Introduktion
Polymjölksyra (PLA), som en biologiskt nedbrytbar plast, har använts i stor utsträckning inom engångsförpackningar de senaste åren. Utvunnet från förnybara resurser som majsstärkelse och sockerrörsbagass, uppvisar den utmärkt biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet, och sönderdelas till koldioxid och vatten inom några månader under industriella komposteringsförhållanden. Men prestanda vid låga-temperaturer är en viktig begränsning för PLA-applikationer. Dess glastemperatur (Tg) är vanligtvis 55-65 grader (typiskt värde runt 60 grader). Under denna temperatur minskar molekylkedjerörligheten kraftigt, och materialet blir hårdare och sprödare, särskilt nära Tg, vilket signifikant påverkar dess lågtemperaturprestanda.
Aktuell forskning om PLA låg-temperaturprestanda fokuserar huvudsakligen på materialmodifiering och teoretisk analys. Data visar att ren PLA är benägen att bli spröd vid låga temperaturer, med en signifikant minskning av mekaniska egenskaper. Under -60 grader sjunker böjhållfastheten och slaghållfastheten kraftigt, och under -80 grader når böjhållfastheten till och med noll, medan elasticitetsmodulen minskar avsevärt. Däremot specifika testdata för vanlig engångs-PLAklara plastmuggarvid vanligt använda låga temperaturer (-20 grader) saknas fortfarande. Denna studie genomför praktiska tester och analyser på denna aspekt.
I. Materialegenskaper och testprover
1.1 Grundläggande egenskaper hos PLA-material
PLA är en semi-kristallin polymer med en unik molekylstruktur och fysikaliska egenskaper. Enligt litteraturen har poly-L-mjölksyra en kristallinitet på ungefär 37 %, en Tg på ungefär 65 grader, en smältpunkt på 180 grader, en dragmodul på 3-4 GPa och en böjmodul på 4-5 GPa. Dessa egenskaper bestämmer dess lågtemperaturprestanda: vid rumstemperatur är den i ett glasartat tillstånd, med en smältpunkt på 150-160 grader , men den långvariga användningstemperaturen bör inte överstiga 80 grader , annars är den benägen att mjukna och nedbrytas; vid låga temperaturer är molekylkedjerörelsen begränsad, uppvisar betydande sprödhet, blir ömtålig och lätt bryts under 0 grader .
1.2 Specifikationer och egenskaper för klara engångsmuggar av PLA-plast
Marknadsundersökningar visar att de typiska specifikationerna för standard engångs-PLAklara plastmuggarär följande:
| Kapacitet (oz/ml) | Toppdiameter (mm) | Bottendiameter (mm) | Höjd (mm) | Vikt (g) | Använda |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 oz (150 ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Kalla drycker |
| 6 oz (180 ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Kalla drycker |
| 8 oz (240 ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Kalla drycker |
| 12 oz (360 ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Kalla drycker |
| 16 oz (480 ml) | 89 | 57 | - | 10 | Kalla drycker |
Denna studie valde en allmänt tillgänglig 12oz (360ml) PLA transparent kopp som testprov. Den väger 8,5-9,3 g, tillverkas med formsprutning och har tunna väggar, vilket överensstämmer med kostnads-reduktionen och materialbesparande designegenskaper hos klara engångsmuggar av plast.
1.3 Prestandajämförelse med traditionella plastmaterial
| Materialtyp | Temperaturområde | Prestandaegenskaper för låg-temperatur | Draghållfasthet (MPa) | Förlängning vid brytning (%) | Böjmodul (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50 grader | Spröd vid låga temperaturer | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| SÄLLSKAPSDJUR | -40 grader till 60-70 grader | Blir spröd vid låga temperaturer, Tg≈70 grader | 57 | - | - |
| PP | -40 grader till 100 grader | Bibehåller god seghet vid låga temperaturer | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 grader till 220 grader | Utmärkt prestanda vid hög och låg-temperatur | - | - | - |
Som framgår av tabellen är temperaturbeständigheten för PLA betydligt lägre än för traditionell plast: även om PET också blir spröd vid låga temperaturer, är dess prestanda relativt sett bättre vid -20 grader; PP har det bredaste temperaturområdet, med stabil prestanda från -40 grader till 100 grader; CPET har den bästa prestanda vid hög och låg temperatur. När det gäller mekaniska egenskaper har PLA ett brett intervall av draghållfasthet, men dess brotttöjning är lägre än för PP, vilket indikerar relativt otillräcklig seghet.
