PLA Plast Clear Cup Low-Hitastigsþolpróf: Verður það brothætt eða afmyndast við -20 gráður?

Inngangur

Fjölmjólkursýra (PLA), sem niðurbrjótanlegt plast, hefur verið mikið notað á sviði einnota umbúða undanfarin ár. Upprunnið úr endurnýjanlegum auðlindum eins og maíssterkju og sykurreyrbagassa, sýnir það framúrskarandi lífsamrýmanleika og niðurbrjótanleika, brotnar niður í koltvísýring og vatn innan nokkurra mánaða við jarðgerðaraðstæður í iðnaði. Hins vegar er afköst við lágt-hitastig lykiltakmörkun fyrir PLA forrit. Glerhitastig (Tg) er venjulega 55-65 gráður (venjulegt gildi um 60 gráður). Undir þessu hitastigi minnkar hreyfanleiki sameindakeðjunnar verulega og efnið verður harðara og brothættara, sérstaklega nálægt Tg, sem hefur veruleg áhrif á lághitaframmistöðu þess.

Núverandi rannsóknir á PLA lághita-afköstum beinast aðallega að efnisbreytingum og fræðilegri greiningu. Gögn sýna að hreint PLA er viðkvæmt fyrir stökkun við lágt hitastig, með verulegri lækkun á vélrænni eiginleikum. Undir -60 gráður lækkar beygjustyrkur og höggstyrkur verulega, og undir -80 gráður nær beygjustyrkurinn jafnvel núll, en teygjanleiki minnkar verulega. Hins vegar, sérstök prófunargögn fyrir venjulegt einnota PLAglær plastbollarvið almennt notað lágt hitastig (-20 gráður) vantar enn. Þessi rannsókn framkvæmir hagnýt próf og greiningu á þessum þætti.

I. Eiginleikar efnis og prófunarsýni

1.1 Grunneiginleikar PLA efnis

PLA er hálfkristölluð fjölliða með einstaka sameindabyggingu og eðlisfræðilega eiginleika. Samkvæmt bókmenntum hefur pólý-L-mjólkursýra um það bil 37% kristöllun, Tg um það bil 65 gráður, bræðslumark 180 gráður, togstuðull 3-4 GPa og beygjustuðull upp á 4-5 GPa. Þessir eiginleikar ákvarða afköst þess við lágt hitastig: við stofuhita er það í glerkenndu ástandi, með bræðslumark 150-160 gráður, en langtíma notkunshiti ætti ekki að fara yfir 80 gráður, annars er það viðkvæmt fyrir mýkingu og niðurbroti; við lágt hitastig er hreyfing sameindakeðju takmörkuð, sem sýnir verulegan stökkleika, verður viðkvæm og brotnar auðveldlega niður fyrir 0 gráður.

1.2 Forskriftir og einkenni staðlaðra einnota PLA glærra bolla úr plasti

Markaðsrannsóknir sýna að dæmigerðar upplýsingar um staðlaða einnota PLAglær plastbollareru sem hér segir:

Þessi rannsókn valdi almennt fáanlegur 12oz (360ml) PLA gagnsæ bolli sem prófunarsýni. Það vegur 8,5-9,3g, er framleitt með sprautumótun og hefur þunna veggi, í samræmi við kostnaðar-lækkun og efnissparandi hönnunareiginleika einnota glærra plastbolla.

1.3 Árangurssamanburður við hefðbundin plastefni

II. Prófunaraðferðarhönnun

2.1 Stöðlaðir prófunarstaðlar

Þessi rannsókn fylgir nákvæmlega alþjóðlegum stöðlum og vísar aðallega til:

• ASTM D746-20 "Staðlað prófunaraðferð fyrir brothætt hitastig plasts og teygjanlegra högga": Tilgreinir aðferð til að ákvarða brotshitastig plasts við sérstakar höggaðstæður, skilgreinir hitastigið þar sem líklegt er að 50% sýnanna bili.
• ISO 974:2000 "Plast - Ákvörðun á brothættu hitastigi": Fyrir plast sem er ekki stíft við stofuhita er tölfræðileg tækni notuð til að mæla brotshitastig brothættu.
• ASTM D618 "Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing": Tilgreinir aðferðir við aðhald og skilyrði fyrir plasti fyrir prófun, sem tryggir áreiðanleika og samanburðarhæfni niðurstaðna.

• 

2.2 Sýnaformeðferð og umhverfisástand

Samkvæmt ASTM D618 staðlinum þurfa prófunarsýni staðlaðrar formeðferðar fyrir prófun á lágum-hita:

• Dæmi um hreinsun:Hreinsaðu yfirborð sýnisins með mildu hreinsiefni og afjónuðu vatni til að fjarlægja olíubletti, ryk og önnur aðskotaefni. Eftir hreinsun skaltu þurrka yfirborðið með hreinum, mjúkum klút til að tryggja að það sé þurrt og hreint.
• Skilyrði:Settu sýnin í staðlað rannsóknarstofuumhverfi við 23±2 gráðu hita og 50±5% rakastig í að minnsta kosti 48 klukkustundir til að tryggja að sýnin nái stöðugu upphafsástandi.
• Upphafsmæling:Eftir formeðferð skaltu mæla lykilstærðir eins og þvermál bollaopsins, þvermál bollabotns, hæð og veggþykkt með því að nota nákvæmnisverkfæri eins og míkrómetra og mælikvarða og skrá upphafsgögnin.

