Indledning
Polymælkesyre (PLA), som en biologisk nedbrydelig plast, er blevet meget brugt inden for engangsemballage i de senere år. Afledt af vedvarende ressourcer såsom majsstivelse og sukkerrørsbagasse, udviser den fremragende biokompatibilitet og bionedbrydelighed og nedbrydes til kuldioxid og vand inden for få måneder under industrielle komposteringsforhold. Ydeevne ved lav-temperatur er dog en vigtig begrænsning for PLA-applikationer. Dens glasovergangstemperatur (Tg) er typisk 55-65 grader (typisk værdi omkring 60 grader). Under denne temperatur falder den molekylære kædemobilitet kraftigt, og materialet bliver hårdere og mere skørt, især i nærheden af Tg, hvilket væsentligt påvirker dets ydeevne ved lav temperatur.
Aktuel forskning i PLA lav-temperaturydelse fokuserer hovedsageligt på materialemodifikation og teoretisk analyse. Data viser, at ren PLA er tilbøjelig til at blive skør ved lave temperaturer, med et signifikant fald i mekaniske egenskaber. Under -60 grader falder bøjningsstyrken og slagstyrken kraftigt, og under -80 grader når bøjningsstyrken endda nul, mens elasticitetsmodulet falder markant. Dog specifikke testdata for almindelig engangs-PLAklare plastik kopperved almindeligt anvendte lave temperaturer (-20 grader) mangler stadig. Denne undersøgelse udfører praktiske tests og analyser på dette aspekt.
I. Materialeegenskaber og testprøver
1.1 Grundlæggende egenskaber for PLA-materiale
PLA er en semi-krystallinsk polymer med en unik molekylær struktur og fysiske egenskaber. Ifølge litteraturen har poly-L-mælkesyre en krystallinitet på ca. 37 %, en Tg på ca. 65 grader, et smeltepunkt på 180 grader, et trækmodul på 3-4 GPa og et bøjningsmodul på 4-5 GPa. Disse egenskaber bestemmer dens ydeevne ved lav temperatur: ved stuetemperatur er den i en glasagtig tilstand med et smeltepunkt på 150-160 grader , men den langsigtede brugstemperatur bør ikke overstige 80 grader , ellers er den tilbøjelig til blødgøring og nedbrydning; ved lave temperaturer er molekylær kædebevægelse begrænset, udviser betydelig skørhed, bliver skrøbelig og knækker let under 0 grader.
1.2 Specifikationer og karakteristika for standard engangs PLA-plastikkopper
Markedsundersøgelser viser, at de typiske specifikationer for standard engangs-PLAklare plastik kopperer som følger:
| Kapacitet (oz/ml) | Topdiameter (mm) | Bunddiameter (mm) | Højde (mm) | Vægt (g) | Bruge |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 oz (150 ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Kolde drikke |
| 6 oz (180 ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Kolde drikke |
| 8 oz (240 ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Kolde drikke |
| 12 oz (360 ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Kolde drikke |
| 16 oz (480 ml) | 89 | 57 | - | 10 | Kolde drikke |
Denne undersøgelse valgte en almindeligt tilgængelig 12 oz (360 ml) PLA transparent kop som testprøven. Den vejer 8,5-9,3 g, er fremstillet ved hjælp af sprøjtestøbning og har tynde vægge, hvilket er i overensstemmelse med omkostningsreduktionen-og materialebesparende designegenskaber for engangsplastikkopper.
1.3 Ydeevnesammenligning med traditionelle plastmaterialer
| Materiale Type | Temperaturområde | Ydeevneegenskaber ved lav-temperatur | Trækstyrke (MPa) | Forlængelse ved pause (%) | Bøjningsmodul (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50 grader | Skør ved lave temperaturer | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| KÆLEDYR | -40 grader til 60-70 grader | Bliver skør ved lave temperaturer, Tg≈70 grader | 57 | - | - |
| PP | -40 grader til 100 grader | Bevarer god sejhed ved lave temperaturer | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 grader til 220 grader | Fremragende ydeevne ved høj og lav-temperatur | - | - | - |
Som det kan ses af tabellen, er temperaturmodstanden for PLA betydeligt lavere end for traditionel plast: Selvom PET også bliver skørt ved lave temperaturer, er dens ydeevne relativt bedre ved -20 grader ; PP har det bredeste temperaturområde med stabil ydeevne fra -40 grader til 100 grader; CPET har den bedste ydeevne ved høj og lav temperatur. Med hensyn til mekaniske egenskaber har PLA en bred vifte af trækstyrke, men dens brudforlængelse er lavere end for PP, hvilket indikerer relativt utilstrækkelig sejhed.
