Увод
Полимлечна киселина (ПЛА), као биоразградива пластика, последњих година се широко користи у области амбалаже за једнократну употребу. Произведен из обновљивих извора као што су кукурузни скроб и багаса шећерне трске, показује одличну биокомпатибилност и биоразградљивост, разлажући се на угљен-диоксид и воду у року од неколико месеци под индустријским условима компостирања. Међутим, ниска{2}}перформанса је кључно ограничење за ПЛА апликације. Његова температура преласка у стакло (Тг) је типично 55-65 степени (типична вредност око 60 степени). Испод ове температуре, покретљивост молекуларног ланца нагло опада, а материјал постаје тврђи и крхкији, посебно близу Тг, што значајно утиче на његове перформансе на ниским температурама.
Тренутна истраживања о ниским{0}температурним перформансама ПЛА углавном се фокусирају на модификацију материјала и теоријску анализу. Подаци показују да је чист ПЛА подложан кртости на ниским температурама, уз значајно смањење механичких својстава. Испод -60 степени, чврстоћа на савијање и ударна чврстоћа нагло падају, а испод -80 степени, чврстоћа на савијање чак достиже нулу, док се модул еластичности значајно смањује. Међутим, специфични тестови за обичне ПЛА за једнократну употребупластичне прозирне чашена уобичајено коришћеним ниским температурама (-20 степени) још увек недостаје. Ова студија спроводи практично тестирање и анализу овог аспекта.
И. Карактеристике материјала и узорци за испитивање
1.1 Основне карактеристике ПЛА материјала
ПЛА је полу{0}}кристални полимер са јединственом молекуларном структуром и физичким својствима. Према литератури, поли-Л-млечна киселина има кристалност од приближно 37%, Тг од приближно 65 степени, тачку топљења од 180 степени, модул затезања од 3-4 ГПа и модул савијања од 4-5 ГПа. Ове карактеристике одређују његове перформансе на ниским температурама: на собној температури је у стакластом стању, са тачком топљења од 150-160 степени, али температура дуготрајне употребе не би требало да пређе 80 степени, иначе је склона омекшавању и деградацији; на ниским температурама, кретање молекуларног ланца је ограничено, показујући значајну ломљивост, постајући крхки и лако се ломе испод 0 степени.
1.2 Спецификације и карактеристике стандардних ПЛА пластичних прозирних чаша за једнократну употребу
Истраживање тржишта показује да су типичне спецификације стандардног ПЛА за једнократну употребупластичне прозирне чашесу следеће:
| Капацитет (оз/мл) | Горњи пречник (мм) | Доњи пречник (мм) | Висина (мм) | Тежина (г) | Користите |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 оз (150 мл) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Хладна пића |
| 6 оз (180 мл) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Хладна пића |
| 8 оз (240 мл) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Хладна пића |
| 12 оз (360 мл) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Хладна пића |
| 16 оз (480 мл) | 89 | 57 | - | 10 | Хладна пића |
Ова студија је одабрала уобичајено доступну ПЛА прозирну чашу од 12 оз (360 мл) као тест узорак. Тежак је 8,5-9,3г, произведен је бризгањем и има танке зидове, у складу са карактеристикама-смањења трошкова и дизајна за уштеду материјала пластичних прозирних чаша за једнократну употребу.
1.3 Поређење перформанси са традиционалним пластичним материјалима
| Врста материјала | Температурни опсег | Карактеристике перформанси при ниској{0}температури | Затезна чврстоћа (МПа) | Издужење при прекиду (%) | Модул савијања (ГПа) |
|---|---|---|---|---|---|
| ПЛА | 45-50 степени | Крхко на ниским температурама | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| ПЕТ | -40 степени до 60-70 степени | Постаје крт на ниским температурама, Тг≈70 степени | 57 | - | - |
| ПП | -40 степени до 100 степени | Одржава добру жилавост на ниским температурама | 41-100 | 3.0-80 | - |
| ЦПЕТ | -40 степени до 220 степени | Одличне перформансе на високим и ниским{0}температурама | - | - | - |
Као што се може видети из табеле, температурна отпорност ПЛА је знатно нижа од отпорности традиционалне пластике: иако ПЕТ такође постаје крт на ниским температурама, његове перформансе су релативно боље на -20 степени; ПП има најшири температурни опсег, са стабилним перформансама од -40 степени до 100 степени; ЦПЕТ има најбоље перформансе на високим и ниским температурама. У погледу механичких својстава, ПЛА има широк опсег затезне чврстоће, али је његово издужење при кидању ниже од ПП, што указује на релативно недовољну жилавост.
