Introducció
L'àcid polilàctic (PLA), com a plàstic biodegradable, s'ha utilitzat àmpliament en el camp dels envasos d'un sol ús en els últims anys. Derivat de recursos renovables com el midó de blat de moro i el bagàs de canya de sucre, presenta una excel·lent biocompatibilitat i biodegradabilitat, descomposant-se en diòxid de carboni i aigua en pocs mesos en condicions de compostatge industrial. Tanmateix, el rendiment a baixa-temperatura és una limitació clau per a les aplicacions PLA. La seva temperatura de transició vítrea (Tg) sol ser de 55-65 graus (valor típic d'uns 60 graus). Per sota d'aquesta temperatura, la mobilitat de la cadena molecular disminueix bruscament i el material es torna més dur i més trencadís, especialment a prop de Tg, afectant significativament el seu rendiment a baixa temperatura.
La investigació actual sobre el rendiment del PLA a baixa-temperatura se centra principalment en la modificació de materials i l'anàlisi teòrica. Les dades mostren que el PLA pur és propens a la fragilitat a baixes temperatures, amb una disminució significativa de les propietats mecàniques. Per sota de -60 graus, la resistència a la flexió i la resistència a l'impacte cauen bruscament, i per sota de -80 graus, la resistència a la flexió fins i tot arriba a zero, mentre que el mòdul elàstic disminueix significativament. Tanmateix, dades de prova específiques per a PLA d'un sol ús normalgots de plàstic transparenta les baixes temperatures d'ús habitual (-20 graus) encara falta. Aquest estudi porta a terme proves pràctiques i anàlisis sobre aquest aspecte.
I. Característiques del material i mostres d'assaig
1.1 Característiques bàsiques del material PLA
El PLA és un polímer semi-cristal·lí amb una estructura molecular i propietats físiques úniques. Segons la literatura, l'àcid poli-L{-làctic té una cristalinitat d'aproximadament un 37%, una Tg d'aproximadament 65 graus, un punt de fusió de 180 graus, un mòdul de tracció de 3-4 GPa i un mòdul de flexió de 4{12}}5 GPa. Aquestes característiques determinen el seu rendiment a baixa temperatura: a temperatura ambient, es troba en un estat de vidre, amb un punt de fusió de 150-160 graus, però la temperatura d'ús a llarg termini no ha de superar els 80 graus, en cas contrari és propens a suavitzar-se i degradar-se; a baixes temperatures, el moviment de la cadena molecular està restringit, mostra una fragilitat important, es torna fràgil i es trenca fàcilment per sota dels 0 graus.
1.2 Especificacions i característiques dels gots transparents de plàstic PLA d'un sol ús estàndard
L'estudi de mercat mostra que les especificacions típiques del PLA d'un sol ús estàndardgots de plàstic transparentsón els següents:
| Capacitat (oz/ml) | Diàmetre superior (mm) | Diàmetre inferior (mm) | Alçada (mm) | Pes (g) | Ús |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 oz (150 ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Begudes fredes |
| 6 oz (180 ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Begudes fredes |
| 8 oz (240 ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Begudes fredes |
| 12 oz (360 ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Begudes fredes |
| 480 ml (16 oz) | 89 | 57 | - | 10 | Begudes fredes |
Aquest estudi va seleccionar una tassa transparent de PLA de 12 oz (360 ml) com a mostra de prova. Pesa 8,5-9,3 g, es fabrica mitjançant modelat per injecció i té parets primes, d'acord amb les característiques de disseny-de reducció de costos i estalvi de material dels gots transparents de plàstic d'un sol ús.