II. Testmetode design
2.1 Standardiserede prøvningsstandarder
Denne undersøgelse følger strengt internationale standarder og refererer hovedsageligt til:
- ASTM D746-20 "Standard testmetode for skørhedstemperatur af plast og elastomerer ved stød": Specificerer en metode til bestemmelse af sprødbrudtemperaturen af plast under specifikke stødforhold, som definerer den temperatur, ved hvilken 50 % af prøverne sandsynligvis vil fejle.
- ISO 974:2000 "Plast - Bestemmelse af slagskørhedstemperatur": For plast, der ikke er stiv ved stuetemperatur, anvendes statistiske teknikker til at kvantificere sprødbrudstemperaturen.
- ASTM D618 "Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing": Specificerer konditioneringsprocedurerne og betingelserne for plast før testning, hvilket sikrer pålideligheden og sammenligneligheden af resultaterne.
-
2.2 Prøveforbehandling og miljøkonditionering
I henhold til ASTM D618-standarden kræver testprøver standardiseret forbehandling før lav-temperaturtestning:
- Prøve rengøring:Rengør prøveoverfladen med et mildt rengøringsmiddel og deioniseret vand for at fjerne oliepletter, støv og andre forurenende stoffer. Efter rengøring skal du tørre overfladen med en ren, blød klud for at sikre, at den er tør og ren.
- Konditionering:Anbring prøverne i et standard laboratoriemiljø ved en temperatur på 23±2 grader og en relativ luftfugtighed på 50±5% i mindst 48 timer for at sikre, at prøverne når en stabil begyndelsestilstand.
- Indledende måling:Efter forbehandlingen måles nøgledimensioner såsom diameteren af kopåbningen, diameteren af kopbunden, højden og vægtykkelsen ved hjælp af præcisionsværktøjer såsom mikrometre og skydelære, og de indledende data registreres.
2.3 Testudstyr og miljøkontrol
Det vigtigste udstyr, der anvendes i denne undersøgelse, er som følger:
- Lav-fryser med lav temperatur: En professionel -20 graders lagerfryser til lav temperatur med en temperaturkontrolnøjagtighed på ±0,5 grader og ensartethed på ±2,0 grader.
- Temperaturovervågningssystem: PT100 temperatursensorer (nøjagtighed ±0,1 grad) bruges til at overvåge prøvetemperaturen i realtid.
- Måleværktøjer: Høj-præcisionsmikrometre (nøjagtighed 0,01 mm), kalibre (nøjagtighed 0,02 mm) og en elektronisk balance (nøjagtighed 0,01 g).
- Optisk inspektionsudstyr: Digitalt mikroskop i høj-opløsning og interferometer for hvidt lys til observation af overfladerevner.
2.4 Test parameterindstillinger
Baseret på standardkrav og faktiske anvendelsesbehov indstilles testparametrene som følger:
| Testtilstand | Parameterindstilling | Bemærkninger |
|---|---|---|
| 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 |
| Prøvemængde | 10 parallelle prøver pr. gruppe | Sikrer statistisk pålidelighed |
| Temperatur ligevægtstid | Mindst 1 time | Sikrer prøvetemperaturstabilitet |
2.5 Testprocedure Design
Testen udføres i batches, med 10 parallelle prøver testet på hvert tidspunkt. De specifikke trin er som følger:
Prøveforberedelse: De for-behandlede prøver er tilfældigt opdelt i 5 grupper (10 prøver pr. gruppe). En gruppe fungerer som kontrolgruppe (ikke frosset), og de resterende fire grupper bruges til henholdsvis 1-timers, 2-timers, 24-timers og 72-timers frysetest.
Indledende præstationsevaluering: Kontrolgruppeprøverne gennemgår visuel inspektion, dimensionsmåling, vægtmåling og hårdhedstestning for at etablere basisdata.
Frysetest: Testprøverne placeres i en -20 graders fryser. Efter at have ventet mindst 1 time for at sikre temperaturligevægt, fjernes prøverne på de forudbestemte tidspunkter, og deres ydeevne evalueres øjeblikkeligt for at undgå, at temperaturtilbageslag påvirker resultaterne.
Evaluering af ydeevne: Dette inkluderer visuel inspektion (revner, deformation), dimensionsmåling (ændringer i nøgledimensioner), vægtmåling, hårdhedstestning og revnedetektering (mikroskopisk observation af revnelængde, dybde og fordeling).
