Cốc nhựa PLA trong suốt thấp-Kiểm tra độ bền nhiệt độ: Nó có trở nên giòn hoặc biến dạng ở -20 độ không?

Giới thiệu

Axit polylactic (PLA), là một loại nhựa phân hủy sinh học, đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bao bì dùng một lần trong những năm gần đây. Có nguồn gốc từ các nguồn tài nguyên tái tạo như tinh bột ngô và bã mía, nó thể hiện khả năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học tuyệt vời, phân hủy thành carbon dioxide và nước trong vòng vài tháng trong điều kiện ủ phân công nghiệp. Tuy nhiên, hiệu suất ở nhiệt độ-thấp là hạn chế chính đối với các ứng dụng PLA. Nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của nó thường là 55-65 độ (giá trị điển hình khoảng 60 độ ). Dưới nhiệt độ này, độ linh động của chuỗi phân tử giảm mạnh và vật liệu trở nên cứng hơn và giòn hơn, đặc biệt là ở gần Tg, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất ở nhiệt độ thấp.

Nghiên cứu hiện tại về hiệu suất ở nhiệt độ thấp{0}}của PLA chủ yếu tập trung vào sửa đổi vật liệu và phân tích lý thuyết. Dữ liệu cho thấy PLA nguyên chất dễ bị giòn ở nhiệt độ thấp, làm giảm đáng kể các tính chất cơ học. Dưới -60 độ, cường độ uốn và cường độ va đập giảm mạnh, và dưới -80 độ, cường độ uốn thậm chí bằng 0, trong khi mô đun đàn hồi giảm đáng kể. Tuy nhiên, dữ liệu thử nghiệm cụ thể cho PLA dùng một lần thông thườngcốc nhựa trong suốtở nhiệt độ thấp thường được sử dụng (-20 độ) vẫn còn thiếu. Nghiên cứu này tiến hành thử nghiệm và phân tích thực tế về khía cạnh này.

I. Đặc tính vật liệu và mẫu thử

1.1 Đặc tính cơ bản của vật liệu PLA

PLA là một loại polyme bán{0}}tinh thể có cấu trúc phân tử và đặc tính vật lý độc đáo. Theo tài liệu, axit poly-L-lactic có độ kết tinh khoảng 37%, Tg khoảng 65 độ, điểm nóng chảy là 180 độ, mô đun kéo là 3-4 GPa và mô đun uốn là 4-5 GPa. Những đặc điểm này xác định hiệu suất ở nhiệt độ thấp của nó: ở nhiệt độ phòng, nó ở trạng thái thủy tinh, có nhiệt độ nóng chảy 150-160 độ, nhưng nhiệt độ sử dụng lâu dài không được vượt quá 80 độ, nếu không nó dễ bị mềm và xuống cấp; ở nhiệt độ thấp, chuyển động của chuỗi phân tử bị hạn chế, có độ giòn đáng kể, trở nên mỏng manh và dễ bị gãy ở nhiệt độ dưới 0 độ.

1.2 Thông số kỹ thuật và đặc điểm của cốc nhựa PLA dùng một lần tiêu chuẩn

Nghiên cứu thị trường cho thấy các thông số kỹ thuật điển hình của PLA dùng một lần tiêu chuẩncốc nhựa trong suốtnhư sau:

Nghiên cứu này đã chọn cốc trong suốt PLA 12oz (360ml) thường có sẵn làm mẫu thử nghiệm. Nó nặng 8,5-9,3 g, được sản xuất bằng phương pháp ép phun và có thành mỏng, phù hợp với đặc điểm thiết kế giảm-chi phí và tiết kiệm vật liệu của cốc nhựa trong dùng một lần.

1.3 So sánh hiệu suất với vật liệu nhựa truyền thống

II. Thiết kế phương pháp thử nghiệm

2.1 Tiêu chuẩn kiểm tra tiêu chuẩn hóa

Nghiên cứu này tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc tế, chủ yếu tham khảo:

• ASTM D746-20 "Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về nhiệt độ giòn của nhựa và chất đàn hồi do va chạm": Chỉ định phương pháp xác định nhiệt độ gãy giòn của nhựa trong các điều kiện va đập cụ thể, xác định nhiệt độ mà tại đó 50% mẫu có khả năng bị hỏng.
• ISO 974:2000 "Nhựa - Xác định nhiệt độ độ giòn do va đập": Đối với nhựa không cứng ở nhiệt độ phòng, kỹ thuật thống kê được sử dụng để định lượng nhiệt độ gãy giòn.
• ASTM D618 "Thực hành tiêu chuẩn về điều hòa nhựa để thử nghiệm": Chỉ định quy trình và điều kiện điều hòa cho nhựa trước khi thử nghiệm, đảm bảo độ tin cậy và khả năng so sánh của kết quả.

