Einführung
Polymilchsäure (PLA) ist als biologisch abbaubarer Kunststoff in den letzten Jahren im Bereich der Einwegverpackungen weit verbreitet. Es wird aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke und Zuckerrohrbagasse gewonnen und weist eine hervorragende Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit auf. Unter industriellen Kompostierungsbedingungen zerfällt es innerhalb weniger Monate in Kohlendioxid und Wasser. Allerdings ist die Leistung bei niedrigen-Temperaturen eine wesentliche Einschränkung für PLA-Anwendungen. Seine Glasübergangstemperatur (Tg) beträgt typischerweise 55-65 Grad (typischer Wert um 60 Grad). Unterhalb dieser Temperatur nimmt die Beweglichkeit der Molekülkette stark ab und das Material wird härter und spröder, insbesondere in der Nähe von Tg, was seine Leistung bei niedrigen Temperaturen erheblich beeinträchtigt.
Die aktuelle Forschung zur Leistung von PLA bei niedrigen Temperaturen konzentriert sich hauptsächlich auf Materialmodifikationen und theoretische Analysen. Daten zeigen, dass reines PLA bei niedrigen Temperaturen zur Versprödung neigt, was zu einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt. Unterhalb von -60 Grad sinken die Biegefestigkeit und die Schlagzähigkeit stark, und unter -80 Grad erreicht die Biegefestigkeit sogar Null, während der Elastizitätsmodul deutlich abnimmt. Allerdings gelten spezifische Testdaten für gewöhnliches Einweg-PLAdurchsichtige Plastikbecherbei üblichen niedrigen Temperaturen (-20 Grad) fehlt noch. Diese Studie führt praktische Tests und Analysen zu diesem Aspekt durch.
I. Materialeigenschaften und Prüfmuster
1.1 Grundlegende Eigenschaften von PLA-Material
PLA ist ein halbkristallines Polymer mit einer einzigartigen Molekülstruktur und physikalischen Eigenschaften. Laut Literatur hat Poly-L-milchsäure eine Kristallinität von etwa 37 %, eine Tg von etwa 65 Grad, einen Schmelzpunkt von 180 Grad, einen Zugmodul von 3-4 GPa und einen Biegemodul von 4-5 GPa. Diese Eigenschaften bestimmen seine Leistung bei niedrigen Temperaturen: Bei Raumtemperatur befindet es sich in einem glasigen Zustand mit einem Schmelzpunkt von 150–160 Grad, die Langzeitgebrauchstemperatur sollte jedoch 80 Grad nicht überschreiten, da es sonst anfällig für Erweichung und Zersetzung ist; Bei niedrigen Temperaturen ist die Bewegung der Molekülketten eingeschränkt, was zu erheblicher Sprödigkeit führt, brüchig wird und unter 0 Grad leicht zerbricht.
1.2 Spezifikationen und Eigenschaften von durchsichtigen Standard-Einwegbechern aus PLA-Kunststoff
Marktforschungen zeigen, dass die typischen Spezifikationen von Standard-Einweg-PLAdurchsichtige Plastikbechersind wie folgt:
| Kapazität (oz/ml) | Oberer Durchmesser (mm) | Bodendurchmesser (mm) | Höhe (mm) | Gewicht (g) | Verwenden |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 Unzen (150 ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Kalte Getränke |
| 6 Unzen (180 ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Kalte Getränke |
| 8 Unzen (240 ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Kalte Getränke |
| 12oz (360ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Kalte Getränke |
| 16oz (480ml) | 89 | 57 | - | 10 | Kalte Getränke |
Als Testmuster wurde in dieser Studie ein handelsüblicher 12oz (360 ml) transparenter PLA-Becher ausgewählt. Er wiegt 8,5-9,3 g, wird im Spritzgussverfahren hergestellt und hat dünne Wände, was mit den kostenreduzierenden und materialsparenden Designmerkmalen von durchsichtigen Einwegbechern aus Kunststoff übereinstimmt.