ИИ. Дизајн методе испитивања
2.1 Стандардизовани стандарди испитивања
Ова студија стриктно прати међународне стандарде, углавном се позивајући на:
- АСТМ Д746-20 „Стандардна метода испитивања за температуру ломљивости пластике и еластомера услед удара“: Одређује методу за одређивање температуре лома пластике под специфичним условима удара, дефинишући температуру при којој је вероватно да ће 50% узорака отказати.
- ИСО 974:2000 „Пластика - Одређивање температуре ломљивости при удару“: За пластику која није крута на собној температури, статистичке технике се користе за квантификацију температуре кртог лома.
- АСТМ Д618 „Стандард Працтице фор Цондитионинг Пластицс фор Тестинг“: Специфицира поступке и услове кондиционирања за пластику пре тестирања, осигуравајући поузданост и упоредивост резултата.
-
2.2 Предтретман узорка и кондиционирање околине
У складу са стандардом АСТМ Д618, узорци за испитивање захтевају стандардизовану претходну обраду пре тестирања на ниским{1}}температурама:
- Пример чишћења:Очистите површину узорка благим детерџентом и дејонизованом водом да бисте уклонили мрље од уља, прашину и друге загађиваче. Након чишћења, осушите површину чистом, меком крпом како бисте били сигурни да је сува и чиста.
- Кондиционирање:Ставите узорке у стандардно лабораторијско окружење на температури од 23±2 степена и релативној влажности од 50±5% најмање 48 сати како бисте осигурали да узорци достигну стабилно почетно стање.
- Почетно мерење:Након претходног третмана, измерите кључне димензије као што су пречник отвора чаше, пречник дна шоље, висина и дебљина зида помоћу прецизних алата као што су микрометри и чељусти, и запишите почетне податке.
2.3 Опрема за тестирање и контрола животне средине
Главна опрема коришћена у овој студији је следећа:
- Ниско-Замрзивач за ниску температуру: Професионални -замрзивач на 20 степени са ниском температуром са тачношћу контроле температуре од ±0,5 степени и уједначеношћу од ±2,0 степени.
- Систем за праћење температуре: ПТ100 температурни сензори (тачност ±0,1 степен) се користе за праћење температуре узорка у реалном времену.
- Алати за мерење: Високо{0}}прецизни микрометри (прецизност 0,01 мм), мерна мерила (прецизност 0,02 мм) и електронска вага (прецизност 0,01 г).
- Опрема за оптичку инспекцију: дигитални микроскоп-високе резолуције и интерферометар беле светлости за посматрање површинских пукотина.
2.4 Поставке параметара тестирања
На основу стандардних захтева и стварних потреба примене, параметри теста се постављају на следећи начин:
| Тест Цондитион | Подешавање параметара | Примедбе |
|---|---|---|
| Тест Температура | -20±1 степен | Циљана температура смрзавања |
| Краткорочно{0}}време тестирања | 1 сат, 2 сата | Две временске тачке |
| Дуготрајно{0}}време тестирања | 24 сата, 48 сати, 72 сата | Три временске тачке |
| Количина узорка | 10 паралелних узорака по групи | Осигурава статистичку поузданост |
| Време температурне равнотеже | Најмање 1 сат | Осигурава температурну стабилност узорка |
2.5 Дизајн процедуре тестирања
Тест се спроводи у серијама, са 10 паралелних узорака тестираних у свакој временској тачки. Конкретни кораци су следећи:
Припрема узорка: Претходно{0}}третирани узорци су насумично подељени у 5 група (10 узорака по групи). Једна група служи као контролна група (није замрзнута), а преостале четири групе се користе за 1-часовне, 2-часовне, 24-часовне и 72-часовне тестове замрзавања, респективно.
Иницијална процена учинка: Узорци контролне групе се подвргавају визуелној инспекцији, мерењу димензија, мерењу тежине и тестирању тврдоће да би се утврдили основни подаци.
Тест замрзавања: Узорци за испитивање се стављају у замрзивач на -20 степени. Након чекања најмање 1 сат да би се обезбедила температурна равнотежа, узорци се уклањају у унапред одређено време, а њихов учинак се одмах процењује како би се избегло да повратна температура утиче на резултате.
Процена перформанси: Ово укључује визуелну инспекцију (пукотине, деформације), мерење димензија (промене кључних димензија), мерење тежине, испитивање тврдоће и детекцију пукотина (микроскопско посматрање дужине, дубине и дистрибуције пукотина).
