مقدمة
تم استخدام حمض البوليلاكتيك (PLA)، باعتباره مادة بلاستيكية قابلة للتحلل، على نطاق واسع في مجال التغليف القابل للتصرف في السنوات الأخيرة. مشتق من موارد متجددة مثل نشا الذرة وتفل قصب السكر، وهو يُظهر توافقًا حيويًا ممتازًا وقابلية للتحلل البيولوجي، ويتحلل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في غضون بضعة أشهر في ظل ظروف التسميد الصناعي. ومع ذلك، يعد أداء درجات الحرارة المنخفضة-أحد القيود الرئيسية لتطبيقات PLA. تبلغ درجة حرارة التزجج (Tg) عادةً 55-65 درجة (القيمة النموذجية حوالي 60 درجة). تحت درجة الحرارة هذه، تقل حركة السلسلة الجزيئية بشكل حاد، وتصبح المادة أكثر صلابة وهشاشة، خاصة بالقرب من Tg، مما يؤثر بشكل كبير على أدائها في درجات الحرارة المنخفضة.
تركز الأبحاث الحالية حول أداء PLA في درجات الحرارة المنخفضة-بشكل أساسي على تعديل المواد والتحليل النظري. تشير البيانات إلى أن PLA النقي عرضة للتقصف عند درجات حرارة منخفضة، مع انخفاض كبير في الخواص الميكانيكية. أقل من -60 درجة، تنخفض قوة الانحناء وقوة التأثير بشكل حاد، وأقل من -80 درجة، تصل قوة الانحناء إلى الصفر، بينما ينخفض معامل المرونة بشكل ملحوظ. ومع ذلك، بيانات اختبار محددة لPLA العادي القابل للتصرفأكواب بلاستيكية شفافةفي درجات الحرارة المنخفضة شائعة الاستخدام (-20 درجة) لا يزال غير موجود. تجري هذه الدراسة اختبارات وتحليلات عملية في هذا الجانب.
I. خصائص المواد وعينات الاختبار
1.1 الخصائص الأساسية لمواد جيش التحرير الشعبى الصينى
PLA عبارة عن بوليمر-شبه بلوري له بنية جزيئية فريدة وخصائص فيزيائية. وفقًا للأدبيات، يحتوي حمض اللاكتيك - L- على بلورة تبلغ حوالي 37%، وTg حوالي 65 درجة، ونقطة انصهار تبلغ 180 درجة، ومعامل شد قدره 3-4 GPa، ومعامل انحناء قدره 4-5 GPa. تحدد هذه الخصائص أداء درجات الحرارة المنخفضة: في درجة حرارة الغرفة، يكون في حالة زجاجية، مع نقطة انصهار تتراوح بين 150-160 درجة، ولكن يجب ألا تتجاوز درجة حرارة الاستخدام على المدى الطويل 80 درجة، وإلا فهو عرضة للتليين والتدهور؛ عند درجات الحرارة المنخفضة، تكون حركة السلسلة الجزيئية مقيدة، وتظهر هشاشة كبيرة، وتصبح هشة وسهلة الكسر تحت درجة الصفر.
1.2 مواصفات وخصائص الأكواب البلاستيكية الشفافة القياسية القابلة للتصرف PLA
تظهر أبحاث السوق أن المواصفات النموذجية لمعيار PLA القابل للتصرفأكواب بلاستيكية شفافةهي كما يلي:
| السعة (أونصة/مل) | القطر العلوي (مم) | القطر السفلي (مم) | الارتفاع (مم) | الوزن (ز) | يستخدم |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 أوقية (150 مل) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | المشروبات الباردة |
| 6 أوقية (180 مل) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | المشروبات الباردة |
| 8 أونصة (240 مل) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | المشروبات الباردة |
| 12 أونصة (360 مل) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | المشروبات الباردة |
| 16 أونصة (480 مل) | 89 | 57 | - | 10 | المشروبات الباردة |
اختارت هذه الدراسة كوبًا شفافًا من مادة PLA سعة 12 أونصة (360 مل) متاحًا بشكل شائع كعينة اختبار. يبلغ وزنه 8.5-9.3 جرام، ويتم تصنيعه باستخدام القولبة بالحقن، وله جدران رقيقة، بما يتوافق مع خفض التكلفة-وخصائص التصميم الموفرة للمواد للأكواب البلاستيكية الشفافة التي تستخدم لمرة واحدة.
