पीएलए प्लास्टिक क्लियर कप कम -तापमान स्थायित्व परीक्षण: क्या यह -20 डिग्री पर भंगुर या विकृत हो जाता है?

परिचय

पॉलीलैक्टिक एसिड (पीएलए), एक बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक के रूप में, हाल के वर्षों में डिस्पोजेबल पैकेजिंग के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। मकई स्टार्च और गन्ने की खोई जैसे नवीकरणीय संसाधनों से प्राप्त, यह उत्कृष्ट जैव अनुकूलता और जैव निम्नीकरण क्षमता प्रदर्शित करता है, जो औद्योगिक खाद स्थितियों के तहत कुछ महीनों के भीतर कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में विघटित हो जाता है। हालाँकि, कम तापमान प्रदर्शन PLA अनुप्रयोगों के लिए एक प्रमुख सीमा है। इसका ग्लास ट्रांज़िशन तापमान (Tg) आमतौर पर 55{7}}65 डिग्री (सामान्य मान लगभग 60 डिग्री) होता है। इस तापमान के नीचे, आणविक श्रृंखला की गतिशीलता तेजी से कम हो जाती है, और सामग्री कठोर और अधिक भंगुर हो जाती है, विशेष रूप से टीजी के पास, जो इसके कम तापमान के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है।

पीएलए निम्न तापमान प्रदर्शन पर वर्तमान शोध मुख्य रूप से सामग्री संशोधन और सैद्धांतिक विश्लेषण पर केंद्रित है। डेटा से पता चलता है कि शुद्ध पीएलए कम तापमान पर यांत्रिक गुणों में उल्लेखनीय कमी के साथ, भंगुर होने का खतरा होता है। -60 डिग्री से नीचे, झुकने की शक्ति और प्रभाव शक्ति में तेजी से गिरावट आती है, और -80 डिग्री से नीचे, झुकने की ताकत शून्य तक भी पहुंच जाती है, जबकि लोचदार मापांक काफी कम हो जाता है। हालाँकि, साधारण डिस्पोजेबल पीएलए के लिए विशिष्ट परीक्षण डेटाप्लास्टिक साफ़ कपआमतौर पर इस्तेमाल होने वाले कम तापमान (-20 डिग्री) पर अभी भी इसकी कमी है। यह अध्ययन इस पहलू पर व्यावहारिक परीक्षण और विश्लेषण करता है।

I. सामग्री विशेषताएँ और परीक्षण नमूने

1.1 पीएलए सामग्री की बुनियादी विशेषताएं

पीएलए एक अद्वितीय आणविक संरचना और भौतिक गुणों वाला एक अर्ध-क्रिस्टलीय बहुलक है। साहित्य के अनुसार, पॉली -L - लैक्टिक एसिड में क्रिस्टलीयता लगभग 37%, Tg लगभग 65 डिग्री, गलनांक 180 डिग्री, तन्यता मापांक 3{10}}4 GPa और झुकने का मापांक 4{12}}5 GPa होता है। ये विशेषताएँ इसके निम्न-तापमान प्रदर्शन को निर्धारित करती हैं: कमरे के तापमान पर, यह कांच जैसी अवस्था में होता है, जिसका गलनांक 150-160 डिग्री होता है, लेकिन दीर्घकालिक उपयोग का तापमान 80 डिग्री से अधिक नहीं होना चाहिए, अन्यथा इसके नरम होने और क्षरण का खतरा होता है; कम तापमान पर, आणविक श्रृंखला की गति प्रतिबंधित होती है, जो महत्वपूर्ण भंगुरता प्रदर्शित करती है, नाजुक हो जाती है और 0 डिग्री से नीचे आसानी से टूट जाती है।

1.2 मानक डिस्पोजेबल पीएलए प्लास्टिक क्लियर कप की विशिष्टताएं और विशेषताएं

बाजार अनुसंधान से पता चलता है कि मानक डिस्पोजेबल पीएलए की विशिष्ट विशिष्टताएँप्लास्टिक साफ़ कपनिम्नानुसार हैं:

इस अध्ययन ने परीक्षण नमूने के रूप में आमतौर पर उपलब्ध 12oz (360ml) PLA पारदर्शी कप का चयन किया। इसका वजन 8.5{4}}9.3 ग्राम है, इसे इंजेक्शन मोल्डिंग का उपयोग करके निर्मित किया गया है, और इसकी दीवारें पतली हैं, जो डिस्पोजेबल प्लास्टिक क्लियर कप की लागत में कमी और सामग्री-बचत डिजाइन विशेषताओं के अनुरूप है।

