Εισαγωγή
Το πολυγαλακτικό οξύ (PLA), ως βιοδιασπώμενο πλαστικό, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα των συσκευασιών μιας χρήσης τα τελευταία χρόνια. Προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές όπως το άμυλο αραβοσίτου και η βαγάσση ζαχαροκάλαμου, παρουσιάζει εξαιρετική βιοσυμβατότητα και βιοδιασπασιμότητα, αποσυντίθεται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό μέσα σε λίγους μήνες υπό συνθήκες βιομηχανικής κομποστοποίησης. Ωστόσο, η απόδοση χαμηλής- θερμοκρασίας αποτελεί βασικό περιορισμό για τις εφαρμογές PLA. Η θερμοκρασία μετάπτωσης γυαλιού (Tg) είναι συνήθως 55-65 μοίρες (τυπική τιμή περίπου 60 μοίρες). Κάτω από αυτή τη θερμοκρασία, η κινητικότητα της μοριακής αλυσίδας μειώνεται απότομα και το υλικό γίνεται σκληρότερο και πιο εύθραυστο, ειδικά κοντά στο Tg, επηρεάζοντας σημαντικά την απόδοσή του σε χαμηλή θερμοκρασία.
Η τρέχουσα έρευνα για την απόδοση PLA σε χαμηλή-θερμοκρασία επικεντρώνεται κυρίως στην τροποποίηση υλικού και στη θεωρητική ανάλυση. Τα δεδομένα δείχνουν ότι το καθαρό PLA είναι επιρρεπές σε ευθραυστότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες, με σημαντική μείωση στις μηχανικές ιδιότητες. Κάτω από -60 μοίρες, η αντοχή κάμψης και η αντοχή κρούσης πέφτουν απότομα και κάτω από -80 μοίρες, η αντοχή κάμψης φτάνει ακόμη και στο μηδέν, ενώ ο συντελεστής ελαστικότητας μειώνεται σημαντικά. Ωστόσο, ειδικά δεδομένα δοκιμών για τα συνηθισμένα PLA μιας χρήσηςπλαστικά διαφανή κύπελλασε χαμηλές θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται συνήθως (-20 βαθμοί ) εξακολουθεί να λείπει. Αυτή η μελέτη διεξάγει πρακτικές δοκιμές και αναλύσεις σε αυτήν την πτυχή.
I. Χαρακτηριστικά υλικού και Δείγματα δοκιμής
1.1 Βασικά Χαρακτηριστικά Υλικού PLA
Το PLA είναι ένα ημι-κρυσταλλικό πολυμερές με μοναδική μοριακή δομή και φυσικές ιδιότητες. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, το πολυ-L-γαλακτικό οξύ έχει κρυσταλλικότητα περίπου 37%, Tg περίπου 65 μοίρες, σημείο τήξης 180 μοίρες, συντελεστή εφελκυσμού 3-4 GPa και συντελεστή κάμψης 4-5 GPa. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθορίζουν την απόδοσή του σε χαμηλή θερμοκρασία: σε θερμοκρασία δωματίου, είναι σε υαλώδη κατάσταση, με σημείο τήξης 150-160 βαθμούς, αλλά η θερμοκρασία μακροχρόνιας χρήσης δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 80 βαθμούς, διαφορετικά είναι επιρρεπής σε μαλάκωμα και υποβάθμιση. σε χαμηλές θερμοκρασίες, η κίνηση της μοριακής αλυσίδας είναι περιορισμένη, παρουσιάζοντας σημαντική ευθραυστότητα, γίνεται εύθραυστη και σπάει εύκολα κάτω από 0 μοίρες.
1.2 Προδιαγραφές και χαρακτηριστικά των τυποποιημένων πλαστικών διαφανών ποτηριών μιας χρήσης PLA
Η έρευνα αγοράς δείχνει ότι οι τυπικές προδιαγραφές των τυπικών PLA μιας χρήσηςπλαστικά διαφανή κύπελλαέχουν ως εξής:
| Χωρητικότητα (oz/ml) | Διάμετρος κορυφής (mm) | Κάτω διάμετρος (mm) | Ύψος (mm) | Βάρος (g) | Χρήση |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 oz (150 ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Κρύα ποτά |
| 6 oz (180 ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Κρύα ποτά |
| 8 oz (240 ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Κρύα ποτά |
| 12 oz (360 ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Κρύα ποτά |
| 16 oz (480 ml) | 89 | 57 | - | 10 | Κρύα ποτά |
Αυτή η μελέτη επέλεξε ένα διαφανές κύπελλο PLA 12 oz (360 ml) ως το δείγμα δοκιμής. Ζυγίζει 8,5-9,3 g, κατασκευάζεται με χύτευση με έγχυση και έχει λεπτά τοιχώματα, σύμφωνα με τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά-μείωσης κόστους και εξοικονόμησης υλικού των πλαστικών διαφανών ποτηριών μιας χρήσης.