II. Testmetoddesign
2.1 Standardiserade teststandarder
Denna studie följer strikt internationella standarder, huvudsakligen med hänvisning till:
- ASTM D746-20 "Standardtestmetod för sprödhetstemperatur för plaster och elastomerer genom stöt": Specificerar en metod för att bestämma sprödbrottstemperaturen för plast under specifika stötförhållanden, som definierar temperaturen vid vilken 50 % av proverna sannolikt kommer att gå sönder.
- ISO 974:2000 "Plaster - Bestämning av stötsprödhetstemperatur": För plaster som inte är stela vid rumstemperatur används statistiska tekniker för att kvantifiera sprödbrottstemperaturen.
- ASTM D618 "Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing": Specificerar konditioneringsprocedurerna och villkoren för plast före testning, vilket säkerställer resultatens tillförlitlighet och jämförbarhet.
-
2.2 Provförbehandling och miljökonditionering
Enligt ASTM D618-standarden kräver testprover standardiserad förbehandling innan låg-temperaturtestning:
- Exempel på rengöring:Rengör provytan med ett milt rengöringsmedel och avjoniserat vatten för att ta bort oljefläckar, damm och andra föroreningar. Efter rengöring, torka ytan med en ren, mjuk trasa för att säkerställa att den är torr och ren.
- Konditionering:Placera proverna i en standardlaboratoriemiljö vid en temperatur på 23±2 grader och en relativ luftfuktighet på 50±5 % i minst 48 timmar för att säkerställa att proverna når ett stabilt initialtillstånd.
- Initial mätning:Efter förbehandling, mät nyckeldimensioner såsom diametern på koppöppningen, diametern på koppens botten, höjd och väggtjocklek med hjälp av precisionsverktyg som mikrometrar och bromsok, och registrera de första data.
2.3 Testutrustning och miljökontroll
Den huvudsakliga utrustningen som används i denna studie är följande:
- Låg-frysskåp: En professionell -20 graders förvaringsfrys med låg temperatur med en temperaturkontrollnoggrannhet på ±0,5 grader och enhetlighet på ±2,0 grader.
- Temperaturövervakningssystem: PT100 temperatursensorer (noggrannhet ±0,1 grad) används för att övervaka provets temperatur i realtid.
- Mätverktyg: Hög-mikrometrar (noggrannhet 0,01 mm), nockmätare (noggrannhet 0,02 mm) och en elektronisk våg (noggrannhet 0,01 g).
- Optisk inspektionsutrustning: Hög-digitalt mikroskop och vitljusinterferometer för observation av sprickor på ytan.
2.4 Testparameterinställningar
Baserat på standardkrav och faktiska applikationsbehov ställs testparametrarna in enligt följande:
| Testtillstånd | Parameterinställning | Anmärkningar |
|---|---|---|
| Testa temperatur | -20±1 grad | Mål frystemperatur |
| Kort-testtid | 1 timme, 2 timmar | Två tidpunkter |
| Lång-testtid | 24 timmar, 48 timmar, 72 timmar | Tre tidpunkter |
| Provkvantitet | 10 parallella prover per grupp | Säkerställer statistisk tillförlitlighet |
| Temperatur Jämviktstid | Minst 1 timme | Säkerställer provets temperaturstabilitet |
2.5 Testprocedurdesign
Testet utförs i omgångar, med 10 parallella prover som testas vid varje tidpunkt. De specifika stegen är följande:
Provberedning: De för-behandlade proverna delas slumpmässigt in i 5 grupper (10 prover per grupp). En grupp fungerar som kontrollgrupp (ej fryst), och de återstående fyra grupperna används för 1-timmars, 2-timmars, 24-timmars respektive 72-timmars frystest.
Inledande prestandautvärdering: Kontrollgruppens prover genomgår visuell inspektion, dimensionsmätning, viktmätning och hårdhetstestning för att fastställa baslinjedata.
Frystest: Testproverna placeras i en -20 graders frys. Efter att ha väntat minst 1 timme för att säkerställa temperaturjämvikt, tas proverna bort vid de förutbestämda tidpunkterna och deras prestanda utvärderas omedelbart för att undvika att temperaturåterhämtningen påverkar resultaten.
Prestandautvärdering: Detta inkluderar visuell inspektion (sprickor, deformation), dimensionsmätning (förändringar i nyckeldimensioner), viktmätning, hårdhetstestning och sprickdetektering (mikroskopisk observation av spricklängd, djup och spridning).
Dataanalys: Statistisk analys utförs på testdata, beräknande av parametrar som medelvärde och standardavvikelse för att bedöma resultatens tillförlitlighet.