Анализа података: Статистичка анализа се врши на подацима теста, рачунајући параметре као што су средња вредност и стандардна девијација да би се проценила поузданост резултата.
ИИИ. Стандарди вредновања учинка
3.1 Стандарди за процену крхкости
3.1.1 Стандарди класификације дужине пукотине
| Црацк Левел | Ленгтх Ранге | Озбиљност | Критеријуми пресуде |
|---|---|---|---|
| Минор Црацк | Мање или једнако 2 мм | Слаб | Не утиче на функционалност |
| Схорт Црацк | 2-5мм | Умерено | Утиче на естетику, али не и на функционалност |
| Медиум Црацк | 5-10мм | Тешка | Утиче на функционалност |
| Лонг Црацк | >10мм | Изузетно озбиљно | Доводи до структуралног квара |
3.1.2 Процена густине пукотина
Густина пукотине=Укупна дужина пукотине / површина узорка. Густина гранања пукотина и карактеристике дистрибуције се такође снимају и процењују према ГБ/Т13298-2015 стандарду.
3.1.3 Процена температуре ломљивости
Према стандардима АСТМ Д746 и ИСО 974, температура ломљивости се односи на температуру на којој се 50% узорака подвргава кртом лому под одређеним условима удара. Иако се ова студија фокусира на -20 степени, спроведени су додатни тестови да би се одредио опсег температуре ломљивости ПЛА пластичних прозирних чаша.
3.2 Стандарди за процену деформација
3.2.1 Стопа промене линеарне димензије
Стопа линеарне промене (%)=(Димензија након третмана - Почетна димензија) / Почетна димензија × 100%. Кључна мерења укључују промене у пречнику отвора чаше, пречнику дна шоље, висини и дебљини зида.
3.2.2 Коефицијент деформације облика
Искривљење: Измерите одступање равности отвора и дна шоље. Максимално дозвољено одступање је 0,5 мм, са грешком равности референтне равни од<0.05 mm.
Одступање заобљености: Измерите промену заобљености чаше на различитим висинама помоћу инструмента за мерење заобљености.
Одступање од перпендикуларности: Измерите промену окомитости између осе чаше и доње површине.
3.2.3 Стопа промене запремине
Стопа промене запремине (%)=(Запремина након третмана - Почетна запремина) / Почетна запремина × 100%. Запремина се мери методом пуњења водом, користећи прецизни мерни цилиндар за мерење запремине напуњене воде.
3.2.4 Промена униформности дебљине зида
Измерите дебљину зида на отвору шоље, средини тела шоље и дну (4 правца на свакој локацији) користећи микрометар. Израчунајте стандардну девијацију и коефицијент варијације да бисте проценили промену униформности.
3.3 Свеобухватна оцена учинка
| Оцена | Ниво крхкости | Ниво деформације | Препорука за употребу |
|---|---|---|---|
| Одлично | Нема пукотина | Деформација<1% | Погодно за нормалну употребу |
| Добро | Мале пукотине (<2mm) | Деформација 1-3% | Користите са опрезом |
| Сајам | Кратке пукотине (2-5мм) | Деформација 3-5% | Не препоручује се за{0}}дуготрајну употребу |
| Јадно | Medium-long cracks (>5мм) | Deformation >5% | Неприкладан за употребу |
| Веома лоше | Јако пуцање | Тешка деформација | Потпуни неуспех |
ИВ. Резултати испитивања и анализа
4.1 Краткотрајни-резултати теста замрзавања (1-2 сата)
Краткорочни{0}тестови су показали да су ПЛА пластичне прозирне чаше показале значајну ломљивост при ниској-температури на -20 степени. Конкретни подаци су следећи:
| Тест Тиме | Број узорка | Црацкинг Цондитион | Максимална дужина пукотине (мм) | Просечна густина пукотина (мм/цм²) | Промена пречника уста (%) | Промена висине (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 сат | 1-5 | Лагане пукотине | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 до -0,9 | -0,3 до -0,6 |
| Просек за 1 сат | - | Лагане пукотине | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 сата | 6-10 | Кратке пукотине/Мале пукотине | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 до -1,3 | -0,6 до -0,9 |
| 2-сатни просек | - | Кратке пукотине | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
После 1 сата замрзавања, у свим узорцима су се појавиле мале пукотине. Ове пукотине су углавном биле распоређене по ободу чаше, у областима концентрације напона тела чаше и на споју дна и бочног зида, са релативно раштрканом дистрибуцијом. Након 2 сата замрзавања, пукотине су се погоршале, а кратке пукотине су се појавиле у 4 од 5 узорака. Просечна дужина и густина пукотине су се значајно повећале, што указује на то да продужено време замрзавања погоршава крхки лом.