1.3 Leistungsvergleich mit herkömmlichen Kunststoffmaterialien
| Materialtyp | Temperaturbereich | Leistungsmerkmale bei niedrigen-Temperaturen | Zugfestigkeit (MPa) | Bruchdehnung (%) | Biegemodul (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50 Grad | Bei niedrigen Temperaturen spröde | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| HAUSTIER | -40 Grad bis 60-70 Grad | Wird bei niedrigen Temperaturen spröde, Tg≈70 Grad | 57 | - | - |
| PP | -40 Grad bis 100 Grad | Behält eine gute Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 Grad bis 220 Grad | Hervorragende Leistung bei hohen und niedrigen{0}Temperaturen | - | - | - |
Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist die Temperaturbeständigkeit von PLA deutlich geringer als die von herkömmlichen Kunststoffen: Obwohl PET auch bei niedrigen Temperaturen spröde wird, ist seine Leistung bei -20 Grad relativ besser; PP hat den größten Temperaturbereich mit stabiler Leistung von -40 Grad bis 100 Grad; CPET bietet die beste Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften weist PLA ein breites Zugfestigkeitsspektrum auf, seine Bruchdehnung ist jedoch geringer als die von PP, was auf eine relativ unzureichende Zähigkeit hinweist.
II. Testmethodendesign
2.1 Standardisierte Teststandards
Diese Studie folgt strikt internationalen Standards und bezieht sich hauptsächlich auf:
- ASTM D746-20 „Standard Test Method for Sprödigkeitstemperatur von Kunststoffen und Elastomeren durch Schlag“: Spezifiziert eine Methode zur Bestimmung der Sprödbruchtemperatur von Kunststoffen unter bestimmten Schlagbedingungen und definiert die Temperatur, bei der 50 % der Proben wahrscheinlich versagen.
- ISO 974:2000 „Kunststoffe - Bestimmung der Schlagsprödigkeitstemperatur“: Für Kunststoffe, die bei Raumtemperatur nicht starr sind, werden statistische Verfahren zur Quantifizierung der Sprödbruchtemperatur verwendet.
- ASTM D618 „Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing“: Legt die Konditionierungsverfahren und -bedingungen für Kunststoffe vor dem Testen fest und gewährleistet so die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse.
-
2.2 Probenvorbehandlung und Umgebungskonditionierung
Gemäß der Norm ASTM D618 erfordern Testproben vor der Prüfung bei niedrigen Temperaturen eine standardisierte Vorbehandlung:
- Probenreinigung:Reinigen Sie die Probenoberfläche mit einem milden Reinigungsmittel und entionisiertem Wasser, um Ölflecken, Staub und andere Verunreinigungen zu entfernen. Trocknen Sie die Oberfläche nach der Reinigung mit einem sauberen, weichen Tuch ab, um sicherzustellen, dass sie trocken und sauber ist.
- Konditionierung:Platzieren Sie die Proben mindestens 48 Stunden lang in einer Standardlaborumgebung bei einer Temperatur von 23 ± 2 Grad und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 ± 5 %, um sicherzustellen, dass die Proben einen stabilen Ausgangszustand erreichen.
- Erste Messung:Messen Sie nach der Vorbehandlung wichtige Abmessungen wie den Durchmesser der Becheröffnung, den Durchmesser des Becherbodens, die Höhe und die Wandstärke mit Präzisionswerkzeugen wie Mikrometern und Messschiebern und zeichnen Sie die Ausgangsdaten auf.
2.3 Testausrüstung und Umgebungskontrolle
Die in dieser Studie verwendete Hauptausrüstung ist wie folgt:
- Tieftemperatur-Gefrierschrank: Ein professioneller -20-Grad-Tieftemperatur-Gefrierschrank mit einer Temperaturregelgenauigkeit von ±0,5 Grad und einer Gleichmäßigkeit von ±2,0 Grad.