1.3 مقارنة الأداء مع المواد البلاستيكية التقليدية
| نوع المادة | نطاق درجة الحرارة | انخفاض-خصائص أداء درجة الحرارة | قوة الشد (ميغاباسكال) | الاستطالة عند الاستراحة (%) | معامل الانثناء (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| جيش التحرير الشعبى الصينى | 45-50 درجة | هشة في درجات حرارة منخفضة | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| حيوان أليف | -40 درجة إلى 60-70 درجة | يصبح هشًا عند درجات الحرارة المنخفضة، Tg≈70 درجة | 57 | - | - |
| ص | -40 درجة إلى 100 درجة | يحافظ على صلابة جيدة في درجات الحرارة المنخفضة | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 درجة إلى 220 درجة | أداء ممتاز في درجات الحرارة العالية والمنخفضة-. | - | - | - |
كما يتبين من الجدول، فإن مقاومة درجة الحرارة لـ PLA أقل بكثير من مقاومة البلاستيك التقليدي: على الرغم من أن PET يصبح هشًا أيضًا عند درجات الحرارة المنخفضة، إلا أن أداءه أفضل نسبيًا عند درجة -20 درجة؛ PP لديه أوسع نطاق لدرجة الحرارة، مع أداء مستقر من -40 درجة إلى 100 درجة؛ يتمتع CPET بأفضل أداء في درجات الحرارة العالية والمنخفضة. من حيث الخواص الميكانيكية، يتمتع PLA بمجموعة واسعة من قوة الشد، ولكن استطالته عند الكسر أقل من استطالة PP، مما يشير إلى صلابة غير كافية نسبيًا.
ثانيا. تصميم طريقة الاختبار
2.1 معايير الاختبار الموحدة
تتبع هذه الدراسة المعايير الدولية بدقة، وتشير بشكل رئيسي إلى:
- ASTM D746-20 "طريقة الاختبار القياسية لدرجة حرارة هشاشة المواد البلاستيكية واللدائن المرنة عن طريق التأثير": تحدد طريقة لتحديد درجة حرارة الكسر الهش للمواد البلاستيكية في ظل ظروف تأثير محددة، مع تحديد درجة الحرارة التي من المحتمل أن تفشل فيها 50% من العينات.
- ISO 974:2000 "البلاستيك - تحديد درجة حرارة هشاشة الصدمات": بالنسبة للمواد البلاستيكية غير الصلبة في درجة حرارة الغرفة، يتم استخدام التقنيات الإحصائية لتحديد درجة حرارة الكسر الهش.
- ASTM D618 "الممارسة القياسية لتكييف البلاستيك للاختبار": يحدد إجراءات وشروط تكييف البلاستيك قبل الاختبار، مما يضمن موثوقية النتائج وقابليتها للمقارنة.
-
2.2 المعالجة المسبقة للعينة والتكييف البيئي
وفقًا لمعيار ASTM D618، تتطلب عينات الاختبار معالجة مسبقة موحدة قبل اختبار درجة الحرارة المنخفضة-:
- تنظيف العينة:قم بتنظيف سطح العينة بمنظف معتدل وماء منزوع الأيونات لإزالة بقع الزيت والغبار والملوثات الأخرى. بعد التنظيف، جفف السطح بقطعة قماش نظيفة وناعمة للتأكد من أنه جاف ونظيف.
- تكييف:ضع العينات في بيئة معملية قياسية عند درجة حرارة 23±2 درجة ورطوبة نسبية 50±5% لمدة 48 ساعة على الأقل لضمان وصول العينات إلى حالة أولية مستقرة.
- القياس الأولي:بعد المعالجة المسبقة، قم بقياس الأبعاد الرئيسية مثل قطر فتحة الكوب، وقطر قاع الكوب، والارتفاع، وسمك الجدار باستخدام أدوات دقيقة مثل الميكروميتر والفرجار، وتسجيل البيانات الأولية.