III. Prestandautvärderingsstandarder
3.1 Standarder för utvärdering av sprödhet
3.1.1 Spricklängdsklassificeringsstandarder
| Spricknivå | Längdintervall | Stränghet | Bedömningskriterier |
|---|---|---|---|
| Mindre spricka | Mindre än eller lika med 2 mm | Lätt | Påverkar inte funktionaliteten |
| Kort spricka | 2-5 mm | Måttlig | Påverkar estetik men inte funktionalitet |
| Medium Crack | 5-10 mm | Svår | Påverkar funktionalitet |
| Lång spricka | >10 mm | Extremt allvarlig | Leder till strukturella misslyckanden |
3.1.2 Sprickdensitetsutvärdering
Sprickdensitet=Total spricklängd/provets yta. Sprickförgreningsdensitet och distributionsegenskaper registreras och utvärderas enligt GB/T13298-2015 standard.
3.1.3 Utvärdering av sprödhet och temperatur
Enligt ASTM D746 och ISO 974 standarder hänvisar sprödhetstemperaturen till den temperatur vid vilken 50 % av proverna genomgår sprödbrott under specifika stötförhållanden. Även om den här studien fokuserar på -20 grader, utfördes ytterligare tester för att fastställa sprödhetstemperaturintervallet för PLA-plastkopparna.
3.2 Standarder för deformationsutvärdering
3.2.1 Linjär dimensionsändringshastighet
Linjär förändringshastighet (%)=(Dimension efter behandling - Initial dimension) / Initial dimension × 100%. Viktiga mått inkluderar förändringar i koppens mynningsdiameter, koppens bottendiameter, höjd och väggtjocklek.
3.2.2 Formdeformationskoefficient
Skevhet: Mät platthetsavvikelsen för koppens mynning och botten. Den maximala tillåtna avvikelsen är 0,5 mm, med ett referensplans planhetsfel på<0.05 mm.
Rundhetsavvikelse: Mät rundhetsförändringen av koppen på olika höjder med hjälp av ett mätinstrument för rundhet.
Vinkelvinkelavvikelse: Mät förändringen i vinkelräthet mellan koppens axel och bottenytan.
3.2.3 Volymändringshastighet
Volymförändringshastighet (%)=(Volym efter behandling - Initial volym) / Initial volym × 100 %. Volymen mäts med vattenfyllningsmetoden, med hjälp av en precisionsmätcylinder för att mäta volymen vattenfyllt.
3.2.4 Ändring av enhetlighet i väggtjocklek
Mät väggtjockleken vid koppens mynning, mitten av koppens kropp och botten (4 riktningar på varje plats) med en mikrometer. Beräkna standardavvikelsen och variationskoefficienten för att utvärdera enhetlighetsförändringen.
3.3 Omfattande prestationsutvärdering
| Kvalitet | Sprödhetsnivå | Deformationsnivå | Användningsrekommendation |
|---|---|---|---|
| Excellent | Inga sprickor | Deformation<1% | Lämplig för normal användning |
| Bra | Lite sprickor (<2mm) | Deformation 1-3 % | Använd med försiktighet |
| Rättvis | Korta sprickor (2-5 mm) | Deformation 3-5 % | Rekommenderas inte för lång-användning |
| Dålig | Medium-long cracks (>5 mm) | Deformation >5% | Olämplig för användning |
| Mycket dålig | Svår sprickbildning | Svår deformation | Fullständigt misslyckande |
IV. Testresultat och analys
4.1 Kortvariga-frysningstestresultat (1–2 timmar)
Kort-tester visade att klara koppar av PLA-plast uppvisade signifikant sprödhet vid låg-temperatur vid -20 grader. De specifika uppgifterna är följande:
| Testtid | Provnummer | Sprickbildning tillstånd | Maximal spricklängd (mm) | Genomsnittlig sprickdensitet (mm/cm²) | Förändring av mundiameter på koppen (%) | Höjdförändring (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 timme | 1-5 | Små sprickor | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 till -0,9 | -0,3 till -0,6 |
| 1-timmes genomsnitt | - | Små sprickor | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 timmar | 6-10 | Korta sprickor/Små sprickor | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 till -1,3 | -0,6 till -0,9 |
| 2-timmars genomsnitt | - | Korta sprickor | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
Efter 1 timmes frysning uppträdde små sprickor i alla prover. Dessa sprickor var mestadels fördelade längs bägarens kant, i spänningskoncentrationsområden av bägarens kropp, och vid förbindelsen mellan botten och sidoväggen, med en relativt spridd fördelning. Efter 2 timmars frysning förvärrades sprickorna, med korta sprickor i 4 av 5 prover. Den genomsnittliga spricklängden och densiteten ökade signifikant, vilket indikerar att förlängd frystid förvärrar spröd fraktur.