Dataanalyse: Statistisk analyse udføres på testdataene, der beregner parametre som middelværdi og standardafvigelse for at vurdere pålideligheden af resultaterne.
III. Standarder for præstationsevaluering
3.1 Standarder for evaluering af skørhed
3.1.1 Revnelængdeklassificeringsstandarder
| Revne niveau | Længdeområde | Sværhedsgrad | Bedømmelseskriterier |
|---|---|---|---|
| Mindre revne | Mindre end eller lig med 2 mm | Let | Påvirker ikke funktionaliteten |
| Kort knæk | 2-5 mm | Moderat | Påvirker æstetik, men ikke funktionalitet |
| Medium revne | 5-10 mm | Alvorlig | Påvirker funktionalitet |
| Lang revne | >10 mm | Ekstremt alvorlig | Fører til strukturelt svigt |
3.1.2 Evaluering af revnetæthed
Revnetæthed=Samlet revnelængde / prøveoverfladeareal. Revneforgreningstæthed og fordelingskarakteristika er også registreret og evalueret i henhold til GB/T13298-2015 standard.
3.1.3 Skørhedstemperaturevaluering
I henhold til ASTM D746 og ISO 974 standarder refererer skørhedstemperaturen til den temperatur, ved hvilken 50 % af prøverne gennemgår sprøde brud under specifikke stødforhold. Selvom denne undersøgelse fokuserer på -20 grader, blev der udført yderligere test for at bestemme sprødhedstemperaturområdet for PLA-plastikkopperne.
3.2 Deformationsevalueringsstandarder
3.2.1 Lineær dimensionsændringshastighed
Lineær ændringshastighed (%)=(Dimension efter behandling - Startdimension) / Startdimension × 100 %. Nøglemålinger omfatter ændringer i kopmundingsdiameter, kopbundsdiameter, højde og vægtykkelse.
3.2.2 Formdeformationskoefficient
Forvridning: Mål fladhedsafvigelsen af kopmundingen og bunden. Den maksimalt tilladte afvigelse er 0,5 mm, med en referenceplanfladhedsfejl på<0.05 mm.
Rundhedsafvigelse: Mål rundhedsændringen af koppen i forskellige højder ved hjælp af et rundhedsmåleinstrument.
Vinkelrette afvigelse: Mål ændringen i vinkelrethed mellem skålaksen og bundfladen.
3.2.3 Volume Change Rate
Volumenændringshastighed (%)=(volumen efter behandling - startvolumen) / startvolumen × 100 %. Volumen måles ved vandpåfyldningsmetoden, ved hjælp af en præcisionsmålecylinder til at måle volumen af fyldt vand.
3.2.4 Ændring af vægtykkelsesensartethed
Mål vægtykkelsen ved kopmundingen, midten af kopkroppen og bunden (4 retninger på hvert sted) ved hjælp af et mikrometer. Beregn standardafvigelsen og variationskoefficienten for at evaluere ensartethedsændringen.
3.3 Omfattende præstationsevalueringskarakterer
| Grad | Skørhedsniveau | Deformationsniveau | Brugsanbefaling |
|---|---|---|---|
| Fremragende | Ingen revner | Deformation<1% | Velegnet til normal brug |
| God | Små revner (<2mm) | Deformation 1-3 % | Brug med forsigtighed |
| Retfærdig | Korte revner (2-5 mm) | Deformation 3-5 % | Anbefales ikke til lang-brug |
| Dårlig | Medium-long cracks (>5 mm) | Deformation >5% | Uegnet til brug |
| Meget ringe | Alvorlig revnedannelse | Alvorlig deformation | Fuldstændig fiasko |
IV. Testresultater og analyse
4.1 Korttids-resultater af frysetest (1-2 timer)
Kort-test viste, at klare PLA-plastikkopper udviste signifikant lav-temperaturskørhed ved -20 grader. De specifikke data er som følger:
| Test tid | Prøvenummer | Revnende tilstand | Maksimal revnelængde (mm) | Gennemsnitlig revnetæthed (mm/cm²) | Ændring af kopmunddiameter (%) | Højdeændring (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 time | 1-5 | Små revner | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 til -0,9 | -0,3 til -0,6 |
| 1-times gennemsnit | - | Små revner | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 timer | 6-10 | Korte revner/Små revner | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 til -1,3 | -0,6 til -0,9 |
| 2-timers gennemsnit | - | Korte revner | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
Efter 1 times frysning opstod der små revner i alle prøver. Disse revner var for det meste fordelt langs kanten af bægeret, i spændingskoncentrationsområder af bægerlegemet og ved krydset mellem bunden og sidevæggen, med en relativt spredt fordeling. Efter 2 timers frysning forværredes revnerne med korte revner i 4 ud af 5 prøver. Den gennemsnitlige revnelængde og tæthed steg betydeligt, hvilket indikerer, at forlænget frysetid forværrer sprøde brud.