2.3 معدات الاختبار والتحكم البيئي
المعدات الرئيسية المستخدمة في هذه الدراسة هي كما يلي:
- مجمد بدرجة حرارة منخفضة-: مجمد احترافي للتخزين بدرجة حرارة منخفضة -20 درجة مع دقة تحكم في درجة الحرارة تبلغ ±0.5 درجة وتوحيد ±2.0 درجة .
- نظام مراقبة درجة الحرارة: يتم استخدام أجهزة استشعار درجة الحرارة PT100 (الدقة ± 0.1 درجة) لمراقبة درجة حرارة العينة في الوقت الحقيقي.
- أدوات القياس: -ميكرومترات عالية الدقة (دقة 0.01 مم)، وفرجار رنيه (دقة 0.02 مم)، وميزان إلكتروني (دقة 0.01 جم).
- معدات الفحص البصري: مجهر رقمي عالي الدقة-ومقياس تداخل الضوء الأبيض لمراقبة الشقوق السطحية.
2.4 إعدادات معلمة الاختبار
بناءً على المتطلبات القياسية واحتياجات التطبيق الفعلية، يتم تعيين معلمات الاختبار على النحو التالي:
| حالة الاختبار | إعداد المعلمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| درجة حرارة الاختبار | -20±1 درجة | درجة حرارة التجميد المستهدفة |
| وقت اختبار قصير المدى-. | 1 ساعة، 2 ساعة | نقطتان زمنيتان |
| وقت اختبار طويل-مدة | 24 ساعة، 48 ساعة، 72 ساعة | ثلاث نقاط زمنية |
| كمية العينة | 10 عينات متوازية لكل مجموعة | يضمن الموثوقية الإحصائية |
| وقت توازن درجة الحرارة | ساعة واحدة على الأقل | يضمن استقرار درجة حرارة العينة |
2.5 تصميم إجراءات الاختبار
يتم إجراء الاختبار على دفعات، مع اختبار 10 عينات متوازية في كل نقطة زمنية. الخطوات المحددة هي كما يلي:
تحضير العينة: يتم تقسيم العينات المعالجة مسبقًا-بشكل عشوائي إلى 5 مجموعات (10 عينات لكل مجموعة). تعمل مجموعة واحدة كمجموعة مراقبة (غير مجمدة)، ويتم استخدام المجموعات الأربع المتبقية لاختبارات التجميد لمدة ساعة واحدة، وساعتين، و24 ساعة، و72 ساعة، على التوالي.
تقييم الأداء الأولي: تخضع عينات المجموعة الضابطة للفحص البصري وقياس الأبعاد وقياس الوزن واختبار الصلابة لإنشاء بيانات أساسية.
اختبار التجميد: يتم وضع عينات الاختبار في الفريزر -20 درجة. بعد الانتظار لمدة ساعة واحدة على الأقل لضمان توازن درجة الحرارة، تتم إزالة العينات في الأوقات المحددة مسبقًا، ويتم تقييم أدائها على الفور لتجنب ارتداد درجة الحرارة مما يؤثر على النتائج.
تقييم الأداء: ويشمل الفحص البصري (الشقوق والتشوه)، وقياس الأبعاد (التغيرات في الأبعاد الرئيسية)، وقياس الوزن، واختبار الصلابة، والكشف عن الشقوق (الملاحظة المجهرية لطول الشقوق وعمقها وتوزيعها).
تحليل البيانات: يتم إجراء التحليل الإحصائي على بيانات الاختبار، وحساب المعلمات مثل المتوسط والانحراف المعياري لتقييم موثوقية النتائج.
ثالثا. معايير تقييم الأداء
3.1 معايير تقييم الهشاشة
3.1.1 معايير تصنيف طول الكراك
| مستوى الكراك | نطاق الطول | خطورة | معايير الحكم |
|---|---|---|---|
| صدع طفيف | أقل من أو يساوي 2 ملم | طفيف | لا يؤثر على الوظيفة |
| الكراك القصير | 2-5 ملم | معتدل | يؤثر على الجماليات ولكن ليس على الوظيفة |
| الكراك المتوسط | 5-10 ملم | شديد | يؤثر على الوظيفة |
| الكراك الطويل | >10 ملم | شديدة للغاية | يؤدي إلى الفشل الهيكلي |
3.1.2 تقييم كثافة الصدع
كثافة الشق=إجمالي طول الشق / مساحة سطح العينة. يتم أيضًا تسجيل كثافة تفرع الكراك وخصائص التوزيع وتقييمها وفقًا لمعيار GB/T13298-2015.