Што се тиче деформације, после 1 сата, просечни пречник отвора чаше се смањио за -0,76±0,1%, а висина за -0,46±0,1%; након 2 сата, контракција је била још значајнија, при чему се пречник отвора чаше смањио за -1,16±0,1%, а висина за -0,76±0,1%. Деформација је у складу са карактеристикама термичког скупљања на ниским температурама ПЛА.
4.2 Дуготрајни-резултати теста замрзавања (24 сата или више)
Дуготрајно{0}}тестирање је показало даље пропадање ПЛА пластичних прозирних чаша, уз озбиљна оштећења структуре. Подаци су следећи:
| Тест Тиме | Број узорка | Црацк Цондитион | Максимална дужина пукотине (мм) | Просечна густина пукотина (мм/цм²) | Промена пречника уста (%) | Промена висине (%) | Промена тежине (г) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 сата | 11-15 | Средње/дуге пукотине | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2,1 до -2,5 | -1,6 до -2,0 | -0,2 до -0,3 |
| 48 сати | 16-20 | Дуге пукотине/тешко пуцање | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2,9 до -3,3 | -2,3 до -2,7 | -0,3 до -0,5 |
| 72 сата | 21-25 | Јако пуцање | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3,5 до -3,8 | -2,9 до -3,2 | -0,5 до -0,6 |
4.3 Расподела температуре и анализа карактеристика хлађења
Време температурне равнотеже: Потребно је 30-40 минута да се узорак охлади са собне температуре (23 степена) на -20 степени и најмање 1 сат да се постигне температурна равнотежа, која је повезана са дебљином зида узорка, запремином и капацитетом хлађења замрзивача.
Уједначеност дистрибуције температуре: У окружењу од -20 степени, температурна разлика између различитих делова узорка је унутар ±0,5 степени, а температура уста, тела и дна чаше је конзистентна, испуњавајући захтеве испитивања.
Карактеристике термичког скупљања: Када се ПЛА чаша охлади са собне температуре на -20 степени, линеарна стопа скупљања је приближно 0,3-0,5%. Ово скупљање ствара унутрашње напрезање унутар зида чаше, што је значајан узрок стварања пукотина.
4.4 Компаративна анализа са традиционалним пластичним материјалима
Да би се разјаснили недостаци ПЛА пластичних прозирних чаша на ниским температурама, они су тестирани и упоређени са ПЕТ и ПП пластичним прозирним чашама на -20 степени. Резултати су следећи:
| Врста материјала | Тест Тиме | Црацкинг Цондитион | Максимална дужина пукотине (мм) | Просечна густина пукотина (мм/цм²) | Промена пречника уста (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| ПЛА | 2 сата | Кратке пукотине | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| ПЕТ | 2 сата | Нема пукотина | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| ПП | 2 сата | Нема пукотина | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
Може се видети да су перформансе на ниским{0}}има код ПЕТ-а и ПП-а знатно боље од оних код ПЛА: ПЕТ није показао пукотине након 2 сата замрзавања, а само мање пукотине након 24 сата; ПП није показао пукотине током теста, а његово димензионално скупљање је такође било најмање. Ова разлика у перформансама произилази из карактеристика материјала-ПЕТ има Тг од приближно 70 степени, а ПП има Тг од приближно -10 степени до 0 степени, одржавајући жилавост на -20 степени; док ПЛА има Тг од приближно 60 степени, далеко изнад температуре испитивања, показујући типичну стакласту крхкост.
4.5 Анализа механизма отказа
На основу микроскопских запажања, неуспех ПЛАпластичне прозирне чашена -20 степени произилази из комбинације више фактора:
Крт лом{0}}при ниској температури: На -20 степени, кретање ПЛА молекуларних ланаца је ограничено, што доводи до губитка жилавости, што их чини подложним кртом лому под унутрашњим или спољашњим стресом.
Концентрација топлотног напрезања: ПЛА има низак коефицијент топлотног ширења, стварајући топлотни стрес током хлађења. Пукотине настају и шире се у областима концентрације напона као што су обод чаше, тело и спој између дна и зида;
Промене кристалности: продужене ниске температуре могу изазвати хладну кристализацију у ПЛА, додатно повећавајући кртост материјала.
Ефекат опуштања напрезања: На ниским температурама, стопа релаксације напона ПЛА се смањује, што отежава ослобађање унутрашњег напрезања, убрзавајући ширење прслине.