• 

2.2 Tiền xử lý mẫu và điều hòa môi trường

Theo tiêu chuẩn ASTM D618, các mẫu thử nghiệm cần phải được xử lý sơ bộ theo tiêu chuẩn trước khi thử nghiệm ở nhiệt độ-thấp:

• Làm sạch mẫu:Làm sạch bề mặt mẫu bằng chất tẩy rửa nhẹ và nước khử ion để loại bỏ vết dầu, bụi và các chất gây ô nhiễm khác. Sau khi vệ sinh, hãy lau khô bề mặt bằng vải sạch, mềm để đảm bảo bề mặt khô ráo và sạch sẽ.
• Điều hòa:Đặt mẫu trong môi trường phòng thí nghiệm tiêu chuẩn ở nhiệt độ 23±2 độ và độ ẩm tương đối 50±5% trong ít nhất 48 giờ để đảm bảo mẫu đạt trạng thái ban đầu ổn định.
• Đo lường ban đầu:Sau khi xử lý trước, đo các kích thước chính như đường kính miệng cốc, đường kính đáy cốc, chiều cao và độ dày thành bằng các công cụ chính xác như micromet và thước cặp, đồng thời ghi lại dữ liệu ban đầu.

2.3 Thiết bị kiểm tra và kiểm soát môi trường

Các thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu này như sau:

• Tủ đông-nhiệt độ thấp: Tủ đông bảo quản nhiệt độ thấp -20 độ chuyên nghiệp với độ chính xác kiểm soát nhiệt độ là ±0,5 độ và độ đồng đều là ±2,0 độ .
• Hệ thống giám sát nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ PT100 (độ chính xác ± 0,1 độ) được sử dụng để theo dõi nhiệt độ mẫu trong thời gian thực.
• Công cụ đo lường: Panme-có độ chính xác cao (độ chính xác 0,01 mm), thước cặp vernier (độ chính xác 0,02 mm) và cân điện tử (độ chính xác 0,01 g).
• Thiết bị kiểm tra quang học: Kính hiển vi kỹ thuật số có độ phân giải cao-và giao thoa kế ánh sáng trắng để quan sát vết nứt bề mặt.

2.4 Cài đặt thông số kiểm tra

2.5 Thiết kế quy trình kiểm thử

Thử nghiệm được tiến hành theo đợt, với 10 mẫu song song được thử nghiệm tại mỗi thời điểm. Các bước cụ thể như sau:

Chuẩn bị mẫu: Các mẫu được xử lý trước được chia ngẫu nhiên thành 5 nhóm (10 mẫu mỗi nhóm). Một nhóm đóng vai trò là nhóm đối chứng (không bị đông lạnh) và bốn nhóm còn lại được sử dụng lần lượt cho các thử nghiệm đông lạnh trong 1 giờ, 2 giờ, 24 giờ và 72 giờ.
Đánh giá hiệu suất ban đầu: Các mẫu của nhóm đối chứng trải qua kiểm tra trực quan, đo kích thước, đo trọng lượng và kiểm tra độ cứng để thiết lập dữ liệu cơ bản.

Thử nghiệm đông lạnh: Các mẫu thử nghiệm được đặt trong tủ đông -20 độ. Sau khi chờ ít nhất 1 giờ để đảm bảo cân bằng nhiệt độ, các mẫu được lấy ra vào thời điểm định trước và hiệu suất của chúng được đánh giá ngay lập tức để tránh hiện tượng tăng nhiệt độ trở lại ảnh hưởng đến kết quả.

Đánh giá hiệu suất: Điều này bao gồm kiểm tra trực quan (vết nứt, biến dạng), đo kích thước (thay đổi kích thước chính), đo trọng lượng, kiểm tra độ cứng và phát hiện vết nứt (quan sát bằng kính hiển vi về chiều dài, độ sâu và phân bố vết nứt).

Phân tích dữ liệu: Phân tích thống kê được thực hiện trên dữ liệu thử nghiệm, tính toán các thông số như giá trị trung bình và độ lệch chuẩn để đánh giá độ tin cậy của kết quả.

III. Tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất

3.1 Tiêu chuẩn đánh giá độ giòn

3.2 Tiêu chuẩn đánh giá biến dạng

3.2.1 Tốc độ thay đổi kích thước tuyến tính

Tỷ lệ thay đổi tuyến tính (%)=(Kích thước sau khi xử lý - Kích thước ban đầu) / Kích thước ban đầu × 100%. Các phép đo chính bao gồm những thay đổi về đường kính miệng cốc, đường kính đáy cốc, chiều cao và độ dày thành cốc.

3.2.2 Hệ số biến dạng hình dạng

Độ cong vênh: Đo độ lệch độ phẳng của miệng và đáy cốc. Độ lệch tối đa cho phép là 0,5 mm, với sai số độ phẳng của mặt phẳng tham chiếu là<0.05 mm.
Độ lệch độ tròn: Đo sự thay đổi độ tròn của cốc ở các độ cao khác nhau bằng dụng cụ đo độ tròn.
Độ lệch vuông góc: Đo sự thay đổi độ vuông góc giữa trục cốc và bề mặt đáy.

3.2.3 Tỷ lệ thay đổi âm lượng

Tỷ lệ thay đổi thể tích (%)=(Thể tích sau khi xử lý - Thể tích ban đầu) / Thể tích ban đầu × 100%. Thể tích được đo bằng phương pháp rót nước, sử dụng bình đo chính xác để đo thể tích nước đầy.

3.2.4 Thay đổi độ đồng đều của tường

Đo độ dày thành cốc ở miệng cốc, giữa thân cốc và đáy (4 hướng tại mỗi vị trí) bằng micromet. Tính độ lệch chuẩn và hệ số biến thiên để đánh giá sự thay đổi độ đồng đều.

3.3 Điểm đánh giá hiệu suất toàn diện

IV. Kết quả kiểm tra và phân tích

4.1 Kết quả thử nghiệm đông lạnh ngắn hạn-(1-2 giờ)

4.2-Kết quả thử nghiệm đông lạnh dài hạn (24 giờ trở lên)

4.3 Phân tích đặc tính làm mát và phân bố nhiệt độ

Thời gian cân bằng nhiệt độ: Phải mất 30-40 phút để mẫu nguội từ nhiệt độ phòng (23 độ) đến -20 độ và ít nhất 1 giờ để đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt độ, liên quan đến độ dày, thể tích thành mẫu và khả năng làm lạnh của tủ đông.
Độ đồng đều phân bố nhiệt độ: Trong môi trường -20 độ, chênh lệch nhiệt độ giữa các phần khác nhau của mẫu nằm trong phạm vi ± 0,5 độ và nhiệt độ của miệng cốc, thân và đáy cốc phù hợp, đáp ứng yêu cầu thử nghiệm.
Đặc tính co ngót do nhiệt: Khi cốc PLA nguội từ nhiệt độ phòng xuống -20 độ, tốc độ co ngót tuyến tính khoảng 0,3-0,5%. Sự co ngót này tạo ra ứng suất bên trong thành cốc, đây là nguyên nhân quan trọng gây ra sự hình thành vết nứt.

4.4 Phân tích so sánh với vật liệu nhựa truyền thống

4.5 Phân tích cơ chế lỗi

Dựa trên các quan sát bằng kính hiển vi, sự thất bại của PLAcốc nhựa trong suốtở -20 độ bắt nguồn từ sự kết hợp của nhiều yếu tố:
Gãy xương giòn ở nhiệt độ-thấp: Ở -20 độ , chuyển động của chuỗi phân tử PLA bị hạn chế, dẫn đến mất độ dẻo dai, khiến chúng dễ bị gãy giòn khi chịu áp lực bên trong hoặc bên ngoài.
Nồng độ ứng suất nhiệt: PLA có hệ số giãn nở nhiệt thấp, tạo ra ứng suất nhiệt trong quá trình làm mát. Các vết nứt bắt đầu và lan truyền ở các vùng tập trung ứng suất như vành cốc, thân và mối nối giữa đáy và tường;
Thay đổi độ kết tinh: Nhiệt độ thấp kéo dài có thể tạo ra sự kết tinh lạnh trong PLA, làm tăng thêm độ giòn của vật liệu.
Hiệu ứng hồi phục ứng suất: Ở nhiệt độ thấp, tốc độ hồi phục ứng suất của PLA giảm, khiến ứng suất bên trong khó được giải phóng, đẩy nhanh quá trình lan truyền vết nứt.