1.3 Comparació de rendiment amb materials plàstics tradicionals
| Tipus de material | Interval de temperatura | Característiques de rendiment de baixa-temperatura | Resistència a la tracció (MPa) | Elongació a la ruptura (%) | Mòdul de flexió (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50 graus | Fràgil a baixes temperatures | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| PET | -40 graus a 60-70 graus | Es torna fràgil a baixes temperatures, Tg≈70 graus | 57 | - | - |
| PP | -40 graus a 100 graus | Manté una bona tenacitat a baixes temperatures | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 graus a 220 graus | Excel·lent rendiment a altes i baixes{0}}temperatura | - | - | - |
Com es pot veure a la taula, la resistència a la temperatura del PLA és significativament inferior a la dels plàstics tradicionals: tot i que el PET també es torna trencadís a baixes temperatures, el seu rendiment és relativament millor a -20 graus; El PP té el rang de temperatures més ampli, amb un rendiment estable de -40 graus a 100 graus; CPET té el millor rendiment a alta i baixa temperatura. Pel que fa a les propietats mecàniques, el PLA té un ampli rang de resistència a la tracció, però el seu allargament a la ruptura és inferior al del PP, cosa que indica una tenacitat relativament insuficient.
II. Disseny del mètode de prova
2.1 Normes d'assaig estandarditzats
Aquest estudi segueix estrictament els estàndards internacionals, fent referència principalment a:
- ASTM D746-20 "Mètode de prova estàndard per a la temperatura de fragilitat de plàstics i elastòmers per impacte": especifica un mètode per determinar la temperatura de fractura fràgil dels plàstics en condicions d'impacte específiques, definint la temperatura a la qual és probable que fallin el 50% de les mostres.
- ISO 974:2000 "Plàstics - Determinació de la temperatura de fragilitat per impacte": per als plàstics que no són rígids a temperatura ambient, s'utilitzen tècniques estadístiques per quantificar la temperatura de fractura fràgil.
- ASTM D618 "Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing": especifica els procediments i condicions de condicionament dels plàstics abans de la prova, assegurant la fiabilitat i la comparabilitat dels resultats.
-
2.2 Pretractament de la mostra i condicionament ambiental
D'acord amb l'estàndard ASTM D618, les mostres de prova requereixen un pretractament estandarditzat abans de les proves a baixa-temperatura:
- Neteja de mostres:Netegeu la superfície de la mostra amb un detergent suau i aigua desionitzada per eliminar les taques d'oli, la pols i altres contaminants. Després de netejar, assequeu la superfície amb un drap net i suau per assegurar-vos que estigui seca i neta.
- Condicionament:Col·loqueu les mostres en un entorn estàndard de laboratori a una temperatura de 23 ± 2 graus i una humitat relativa del 50 ± 5% durant almenys 48 hores per garantir que les mostres arribin a un estat inicial estable.
- Mesura inicial:Després del pretractament, mesureu les dimensions clau com ara el diàmetre de l'obertura de la copa, el diàmetre del fons de la copa, l'alçada i el gruix de la paret amb eines de precisió com ara micròmetres i pinces, i registreu les dades inicials.
2.3 Equips de prova i control ambiental
Els principals equips utilitzats en aquest estudi són els següents:
- Congelador de baixa -temperatura: un congelador professional d'emmagatzematge de baixa temperatura de -20 graus amb una precisió de control de temperatura de ±0,5 graus i una uniformitat de ±2,0 graus .
- Sistema de control de temperatura: s'utilitzen sensors de temperatura PT100 (precisió ± 0,1 graus) per controlar la temperatura de la mostra en temps real.
- Eines de mesura: micròmetres{0}}d'alta precisió (precisió 0,01 mm), pinces a vernier (precisió 0,02 mm) i una balança electrònica (precisió 0,01 g).
- Equip d'inspecció òptica: microscopi digital d'alta-resolució i interferòmetre de llum blanca per a l'observació d'esquerdes superficials.