1.3 Σύγκριση απόδοσης με παραδοσιακά πλαστικά υλικά
| Τύπος υλικού | Εύρος Θερμοκρασίας | Χαρακτηριστικά απόδοσης χαμηλής- θερμοκρασίας | Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) | Επιμήκυνση στο σπάσιμο (%) | Μέτρο κάμψης (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50 μοίρες | Εύθραυστο σε χαμηλές θερμοκρασίες | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| ΚΑΤΟΙΚΙΔΙΟ ΖΩΟ | -40 μοίρες έως 60-70 μοίρες | Γίνεται εύθραυστο σε χαμηλές θερμοκρασίες, Tg≈70 μοίρες | 57 | - | - |
| PP | -40 μοίρες έως 100 μοίρες | Διατηρεί καλή σκληρότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 μοίρες έως 220 μοίρες | Εξαιρετική απόδοση σε υψηλές και χαμηλές{0}}θερμοκρασίες | - | - | - |
Όπως φαίνεται από τον πίνακα, η αντίσταση θερμοκρασίας του PLA είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή των παραδοσιακών πλαστικών: αν και το PET γίνεται επίσης εύθραυστο σε χαμηλές θερμοκρασίες, η απόδοσή του είναι σχετικά καλύτερη στους -20 βαθμούς. Το PP έχει το μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασίας, με σταθερή απόδοση από -40 βαθμούς έως 100 βαθμούς. Το CPET έχει την καλύτερη απόδοση σε υψηλή και χαμηλή θερμοκρασία. Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες, το PLA έχει μεγάλο εύρος αντοχής σε εφελκυσμό, αλλά η επιμήκυνσή του στη θραύση είναι μικρότερη από αυτή του PP, υποδηλώνοντας σχετικά ανεπαρκή σκληρότητα.
II. Σχεδιασμός μεθόδου δοκιμής
2.1 Τυποποιημένα πρότυπα δοκιμών
Η παρούσα μελέτη ακολουθεί αυστηρά τα διεθνή πρότυπα, αναφέροντας κυρίως:
- ASTM D746-20 "Standard Test Method for Brittleness Temperature of Plastics and Elastomers by Impact": Καθορίζει μια μέθοδο για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας εύθραυστης θραύσης των πλαστικών υπό συγκεκριμένες συνθήκες κρούσης, ορίζοντας τη θερμοκρασία στην οποία το 50% των δειγμάτων είναι πιθανό να αποτύχουν.
- ISO 974:2000 "Πλαστικά - Προσδιορισμός θερμοκρασίας ευθραυστότητας κρούσης": Για πλαστικά που δεν είναι άκαμπτα σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιούνται στατιστικές τεχνικές για τον ποσοτικό προσδιορισμό της θερμοκρασίας εύθραυστης θραύσης.
- ASTM D618 "Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing": Καθορίζει τις διαδικασίες και τις συνθήκες προετοιμασίας για πλαστικά πριν από τη δοκιμή, διασφαλίζοντας την αξιοπιστία και τη συγκρισιμότητα των αποτελεσμάτων.
-
2.2 Προεπεξεργασία δειγμάτων και περιβαλλοντική προετοιμασία
Σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D618, τα δείγματα δοκιμής απαιτούν τυποποιημένη προεπεξεργασία πριν από τη δοκιμή χαμηλής{{1} θερμοκρασίας:
- Δείγμα καθαρισμού:Καθαρίστε την επιφάνεια του δείγματος με ένα ήπιο απορρυπαντικό και απιονισμένο νερό για να αφαιρέσετε λεκέδες από λάδι, σκόνη και άλλους ρύπους. Μετά τον καθαρισμό, στεγνώστε την επιφάνεια με ένα καθαρό, μαλακό πανί για να βεβαιωθείτε ότι είναι στεγνή και καθαρή.
- Κλιματισμός:Τοποθετήστε τα δείγματα σε τυπικό εργαστηριακό περιβάλλον σε θερμοκρασία 23±2 βαθμούς και σχετική υγρασία 50±5% για τουλάχιστον 48 ώρες για να διασφαλίσετε ότι τα δείγματα φθάνουν σε σταθερή αρχική κατάσταση.