V. Thảo luận và khuyến nghị

5.1 Ý nghĩa ứng dụng thực tế của kết quả thử nghiệm

Các thử nghiệm cho thấy cốc trong suốt bằng nhựa PLA trong suốt dùng một lần thông thường có những hạn chế đáng kể ở -20 độ: các vết nứt có thể nhìn thấy xuất hiện sau khi đóng băng ngắn hạn-(1-2 giờ) và đóng băng kéo dài (24 giờ trở lên) dẫn đến sụp đổ cấu trúc. Điều này có nghĩa là cốc nhựa trong suốt PLA không thích hợp để bảo quản lâu dài ở nhiệt độ -20 độ. Nếu cần sử dụng ở nhiệt độ thấp thì nên ưu tiên sử dụng vật liệu PET hoặc PP; nếu phải sử dụng PLA, cần thực hiện các biện pháp như tăng độ dày thành và thêm ống bảo vệ để giảm thiệt hại.

5.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả xét nghiệm

Các yếu tố vật chất: Hàm lượng Tg, sự phân bố trọng lượng phân tử, độ kết tinh và chất làm dẻo của PLA đều ảnh hưởng đến hiệu suất-ở nhiệt độ thấp của PLA. Việc thêm chất hóa dẻo như dioctyl adipate (DOA) và dibutyl sebacate (DBS) có thể cải thiện độ dẻo dai.
Các yếu tố thiết kế kết cấu: Độ dày thành và thiết kế vùng tập trung ứng suất của cốc ảnh hưởng đến khả năng chống nứt. Tăng độ dày thành có thể cải thiện hiệu suất nhưng sẽ làm tăng chi phí.
Các yếu tố môi trường và quy trình: Tốc độ đông lạnh và biến động nhiệt độ có thể đẩy nhanh quá trình lão hóa vật liệu; quy trình sản xuất, chẳng hạn như thông số ép phun và tốc độ làm mát, ảnh hưởng đến chất lượng ban đầu của sản phẩm.
Sửa đổi vật liệu: Giảm Tg của PLA thông qua quá trình đồng trùng hợp/pha trộn, thêm chất-làm dẻo ở nhiệt độ thấp và kiểm soát độ kết tinh bằng tác nhân tạo hạt;
Tối ưu hóa cấu trúc: Làm dày các bộ phận chính như vành cốc và đáy cốc, tối ưu hóa thiết kế để giảm sự tập trung ứng suất và sử dụng cấu trúc hỗn hợp PLA/PE.
Cách sử dụng và Tiêu chuẩn: Tránh bảo quản lâu dài cốc nhựa trong PLA ở nhiệt độ -20 độ, kiểm soát tốc độ thay đổi nhiệt độ; thúc đẩy việc thiết lập các tiêu chuẩn hiệu suất ứng dụng nhiệt độ thấp của PLA và hướng dẫn sử dụng.

5.3 Đề xuất cải tiến

Sửa đổi vật liệu:Giảm Tg của PLA thông qua quá trình đồng trùng hợp/pha trộn, thêm chất hóa dẻo ở nhiệt độ-thấp và kiểm soát độ kết tinh bằng tác nhân tạo mầm;

Tối ưu hóa cấu trúc:Làm dày các bộ phận chính như vành và đáy cốc, đồng thời tối ưu hóa thiết kế để giảm sự tập trung ứng suất.

Cách sử dụng và tiêu chuẩn:Tránh bảo quản lâu dài cốc nhựa trong suốt PLA ở -20 độ và kiểm soát tốc độ thay đổi nhiệt độ.

5.4 Hạn chế và triển vọng nghiên cứu

• Nghiên cứu này chỉ thử nghiệm cốc nhựa trong suốt 12oz PLA ở nhiệt độ duy nhất là -20 độ và trong vòng 72 giờ chứ không bao gồm các thông số kỹ thuật, nhiệt độ và các yếu tố độ ẩm khác. Nghiên cứu trong tương lai cần mở rộng phạm vi thử nghiệm, phát triển các vật liệu PLA biến đổi-có khả năng thích ứng với nhiệt độ thấp, cải thiện hệ thống đánh giá và thúc đẩy ứng dụng hợp lý PLA trong bao bì ở nhiệt độ thấp