Med hensyn til deformation, efter 1 time, faldt den gennemsnitlige diameter af kopåbningen med -0,76±0,1 %, og højden er kontraheret med -0,46±0,1 %; efter 2 timer var sammentrækningen endnu mere signifikant, idet bægeråbningens diameter blev kontraheret med -1,16±0,1% og højden med -0,76±0,1%. Deformationen stemmer overens med PLA's termiske krympningsegenskaber ved lav temperatur.
4.2 Langtids-resultater af frysetest (24 timer eller mere)
Lang-test viste yderligere forringelse af PLA-plastikkopperne med alvorlig strukturel skade. Dataene er som følger:
| Test tid | Prøvenummer | Revne tilstand | Maksimal revnelængde (mm) | Gennemsnitlig revnetæthed (mm/cm²) | Ændring af kopmunddiameter (%) | Højdeændring (%) | Vægtændring (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 timer | 11-15 | Mellemlange/lange revner | 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 revner/alvorlige revner | 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 revnedannelse | 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 af temperaturfordeling og afkølingskarakteristik
Temperaturligevægtstid: Det tager 30-40 minutter for prøven at afkøle fra stuetemperatur (23 grader) til -20 grader, og mindst 1 time at nå temperaturligevægt, som er relateret til prøvens vægtykkelse, volumen og fryserens kølekapacitet.
Ensartet temperaturfordeling: I et miljø på -20 grader er temperaturforskellen mellem forskellige dele af prøven inden for ±0,5 grader, og temperaturen på bægerets mund, krop og bund er konsistent og opfylder testkravene.
Termiske krympningsegenskaber: Når PLA-koppen afkøles fra stuetemperatur til -20 grader, er den lineære krympningshastighed cirka 0,3-0,5%. Dette svind genererer indre spændinger i bægervæggen, hvilket er en væsentlig årsag til revnedannelse.
4.4 Sammenlignende analyse med traditionelle plastmaterialer
For at afklare manglerne ved PLA plastklare kopper ved lave temperaturer, blev de testet og sammenlignet med PET og PP plastklare kopper ved -20 grader. Resultaterne er som følger:
| Materiale Type | Test tid | Revnende tilstand | Maksimal revnelængde (mm) | Gennemsnitlig revnetæthed (mm/cm²) | Ændring af kopmunddiameter (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2 timer | Korte revner | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| KÆLEDYR | 2 timer | Ingen revner | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2 timer | Ingen revner | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
Det kan ses, at ydeevnen ved lav-temperatur for PET og PP er væsentligt bedre end PLA: PET viste ingen revner efter 2 timers frysning og kun mindre revner efter 24 timer; PP viste ingen revner under hele testen, og dets dimensionskrympning var også den mindste. Denne ydelsesforskel stammer fra materialeegenskaberne-PET har en Tg på ca. 70 grader, og PP har en Tg på ca. -10 grader til 0 grader, og opretholder sejheden ved -20 grader; mens PLA har en Tg på ca. 60 grader, langt over testtemperaturen, og udviser typisk glasagtig skørhed.
4.5 Fejlmekanismeanalyse
Baseret på mikroskopiske observationer, fejlen af PLAklare plastik kopperved -20 grader stammer fra en kombination af flere faktorer:
Lav-temperatur sprød fraktur: Ved -20 grader er bevægelsen af PLA molekylære kæder begrænset, hvilket fører til tab af sejhed, hvilket gør dem modtagelige for sprøde frakturer under intern eller ekstern belastning.
Termisk spændingskoncentration: PLA har en lav termisk udvidelseskoefficient, hvilket genererer termisk spænding under afkøling. Revner initierer og forplanter sig i spændingskoncentrationsområder såsom skålkanten, kroppen og samlingen mellem bunden og væggen;
Krystallinitetsændringer: Langvarige lave temperaturer kan inducere kold krystallisation i PLA, hvilket yderligere øger materialets skørhed.
Stressafspændingseffekt: Ved lave temperaturer falder stressafspændingshastigheden af PLA, hvilket gør det vanskeligt for intern stress at blive frigivet, hvilket accelererer sprækkeudbredelsen.