- Αρχική μέτρηση:Μετά την προεπεξεργασία, μετρήστε τις βασικές διαστάσεις όπως η διάμετρος του ανοίγματος του κυπέλλου, η διάμετρος του πυθμένα του κυπέλλου, το ύψος και το πάχος του τοιχώματος χρησιμοποιώντας εργαλεία ακριβείας όπως μικρόμετρα και παχύμετρα και καταγράψτε τα αρχικά δεδομένα.
2.3 Εξοπλισμός δοκιμής και περιβαλλοντικός έλεγχος
Ο κύριος εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη είναι ο ακόλουθος:
- Καταψύκτης χαμηλής-Θερμοκρασίας: Ένας επαγγελματικός καταψύκτης αποθήκευσης -20 βαθμών χαμηλής θερμοκρασίας με ακρίβεια ελέγχου θερμοκρασίας ±0,5 μοιρών και ομοιομορφία ±2,0 μοιρών .
- Σύστημα παρακολούθησης θερμοκρασίας: Οι αισθητήρες θερμοκρασίας PT100 (ακρίβεια ±0,1 μοίρες) χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας του δείγματος σε πραγματικό χρόνο.
- Εργαλεία μέτρησης: Μικρόμετρα υψηλής ακρίβειας{{0} (ακρίβεια 0,01 mm), δαγκάνες βερνιέρου (ακρίβεια 0,02 mm) και ηλεκτρονικός ζυγός (ακρίβεια 0,01 g).
- Εξοπλισμός οπτικής επιθεώρησης: Ψηφιακό μικροσκόπιο-υψηλής ανάλυσης και συμβολόμετρο λευκού φωτός για παρατήρηση επιφανειακών ρωγμών.
2.4 Ρυθμίσεις παραμέτρων δοκιμής
Με βάση τις τυπικές απαιτήσεις και τις πραγματικές ανάγκες εφαρμογής, οι παράμετροι δοκιμής ορίζονται ως εξής:
| Συνθήκη δοκιμής | Ρύθμιση παραμέτρων | Παρατηρήσεις |
|---|---|---|
| Θερμοκρασία δοκιμής | -20±1 βαθμός | Στόχος θερμοκρασίας κατάψυξης |
| Βραχυπρόθεσμος-Χρόνος δοκιμής | 1 ώρα, 2 ώρες | Δύο χρονικά σημεία |
| Μακροπρόθεσμος-Χρόνος δοκιμής | 24 ώρες, 48 ώρες, 72 ώρες | Τρία χρονικά σημεία |
| Ποσότητα δείγματος | 10 παράλληλα δείγματα ανά ομάδα | Εξασφαλίζει στατιστική αξιοπιστία |
| Χρόνος Ισορροπίας Θερμοκρασίας | Τουλάχιστον 1 ώρα | Εξασφαλίζει σταθερότητα θερμοκρασίας δείγματος |
2.5 Σχεδιασμός διαδικασίας δοκιμής
Η δοκιμή διεξάγεται σε παρτίδες, με 10 παράλληλα δείγματα να ελέγχονται σε κάθε χρονικό σημείο. Τα συγκεκριμένα βήματα είναι τα εξής:
Προετοιμασία δείγματος: Τα προ{0}επεξεργασμένα δείγματα χωρίζονται τυχαία σε 5 ομάδες (10 δείγματα ανά ομάδα). Η μία ομάδα χρησιμεύει ως ομάδα ελέγχου (όχι κατεψυγμένη) και οι υπόλοιπες τέσσερις ομάδες χρησιμοποιούνται για δοκιμές κατάψυξης 1 ώρας, 2 ωρών, 24 ωρών και 72 ωρών, αντίστοιχα.
Αρχική αξιολόγηση απόδοσης: Τα δείγματα της ομάδας ελέγχου υποβάλλονται σε οπτική επιθεώρηση, μέτρηση διαστάσεων, μέτρηση βάρους και δοκιμή σκληρότητας για τον καθορισμό των βασικών δεδομένων.
Δοκιμή κατάψυξης: Τα δείγματα δοκιμής τοποθετούνται σε καταψύκτη -20 βαθμούς. Μετά από αναμονή τουλάχιστον 1 ώρας για να εξασφαλιστεί η ισορροπία θερμοκρασίας, τα δείγματα αφαιρούνται στους προκαθορισμένους χρόνους και η απόδοσή τους αξιολογείται αμέσως για να αποφευχθεί η επίδραση της ανάκαμψης της θερμοκρασίας στα αποτελέσματα.