3.1.3 تقييم درجة حرارة الهشاشة
وفقًا لمعايير ASTM D746 وISO 974، تشير درجة حرارة الهشاشة إلى درجة الحرارة التي تخضع فيها 50% من العينات لكسر هش في ظل ظروف تصادم محددة. على الرغم من أن هذه الدراسة تركز على -20 درجة، إلا أنه تم إجراء اختبارات إضافية لتحديد نطاق درجة حرارة الهشاشة للأكواب البلاستيكية الشفافة من PLA.
3.2 معايير تقييم التشوه
3.2.1 معدل تغير البعد الخطي
معدل التغير الخطي (%)=(البعد بعد المعالجة - البعد الأولي) / البعد الأولي × 100%. تشمل القياسات الرئيسية التغييرات في قطر فتحة الكوب، وقطر قاع الكوب، والارتفاع، وسمك الجدار.
3.2.2 معامل تشوه الشكل
Warpage: قم بقياس انحراف التسطيح لفم الكوب وأسفله. الحد الأقصى للانحراف المسموح به هو 0.5 مم، مع وجود خطأ في تسطيح المستوى المرجعي<0.05 mm.
انحراف الاستدارة: قم بقياس تغير استدارة الكأس على ارتفاعات مختلفة باستخدام أداة قياس الاستدارة.
الانحراف العمودي: قياس التغير في العمودي بين محور الكأس والسطح السفلي.
3.2.3 معدل تغير الحجم
معدل تغير الحجم (%)=(الحجم بعد العلاج - الحجم الأولي) / الحجم الأولي × 100%. يتم قياس الحجم بطريقة تعبئة الماء، باستخدام أسطوانة قياس دقيقة لقياس حجم الماء المملوء.
3.2.4 تغيير توحيد سماكة الجدار
قم بقياس سمك الجدار عند فتحة الكوب، ومنتصف جسم الكوب، والأسفل (4 اتجاهات في كل موقع) باستخدام الميكرومتر. حساب الانحراف المعياري ومعامل الاختلاف لتقييم التغير في التوحيد.
3.3 درجات تقييم الأداء الشامل
| درجة | مستوى الهشاشة | مستوى التشوه | توصية الاستخدام |
|---|---|---|---|
| ممتاز | لا الشقوق | التشوه<1% | مناسبة للاستخدام العادي |
| جيد | شقوق طفيفة (<2mm) | التشوه 1-3% | استخدم بحذر |
| عدل | شقوق قصيرة (2-5 ملم) | التشوه 3-5% | لا يُنصح باستخدامه على المدى الطويل-. |
| فقير | Medium-long cracks (>5 ملم) | Deformation >5% | غير صالحة للاستخدام |
| فقير جدا | تكسير شديد | تشوه شديد | الفشل الكامل |
رابعا. نتائج الاختبار والتحليل
4.1 نتائج اختبار التجميد قصير المدى- (1-2 ساعة)
أظهرت الاختبارات قصيرة المدى- أن الأكواب البلاستيكية الشفافة المصنوعة من مادة PLA أظهرت هشاشة كبيرة عند درجة حرارة منخفضة-عند درجة حرارة -20 درجة. البيانات المحددة هي كما يلي:
| وقت الاختبار | رقم العينة | حالة التكسير | الحد الأقصى لطول الكراك (مم) | متوسط كثافة التصدع (مم/سم²) | تغيير قطر فتحة الكوب (%) | تغيير الارتفاع (٪) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 ساعة | 1-5 | شقوق طفيفة | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0.6 إلى -0.9 | -0.3 إلى -0.6 |
| متوسط 1 ساعة | - | شقوق طفيفة | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| ساعاتين | 6-10 | شقوق قصيرة/شقوق طفيفة | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1.0 إلى -1.3 | -0.6 إلى -0.9 |
| متوسط ساعتين | - | الشقوق القصيرة | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
بعد ساعة واحدة من التجميد، ظهرت شقوق طفيفة في جميع العينات. توزعت هذه الشقوق في الغالب على طول حافة الكأس، وفي مناطق تركيز الضغط في جسم الكأس، وعند تقاطع الجدار السفلي والجانبي، مع توزيع متفرق نسبياً. وبعد ساعتين من التجميد، تفاقمت الشقوق، مع ظهور شقوق قصيرة في 4 من أصل 5 عينات. زاد متوسط طول الكراك وكثافته بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن وقت التجميد الطويل يؤدي إلى تفاقم الكسور الهشة.