När det gäller deformation, efter 1 timme, minskade den genomsnittliga diametern av koppöppningen med -0,76±0,1 % och höjden minskade med -0,46±0,1 %; efter 2 timmar var sammandragningen ännu mer signifikant, med koppens öppningsdiameter minskade med -1,16±0,1% och höjden med -0,76±0,1%. Deformationen överensstämmer med lågtemperaturs termiska krympningsegenskaper hos PLA.
4.2 Långtids-frysningstestresultat (24 timmar eller mer)
Lång-tester visade ytterligare försämring av PLA-plastkopparna, med allvarliga strukturella skador. Uppgifterna är följande:
| Testtid | Provnummer | Spricktillstånd | Maximal spricklängd (mm) | Genomsnittlig sprickdensitet (mm/cm²) | Förändring av mundiameter på koppen (%) | Höjdförändring (%) | Viktförändring (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 timmar | 11-15 | Medium/Långa sprickor | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2,1 till -2,5 | -1,6 till -2,0 | -0,2 till -0,3 |
| 48 timmar | 16-20 | Långa sprickor/Svåra sprickor | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2,9 till -3,3 | -2,3 till -2,7 | -0,3 till -0,5 |
| 72 timmar | 21-25 | Svår sprickbildning | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3,5 till -3,8 | -2,9 till -3,2 | -0,5 till -0,6 |
4.3 Analys av temperaturfördelning och kylningsegenskaper
Temperaturjämviktstid: Det tar 30-40 minuter för provet att svalna från rumstemperatur (23 grader) till -20 grader, och minst 1 timme för att nå temperaturjämvikt, vilket är relaterat till provets väggtjocklek, volym och kylkapaciteten i frysen.
Temperaturfördelningslikformighet: I en miljö på -20 grader är temperaturskillnaden mellan olika delar av provet inom ±0,5 grader, och temperaturen på koppens mun, kropp och botten är konsekvent och uppfyller testkraven.
Termiska krympningsegenskaper: När PLA-koppen svalnar från rumstemperatur till -20 grader är den linjära krympningshastigheten cirka 0,3-0,5 %. Denna krympning genererar inre spänningar inuti koppens vägg, vilket är en betydande orsak till sprickbildning.
4.4 Jämförande analys med traditionella plastmaterial
För att klargöra bristerna hos PLA plast klara koppar vid låga temperaturer testades de och jämfördes med PET och PP plast klara koppar vid -20 grader. Resultaten är följande:
| Materialtyp | Testtid | Sprickbildning tillstånd | Maximal spricklängd (mm) | Genomsnittlig sprickdensitet (mm/cm²) | Förändring av mundiameter på koppen (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2 timmar | Korta sprickor | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| SÄLLSKAPSDJUR | 2 timmar | Inga sprickor | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2 timmar | Inga sprickor | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
Det kan ses att prestanda vid låga-temperaturer för PET och PP är betydligt bättre än för PLA: PET visade inga sprickor efter 2 timmars frysning och endast mindre sprickor efter 24 timmar; PP visade inga sprickor under hela testet, och dess dimensionella krympning var också den minsta. Denna prestandaskillnad härrör från materialegenskaperna-PET har ett Tg på ungefär 70 grader och PP har ett Tg på ungefär -10 grader till 0 grader, vilket bibehåller segheten vid -20 grader; medan PLA har ett Tg på ungefär 60 grader, långt över testtemperaturen, och uppvisar typisk glasartad sprödhet.
4.5 Analys av felmekanismer
Baserat på mikroskopiska observationer, misslyckande av PLAklara plastmuggarvid -20 grader härrör från en kombination av flera faktorer:
Låg-temperatur spröd fraktur: Vid -20 grader är rörelsen av PLA-molekylkedjor begränsad, vilket leder till en förlust av seghet, vilket gör dem mottagliga för spröda frakturer under inre eller yttre påfrestningar.
Termisk spänningskoncentration: PLA har en låg termisk expansionskoefficient, vilket genererar termisk spänning under kylning. Sprickor initierar och fortplantar sig i spänningskoncentrationsområden såsom skålkanten, kroppen och fogen mellan botten och väggen;
Kristallinitetsförändringar: Långvariga låga temperaturer kan inducera kallkristallisation i PLA, vilket ytterligare ökar materialets sprödhet.