Αξιολόγηση απόδοσης: Περιλαμβάνει οπτική επιθεώρηση (ρωγμές, παραμόρφωση), μέτρηση διαστάσεων (αλλαγές στις βασικές διαστάσεις), μέτρηση βάρους, δοκιμή σκληρότητας και ανίχνευση ρωγμών (μικροσκοπική παρατήρηση του μήκους, του βάθους και της κατανομής της ρωγμής).
Ανάλυση δεδομένων: Γίνεται στατιστική ανάλυση στα δεδομένα της δοκιμής, υπολογίζοντας παραμέτρους όπως η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση για την αξιολόγηση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων.
III. Πρότυπα Αξιολόγησης Απόδοσης
3.1 Πρότυπα αξιολόγησης ευθραυστότητας
3.1.1 Πρότυπα ταξινόμησης μήκους ρωγμών
| Επίπεδο ρωγμής | Εύρος Μήκους | Αυστηρότητα | Κριτήρια κρίσης |
|---|---|---|---|
| Μικρή ρωγμή | Μικρότερο ή ίσο με 2 mm | Μικρός | Δεν επηρεάζει τη λειτουργικότητα |
| Σύντομη ρωγμή | 2-5mm | Μέτριος | Επηρεάζει την αισθητική αλλά όχι τη λειτουργικότητα |
| Μέτρια ρωγμή | 5-10 mm | Αυστηρός | Επηρεάζει τη λειτουργικότητα |
| Long Crack | >10 mm | Εξαιρετικά Σοβαρό | Οδηγεί σε δομική αστοχία |
3.1.2 Αξιολόγηση πυκνότητας ρωγμών
Πυκνότητα ρωγμής=Συνολικό μήκος ρωγμής / Επιφάνεια δείγματος. Τα χαρακτηριστικά πυκνότητας διακλάδωσης ρωγμών και κατανομής καταγράφονται και αξιολογούνται επίσης σύμφωνα με το πρότυπο GB/T13298-2015.
3.1.3 Αξιολόγηση θερμοκρασίας ευθραυστότητας
Σύμφωνα με τα πρότυπα ASTM D746 και ISO 974, η θερμοκρασία ευθραυστότητας αναφέρεται στη θερμοκρασία στην οποία το 50% των δειγμάτων υφίσταται εύθραυστη θραύση υπό συγκεκριμένες συνθήκες κρούσης. Παρόλο που αυτή η μελέτη επικεντρώνεται στους -20 βαθμούς, πραγματοποιήθηκαν πρόσθετες δοκιμές για τον προσδιορισμό του εύρους θερμοκρασίας ευθραυστότητας των πλαστικών διαφανών κυπέλλων PLA.
3.2 Πρότυπα αξιολόγησης παραμόρφωσης
3.2.1 Ρυθμός μεταβολής γραμμικής διάστασης
Ρυθμός γραμμικής αλλαγής (%)=(Διάσταση μετά τη θεραπεία - Αρχική διάσταση) / Αρχική διάσταση × 100%. Οι βασικές μετρήσεις περιλαμβάνουν αλλαγές στη διάμετρο στομίου του κυπέλλου, στη διάμετρο του πυθμένα του κυπέλλου, στο ύψος και στο πάχος του τοιχώματος.
3.2.2 Συντελεστής παραμόρφωσης σχήματος
Στρεβλότητα: Μετρήστε την απόκλιση της επιπεδότητας του στομίου και του πυθμένα του κυπέλλου. Η μέγιστη επιτρεπόμενη απόκλιση είναι 0,5 mm, με σφάλμα επιπεδότητας επιπέδου αναφοράς<0.05 mm.
Απόκλιση στρογγυλότητας: Μετρήστε την αλλαγή στρογγυλότητας του κυπέλλου σε διαφορετικά ύψη χρησιμοποιώντας ένα όργανο μέτρησης στρογγυλότητας.
Απόκλιση καθετότητας: Μετρήστε τη μεταβολή της καθετότητας μεταξύ του άξονα του κυπέλλου και της κάτω επιφάνειας.
3.2.3 Ρυθμός αλλαγής όγκου
Ποσοστό αλλαγής όγκου (%)=(Όγκος μετά τη θεραπεία - Αρχικός όγκος) / Αρχικός όγκος × 100%. Ο όγκος μετριέται με τη μέθοδο πλήρωσης νερού, χρησιμοποιώντας έναν κύλινδρο μέτρησης ακριβείας για τη μέτρηση του όγκου του γεμισμένου νερού.