فيما يتعلق بالتشوه، بعد ساعة واحدة، تقلص متوسط قطر فتحة الكوب بنسبة -0.76±0.1%، وانكمش الارتفاع بنسبة -0.46±0.1%؛ وبعد ساعتين، كان الانكماش أكثر وضوحًا، حيث تقلص قطر فتحة الكوب بمقدار -1.16±0.1% والارتفاع بمقدار -0.76±0.1%. يتوافق التشوه مع خصائص الانكماش الحراري عند درجات الحرارة المنخفضة لـ PLA.
4.2 نتائج اختبار التجميد طويل الأمد- (24 ساعة أو أكثر)
أظهر الاختبار طويل الأمد- مزيدًا من التدهور في الأكواب البلاستيكية الشفافة المصنوعة من جيش التحرير الشعبى الصينى (PLA)، مع حدوث أضرار هيكلية شديدة. البيانات هي كما يلي:
| وقت الاختبار | رقم العينة | حالة الكراك | الحد الأقصى لطول الكراك (مم) | متوسط كثافة التصدع (مم/سم²) | تغيير قطر فتحة الكوب (%) | تغيير الارتفاع (٪) | تغيير الوزن (ز) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 ساعة | 11-15 | شقوق متوسطة/طويلة | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2.1 إلى -2.5 | -1.6 إلى -2.0 | -0.2 إلى -0.3 |
| 48 ساعة | 16-20 | الشقوق الطويلة/التكسير الشديد | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2.9 إلى -3.3 | -2.3 إلى -2.7 | -0.3 إلى -0.5 |
| 72 ساعة | 21-25 | تكسير شديد | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3.5 إلى -3.8 | -2.9 إلى -3.2 | -0.5 إلى -0.6 |
4.3 توزيع درجات الحرارة وتحليل خصائص التبريد
وقت توازن درجة الحرارة: تستغرق العينة من 30 إلى 40 دقيقة لتبرد من درجة حرارة الغرفة (23 درجة) إلى -20 درجة، وساعة واحدة على الأقل للوصول إلى توازن درجة الحرارة، والذي يرتبط بسمك جدار العينة وحجمها وقدرة التبريد للفريزر.
توحيد توزيع درجة الحرارة: في بيئة -20 درجة، يكون فرق درجة الحرارة بين الأجزاء المختلفة من العينة في حدود ±0.5 درجة، وتكون درجة حرارة فم الكوب والجسم والقاع ثابتة، مما يلبي متطلبات الاختبار.
خصائص الانكماش الحراري: عندما يبرد كوب PLA من درجة حرارة الغرفة إلى -20 درجة، فإن معدل الانكماش الخطي يبلغ حوالي 0.3-0.5%. ويولد هذا الانكماش إجهادًا داخليًا داخل الجدار الكأسي، وهو سبب مهم لتكوين الشقوق.
