ถ้วยพลาสติกใส PLA ต่ำ-การทดสอบความทนทานต่ออุณหภูมิ: จะเปราะหรือเสียรูปที่อุณหภูมิ -20 องศา หรือไม่

การแนะนำ

กรดโพลีแลกติก (PLA) ซึ่งเป็นพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านบรรจุภัณฑ์แบบใช้แล้วทิ้งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มาจากทรัพยากรหมุนเวียน เช่น แป้งข้าวโพดและชานอ้อย มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและการย่อยสลายทางชีวภาพที่ดีเยี่ยม โดยสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำภายในไม่กี่เดือนภายใต้สภาวะการทำปุ๋ยหมักทางอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ-เป็นข้อจำกัดสำคัญสำหรับแอปพลิเคชัน PLA อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) โดยทั่วไปคือ 55-65 องศา (ค่าโดยทั่วไปประมาณ 60 องศา ) เมื่อต่ำกว่าอุณหภูมินี้ การเคลื่อนตัวของสายโซ่โมเลกุลจะลดลงอย่างรวดเร็ว และวัสดุจะแข็งและเปราะมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ใกล้ Tg ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ

การวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำของ PLA- มุ่งเน้นไปที่การปรับเปลี่ยนวัสดุและการวิเคราะห์ทางทฤษฎีเป็นหลัก ข้อมูลแสดงให้เห็นว่า PLA บริสุทธิ์มีแนวโน้มที่จะเกิดการเปราะที่อุณหภูมิต่ำ โดยมีคุณสมบัติทางกลลดลงอย่างมาก ต่ำกว่า -60 องศา แรงดัดงอและแรงกระแทกลดลงอย่างรวดเร็ว และต่ำกว่า -80 องศา แรงดัดงอถึงศูนย์ ในขณะที่โมดูลัสยืดหยุ่นลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลการทดสอบเฉพาะสำหรับ PLA แบบใช้แล้วทิ้งธรรมดาถ้วยพลาสติกใสที่อุณหภูมิต่ำที่ใช้กันทั่วไป (-20 องศา) ยังขาดอยู่ การศึกษานี้ดำเนินการทดสอบและวิเคราะห์เชิงปฏิบัติในด้านนี้

I. ลักษณะของวัสดุและตัวอย่างทดสอบ

1.1 ลักษณะพื้นฐานของวัสดุ PLA

PLA เป็นโพลีเมอร์กึ่ง-ผลึกที่มีโครงสร้างโมเลกุลและคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ จากข้อมูลในวรรณกรรม กรดโพลี-L-แลคติกมีความเป็นผลึกประมาณ 37%, Tg ประมาณ 65 องศา, จุดหลอมเหลว 180 องศา, โมดูลัสแรงดึง 3-4 GPa และโมดูลัสการดัดงอ 4-5 GPa ลักษณะเหล่านี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ: ที่อุณหภูมิห้องจะอยู่ในสถานะคล้ายแก้ว มีจุดหลอมเหลว 150-160 องศา แต่อุณหภูมิการใช้งานในระยะยาวไม่ควรเกิน 80 องศา มิฉะนั้น มีแนวโน้มที่จะอ่อนตัวลงและการย่อยสลาย ที่อุณหภูมิต่ำ การเคลื่อนที่ของสายโซ่โมเลกุลจะถูกจำกัด แสดงความเปราะบางอย่างมาก เปราะบางและแตกหักง่ายที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศา

1.2 ข้อมูลจำเพาะและลักษณะของถ้วยพลาสติกใส PLA แบบใช้แล้วทิ้งมาตรฐาน

การวิจัยตลาดแสดงให้เห็นว่าข้อกำหนดทั่วไปของ PLA แบบใช้แล้วทิ้งมาตรฐานถ้วยพลาสติกใสมีดังต่อไปนี้:

การศึกษานี้เลือกถ้วยใส PLA ขนาด 12 ออนซ์ (360 มล.) ที่มีจำหน่ายทั่วไปเป็นตัวอย่างทดสอบ มีน้ำหนัก 8.5-9.3 กรัม ผลิตโดยใช้การฉีดขึ้นรูป และมีผนังบาง ซึ่งสอดคล้องกับการลดต้นทุน-และลักษณะการออกแบบที่ประหยัดวัสดุของถ้วยพลาสติกใสแบบใช้แล้วทิ้ง