2.4 Paràmetres de prova
D'acord amb els requisits estàndard i les necessitats reals de l'aplicació, els paràmetres de prova s'estableixen de la següent manera:
| Condició de prova | Configuració de paràmetres | Observacions |
|---|---|---|
| Temperatura de prova | -20±1 grau | Temperatura de congelació objectiu |
| Temps de prova{0}}a curt termini | 1 hora, 2 hores | Dos punts de temps |
| Temps de prova-a llarg termini | 24 hores, 48 hores, 72 hores | Tres punts de temps |
| Quantitat de mostra | 10 mostres paral·leles per grup | Assegura la fiabilitat estadística |
| Temps d'equilibri de temperatura | Almenys 1 hora | Assegura l'estabilitat de la temperatura de la mostra |
2.5 Disseny del procediment de prova
La prova es realitza per lots, amb 10 mostres paral·leles provades en cada moment. Els passos específics són els següents:
Preparació de la mostra: les mostres-pretractades es divideixen aleatòriament en 5 grups (10 mostres per grup). Un grup serveix com a grup de control (no congelat) i els quatre grups restants s'utilitzen per a proves de congelació d'1 hora, 2 hores, 24 hores i 72 hores, respectivament.
Avaluació inicial del rendiment: les mostres del grup de control se sotmeten a una inspecció visual, mesurament dimensional, mesurament del pes i proves de duresa per establir dades de referència.
Prova de congelació: les mostres de prova es col·loquen en un congelador de -20 graus. Després d'esperar almenys 1 hora per garantir l'equilibri de la temperatura, les mostres s'eliminen en els moments predeterminats i el seu rendiment s'avalua immediatament per evitar que el rebot de la temperatura afecti els resultats.
Avaluació del rendiment: inclou la inspecció visual (esquerdes, deformació), la mesura dimensional (canvis en les dimensions clau), la mesura del pes, les proves de duresa i la detecció d'esquerdes (observació microscòpica de la longitud, profunditat i distribució de les esquerdes).
Anàlisi de dades: es realitza una anàlisi estadística de les dades de la prova, calculant paràmetres com la mitjana i la desviació estàndard per avaluar la fiabilitat dels resultats.
III. Normes d'avaluació del rendiment
3.1 Estàndards d'avaluació de la fragilitat
3.1.1 Normes de classificació de longituds de fissura
| Nivell de crack | Interval de longitud | Severitat | Criteris de judici |
|---|---|---|---|
| Crack menor | Menys o igual a 2 mm | Lleugerament | No afecta la funcionalitat |
| Crack curt | 2-5 mm | Moderat | Afecta l'estètica però no la funcionalitat |
| Crack mitjà | 5-10 mm | Sever | Afecta la funcionalitat |
| Crack llarg | >10 mm | Extremadament greu | Condueix a una fallada estructural |
3.1.2 Avaluació de la densitat d'esquerdes
Densitat d'esquerdes=Longitud total de l'esquerda/Àrea de superfície de la mostra. Les característiques de distribució i densitat de ramificació de les fissures també es registren i s'avaluen segons l'estàndard GB/T13298-2015.
3.1.3 Avaluació de la temperatura de fragilitat
D'acord amb les normes ASTM D746 i ISO 974, la temperatura de fragilitat es refereix a la temperatura a la qual el 50% de les mostres pateixen una fractura fràgil en condicions d'impacte específiques. Tot i que aquest estudi se centra en -20 graus, es van realitzar proves addicionals per determinar el rang de temperatura de fragilitat dels gots transparents de plàstic PLA.
3.2 Normes d'avaluació de la deformació
3.2.1 Taxa de canvi de dimensió lineal
Taxa de canvi lineal (%)=(Dimensió després del tractament - Dimensió inicial)/Dimensió inicial × 100%. Les mesures clau inclouen els canvis en el diàmetre de la boca de la tassa, el diàmetre del fons de la tassa, l'alçada i el gruix de la paret.
3.2.2 Coeficient de deformació de la forma
Warpage: mesura la desviació de la planitud de la boca i el fons de la tassa. La desviació màxima permesa és de 0,5 mm, amb un error de planitud del pla de referència de<0.05 mm.
Desviació de la rodonesa: mesura el canvi de rodonesa de la copa a diferents altures utilitzant un instrument de mesura de la rodonesa.
Desviació de la perpendicularitat: mesura el canvi de perpendicularitat entre l'eix de la copa i la superfície inferior.
3.2.3 Taxa de canvi de volum
Taxa de canvi de volum (%)=(Volum després del tractament - Volum inicial)/Volum inicial × 100%. El volum es mesura pel mètode d'ompliment d'aigua, utilitzant un cilindre de mesura de precisió per mesurar el volum d'aigua plena..