4.4 التحليل المقارن مع المواد البلاستيكية التقليدية
لتوضيح عيوب الأكواب البلاستيكية الشفافة PLA عند درجات الحرارة المنخفضة، تم اختبارها ومقارنتها مع الأكواب البلاستيكية الشفافة PET وPP عند -20 درجة. النتائج هي كما يلي:
| نوع المادة | وقت الاختبار | حالة التكسير | الحد الأقصى لطول الكراك (مم) | متوسط كثافة التصدع (مم/سم²) | تغيير قطر فتحة الكوب (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| جيش التحرير الشعبى الصينى | ساعاتين | الشقوق القصيرة | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| حيوان أليف | ساعاتين | لا الشقوق | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| ص | ساعاتين | لا الشقوق | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
يمكن ملاحظة أن أداء درجة الحرارة المنخفضة-لـ PET وPP أفضل بكثير من أداء PLA: لم تظهر على PET أي شقوق بعد ساعتين من التجميد، ولم تظهر سوى شقوق طفيفة بعد 24 ساعة؛ لم يُظهر PP أي شقوق طوال فترة الاختبار، وكان انكماش أبعاده أيضًا هو الأصغر. ينبع هذا الاختلاف في الأداء من خصائص المادة-يحتوي PET على Tg يبلغ حوالي 70 درجة، بينما يحتوي PP على Tg يتراوح تقريبًا من -10 درجة إلى 0 درجة، مما يحافظ على المتانة عند -20 درجة؛ في حين أن PLA لديه Tg يبلغ حوالي 60 درجة، أعلى بكثير من درجة حرارة الاختبار، مما يُظهر هشاشة زجاجية نموذجية.
4.5 تحليل آلية الفشل
استنادا إلى الملاحظات المجهرية، فشل جيش التحرير الشعبى الصينىأكواب بلاستيكية شفافةعند -20 درجة ينبع من مجموعة من العوامل المتعددة:
-كسر هش عند درجة حرارة منخفضة: عند -20 درجة، تكون حركة السلاسل الجزيئية PLA مقيدة، مما يؤدي إلى فقدان المتانة، مما يجعلها عرضة للكسور الهشة تحت ضغط داخلي أو خارجي.
تركيز الإجهاد الحراري: يتمتع PLA بمعامل منخفض للتمدد الحراري، مما يولد إجهادًا حراريًا أثناء التبريد. تبدأ الشقوق وتنتشر في مناطق تركيز الضغط مثل حافة الكوب والجسم والمفصل بين القاع والجدار؛
تغيرات التبلور: قد تؤدي درجات الحرارة المنخفضة لفترة طويلة إلى حدوث تبلور بارد في جيش التحرير الشعبى الصينى، مما يزيد من هشاشة المادة.
تأثير استرخاء الإجهاد: عند درجات الحرارة المنخفضة، ينخفض معدل استرخاء الإجهاد في PLA، مما يجعل من الصعب إطلاق الضغط الداخلي، مما يؤدي إلى تسريع انتشار الشقوق.
خامساً: المناقشة والتوصيات
5.1 أهمية التطبيق العملي لنتائج الاختبار
أظهرت الاختبارات أن الأكواب البلاستيكية الشفافة المصنوعة من مادة PLA البلاستيكية الشفافة العادية التي تستخدم لمرة واحدة لها حدود كبيرة عند درجة -20 درجة: تظهر شقوق مرئية بعد فترة قصيرة من التجميد-(1-ساعتين)، ويؤدي التجميد لفترة طويلة (24 ساعة أو أكثر) إلى انهيار هيكلي. وهذا يعني أن الأكواب البلاستيكية الشفافة PLA ليست مناسبة للتخزين طويل الأمد عند -20 درجة. إذا كان الاستخدام في درجات الحرارة المنخفضة ضروريًا، فمن المستحسن إعطاء الأولوية لمواد PET أو PP؛ إذا كان لا بد من استخدام جيش التحرير الشعبى الصينى، ينبغي اتخاذ تدابير مثل زيادة سمك الجدار وإضافة الأكمام الواقية للحد من الضرر.
5.2 العوامل الرئيسية التي تؤثر على نتائج الاختبار
العوامل المادية: يؤثر كل من Tg، وتوزيع الوزن الجزيئي، والبلورة، ومحتوى الملدنات في PLA على أداء درجات الحرارة المنخفضة. يمكن أن تؤدي إضافة الملدنات مثل ديوكتيل أديبات (DOA) وديبوتيل سيباكات (DBS) إلى تحسين المتانة.
عوامل التصميم الإنشائي: يؤثر سمك الجدار وتصميم مناطق تركيز الضغط في الكوب على مقاومة التشقق. يمكن أن تؤدي زيادة سمك الجدار إلى تحسين الأداء، ولكنها ستؤدي إلى زيادة التكاليف.