- Temperaturüberwachungssystem: PT100-Temperatursensoren (Genauigkeit ±0,1 Grad) werden zur Überwachung der Probentemperatur in Echtzeit verwendet.
- Messwerkzeuge: Hochpräzise Mikrometer (Genauigkeit 0,01 mm), Messschieber (Genauigkeit 0,02 mm) und eine elektronische Waage (Genauigkeit 0,01 g).
- Optische Inspektionsausrüstung: Hochauflösendes Digitalmikroskop und Weißlichtinterferometer zur Beobachtung von Oberflächenrissen.
2.4 Testparametereinstellungen
Basierend auf Standardanforderungen und tatsächlichen Anwendungsanforderungen werden die Testparameter wie folgt festgelegt:
| Testbedingung | Parametereinstellung | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Testtemperatur | -20±1 Grad | Ziel-Gefriertemperatur |
| Kurzfristige Testzeit | 1 Stunde, 2 Stunden | Zwei Zeitpunkte |
| Langzeittestzeit- | 24 Stunden, 48 Stunden, 72 Stunden | Drei Zeitpunkte |
| Probenmenge | 10 parallele Proben pro Gruppe | Gewährleistet statistische Zuverlässigkeit |
| Temperaturgleichgewichtszeit | Mindestens 1 Stunde | Gewährleistet die Stabilität der Probentemperatur |
2.5 Testverfahrensdesign
Der Test wird in Chargen durchgeführt, wobei zu jedem Zeitpunkt 10 parallele Proben getestet werden. Die spezifischen Schritte sind wie folgt:
Probenvorbereitung: Die vor-behandelten Proben werden zufällig in 5 Gruppen aufgeteilt (10 Proben pro Gruppe). Eine Gruppe dient als Kontrollgruppe (nicht eingefroren) und die restlichen vier Gruppen werden für 1-stündige, 2-stündige, 24-stündige bzw. 72-stündige Gefriertests verwendet.
Erste Leistungsbewertung: Die Proben der Kontrollgruppe werden einer Sichtprüfung, Dimensionsmessung, Gewichtsmessung und Härteprüfung unterzogen, um Basisdaten zu ermitteln.
Gefriertest: Die Testproben werden in einen Gefrierschrank mit -20 Grad gestellt. Nach einer Wartezeit von mindestens einer Stunde, um das Temperaturgleichgewicht sicherzustellen, werden die Proben zu den vorgegebenen Zeiten entnommen und ihre Leistung sofort bewertet, um zu vermeiden, dass ein Temperaturanstieg die Ergebnisse beeinflusst.
Leistungsbewertung: Dazu gehören visuelle Inspektion (Risse, Verformung), Dimensionsmessung (Änderungen wichtiger Abmessungen), Gewichtsmessung, Härteprüfung und Risserkennung (mikroskopische Beobachtung der Risslänge, -tiefe und -verteilung).
Datenanalyse: Die Testdaten werden statistisch analysiert und Parameter wie Mittelwert und Standardabweichung berechnet, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu bewerten.
III. Leistungsbewertungsstandards
3.1 Standards zur Bewertung der Sprödigkeit
3.1.1 Klassifizierungsstandards für Risslängen
| Crack-Level | Längenbereich | Schwere | Beurteilungskriterien |
|---|---|---|---|
| Kleiner Riss | Kleiner oder gleich 2 mm | Leicht | Beeinträchtigt die Funktionalität nicht |
| Kurzer Riss | 2-5mm | Mäßig | Beeinträchtigt die Ästhetik, jedoch nicht die Funktionalität |
| Mittlerer Riss | 5-10mm | Schwer | Beeinflusst die Funktionalität |
| Langer Riss | >10mm | Extrem schwerwiegend | Führt zu strukturellem Versagen |
3.1.2 Bewertung der Rissdichte
Rissdichte=Gesamtrisslänge / Probenoberfläche. Die Rissverzweigungsdichte und die Verteilungseigenschaften werden ebenfalls aufgezeichnet und gemäß der Norm GB/T13298-2015 bewertet.