2.3 Prófunarbúnaður og umhverfiseftirlit

Aðalbúnaðurinn sem notaður er í þessari rannsókn er sem hér segir:

• Lág-frystir: Faglegur -20 gráðu lághitafrystiskápur með nákvæmni hitastýringar upp á ±0,5 gráður og einsleitni ±2,0 gráður.
• Hitastigseftirlitskerfi: PT100 hitaskynjarar (nákvæmni ±0,1 gráður) eru notaðir til að fylgjast með sýnishitastigi í rauntíma.
• Mælitæki: Há-nákvæmni míkrómetrar (nákvæmni 0,01 mm), þvermál (nákvæmni 0,02 mm) og rafræn jafnvægi (nákvæmni 0,01 g).
• Optískur skoðunarbúnaður: Stafræn smásjá með-hári upplausn og hvítt ljós víxlmælir til að athuga sprungur á yfirborði.

2.4 Stillingar prófunarfæribreyta

2.5 Hönnun prófunaraðferða

Prófið er framkvæmt í lotum þar sem 10 samhliða sýni eru prófuð á hverjum tímapunkti. Sérstök skref eru sem hér segir:

Sýnaundirbúningur: For-sýnum er skipt af handahófi í 5 hópa (10 sýni í hverjum hóp). Einn hópur þjónar sem viðmiðunarhópur (ekki frosinn) og hinir fjórir hópar sem eftir eru eru notaðir í 1 klst., 2 klst., 24 klst. og 72 klst. frystipróf.
Upphafsmat á frammistöðu: Viðmiðunarhópssýnin gangast undir sjónræna skoðun, víddarmælingu, þyngdarmælingu og hörkuprófun til að koma á grunngögnum.

Frostpróf: Prófsýnin eru sett í -20 gráðu frysti. Eftir að hafa beðið í að minnsta kosti 1 klukkustund til að tryggja jafnvægi í hitastigi eru sýnin fjarlægð á fyrirfram ákveðnum tímum og árangur þeirra metinn strax til að koma í veg fyrir að hitastigið hafi áhrif á niðurstöðurnar.

Frammistöðumat: Þetta felur í sér sjónræna skoðun (sprungur, aflögun), víddarmælingu (breytingar á lykilvíddum), þyngdarmælingu, hörkuprófun og sprungugreiningu (smásjárskoðun á lengd sprungu, dýpt og dreifingu).

Gagnagreining: Tölfræðileg greining er gerð á prófunargögnunum, reiknaðar færibreytur eins og meðaltal og staðalfrávik til að meta áreiðanleika niðurstaðna.

III. Frammistöðumatsstaðlar

3.1 Matsstaðlar fyrir brothættu

3.2 Aflögunarmatsstaðlar

3.2.1 Línuleg víddarbreytingartíðni

Línuleg breytingatíðni (%)=(Stærð eftir meðferð - Upphafsvídd) / Upphafsvídd × 100%. Lykilmælingar innihalda breytingar á þvermál bollamunns, þvermál bollabotns, hæð og veggþykkt.

3.2.2 Lögunaraflögunarstuðull

Skeiðing: Mældu flatleikafrávik bikarmunns og botns. Hámarks leyfilegt frávik er 0,5 mm, með flatneskju við viðmiðunarplanið<0.05 mm.
Frávik hringleika: Mældu hringleikabreytingu bikarsins á mismunandi hæðum með því að nota hringleikamælitæki.
Frávik hornrétts: Mældu breytinguna á hornrétti milli áss bikarsins og botnflatarins.

3.2.3 Hraði hljóðstyrksbreytinga

Hraði rúmmálsbreytinga (%)=(Rúmmál eftir meðferð - Upphafsrúmmál) / Upphafsrúmmál × 100%. Rúmmál er mælt með vatnsfyllingaraðferðinni, með því að nota nákvæmni mælihólk til að mæla rúmmál fyllts vatns.

3.2.4 Veggþykktarjafnvægisbreyting

Mældu veggþykktina við munninn á bollanum, miðjum bollanum og botninn (4 áttir á hverjum stað) með míkrómetra. Reiknaðu staðalfrávik og breytileikastuðul til að meta einsleitnibreytinguna.