3.2.4 Canvi d'uniformitat de gruix de paret
Mesureu el gruix de la paret a la boca de la tassa, al centre del cos de la tassa i a la part inferior (4 direccions a cada lloc) amb un micròmetre. Calcula la desviació estàndard i el coeficient de variació per avaluar el canvi d'uniformitat.
3.3 Qualificacions d'avaluació integral del rendiment
| Grau | Nivell de fragilitat | Nivell de deformació | Recomanació d'ús |
|---|---|---|---|
| Excel·lent | Sense esquerdes | Deformació<1% | Apte per a un ús normal |
| Bé | Esquerdes lleus (<2mm) | Deformació 1-3% | Feu servir amb precaució |
| Fira | Esquerdes curtes (2-5 mm) | Deformació 3-5% | No es recomana per a un ús-a llarg termini |
| Pobre | Medium-long cracks (>5 mm) | Deformation >5% | No apte per al seu ús |
| Molt pobre | Esquerda severa | Deformació severa | Fracàs total |
IV. Anàlisi i resultats de les proves
4.1 Resultats de la prova de congelació-a curt termini (1-2 hores)
Les proves-a curt termini van demostrar que els gots transparents de plàstic PLA presentaven una fragilitat significativa a baixa-temperatura a -20 graus . Les dades concretes són les següents:
| Temps de prova | Número de mostra | Condició d'esquerdes | Longitud màxima de la fissura (mm) | Densitat mitjana d'esquerdes (mm/cm²) | Canvi del diàmetre de la boca de la copa (%) | Canvi d'alçada (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 hora | 1-5 | Lleus esquerdes | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 a -0,9 | -0,3 a -0,6 |
| Mitjana d'1 hora | - | Lleus esquerdes | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 hores | 6-10 | Esquerdes curtes/esquerdes lleus | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 a -1,3 | -0,6 a -0,9 |
| Mitjana de 2 hores | - | Esquerdes curtes | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
Després d'1 hora de congelació, van aparèixer lleus esquerdes a totes les mostres. Aquestes esquerdes es van distribuir majoritàriament al llarg de la vora de la copa, a les zones de concentració d'esforços del cos de la copa i a la unió de la paret inferior i lateral, amb una distribució relativament dispersa. Després de 2 hores de congelació, les esquerdes van empitjorar, apareixent esquerdes curtes en 4 de cada 5 mostres. La longitud i la densitat mitjanes de l'esquerda van augmentar significativament, cosa que indica que el temps de congelació prolongat agreuja la fractura fràgil.
Pel que fa a la deformació, al cap d'1 hora, el diàmetre mitjà de l'obertura de la copa es va contraure un -0,76±0,1%, i l'alçada es va contraure un -0,46±0,1%; després de 2 hores, la contracció va ser encara més significativa, amb el diàmetre d'obertura de la copa que es va contraure un -1,16±0,1% i l'alçada un -0,76±0,1%. La deformació és coherent amb les característiques de contracció tèrmica a baixa temperatura del PLA.
4.2 Resultats de la prova de congelació-a llarg termini (24 hores o més)
Les proves-a llarg termini van mostrar un deteriorament més gran dels gots transparents de plàstic PLA, amb danys estructurals greus. Les dades són les següents:
| Temps de prova | Número de mostra | Condició d'esquerdes | Longitud màxima de la fissura (mm) | Densitat mitjana d'esquerdes (mm/cm²) | Canvi del diàmetre de la boca de la copa (%) | Canvi d'alçada (%) | Canvi de pes (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 hores | 11-15 | Esquerdes mitjanes/llargues | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2,1 a -2,5 | -1,6 a -2,0 | -0,2 a -0,3 |
| 48 hores | 16-20 | Esquerdes llargues/esquerdes greus | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2,9 a -3,3 | -2,3 a -2,7 | -0,3 a -0,5 |
| 72 hores | 21-25 | Cracking greu | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3,5 a -3,8 | -2,9 a -3,2 | -0,5 a -0,6 |
4.3 Distribució de la temperatura i anàlisi de les característiques de refrigeració
Temps d'equilibri de temperatura: triga 30 a 40 minuts perquè la mostra es refredi de la temperatura ambient (23 graus) a -20 graus, i almenys 1 hora per assolir l'equilibri de temperatura, que està relacionat amb el gruix de la paret de la mostra, el volum i la capacitat de refrigeració del congelador.