3.2.4 Αλλαγή ομοιομορφίας πάχους τοιχώματος
Μετρήστε το πάχος του τοιχώματος στο στόμιο του κυπέλλου, στη μέση του σώματος του κυπέλλου και στο κάτω μέρος (4 κατευθύνσεις σε κάθε θέση) χρησιμοποιώντας ένα μικρόμετρο. Υπολογίστε την τυπική απόκλιση και τον συντελεστή διακύμανσης για να αξιολογήσετε την αλλαγή ομοιομορφίας.
3.3 Βαθμοί Ολοκληρωμένης Αξιολόγησης Απόδοσης
| Βαθμός | Επίπεδο ευθραυστότητας | Επίπεδο παραμόρφωσης | Σύσταση χρήσης |
|---|---|---|---|
| Εξοχος | Χωρίς ρωγμές | Παραμόρφωση<1% | Κατάλληλο για κανονική χρήση |
| Καλός | Ελαφρές ρωγμές (<2mm) | Παραμόρφωση 1-3% | Χρησιμοποιήστε με προσοχή |
| Εκθεση | Μικρές ρωγμές (2-5mm) | Παραμόρφωση 3-5% | Δεν συνιστάται για μακροχρόνια-χρήση |
| Φτωχός | Medium-long cracks (>5 χιλιοστά) | Deformation >5% | Ακατάλληλο για χρήση |
| Πάμπτωχος | Σοβαρό ράγισμα | Σοβαρή παραμόρφωση | Πλήρης αποτυχία |
IV. Αποτελέσματα Δοκιμών και Ανάλυση
4.1 Βραχυπρόθεσμα-Αποτελέσματα δοκιμής κατάψυξης (1-2 ώρες)
Οι βραχυπρόθεσμες-δοκιμές έδειξαν ότι τα πλαστικά διαφανή κύπελλα PLA εμφάνισαν σημαντική ευθραυστότητα χαμηλής- θερμοκρασίας στους -20 βαθμούς . Τα συγκεκριμένα στοιχεία έχουν ως εξής:
| Ώρα δοκιμής | Αριθμός δείγματος | Κατάσταση ρωγμών | Μέγιστο μήκος ρωγμής (mm) | Μέση πυκνότητα ρωγμών (mm/cm²) | Αλλαγή διαμέτρου στόματος φλιτζανιού (%) | Αλλαγή ύψους (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 ώρα | 1-5 | Ελαφρές ρωγμές | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 έως -0,9 | -0,3 έως -0,6 |
| 1 ώρα Μέσος όρος | - | Ελαφρές ρωγμές | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 ώρες | 6-10 | Μικρές ρωγμές/Ελαφρές ρωγμές | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 έως -1,3 | -0,6 έως -0,9 |
| Μέσος όρος 2 ωρών | - | Σύντομες ρωγμές | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
Μετά από 1 ώρα κατάψυξης, εμφανίστηκαν ελαφρές ρωγμές σε όλα τα δείγματα. Αυτές οι ρωγμές κατανεμήθηκαν ως επί το πλείστον κατά μήκος του χείλους του κυπέλλου, σε περιοχές συγκέντρωσης τάσεων του σώματος του κυπέλλου και στη συμβολή του πυθμένα και του πλευρικού τοιχώματος, με σχετικά διάσπαρτη κατανομή. Μετά από 2 ώρες κατάψυξης, οι ρωγμές επιδεινώθηκαν, με σύντομες ρωγμές να εμφανίζονται σε 4 από τα 5 δείγματα. Το μέσο μήκος και πυκνότητα ρωγμών αυξήθηκαν σημαντικά, υποδεικνύοντας ότι ο παρατεταμένος χρόνος κατάψυξης επιδεινώνει το εύθραυστο κάταγμα.
Όσον αφορά την παραμόρφωση, μετά από 1 ώρα, η μέση διάμετρος του ανοίγματος του κυπέλλου συρρικνώθηκε κατά -0,76±0,1%, και το ύψος συρρικνώθηκε κατά -0,46±0,1%. μετά από 2 ώρες, η συστολή ήταν ακόμη πιο σημαντική, με τη διάμετρο ανοίγματος του κυπέλλου να συστέλλεται κατά -1,16±0,1% και το ύψος κατά -0,76±0,1%. Η παραμόρφωση είναι σύμφωνη με τα χαρακτηριστικά θερμικής συρρίκνωσης χαμηλής θερμοκρασίας του PLA.