3.3 Alhliða árangursmatseinkunnir

IV. Niðurstöður prófs og greining

4.1 Skammtíma-Niðurstöður úr frystingu (1-2 klst.)

4.2 Niðurstöður við -langtíma frostpróf (24 klst. eða lengur)

4.3 Greining á hitadreifingu og kælingareiginleikum

Hitajafnvægistími: Það tekur sýnið 30-40 mínútur að kólna frá stofuhita (23 gráður) í -20 gráður, og að minnsta kosti 1 klukkustund að ná hitajafnvægi, sem tengist sýnisveggþykkt, rúmmáli og kæligetu frystisins.
Einsleitni hitastigsdreifingar: Í -20 gráðu umhverfi er hitamunur á milli mismunandi hluta sýnisins innan við ±0,5 gráður og hitastig bikarsmunns, líkama og botns er í samræmi og uppfyllir prófunarkröfur.
Hita rýrnunareiginleikar: Þegar PLA bollinn kólnar frá stofuhita í -20 gráður er línuleg rýrnunarhraði um það bil 0,3-0,5%. Þessi rýrnun myndar innra álag innan bikarveggsins, sem er veruleg orsök sprungumyndunar.

4.4 Samanburðargreining með hefðbundnum plastefnum

4.5 Greining á bilunarkerfi

Byggt á smásjármælingum, bilun PLAglær plastbollarvið -20 gráður stafar af samsetningu margra þátta:
Brotbrot við lágt-hitastig: Við -20 gráður er hreyfing PLA sameindakeðja takmörkuð, sem leiðir til taps á hörku, sem gerir þær næmar fyrir brothættum við innra eða ytra álag.
Styrkur hitauppstreymis: PLA hefur lágan varmaþenslustuðul, sem myndar hitaálag við kælingu. Sprungur hefjast og breiðast út á streituþéttnisvæðum eins og bollabrúninni, líkamanum og samskeyti botnsins og veggsins;
Kristöllunarbreytingar: Langvarandi lágt hitastig getur valdið köldu kristöllun í PLA, sem eykur stökkleika efnisins enn frekar.
Áhrif slökunaráhrifa: Við lágt hitastig minnkar streituslökunarhraði PLA, sem gerir það að verkum að innri streita losnar, sem flýtir fyrir sprunguútbreiðslu.

V. Umræður og tillögur

5.1 Hagnýtt mikilvægi prófniðurstaðna

Prófin sýna að venjulegir, gagnsæir, glærir, einnota bollar úr PLA plasti hafa verulegar takmarkanir við -20 gráður: sjáanlegar sprungur birtast eftir stutta-tíma (1-2 klst.) frystingu og langvarandi (24 klst. eða lengur) frysting leiðir til hruns á burðarvirki. Þetta þýðir að PLA plast glærir bollar henta ekki til langtímageymslu við -20 gráður. Ef lágmarkshitanotkun er nauðsynleg er mælt með því að forgangsraða PET eða PP efni; ef nota þarf PLA ætti að gera ráðstafanir eins og að auka veggþykkt og bæta við hlífðarmúffum til að draga úr skemmdum.

5.2 Lykilþættir sem hafa áhrif á niðurstöður prófa

Efnisþættir: Tg, mólþyngdardreifing, kristöllun og innihald mýkingarefna í PLA hafa allir áhrif á lág-hitastig þess. Með því að bæta við mýkiefnum eins og díoktýladipat (DOA) og díbútýlsebacat (DBS) getur það bætt seigleika.
Byggingarhönnunarþættir: Veggþykkt og hönnun streituþéttnisvæða bikarsins hefur áhrif á sprunguþol. Aukin veggþykkt getur bætt árangur, en það mun auka kostnað.
Umhverfis- og ferliþættir: Frosthraði og hitasveiflur geta flýtt fyrir öldrun efnis; Framleiðsluferli, svo sem innspýtingsmótunarbreytur og kælihraði, hafa áhrif á upphafsgæði vörunnar.
Efnisbreyting: Dragðu úr Tg PLA með samfjölliðun/blöndun, bættu við lághita-mýkingarefnum og stjórnaðu kristöllun með kjarnamyndandi efnum;
Byggingarfínstilling: Þykkjaðu lykilhluta eins og bollabrúnina og botninn, fínstilltu hönnunina til að draga úr álagsstyrk og taktu upp PLA/PE samsetta uppbyggingu.
Notkun og staðlar: Forðastu langtíma-geymslu á glærum PLA plastbollum við -20 gráður, stjórnaðu hraða hitabreytinga; stuðla að stofnun PLA lághita umsóknar frammistöðustaðla og notkunarleiðbeiningar.

5.3 Umbótatillögur

Efnisbreyting:Dragðu úr Tg PLA með samfjölliðun/blöndun, bættu við lághita-mýkingarefnum og stjórnaðu kristöllun með kjarnamyndandi efnum;

Byggingarhagræðing:Þykkaðu lykilhluta eins og bollabrúnina og botninn og fínstilltu hönnunina til að draga úr streitustyrk.

Notkun og staðlar:Forðastu langtímageymslu á glærum PLA plastbollum við -20 gráður og stjórnaðu hraða hitabreytinga.

5.4 Rannsóknartakmarkanir og horfur

• Þessi rannsókn prófaði aðeins 12oz PLA glæra bolla við eitt hitastig upp á -20 gráður og innan 72 klukkustunda, og náði ekki til annarra forskrifta, hitastigs og rakaþátta. Framtíðarrannsóknir þurfa að víkka út prófunarsviðið, þróa lág-aðlögunarhæft PLA efni, bæta matskerfið og stuðla að skynsamlegri notkun PLA í lághitaumbúðum