige plastkoppene krympte, med en maksimal krymping på -3,7 % i koppens kantdiameter og -3,1 % i høyden; deformasjon intensivert over tid;
Materialsammenligning: Lav-temperaturytelsen til PLA er langt dårligere enn PET og PP, som opprettholdt god integritet under testperioden;
Feilmekanisme: Lav-temperatursprøhet, termisk spenningskonsentrasjon, endringer i krystallinitet og spenningsavslapping førte sammen til PLA-svikt;
Bruksanbefalinger: Vanlige gjennomsiktige PLA-plastbeger er ikke egnet for lang-bruk ved -20 grader; kort-bruk krever forsiktighet; prioritere lavtemperaturtilpassbare materialer som PET og PP.