3.1.3 Bewertung der Sprödigkeitstemperatur
Gemäß den Normen ASTM D746 und ISO 974 bezieht sich die Sprödigkeitstemperatur auf die Temperatur, bei der 50 % der Proben unter bestimmten Aufprallbedingungen einen Sprödbruch erleiden. Obwohl sich diese Studie auf -20 Grad konzentriert, wurden zusätzliche Tests durchgeführt, um den Sprödigkeitstemperaturbereich der durchsichtigen PLA-Kunststoffbecher zu bestimmen.
3.2 Standards zur Verformungsbewertung
3.2.1 Änderungsrate der linearen Bemaßung
Lineare Änderungsrate (%)=(Dimension nach der Behandlung - Anfangsdimension) / Anfangsdimension × 100 %. Zu den wichtigsten Messungen gehören Änderungen des Bechermündungsdurchmessers, des Becherbodendurchmessers, der Höhe und der Wandstärke.
3.2.2 Formverformungskoeffizient
Verzug: Messen Sie die Ebenheitsabweichung von Bechermündung und -boden. Die maximal zulässige Abweichung beträgt 0,5 mm, mit einem Ebenheitsfehler der Referenzebene von<0.05 mm.
Rundheitsabweichung: Messen Sie mit einem Rundheitsmessgerät die Rundheitsänderung des Bechers in verschiedenen Höhen.
Rechtwinkligkeitsabweichung: Messen Sie die Änderung der Rechtwinkligkeit zwischen der Becherachse und der Bodenfläche.
3.2.3 Volumenänderungsrate
Volumenänderungsrate (%)=(Volumen nach der Behandlung - Anfangsvolumen) / Anfangsvolumen × 100 %. Das Volumen wird mit der Wasserfüllmethode gemessen, wobei ein Präzisionsmesszylinder verwendet wird, um das eingefüllte Wasservolumen zu messen.
3.2.4 Änderung der Wandstärkengleichmäßigkeit
Messen Sie die Wandstärke am Bechermund, in der Mitte des Becherkörpers und am Boden (4 Richtungen an jeder Stelle) mit einem Mikrometer. Berechnen Sie die Standardabweichung und den Variationskoeffizienten, um die Gleichmäßigkeitsänderung zu bewerten.
3.3 Umfassende Leistungsbewertungsnoten
| Grad | Sprödigkeitsgrad | Verformungsgrad | Nutzungsempfehlung |
|---|---|---|---|
| Exzellent | Keine Risse | Verformung<1% | Geeignet für den normalen Gebrauch |
| Gut | Leichte Risse (<2mm) | Verformung 1-3 % | Mit Vorsicht verwenden |
| Gerecht | Kurze Risse (2-5 mm) | Verformung 3-5 % | Nicht für den Langzeitgebrauch empfohlen.- |
| Arm | Medium-long cracks (>5mm) | Deformation >5% | Für den Gebrauch ungeeignet |
| Sehr schlecht | Starke Risse | Starke Verformung | Völliger Misserfolg |
IV. Testergebnisse und Analyse
4.1 Kurzfristige-Ergebnisse des Gefriertests (1–2 Stunden)
Kurzzeittests zeigten, dass durchsichtige PLA-Kunststoffbecher bei -20 Grad eine erhebliche Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen aufwiesen. Die spezifischen Daten lauten wie folgt:
| Testzeit | Probennummer | Rissiger Zustand | Maximale Risslänge (mm) | Durchschnittliche Rissdichte (mm/cm²) | Änderung des Bechermündungsdurchmessers (%) | Höhenänderung (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 Stunde | 1-5 | Leichte Risse | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 bis -0,9 | -0,3 bis -0,6 |
| 1-Stunden-Durchschnitt | - | Leichte Risse | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 Stunden | 6-10 | Kurze Risse/Leichte Risse | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 bis -1,3 | -0,6 bis -0,9 |
| 2-Stunden-Durchschnitt | - | Kurze Risse | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
Nach einer Stunde Einfrieren traten bei allen Proben leichte Risse auf. Diese Risse waren größtenteils entlang des Randes des Bechers, in Spannungskonzentrationsbereichen des Becherkörpers und an der Verbindung von Boden und Seitenwand verteilt, mit einer relativ verstreuten Verteilung. Nach zweistündigem Einfrieren verschlimmerten sich die Risse, wobei bei 4 von 5 Proben kurze Risse auftraten. Die durchschnittliche Risslänge und -dichte nahm deutlich zu, was darauf hindeutet, dass eine längere Gefrierzeit den Sprödbruch verschlimmert.