V. Diskussion og anbefalinger
5.1 Praktisk anvendelse Betydning af testresultater
Testene viser, at almindelige engangsgennemsigtige PLA-plastikkopper har betydelige begrænsninger ved -20 grader: synlige revner vises efter kort-varig (1-2 timer) frysning, og langvarig (24 timer eller mere) frysning fører til strukturelt sammenbrud. Det betyder, at PLA plastik-klare kopper ikke er egnede til langtidsopbevaring ved -20 grader. Hvis lavtemperaturbrug er nødvendig, anbefales det at prioritere PET- eller PP-materialer; hvis PLA skal bruges, bør der træffes foranstaltninger såsom at øge vægtykkelsen og tilføje beskyttelseshylstre for at reducere skader.
5.2 Nøglefaktorer, der påvirker testresultater
Materialefaktorer: Tg, molekylvægtfordeling, krystallinitet og blødgøringsindhold i PLA påvirker alle dets lav-temperatur-ydeevne. Tilsætning af blødgøringsmidler såsom dioctyladipat (DOA) og dibutylsebacat (DBS) kan forbedre sejheden.
Strukturelle designfaktorer: Vægtykkelsen og designet af spændingskoncentrationsområder i koppen påvirker revnemodstanden. Forøgelse af vægtykkelsen kan forbedre ydeevnen, men det vil øge omkostningerne.
Miljø- og procesfaktorer: Frysehastighed og temperaturudsving kan fremskynde materialets aldring; fremstillingsprocesser, såsom sprøjtestøbningsparametre og afkølingshastighed, påvirker produktets oprindelige kvalitet.
Materialemodifikation: Reducer Tg af PLA gennem copolymerisation/blanding, tilsæt blødgøringsmidler ved lav-temperatur, og kontroller krystalliniteten med kernedannende midler;
Strukturel optimering: Gør nøgledele som f.eks. skålkanten og bunden tykkere, optimer designet for at reducere stresskoncentrationen, og tag en PLA/PE-kompositstruktur.
Anvendelse og standarder: Undgå langvarig-opbevaring af klare PLA-plastikkopper ved -20 grader, kontroller hastigheden af temperaturændringer; fremme etableringen af PLA lavtemperaturapplikations ydeevnestandarder og brugsretningslinjer.
5.3 Forslag til forbedringer
Materiale ændring:Reducer Tg af PLA gennem copolymerisation/blanding, tilsæt blødgøringsmidler ved lav-temperatur, og kontroller krystalliniteten med kernedannende midler;
Strukturel optimering:Gør nøgledele som f.eks. skålkanten og bunden tykkere, og optimer designet for at reducere stresskoncentrationen.
Anvendelse og standarder:Undgå lang-opbevaring af klare PLA-plastikkopper ved -20 grader, og kontroller hastigheden af temperaturændringer.
5.4 Forskningsbegrænsninger og udsigter
- Denne undersøgelse testede kun 12 oz PLA-klare plastikkopper ved en enkelt temperatur på -20 grader og inden for 72 timer og dækkede ikke andre specifikationer, temperaturer og fugtighedsfaktorer. Fremtidig forskning skal udvide testområdet, udvikle modificerede PLA-materialer, der kan tilpasses til lav-temperatur, forbedre evalueringssystemet og fremme den rationelle anvendelse af PLA i lavtemperaturemballage
-
VI. Oversigt
Denne undersøgelse evaluerede systematisk fryseholdbarheden af almindelige engangsgennemsigtige PLA-plastikkopper ved -20 grader gennem standardiseret testning med følgende nøgleresultater:
Skør brudydelse: Kort-frysning (1-2 timer) resulterede i små til korte revner, mens langtidsfrysning (72 timer) resulterede i en gennemsnitlig revnelængde på 30,5 mm, hvilket førte til fuldstændig strukturel fejl;
Deformationsydelse: Frysning fik de gennemsigtige plastikkopper til at krympe, med en maksimal krympning på -3,7% i skålkantens diameter og -3,1% i højden; deformation intensiveret over tid;
Materialesammenligning: Ydeevnen ved lav-temperatur af PLA er langt ringere end PET og PP, som bibeholdt god integritet i testperioden;
Fejlmekanisme: Lav-temperaturskørhed, termisk spændingskoncentration, ændringer i krystallinitet og spændingsafslapning førte tilsammen til PLA-fejl;
Brugsanbefalinger: Almindelige gennemsigtige PLA-plastikkopper er ikke egnede til lang-brug ved -20 grader; kort-brug kræver forsigtighed; prioritere lavtemperaturtilpasningsmaterialer som PET og PP.