1.3 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับวัสดุพลาสติกแบบดั้งเดิม

ครั้งที่สอง การออกแบบวิธีทดสอบ

2.1 มาตรฐานการทดสอบที่ได้มาตรฐาน

การศึกษานี้เป็นไปตามมาตรฐานสากลอย่างเคร่งครัด โดยอ้างอิงถึง:

• ASTM D746-20 "วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับอุณหภูมิความเปราะบางของพลาสติกและอีลาสโตเมอร์จากการกระแทก": ระบุวิธีการวัดอุณหภูมิการแตกหักแบบเปราะของพลาสติกภายใต้สภาวะแรงกระแทกเฉพาะ โดยกำหนดอุณหภูมิที่ตัวอย่าง 50% มีแนวโน้มที่จะล้มเหลว
• ISO 974:2000 "พลาสติก - การหาอุณหภูมิความเปราะของแรงกระแทก": สำหรับพลาสติกที่ไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง จะใช้เทคนิคทางสถิติเพื่อหาปริมาณอุณหภูมิแตกหักแบบเปราะ
• ASTM D618 "แนวปฏิบัติมาตรฐานสำหรับการปรับสภาพพลาสติกสำหรับการทดสอบ": ระบุขั้นตอนการปรับสภาพและเงื่อนไขสำหรับพลาสติกก่อนการทดสอบ เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและความสามารถในการเปรียบเทียบของผลลัพธ์

• 

2.2 การปรับสภาพตัวอย่างและการปรับสภาพแวดล้อม

ตามมาตรฐาน ASTM D618 ตัวอย่างทดสอบต้องมีการปรับสภาพที่ได้มาตรฐานก่อนการทดสอบที่อุณหภูมิต่ำ-:

• การทำความสะอาดตัวอย่าง:ทำความสะอาดพื้นผิวตัวอย่างด้วยผงซักฟอกสูตรอ่อนและน้ำปราศจากไอออนเพื่อขจัดคราบน้ำมัน ฝุ่น และสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ หลังจากทำความสะอาดแล้ว ให้เช็ดพื้นผิวให้แห้งด้วยผ้านุ่มที่สะอาดเพื่อให้แน่ใจว่าแห้งและสะอาด
• เครื่องปรับอากาศ:วางตัวอย่างในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการมาตรฐานที่อุณหภูมิ 23±2 องศาและความชื้นสัมพัทธ์ 50±5% เป็นเวลาอย่างน้อย 48 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่าตัวอย่างมีสถานะเริ่มต้นที่มั่นคง
• การวัดเริ่มต้น:หลังจากการปรับสภาพเบื้องต้น ให้วัดขนาดที่สำคัญ เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องเปิดถ้วย เส้นผ่านศูนย์กลางของก้นถ้วย ความสูง และความหนาของผนังโดยใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำ เช่น ไมโครมิเตอร์และคาลิเปอร์ และบันทึกข้อมูลเริ่มต้น

2.3 อุปกรณ์ทดสอบและการควบคุมสิ่งแวดล้อม

อุปกรณ์หลักที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้มีดังนี้:

• ตู้แช่แข็งอุณหภูมิต่ำ-: ตู้แช่แข็งอุณหภูมิต่ำ - ระดับมืออาชีพ - ที่มีความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิ ±0.5 องศา และความสม่ำเสมอ ±2.0 องศา
• ระบบตรวจสอบอุณหภูมิ: เซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT100 (ความแม่นยำ ±0.1 องศา ) ใช้เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิตัวอย่างแบบเรียลไทม์
• เครื่องมือวัด: ไมโครมิเตอร์ความแม่นยำสูง- (ความแม่นยำ 0.01 มม.) เวอร์เนียคาลิเปอร์ (ความแม่นยำ 0.02 มม.) และเครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์ (ความแม่นยำ 0.01 กรัม)
• อุปกรณ์ตรวจสอบด้วยแสง: กล้องจุลทรรศน์ดิจิตอล-ความละเอียดสูงและอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แสงสีขาวสำหรับการสังเกตรอยแตกที่พื้นผิว