4.2 Αποτελέσματα δοκιμής μακράς-Παγώματος (24 ώρες ή περισσότερες)
Οι μακροχρόνιες-δοκιμές έδειξαν περαιτέρω φθορά των πλαστικών διαφανών κυπέλλων PLA, με σοβαρή δομική βλάβη. Τα στοιχεία έχουν ως εξής:
| Ώρα δοκιμής | Αριθμός δείγματος | Κατάσταση ρωγμής | Μέγιστο μήκος ρωγμής (mm) | Μέση πυκνότητα ρωγμών (mm/cm²) | Αλλαγή διαμέτρου στόματος φλιτζανιού (%) | Αλλαγή ύψους (%) | Αλλαγή βάρους (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 ώρες | 11-15 | Μεσαίες/Μεγάλες ρωγμές | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2,1 έως -2,5 | -1,6 έως -2,0 | -0,2 έως -0,3 |
| 48 ώρες | 16-20 | Μεγάλες ρωγμές/Σοβαρές ρωγμές | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2,9 έως -3,3 | -2,3 έως -2,7 | -0,3 έως -0,5 |
| 72 ώρες | 21-25 | Σοβαρό Ράγισμα | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3,5 έως -3,8 | -2,9 έως -3,2 | -0,5 έως -0,6 |
4.3 Ανάλυση Κατανομής Θερμοκρασίας και Χαρακτηριστικών Ψύξης
Χρόνος ισορροπίας θερμοκρασίας: Χρειάζονται 30-40 λεπτά για να κρυώσει το δείγμα από τη θερμοκρασία δωματίου (23 βαθμοί ) στους -20 βαθμούς και τουλάχιστον 1 ώρα για να επιτευχθεί ισορροπία θερμοκρασίας, η οποία σχετίζεται με το πάχος του τοιχώματος του δείγματος, τον όγκο και την ικανότητα ψύξης του καταψύκτη.
Ομοιομορφία κατανομής θερμοκρασίας: Σε περιβάλλον -20 μοιρών, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των διαφορετικών τμημάτων του δείγματος είναι εντός ±0,5 μοιρών και η θερμοκρασία του στομίου του κυπέλλου, του σώματος και του πυθμένα είναι συνεπής, πληρώντας τις απαιτήσεις δοκιμής.
Χαρακτηριστικά θερμικής συρρίκνωσης: Όταν το κύπελλο PLA κρυώσει από τη θερμοκρασία δωματίου στους -20 βαθμούς, ο ρυθμός γραμμικής συρρίκνωσης είναι περίπου 0,3-0,5%. Αυτή η συρρίκνωση δημιουργεί εσωτερική πίεση μέσα στο τοίχωμα του κυπέλλου, η οποία είναι μια σημαντική αιτία σχηματισμού ρωγμών.
4.4 Συγκριτική Ανάλυση με Παραδοσιακά Πλαστικά Υλικά
Για να διευκρινιστούν οι ελλείψεις των πλαστικών διαφανών κυπέλλων PLA σε χαμηλές θερμοκρασίες, δοκιμάστηκαν και συγκρίθηκαν με πλαστικά διαφανή κύπελλα PET και PP στους -20 βαθμούς. Τα αποτελέσματα έχουν ως εξής:
| Τύπος υλικού | Ώρα δοκιμής | Κατάσταση ρωγμών | Μέγιστο μήκος ρωγμής (mm) | Μέση πυκνότητα ρωγμών (mm/cm²) | Αλλαγή διαμέτρου στόματος φλιτζανιού (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2 ώρες | Σύντομες ρωγμές | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| ΚΑΤΟΙΚΙΔΙΟ ΖΩΟ | 2 ώρες | Χωρίς ρωγμές | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2 ώρες | Χωρίς ρωγμές | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
Μπορεί να φανεί ότι η απόδοση χαμηλής- θερμοκρασίας του PET και του PP είναι σημαντικά καλύτερη από εκείνη του PLA: το PET δεν παρουσίασε ρωγμές μετά από 2 ώρες κατάψυξης και μόνο μικρές ρωγμές μετά από 24 ώρες. Το PP δεν έδειξε ρωγμές καθ' όλη τη διάρκεια της δοκιμής και η διαστασιακή του συρρίκνωση ήταν επίσης η μικρότερη. Αυτή η διαφορά απόδοσης πηγάζει από τα χαρακτηριστικά του υλικού-Το PET έχει Tg περίπου 70 μοίρες και το PP έχει Tg περίπου -10 μοίρες έως 0 μοίρες, διατηρώντας τη σκληρότητα στους -20 βαθμούς. ενώ το PLA έχει Tg περίπου 60 βαθμούς, πολύ πάνω από τη θερμοκρασία δοκιμής, εμφανίζοντας τυπική υαλώδη ευθραυστότητα.