В. Дискусија и препоруке
5.1 Практична примена Значај резултата теста
Тестови показују да обичне прозирне ПЛА пластичне прозирне чаше за једнократну употребу имају значајна ограничења на -20 степени: видљиве пукотине се појављују након краткотрајног-(1-2 сата) замрзавања, а продужено (24 сата или више) замрзавање доводи до структуралног колапса. То значи да ПЛА пластичне прозирне чаше нису погодне за дуготрајно складиштење на -20 степени. Ако је неопходна употреба на ниским температурама, препоручује се давање приоритета ПЕТ или ПП материјалима; ако се ПЛА мора користити, треба предузети мере као што су повећање дебљине зида и додавање заштитних навлака да би се смањила штета.
5.2 Кључни фактори који утичу на резултате теста
Фактори материјала: Тг, дистрибуција молекулске тежине, кристалност и садржај пластификатора ПЛА утичу на перформансе на ниским{0}}има. Додавање пластификатора као што су диоктил адипат (ДОА) и дибутил себакат (ДБС) може побољшати жилавост.
Фактори структуралног дизајна: Дебљина зида и дизајн области концентрације напона чаше утичу на отпорност на пуцање. Повећање дебљине зида може побољшати перформансе, али ће повећати трошкове.
Фактори животне средине и процеси: Брзина смрзавања и температурне флуктуације могу убрзати старење материјала; производни процеси, као што су параметри бризгања и брзина хлађења, утичу на почетни квалитет производа.
Модификација материјала: Смањите Тг ПЛА кополимеризацијом/мешањем, додајте пластификаторе на ниској{0}}температури и контролишете кристалност помоћу агенаса за нуклеацију;
Оптимизација структуре: Подебљајте кључне делове као што су обод чаше и дно, оптимизујте дизајн да бисте смањили концентрацију напрезања и усвојите ПЛА/ПЕ композитну структуру.
Употреба и стандарди: Избегавајте-дуготрајно складиштење ПЛА пластичних прозирних чаша на -20 степени, контролишите брзину промене температуре; промовишу успостављање ПЛА стандарда перформанси апликација за ниске температуре и упутства за употребу.
5.3 Предлози за побољшање
Модификација материјала:Смањите Тг ПЛА кополимеризацијом/мешањем, додајте пластификаторе ниских{0}}температура и контролишете кристалност помоћу агенаса за нуклеацију;
Оптимизација структуре:Подебљајте кључне делове као што су обод и дно чаше и оптимизујте дизајн да бисте смањили концентрацију напрезања.
Употреба и стандарди:Избегавајте{0}}дуготрајно складиштење ПЛА пластичних прозирних чаша на -20 степени и контролишите брзину промене температуре.
5.4 Ограничења истраживања и изгледи
- Ова студија је тестирала само пластичне прозирне чаше од 12 оз ПЛА на једној температури од -20 степени иу року од 72 сата и није покривала друге спецификације, температуре и факторе влажности. Будућа истраживања треба да прошире опсег тестирања, развију модификоване ПЛА материјале који се могу прилагодити ниским{5}}температурама, побољшати систем евалуације и промовисати рационалну примену ПЛА у паковању на ниским температурама
-
ВИ. Резиме
Ова студија је систематски процењивала издржљивост обичних прозирних ПЛА пластичних прозирних чаша за једнократну употребу на -20 степени кроз стандардизовано тестирање, са следећим кључним налазима:
Перформансе кртог лома: Краткотрајно-смрзавање (1-2 сата) је довело до малих до кратких пукотина, док је дуготрајно смрзавање (72 сата) резултирало просечном дужином пукотине од 30,5 мм, што је довело до потпуног квара конструкције;
Перформансе деформације: Смрзавање је довело до скупљања пластичних прозирних чаша, са максималним скупљањем од -3,7% у пречнику обода чаше и -3,1% у висини; деформација се временом интензивирала;
Поређење материјала: Ниско{0}}перформансе ПЛА на ниским температурама су далеко инфериорније у односу на ПЕТ и ПП, који су задржали добар интегритет током периода тестирања;
Механизам квара: Кртост при ниској-температури, концентрација термичког напрезања, промене у кристалиничности и релаксација напона заједно су довели до отказивања ПЛА;
Препоруке за употребу: Обичне прозирне ПЛА пластичне прозирне чаше нису погодне за дуготрајну-употребу на -20 степени; краткорочна{3}} употреба захтева опрез; дати приоритет материјалима који се могу прилагодити ниским температурама као што су ПЕТ и ПП.