Was die Verformung betrifft, so schrumpfte der durchschnittliche Durchmesser der Becheröffnung nach einer Stunde um -0,76 ± 0,1 % und die Höhe schrumpfte um -0,46 ± 0,1 %; Nach 2 Stunden war die Kontraktion sogar noch deutlicher: Der Durchmesser der Becheröffnung schrumpfte um -1,16 ± 0,1 % und die Höhe um -0,76 ± 0,1 %. Die Verformung steht im Einklang mit den thermischen Schrumpfungseigenschaften von PLA bei niedrigen Temperaturen.
4.2 Ergebnisse des Langzeit-Gefriertests (24 Stunden oder mehr)
Langzeittests zeigten eine weitere Verschlechterung der durchsichtigen PLA-Kunststoffbecher mit schweren strukturellen Schäden. Die Daten lauten wie folgt:
| Testzeit | Probennummer | Risszustand | Maximale Risslänge (mm) | Durchschnittliche Rissdichte (mm/cm²) | Änderung des Bechermündungsdurchmessers (%) | Höhenänderung (%) | Gewichtsveränderung (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 Stunden | 11-15 | Mittlere/lange Risse | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2,1 bis -2,5 | -1,6 bis -2,0 | -0,2 bis -0,3 |
| 48 Stunden | 16-20 | Lange Risse/starke Risse | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2,9 bis -3,3 | -2,3 bis -2,7 | -0,3 bis -0,5 |
| 72 Stunden | 21-25 | Starke Risse | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3,5 bis -3,8 | -2,9 bis -3,2 | -0,5 bis -0,6 |
4.3 Analyse der Temperaturverteilung und Kühleigenschaften
Temperaturgleichgewichtszeit: Es dauert 30–40 Minuten, bis die Probe von Raumtemperatur (23 Grad) auf -20 Grad abgekühlt ist, und mindestens 1 Stunde, um das Temperaturgleichgewicht zu erreichen, das von der Wandstärke, dem Volumen der Probe und der Kühlkapazität des Gefrierschranks abhängt.
Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung: In einer Umgebung von -20 Grad liegt der Temperaturunterschied zwischen verschiedenen Teilen der Probe innerhalb von ±0,5 Grad und die Temperatur der Bechermündung, des Becherkörpers und des Bodens ist konsistent und erfüllt die Testanforderungen.
Thermische Schrumpfungseigenschaften: Wenn der PLA-Becher von Raumtemperatur auf -20 Grad abkühlt, beträgt die lineare Schrumpfungsrate etwa 0,3–0,5 %. Diese Schrumpfung erzeugt innere Spannungen innerhalb der Becherwand, die eine wesentliche Ursache für die Rissbildung darstellen.