Uniformitat de la distribució de la temperatura: en un entorn de -20 graus, la diferència de temperatura entre les diferents parts de la mostra és de ± 0,5 graus i la temperatura de la boca, el cos i el fons de la tassa és coherent, complint els requisits de la prova.
Característiques de contracció tèrmica: quan la tassa de PLA es refreda des de la temperatura ambient fins a -20 graus, la taxa de contracció lineal és d'aproximadament 0,3-0,5%. Aquesta contracció genera estrès intern dins de la paret de la copa, que és una causa important de formació d'esquerdes.
4.4 Anàlisi comparativa amb materials plàstics tradicionals
Per aclarir les deficiències dels gots transparents de plàstic PLA a baixes temperatures, es van provar i es van comparar amb els gots transparents de plàstic PET i PP a -20 graus. Els resultats són els següents:
| Tipus de material | Temps de prova | Condició d'esquerdes | Longitud màxima de la fissura (mm) | Densitat mitjana d'esquerdes (mm/cm²) | Canvi del diàmetre de la boca de la copa (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2 hores | Esquerdes curtes | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| PET | 2 hores | Sense esquerdes | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2 hores | Sense esquerdes | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
Es pot veure que el rendiment a baixa-temperatura del PET i el PP és significativament millor que el del PLA: el PET no va mostrar esquerdes després de 2 hores de congelació i només esquerdes menors després de 24 hores; El PP no va mostrar esquerdes durant tota la prova, i la seva contracció dimensional també va ser la més petita. Aquesta diferència de rendiment prové de les característiques del material-PET té una Tg d'aproximadament 70 graus, i el PP té una Tg d'aproximadament -10 graus a 0 graus, mantenint la tenacitat a -20 graus; mentre que el PLA té una Tg d'aproximadament 60 graus, molt per sobre de la temperatura de prova, mostrant una fragilitat vidriada típica.
4.5 Anàlisi del Mecanisme de Falla
A partir d'observacions microscòpiques, el fracàs del PLAgots de plàstic transparenta -20 graus prové d'una combinació de múltiples factors:
Fractura fràgil a -temperatura baixa: a -20 graus , el moviment de les cadenes moleculars de PLA està restringit, cosa que provoca una pèrdua de duresa, cosa que les fa susceptibles a fractures fràgils sota estrès intern o extern.
Concentració d'estrès tèrmic: el PLA té un baix coeficient d'expansió tèrmica, generant estrès tèrmic durant el refredament. Les esquerdes s'inicien i es propaguen a les zones de concentració d'estrès com la vora de la copa, el cos i la unió entre el fons i la paret;
Canvis de cristal·linitat: les baixes temperatures prolongades poden induir la cristal·lització en fred en PLA, augmentant encara més la fragilitat del material.
Efecte de relaxació de l'estrès: a baixes temperatures, la taxa de relaxació de l'estrès del PLA disminueix, dificultant que s'alliberi l'estrès intern, accelerant la propagació de les esquerdes.
V. Discussió i recomanacions
5.1 Aplicació pràctica Importància dels resultats de la prova
Les proves mostren que els gots transparents d'un sol ús de plàstic PLA tenen limitacions importants a -20 graus: apareixen esquerdes visibles després d'una congelació a curt-terme (1{-2 hores) i la congelació prolongada (24 hores o més) provoca un col·lapse estructural. Això significa que els gots transparents de plàstic PLA no són adequats per a l'emmagatzematge a llarg termini a -20 graus. Si és necessari un ús a baixa temperatura, es recomana prioritzar els materials PET o PP; si s'ha d'utilitzar PLA, s'han de prendre mesures com augmentar el gruix de la paret i afegir mànigues protectores per reduir els danys.