2.4 ทดสอบการตั้งค่าพารามิเตอร์

2.5 การออกแบบขั้นตอนการทดสอบ

การทดสอบจะดำเนินการเป็นชุด โดยมีการทดสอบตัวอย่างแบบขนาน 10 ตัวอย่างในแต่ละจุดเวลา ขั้นตอนเฉพาะมีดังนี้:

การเตรียมตัวอย่าง: ตัวอย่างที่บำบัดก่อน-จะถูกแบ่งออกเป็น 5 กลุ่มแบบสุ่ม (10 ตัวอย่างต่อกลุ่ม) กลุ่มหนึ่งทำหน้าที่เป็นกลุ่มควบคุม (ไม่แช่แข็ง) และอีกสี่กลุ่มที่เหลือใช้สำหรับการทดสอบการแช่แข็งเป็นเวลา 1 ชั่วโมง 2 ชั่วโมง 24 ชั่วโมง และ 72 ชั่วโมง ตามลำดับ
การประเมินประสิทธิภาพเบื้องต้น: ตัวอย่างกลุ่มควบคุมได้รับการตรวจสอบด้วยสายตา การวัดขนาด การวัดน้ำหนัก และการทดสอบความแข็งเพื่อสร้างข้อมูลพื้นฐาน

การทดสอบการแช่แข็ง: ตัวอย่างทดสอบจะถูกวางไว้ในช่องแช่แข็ง -20 องศา หลังจากรออย่างน้อย 1 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิสมดุล ตัวอย่างจะถูกเอาออกตามเวลาที่กำหนดไว้ และประสิทธิภาพจะได้รับการประเมินทันทีเพื่อหลีกเลี่ยงการดีดกลับของอุณหภูมิที่ส่งผลต่อผลลัพธ์

การประเมินประสิทธิภาพ: รวมถึงการตรวจสอบด้วยสายตา (รอยแตก การเสียรูป) การวัดขนาด (การเปลี่ยนแปลงขนาดหลัก) การวัดน้ำหนัก การทดสอบความแข็ง และการตรวจจับรอยแตก (การสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ของความยาว ความลึก และการกระจายของรอยแตก)

การวิเคราะห์ข้อมูล: การวิเคราะห์ทางสถิติจะดำเนินการกับข้อมูลการทดสอบ โดยคำนวณพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ค่าเฉลี่ยและส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน เพื่อประเมินความน่าเชื่อถือของผลลัพธ์

ที่สาม มาตรฐานการประเมินผลการปฏิบัติงาน

3.1 มาตรฐานการประเมินความเปราะบาง

3.2 มาตรฐานการประเมินความผิดปกติ

3.2.1 อัตราการเปลี่ยนแปลงมิติเชิงเส้น

อัตราการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้น (%)=(ขนาดหลังการบำบัด - ขนาดเริ่มต้น) / ขนาดเริ่มต้น × 100% การวัดที่สำคัญประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงเส้นผ่านศูนย์กลางปากถ้วย เส้นผ่านศูนย์กลางก้นถ้วย ความสูง และความหนาของผนัง

3.2.2 ค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนรูปร่าง

การบิดเบี้ยว: วัดความเรียบของปากถ้วยและก้นถ้วย ค่าเบี่ยงเบนสูงสุดที่อนุญาตคือ 0.5 มม. โดยมีข้อผิดพลาดความเรียบของระนาบอ้างอิงเท่ากับ<0.05 mm.
ส่วนเบี่ยงเบนความกลม: วัดการเปลี่ยนแปลงความกลมของถ้วยที่ความสูงต่างๆ โดยใช้เครื่องมือวัดความกลม
ความเบี่ยงเบนในแนวตั้งฉาก: วัดการเปลี่ยนแปลงในแนวตั้งฉากระหว่างแกนถ้วยและพื้นผิวด้านล่าง

3.2.3 อัตราการเปลี่ยนแปลงปริมาณ

อัตราการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร (%)=(ปริมาตรหลังการบำบัด - ปริมาตรเริ่มต้น) / ปริมาตรเริ่มต้น × 100% ปริมาตรวัดโดยวิธีการเติมน้ำ โดยใช้กระบอกตวงที่มีความแม่นยำในการวัดปริมาตรของน้ำที่เติม.