4.4 Vergleichsanalyse mit herkömmlichen Kunststoffmaterialien
Um die Mängel klarer PLA-Kunststoffbecher bei niedrigen Temperaturen zu klären, wurden sie bei -20 Grad mit transparenten PET- und PP-Kunststoffbechern getestet und verglichen. Die Ergebnisse sind wie folgt:
| Materialtyp | Testzeit | Rissiger Zustand | Maximale Risslänge (mm) | Durchschnittliche Rissdichte (mm/cm²) | Änderung des Bechermündungsdurchmessers (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2 Stunden | Kurze Risse | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| HAUSTIER | 2 Stunden | Keine Risse | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2 Stunden | Keine Risse | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
Es ist ersichtlich, dass die Leistung von PET und PP bei niedrigen Temperaturen deutlich besser ist als die von PLA: PET zeigte nach 2 Stunden Gefrieren keine Risse und nach 24 Stunden nur geringfügige Risse; PP zeigte im gesamten Test keine Risse und auch der Dimensionsschwund war am geringsten. Dieser Leistungsunterschied ergibt sich aus den Materialeigenschaften-PET hat eine Tg von etwa 70 Grad und PP hat eine Tg von etwa -10 bis 0 Grad, wobei die Zähigkeit bei -20 Grad bleibt; während PLA eine Tg von etwa 60 Grad hat, weit über der Testtemperatur, und typische glasartige Sprödigkeit aufweist.
4.5 Fehlermechanismusanalyse
Basierend auf mikroskopischen Beobachtungen ist das Versagen von PLAdurchsichtige Plastikbecherbei -20 Grad ist auf eine Kombination mehrerer Faktoren zurückzuführen:
Sprödbruch bei niedriger-Temperatur: Bei -20 Grad ist die Bewegung der PLA-Molekülketten eingeschränkt, was zu einem Verlust an Zähigkeit führt und sie anfällig für Sprödbruch unter innerer oder äußerer Belastung macht.
Wärmespannungskonzentration: PLA hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und erzeugt beim Abkühlen Wärmespannung. Risse entstehen und breiten sich in Spannungskonzentrationsbereichen wie dem Becherrand, dem Körper und der Verbindung zwischen Boden und Wand aus.
Veränderungen der Kristallinität: Anhaltend niedrige Temperaturen können bei PLA zu einer Kaltkristallisation führen, was die Sprödigkeit des Materials weiter erhöht.
Spannungsrelaxationseffekt: Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Spannungsrelaxationsrate von PLA ab, was den Abbau innerer Spannungen erschwert und die Rissausbreitung beschleunigt.
V. Diskussion und Empfehlungen
5.1 Praktische Bedeutung der Testergebnisse
Die Tests zeigen, dass gewöhnliche durchsichtige Einwegbecher aus transparentem PLA-Kunststoff bei -20 Grad deutliche Einschränkungen aufweisen: Nach kurzzeitigem (1-2 Stunden) Einfrieren treten sichtbare Risse auf, und längeres Einfrieren (24 Stunden oder länger) führt zum Zusammenbruch der Struktur. Das bedeutet, dass durchsichtige Becher aus PLA-Kunststoff nicht für eine Langzeitlagerung bei -20 Grad geeignet sind. Wenn ein Einsatz bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist, wird empfohlen, PET- oder PP-Materialien den Vorzug zu geben; Wenn PLA verwendet werden muss, sollten Maßnahmen wie eine Erhöhung der Wandstärke und das Hinzufügen von Schutzhüllen ergriffen werden, um Schäden zu reduzieren.
5.2 Schlüsselfaktoren, die die Testergebnisse beeinflussen
Materialfaktoren: Die Tg, die Molekulargewichtsverteilung, die Kristallinität und der Weichmachergehalt von PLA beeinflussen alle seine Leistung bei niedrigen Temperaturen. Durch die Zugabe von Weichmachern wie Dioctyladipat (DOA) und Dibutylsebacat (DBS) kann die Zähigkeit verbessert werden.
Strukturelle Designfaktoren: Die Wandstärke und die Gestaltung der Spannungskonzentrationsbereiche des Bechers beeinflussen die Rissbeständigkeit. Eine Erhöhung der Wandstärke kann die Leistung verbessern, erhöht jedoch die Kosten.