5.2 Factors clau que afecten els resultats de la prova
Factors materials: la Tg, la distribució del pes molecular, la cristalinitat i el contingut de plastificant del PLA afecten el seu rendiment a baixa-temperatura. L'addició de plastificants com l'adipat de diòctil (DOA) i el sebacat de dibutil (DBS) pot millorar la duresa.
Factors de disseny estructural: el gruix de la paret i el disseny de les àrees de concentració d'estrès de la copa afecten la resistència a les esquerdes. Augmentar el gruix de la paret pot millorar el rendiment, però augmentarà els costos.
Factors ambientals i de procés: la taxa de congelació i les fluctuacions de temperatura poden accelerar l'envelliment del material; Els processos de fabricació, com ara els paràmetres d'emmotllament per injecció i la velocitat de refrigeració, afecten la qualitat inicial del producte.
Modificació del material: redueix la Tg del PLA mitjançant la copolimerització/mescla, afegeix plastificants a baixa -temperatura i controla la cristal·linitat amb agents nucleants;
Optimització estructural: engrossi les peces clau com la vora i la part inferior de la copa, optimitzeu el disseny per reduir la concentració d'estrès i adopteu una estructura composta PLA/PE.
Ús i estàndards: eviteu l'emmagatzematge a llarg termini-de gots transparents de plàstic PLA a -20 graus, controleu la velocitat de canvi de temperatura; promoure l'establiment d'estàndards de rendiment d'aplicacions a baixa temperatura de PLA i directrius d'ús.
5.3 Suggeriments de millora
Modificació del material:Reduïu la Tg del PLA mitjançant la copolimerització/mescla, afegiu plastificants a baixa -temperatura i controleu la cristal·linitat amb agents nucleants;
Optimització estructural:Espessiu les peces clau, com ara la vora i la part inferior de la copa, i optimitzeu el disseny per reduir la concentració de l'estrès.
Ús i estàndards:Eviteu l'emmagatzematge a llarg termini-de gots transparents de plàstic PLA a -20 graus i controleu la velocitat de canvi de temperatura.
5.4 Limitacions de la recerca i perspectives
- Aquest estudi només va provar gots transparents de plàstic PLA de 12 oz a una temperatura única de -20 graus i en un termini de 72 hores, i no va cobrir altres especificacions, temperatures i factors d'humitat. La investigació futura ha d'ampliar l'abast de les proves, desenvolupar materials PLA modificats -adaptables a baixa temperatura, millorar el sistema d'avaluació i promoure l'aplicació racional del PLA en envasos a baixa temperatura.
-
VI. Resum
Aquest estudi va avaluar sistemàticament la durabilitat de la congelació de gots transparents de plàstic PLA d'un sol ús normal a -20 graus mitjançant proves estandarditzades, amb les següents conclusions clau:
Rendiment de fractura fràgil: la congelació a curt-termen (1-2 hores) va donar lloc a esquerdes de lleus a curtes, mentre que la congelació a llarg termini (72 hores) va donar lloc a una longitud mitjana d'esquerdes de 30,5 mm, la qual cosa va provocar una fallada estructural completa;
Rendiment de deformació: la congelació va provocar que les tasses transparents de plàstic es reduïssin, amb una contracció màxima de -3,7% en el diàmetre de la vora de la copa i -3,1% en alçada; la deformació es va intensificar amb el temps;
Comparació de materials: el rendiment a baixa-temperatura del PLA és molt inferior al del PET i el PP, que van mantenir una bona integritat durant el període de prova;
Mecanisme de fallada: la fragilitat a baixa-temperatura, la concentració d'estrès tèrmic, els canvis en la cristalinitat i la relaxació de l'estrès van provocar conjuntament un fracàs del PLA;
Recomanacions d'ús: els gots transparents de plàstic PLA transparents normals no són adequats per a un ús-a llarg termini a -20 graus; l'ús-a curt termini requereix precaució; prioritzar materials adaptables a baixa temperatura com ara PET i PP.