4.5 Ανάλυση μηχανισμού αστοχίας
Με βάση μικροσκοπικές παρατηρήσεις, η αποτυχία του PLAπλαστικά διαφανή κύπελλαστους -20 βαθμούς προέρχεται από έναν συνδυασμό πολλαπλών παραγόντων:
Εύθραυστο κάταγμα σε χαμηλή-θερμοκρασία: Στους -20 βαθμούς , η κίνηση των μοριακών αλυσίδων PLA είναι περιορισμένη, οδηγώντας σε απώλεια σκληρότητας, καθιστώντας τις επιρρεπείς σε εύθραυστο κάταγμα υπό εσωτερική ή εξωτερική πίεση.
Συγκέντρωση θερμικής καταπόνησης: Το PLA έχει χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, δημιουργώντας θερμική καταπόνηση κατά την ψύξη. Οι ρωγμές ξεκινούν και διαδίδονται σε περιοχές συγκέντρωσης τάσεων όπως το χείλος του κυπέλλου, το σώμα και η άρθρωση μεταξύ του πυθμένα και του τοίχου.
Αλλαγές κρυσταλλικότητας: Οι παρατεταμένες χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσουν ψυχρή κρυστάλλωση στο PLA, αυξάνοντας περαιτέρω την ευθραυστότητα του υλικού.
Επίδραση χαλάρωσης στρες: Σε χαμηλές θερμοκρασίες, ο ρυθμός χαλάρωσης της πίεσης του PLA μειώνεται, καθιστώντας δύσκολη την απελευθέρωση της εσωτερικής πίεσης, επιταχύνοντας τη διάδοση των ρωγμών.
V. Συζήτηση και συστάσεις
5.1 Πρακτική εφαρμογή Σημασία των αποτελεσμάτων των δοκιμών
Οι δοκιμές δείχνουν ότι τα συνηθισμένα διαφανή πλαστικά ποτήρια PLA μιας χρήσης έχουν σημαντικούς περιορισμούς στις -20 μοίρες: ορατές ρωγμές εμφανίζονται μετά από σύντομη-κατάψυξη (1-2 ώρες) και η παρατεταμένη (24 ώρες ή περισσότερο) κατάψυξη οδηγεί σε δομική κατάρρευση. Αυτό σημαίνει ότι τα πλαστικά διαφανή κύπελλα PLA δεν είναι κατάλληλα για μακροχρόνια αποθήκευση στους -20 βαθμούς. Εάν είναι απαραίτητη η χρήση σε χαμηλές θερμοκρασίες, συνιστάται να δοθεί προτεραιότητα στα υλικά PET ή PP. εάν πρέπει να χρησιμοποιηθεί PLA, θα πρέπει να ληφθούν μέτρα όπως η αύξηση του πάχους του τοιχώματος και η προσθήκη προστατευτικών χιτωνίων για τη μείωση της ζημιάς.
5.2 Βασικοί Παράγοντες που Επηρεάζουν τα Αποτελέσματα Τεστ
Υλικοί παράγοντες: Το Tg, η κατανομή μοριακού βάρους, η κρυσταλλικότητα και η περιεκτικότητα σε πλαστικοποιητή του PLA επηρεάζουν την απόδοσή του σε χαμηλή{{0} θερμοκρασία. Η προσθήκη πλαστικοποιητών όπως αδιπικός διοκτυλεστέρας (DOA) και σμηγματικός διβουτυλεστέρας (DBS) μπορεί να βελτιώσει την σκληρότητα.
Παράγοντες δομικής σχεδίασης: Το πάχος του τοιχώματος και ο σχεδιασμός των περιοχών συγκέντρωσης τάσεων του κυπέλλου επηρεάζουν την αντοχή στις ρωγμές. Η αύξηση του πάχους του τοίχου μπορεί να βελτιώσει την απόδοση, αλλά θα αυξήσει το κόστος.
Περιβαλλοντικοί παράγοντες και παράγοντες διαδικασίας: Ο ρυθμός παγώματος και οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας μπορούν να επιταχύνουν τη γήρανση του υλικού. οι διαδικασίες παραγωγής, όπως οι παράμετροι χύτευσης με έγχυση και ο ρυθμός ψύξης, επηρεάζουν την αρχική ποιότητα του προϊόντος.
Τροποποίηση υλικού: Μειώστε το Tg του PLA μέσω συμπολυμερισμού/ανάμειξης, προσθέστε πλαστικοποιητές χαμηλής- θερμοκρασίας και ελέγξτε την κρυσταλλικότητα με παράγοντες πυρηνοποίησης.