العوامل البيئية والعملية: يمكن أن يؤدي معدل التجميد وتقلبات درجات الحرارة إلى تسريع شيخوخة المواد؛ تؤثر عمليات التصنيع، مثل معلمات القولبة بالحقن ومعدل التبريد، على الجودة الأولية للمنتج.
تعديل المواد: تقليل Tg لـ PLA من خلال البلمرة المشتركة/المزج، وإضافة ملدنات ذات درجة حرارة منخفضة -، والتحكم في التبلور باستخدام عوامل النواة؛
التحسين الهيكلي: زيادة سماكة الأجزاء الرئيسية مثل حافة الكوب وأسفله، وتحسين التصميم لتقليل تركيز الضغط، واعتماد هيكل مركب PLA/PE.
الاستخدام والمعايير: تجنب تخزين الأكواب البلاستيكية الشفافة لمدة طويلة-على درجة حرارة -20 درجة، وتحكم في معدل التغير في درجة الحرارة؛ تعزيز إنشاء معايير أداء التطبيقات في درجات الحرارة المنخفضة لجيش التحرير الشعبى الصينى وإرشادات الاستخدام.
5.3 اقتراحات التحسين
تعديل المواد:تقليل Tg لـ PLA من خلال البلمرة المشتركة/المزج، وإضافة -ملدنات ذات درجة حرارة منخفضة، والتحكم في التبلور باستخدام عوامل النواة؛
التحسين الهيكلي:قم بتكثيف الأجزاء الرئيسية مثل حافة الكوب وأسفله، وقم بتحسين التصميم لتقليل تركيز الضغط.
الاستخدام والمعايير:تجنب تخزين الأكواب البلاستيكية الشفافة لمدة طويلة-بدرجة حرارة -20 درجة، وتحكم في معدل التغير في درجة الحرارة.
5.4 حدود البحث والتوقعات
- اختبرت هذه الدراسة فقط أكواب بلاستيكية شفافة من مادة PLA سعة 12 أونصة عند درجة حرارة واحدة تبلغ -20 درجة وخلال 72 ساعة، ولم تغطي المواصفات ودرجات الحرارة وعوامل الرطوبة الأخرى. تحتاج الأبحاث المستقبلية إلى توسيع نطاق الاختبار، وتطوير-مواد PLA معدلة قابلة للتكيف مع درجات الحرارة المنخفضة، وتحسين نظام التقييم، وتعزيز التطبيق العقلاني لـ PLA في العبوات ذات درجات الحرارة المنخفضة
-
سادسا. ملخص
قامت هذه الدراسة بتقييم متانة التجميد للأكواب البلاستيكية الشفافة العادية القابلة للتصرف PLA عند -20 درجة من خلال اختبار موحد، مع النتائج الرئيسية التالية:
أداء الكسور الهشة: أدى التجميد على المدى القصير-(1-2 ساعة) إلى حدوث شقوق طفيفة إلى قصيرة، بينما أدى التجميد على المدى الطويل (72 ساعة) إلى متوسط طول الشقوق 30.5 مم، مما يؤدي إلى فشل هيكلي كامل؛
أداء التشوه: تسبب التجميد في انكماش الأكواب البلاستيكية الشفافة، مع حد أقصى للانكماش يبلغ -3.7% في قطر حافة الكوب و-3.1% في الارتفاع؛ تكثف التشوه مع مرور الوقت.
مقارنة المواد: أداء درجة الحرارة المنخفضة لـ PLA- أقل بكثير من أداء PET وPP، اللذين حافظا على سلامة جيدة أثناء فترة الاختبار؛
آلية الفشل: -هشاشة درجات الحرارة المنخفضة، وتركيز الإجهاد الحراري، والتغيرات في التبلور، واسترخاء الضغط أدت معًا إلى فشل PLA؛
توصيات الاستخدام: الأكواب البلاستيكية الشفافة العادية PLA ليست مناسبة للاستخدام على المدى الطويل-عند درجة حرارة -20 درجة؛ الاستخدام على المدى القصير-يتطلب الحذر؛ إعطاء الأولوية للمواد القابلة للتكيف مع درجات الحرارة المنخفضة مثل PET وPP.