3.2.4 การเปลี่ยนแปลงความสม่ำเสมอของความหนาของผนัง

วัดความหนาของผนังที่ปากถ้วย ตรงกลางของตัวถ้วย และด้านล่าง (4 ทิศทางในแต่ละตำแหน่ง) โดยใช้ไมโครมิเตอร์ คำนวณค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานและสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงเพื่อประเมินการเปลี่ยนแปลงความสม่ำเสมอ.

3.3 คะแนนการประเมินประสิทธิภาพที่ครอบคลุม

IV. ผลการทดสอบและการวิเคราะห์

4.1 ผลการทดสอบการแช่แข็งระยะสั้น- (1-2 ชั่วโมง)

4.2 ผลการทดสอบการแช่แข็งระยะยาว- (24 ชั่วโมงขึ้นไป)

4.3 การกระจายอุณหภูมิและการวิเคราะห์ลักษณะการทำความเย็น

เวลาสมดุลอุณหภูมิ: ตัวอย่างจะใช้เวลา 30-40 นาทีในการทำให้เย็นลงจากอุณหภูมิห้อง (23 องศา) ถึง -20 องศา และอย่างน้อย 1 ชั่วโมงจึงจะถึงสมดุลของอุณหภูมิ ซึ่งสัมพันธ์กับความหนาของผนังตัวอย่าง ปริมาตร และความสามารถในการทำความเย็นของช่องแช่แข็ง
ความสม่ำเสมอในการกระจายอุณหภูมิ: ในสภาพแวดล้อม -20 องศา ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างส่วนต่างๆ ของตัวอย่างจะอยู่ภายใน ± 0.5 องศา และอุณหภูมิของปากถ้วย ลำตัว และก้นถ้วยจะสอดคล้องกัน ซึ่งตรงตามข้อกำหนดในการทดสอบ
ลักษณะการหดตัวด้วยความร้อน: เมื่อถ้วย PLA เย็นลงจากอุณหภูมิห้องถึง -20 องศา อัตราการหดตัวเชิงเส้นจะอยู่ที่ประมาณ 0.3-0.5% การหดตัวนี้ทำให้เกิดความเครียดภายในผนังถ้วย ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของการเกิดรอยแตกร้าว

4.4 การวิเคราะห์เปรียบเทียบกับวัสดุพลาสติกแบบดั้งเดิม

4.5 การวิเคราะห์กลไกความล้มเหลว

จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ ความล้มเหลวของ PLAถ้วยพลาสติกใสที่อุณหภูมิ -20 องศา เกิดจากปัจจัยหลายประการรวมกัน:
การแตกหักแบบเปราะที่อุณหภูมิต่ำ-: ที่ -20 องศา การเคลื่อนที่ของสายโซ่โมเลกุล PLA จะถูกจำกัด ส่งผลให้สูญเสียความเหนียว ส่งผลให้มีการแตกหักแบบเปราะได้ง่ายภายใต้ความเครียดภายในหรือภายนอก
ความเข้มข้นของความเครียดจากความร้อน: PLA มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนต่ำ ทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนในระหว่างการทำความเย็น รอยแตกเริ่มต้นและแพร่กระจายในบริเวณที่มีความเครียดสูง เช่น ขอบถ้วย ลำตัว และข้อต่อระหว่างด้านล่างและผนัง
การเปลี่ยนแปลงความเป็นผลึก: อุณหภูมิต่ำเป็นเวลานานอาจทำให้เกิดการตกผลึกเย็นใน PLA ซึ่งเพิ่มความเปราะบางของวัสดุอีกด้วย
ผลการผ่อนคลายความเครียด: ที่อุณหภูมิต่ำ อัตราการคลายตัวความเครียดของ PLA จะลดลง ทำให้ยากต่อการปล่อยความเครียดภายใน และเร่งการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว

V. การอภิปรายและข้อเสนอแนะ

5.1 ความสำคัญของการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติของผลการทดสอบ

การทดสอบแสดงให้เห็นว่าถ้วยพลาสติกใส PLA แบบใสแบบใช้แล้วทิ้งมีข้อจำกัดที่สำคัญที่ -20 องศา : รอยแตกที่มองเห็นได้ปรากฏขึ้นหลังจากการแช่แข็งในระยะสั้น- (1-2 ชั่วโมง) และการแช่แข็งเป็นเวลานาน (24 ชั่วโมงขึ้นไป) จะทำให้โครงสร้างพังทลาย ซึ่งหมายความว่าถ้วยพลาสติกใส PLA ไม่เหมาะสำหรับการเก็บรักษาในระยะยาวที่อุณหภูมิ -20 องศา หากจำเป็นต้องใช้ที่อุณหภูมิต่ำ แนะนำให้จัดลำดับความสำคัญของวัสดุ PET หรือ PP หากต้องใช้ PLA ควรใช้มาตรการต่างๆ เช่น การเพิ่มความหนาของผนัง และการเพิ่มปลอกป้องกัน เพื่อลดความเสียหาย

5.2 ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อผลการทดสอบ

ปัจจัยด้านวัสดุ: ปริมาณ Tg การกระจายน้ำหนักโมเลกุล ความเป็นผลึก และพลาสติไซเซอร์ของ PLA ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ- การเติมพลาสติไซเซอร์ เช่น dioctyl adipate (DOA) และ dibutyl sebacate (DBS) สามารถปรับปรุงความเหนียวได้
ปัจจัยการออกแบบโครงสร้าง: ความหนาของผนังและการออกแบบพื้นที่ความเข้มข้นของความเค้นของถ้วยส่งผลต่อความต้านทานการแตกร้าว การเพิ่มความหนาของผนังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้ แต่จะส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมและกระบวนการ: อัตราการเยือกแข็งและความผันผวนของอุณหภูมิสามารถเร่งการเสื่อมสภาพของวัสดุได้ กระบวนการผลิต เช่น พารามิเตอร์การฉีดขึ้นรูปและอัตราการเย็นตัว ส่งผลต่อคุณภาพเริ่มต้นของผลิตภัณฑ์
การปรับเปลี่ยนวัสดุ: ลด Tg ของ PLA ผ่านการโคพอลิเมอร์ไรเซชัน/การผสม เติมพลาสติไซเซอร์อุณหภูมิต่ำ- และควบคุมความเป็นผลึกด้วยสารสร้างนิวเคลียส
การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง: ทำให้ชิ้นส่วนสำคัญหนาขึ้น เช่น ขอบถ้วยและด้านล่าง เพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบเพื่อลดความเข้มข้นของความเครียด และใช้โครงสร้างคอมโพสิต PLA/PE
การใช้งานและมาตรฐาน: หลีกเลี่ยงการเก็บรักษาถ้วยพลาสติกใส PLA ในระยะยาว-ที่อุณหภูมิ -20 องศา ควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ส่งเสริมการจัดตั้งมาตรฐานประสิทธิภาพการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำของ PLA และแนวทางการใช้งาน.

5.3 ข้อเสนอแนะการปรับปรุง

การปรับเปลี่ยนวัสดุ:ลด Tg ของ PLA ผ่านทางโคพอลิเมอร์ไรเซชัน/การผสม เติมพลาสติไซเซอร์อุณหภูมิต่ำ- และควบคุมความเป็นผลึกด้วยสารสร้างนิวเคลียส

การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง:ทำให้ชิ้นส่วนสำคัญหนาขึ้น เช่น ขอบถ้วยและก้นถ้วย และปรับการออกแบบให้เหมาะสมเพื่อลดความเข้มข้นของความเครียด

การใช้งานและมาตรฐาน:หลีกเลี่ยงการเก็บรักษาถ้วยพลาสติกใส PLA ในระยะยาว-ที่อุณหภูมิ -20 องศา และควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

5.4 ข้อจำกัดและแนวโน้มการวิจัย

• การศึกษานี้ทดสอบเฉพาะถ้วยพลาสติกใส PLA ขนาด 12 ออนซ์ที่อุณหภูมิเดียว -20 องศา และภายใน 72 ชั่วโมง และไม่ครอบคลุมข้อกำหนด อุณหภูมิ และปัจจัยความชื้นอื่นๆ การวิจัยในอนาคตจำเป็นต้องขยายขอบเขตการทดสอบ พัฒนาวัสดุ PLA ดัดแปลงที่ปรับเปลี่ยนได้ในอุณหภูมิต่ำ- ปรับปรุงระบบการประเมิน และส่งเสริมการใช้ PLA อย่างมีเหตุผลในบรรจุภัณฑ์ที่อุณหภูมิต่ำ