Δομική Βελτιστοποίηση: Πυκνώστε βασικά μέρη όπως το χείλος και το κάτω μέρος του κυπέλλου, βελτιστοποιήστε τη σχεδίαση για να μειώσετε τη συγκέντρωση πίεσης και υιοθετήστε μια σύνθετη δομή PLA/PE.
Χρήση και Πρότυπα: Αποφύγετε-μακροχρόνια αποθήκευση πλαστικών διαφανών ποτηριών PLA στους -20 βαθμούς, ελέγξτε τον ρυθμό αλλαγής θερμοκρασίας. προωθήσει τη θέσπιση προτύπων απόδοσης εφαρμογών σε χαμηλή θερμοκρασία και κατευθυντήριες γραμμές χρήσης PLA.
5.3 Προτάσεις βελτίωσης
Τροποποίηση υλικού:Μειώστε το Tg του PLA μέσω συμπολυμερισμού/ανάμειξης, προσθέστε πλαστικοποιητές χαμηλής-θερμοκρασίας και ελέγξτε την κρυσταλλικότητα με παράγοντες πυρηνοποίησης.
Δομική Βελτιστοποίηση:Πυκνώστε βασικά μέρη όπως το χείλος και το κάτω μέρος του κυπέλλου και βελτιστοποιήστε τη σχεδίαση για να μειώσετε τη συγκέντρωση της πίεσης.
Χρήση και πρότυπα:Αποφύγετε-μακροχρόνια αποθήκευση πλαστικών διαφανών ποτηριών PLA στους -20 βαθμούς και ελέγξτε τον ρυθμό αλλαγής θερμοκρασίας.
5.4 Περιορισμοί έρευνας και προοπτικές
- Αυτή η μελέτη δοκίμασε μόνο πλαστικά διαφανή κύπελλα 12oz PLA σε μία μόνο θερμοκρασία -20 βαθμών και εντός 72 ωρών και δεν κάλυπτε άλλες προδιαγραφές, θερμοκρασίες και παράγοντες υγρασίας. Η μελλοντική έρευνα πρέπει να επεκτείνει το πεδίο δοκιμών, να αναπτύξει τροποποιημένα υλικά PLA με δυνατότητα προσαρμογής σε χαμηλή-θερμοκρασία, να βελτιώσει το σύστημα αξιολόγησης και να προωθήσει την ορθολογική εφαρμογή του PLA σε συσκευασίες χαμηλής θερμοκρασίας
-
VI. Περίληψη
Αυτή η μελέτη αξιολόγησε συστηματικά την ανθεκτικότητα στο πάγωμα των συνηθισμένων διαφανών πλαστικών διαφανών ποτηριών PLA μιας χρήσης στους -20 βαθμούς μέσω τυποποιημένων δοκιμών, με τα ακόλουθα βασικά ευρήματα:
Απόδοση εύθραυστου σπασίματος: Η βραχυπρόθεσμη-κατάψυξη (1-2 ώρες) είχε ως αποτέλεσμα ελαφρές έως μικρές ρωγμές, ενώ η μακροχρόνια κατάψυξη (72 ώρες) οδήγησε σε μέσο μήκος ρωγμής 30,5 mm, οδηγώντας σε πλήρη δομική αστοχία.
Απόδοση παραμόρφωσης: Η κατάψυξη προκάλεσε συρρίκνωση των πλαστικών διαφανών κυπέλλων, με μέγιστη συρρίκνωση -3,7% στη διάμετρο του χείλους και -3,1% σε ύψος. παραμόρφωση εντάθηκε με την πάροδο του χρόνου.
Σύγκριση υλικού: Η απόδοση του PLA σε χαμηλή θερμοκρασία
Μηχανισμός αστοχίας: Η χαμηλή-ευθραυστότητα θερμοκρασίας, η συγκέντρωση θερμικής καταπόνησης, οι αλλαγές στην κρυσταλλικότητα και η χαλάρωση του στρες οδήγησαν από κοινού σε αστοχία PLA.
Συστάσεις χρήσης: Τα συνηθισμένα διαφανή πλαστικά διαφανή κύπελλα PLA δεν είναι κατάλληλα για μακροχρόνια χρήση στους -20 βαθμούς ; Η σύντομη-χρήση απαιτεί προσοχή. δώστε προτεραιότητα σε προσαρμόσιμα υλικά σε χαμηλή θερμοκρασία όπως το PET και το PP.