Stressavslappningseffekt: Vid låga temperaturer minskar spänningsavslappningshastigheten för PLA, vilket gör det svårt för inre spänningar att frigöras, vilket påskyndar sprickutbredningen.
V. Diskussion och rekommendationer
5.1 Praktisk tillämpning Betydelsen av testresultat
Testerna visar att vanliga genomskinliga engångsmuggar av PLA plast har betydande begränsningar vid -20 grader: synliga sprickor uppstår efter kortare- frysning (1-2 timmar) och långvarig (24 timmar eller mer) frysning leder till strukturell kollaps. Detta innebär att PLA plast klara koppar inte är lämpliga för långtidsförvaring vid -20 grader. Om lågtemperaturanvändning är nödvändig rekommenderas det att prioritera PET- eller PP-material; om PLA måste användas bör åtgärder som att öka väggtjockleken och lägga till skyddshylsor vidtas för att minska skadorna.
5.2 Nyckelfaktorer som påverkar testresultat
Materialfaktorer: Tg, molekylviktsfördelning, kristallinitet och innehåll av mjukgörare i PLA påverkar alla dess låga-temperaturprestanda. Att tillsätta mjukgörare som dioktyladipat (DOA) och dibutylsebacat (DBS) kan förbättra segheten.
Strukturella designfaktorer: Väggtjockleken och utformningen av spänningskoncentrationsområden i koppen påverkar sprickmotståndet. Att öka väggtjockleken kan förbättra prestandan, men det kommer att öka kostnaderna.
Miljö- och processfaktorer: Fryshastighet och temperaturfluktuationer kan påskynda materialets åldrande; tillverkningsprocesser, såsom formsprutningsparametrar och kylningshastighet, påverkar produktens initiala kvalitet.
Materialmodifiering: Minska Tg för PLA genom sampolymerisation/blandning, tillsätt mjukgörare vid låg-temperatur och kontrollera kristalliniteten med kärnbildande medel;
Strukturell optimering: Förtjocka viktiga delar som skålens kant och botten, optimera designen för att minska stresskoncentrationen och anta en PLA/PE-kompositstruktur.
Användning och standarder: Undvik långvarig-förvaring av klara PLA-plastmuggar vid -20 grader, kontrollera hastigheten för temperaturförändringar; främja upprättandet av PLA lågtemperaturapplikationsprestandastandarder och användningsriktlinjer.
5.3 Förbättringsförslag
Materialändring:Minska Tg för PLA genom sampolymerisation/blandning, tillsätt mjukgörare för låg-temperatur och kontrollera kristalliniteten med kärnbildningsmedel;
Strukturell optimering:Förtjocka viktiga delar som koppens kant och botten, och optimera designen för att minska stresskoncentrationen.
Användning och standarder:Undvik långtidsförvaring av PLA-plastmuggar vid -20 grader och kontrollera hastigheten för temperaturförändringar.
5.4 Forskningsbegränsningar och framtidsutsikter
- Den här studien testade endast 12 oz klara plastmuggar av PLA vid en enda temperatur på -20 grader och inom 72 timmar, och täckte inte andra specifikationer, temperaturer och fuktighetsfaktorer. Framtida forskning behöver utöka testomfattningen, utveckla modifierade PLA-material som kan anpassas till låg-temperatur, förbättra utvärderingssystemet och främja en rationell tillämpning av PLA i lågtemperaturförpackningar
-
VI. Sammanfattning
Denna studie utvärderade systematiskt fryshållbarheten hos vanliga transparenta PLA-plastmuggar vid -20 grader genom standardiserade tester, med följande nyckelfynd:
Sprödbrottprestanda: Kort-frysning (1-2 timmar) resulterade i små till korta sprickor, medan långtidsfrysning (72 timmar) resulterade i en genomsnittlig spricklängd på 30,5 mm, vilket ledde till fullständigt strukturellt fel;
Deformationsprestanda: Frysning fick de genomskinliga plastkopparna att krympa, med en maximal krympning på -3,7% i koppens kantdiameter och -3,1% i höjden; deformation intensifierades med tiden;
Materialjämförelse: Låg-temperaturprestanda för PLA är mycket sämre än PET och PP, som bibehöll god integritet under testperioden;
Felmekanism: Låg-temperatursprödhet, termisk spänningskoncentration, förändringar i kristallinitet och spänningsavslappning ledde tillsammans till PLA-fel;
Användningsrekommendationer: Vanliga genomskinliga PLA-plastmuggar är inte lämpliga för lång-användning vid -20 grader; kort-användning kräver försiktighet; prioritera lågtemperaturanpassningsbara material som PET och PP.