Umwelt- und Prozessfaktoren: Gefriergeschwindigkeit und Temperaturschwankungen können die Materialalterung beschleunigen; Herstellungsprozesse wie Spritzgussparameter und Abkühlgeschwindigkeit beeinflussen die Ausgangsqualität des Produkts.
Materialmodifikation: Reduzieren Sie die Tg von PLA durch Copolymerisation/Mischen, fügen Sie Niedertemperatur-Weichmacher hinzu und steuern Sie die Kristallinität mit Keimbildnern;
Strukturoptimierung: Verdickung wichtiger Teile wie Becherrand und -boden, Optimierung des Designs zur Reduzierung der Spannungskonzentration und Einführung einer PLA/PE-Verbundstruktur.
Verwendung und Standards: Vermeiden Sie eine langfristige-Lagerung von durchsichtigen PLA-Kunststoffbechern bei -20 Grad und kontrollieren Sie die Geschwindigkeit der Temperaturänderung. Förderung der Festlegung von Leistungsstandards und Nutzungsrichtlinien für PLA-Anwendungen bei niedrigen Temperaturen.
5.3 Verbesserungsvorschläge
Materialmodifikation:Reduzieren Sie die Tg von PLA durch Copolymerisation/Mischen, fügen Sie Niedertemperatur-Weichmacher hinzu und steuern Sie die Kristallinität mit Keimbildnern;
Strukturoptimierung:Verstärken Sie wichtige Teile wie den Becherrand und den Becherboden und optimieren Sie das Design, um die Spannungskonzentration zu reduzieren.
Nutzung und Standards:Vermeiden Sie eine langfristige Lagerung von durchsichtigen PLA-Kunststoffbechern bei -20 Grad und kontrollieren Sie die Temperaturänderungsrate.
5.4 Forschungsbeschränkungen und Ausblick
- In dieser Studie wurden nur durchsichtige 12-Unzen-Becher aus PLA-Kunststoff bei einer einzigen Temperatur von -20 Grad und innerhalb von 72 Stunden getestet. Andere Spezifikationen, Temperaturen und Feuchtigkeitsfaktoren wurden nicht berücksichtigt. Zukünftige Forschung muss den Testumfang erweitern, an niedrige Temperaturen anpassbare modifizierte PLA-Materialien entwickeln, das Bewertungssystem verbessern und die rationelle Anwendung von PLA in Niedertemperaturverpackungen fördern
-
VI. Zusammenfassung
Diese Studie bewertete systematisch die Gefrierbeständigkeit von gewöhnlichen transparenten Einwegbechern aus PLA-Kunststoff bei -20 Grad durch standardisierte Tests, mit den folgenden Hauptergebnissen:
Sprödbruchverhalten: Kurzfristiges Einfrieren (1-2 Stunden) führte zu leichten bis kurzen Rissen, während langfristiges Einfrieren (72 Stunden) zu einer durchschnittlichen Risslänge von 30,5 mm führte, was zu einem vollständigen Strukturversagen führte;
Verformungsleistung: Durch das Einfrieren schrumpften die durchsichtigen Kunststoffbecher mit einer maximalen Schrumpfung von -3,7 % im Becherranddurchmesser und -3,1 % in der Höhe; mit der Zeit verstärkte sich die Verformung;
Materialvergleich: Die Leistung von PLA bei niedrigen Temperaturen ist weitaus geringer als die von PET und PP, die während des Testzeitraums eine gute Integrität behielten;
Versagensmechanismus: Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen, thermische Spannungskonzentration, Änderungen der Kristallinität und Spannungsrelaxation führten gemeinsam zum Versagen von PLA;
Anwendungsempfehlungen: Gewöhnliche transparente PLA-Kunststoffbecher sind nicht für den Langzeitgebrauch bei -20 Grad geeignet; Bei kurzfristiger -Nutzung ist Vorsicht geboten; Priorisieren Sie niedrigtemperaturanpassungsfähige Materialien wie PET und PP.