1.3 पारंपरिक प्लास्टिक सामग्री के साथ प्रदर्शन तुलना

द्वितीय. परीक्षण विधि डिज़ाइन

2.1 मानकीकृत परीक्षण मानक

यह अध्ययन अंतरराष्ट्रीय मानकों का कड़ाई से पालन करता है, मुख्य रूप से निम्नलिखित का संदर्भ देता है:

• एएसटीएम डी746-20 "प्रभाव द्वारा प्लास्टिक और इलास्टोमर्स के भंगुरता तापमान के लिए मानक परीक्षण विधि": विशिष्ट प्रभाव स्थितियों के तहत प्लास्टिक के भंगुर फ्रैक्चर तापमान को निर्धारित करने के लिए एक विधि निर्दिष्ट करता है, उस तापमान को परिभाषित करता है जिस पर 50% नमूने विफल होने की संभावना है।
• आईएसओ 974:2000 "प्लास्टिक - प्रभाव भंगुरता तापमान का निर्धारण": प्लास्टिक के लिए जो कमरे के तापमान पर कठोर नहीं होते हैं, भंगुर फ्रैक्चर तापमान को मापने के लिए सांख्यिकीय तकनीकों का उपयोग किया जाता है।
• एएसटीएम डी618 "परीक्षण के लिए कंडीशनिंग प्लास्टिक के लिए मानक अभ्यास": परिणामों की विश्वसनीयता और तुलनीयता सुनिश्चित करते हुए, परीक्षण से पहले प्लास्टिक के लिए कंडीशनिंग प्रक्रियाओं और शर्तों को निर्दिष्ट करता है।

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2.2 नमूना पूर्व उपचार और पर्यावरण कंडीशनिंग

एएसटीएम डी618 मानक के अनुसार, परीक्षण नमूनों को कम तापमान परीक्षण से पहले मानकीकृत पूर्व-उपचार की आवश्यकता होती है:

• नमूना सफ़ाई:तेल के दाग, धूल और अन्य दूषित पदार्थों को हटाने के लिए नमूने की सतह को हल्के डिटर्जेंट और विआयनीकृत पानी से साफ करें। सफाई के बाद, सतह को साफ, मुलायम कपड़े से सुखाएं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह सूखी और साफ है।
• कंडीशनिंग:नमूनों को एक मानक प्रयोगशाला वातावरण में 23±2 डिग्री के तापमान और 50±5% की सापेक्ष आर्द्रता पर कम से कम 48 घंटों के लिए रखें ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि नमूने स्थिर प्रारंभिक अवस्था में पहुंच जाएं।
• प्रारंभिक माप:प्रीट्रीटमेंट के बाद, माइक्रोमीटर और कैलीपर्स जैसे सटीक उपकरणों का उपयोग करके कप के उद्घाटन का व्यास, कप के नीचे का व्यास, ऊंचाई और दीवार की मोटाई जैसे प्रमुख आयामों को मापें और प्रारंभिक डेटा रिकॉर्ड करें।

2.3 परीक्षण उपकरण और पर्यावरण नियंत्रण

इस अध्ययन में प्रयुक्त मुख्य उपकरण इस प्रकार हैं:

• कम -तापमान फ्रीजर: ±0.5 डिग्री की तापमान नियंत्रण सटीकता और ±2.0 डिग्री की एकरूपता के साथ एक पेशेवर -20 डिग्री कम तापमान वाला भंडारण फ्रीजर।
• तापमान निगरानी प्रणाली: वास्तविक समय में नमूना तापमान की निगरानी के लिए PT100 तापमान सेंसर (सटीकता ±0.1 डिग्री) का उपयोग किया जाता है।
• माप उपकरण: उच्च परिशुद्धता माइक्रोमीटर (सटीकता 0.01 मिमी), वर्नियर कैलिपर्स (सटीकता 0.02 मिमी), और एक इलेक्ट्रॉनिक संतुलन (सटीकता 0.01 ग्राम)।
• ऑप्टिकल निरीक्षण उपकरण: सतह दरार अवलोकन के लिए उच्च -रिज़ॉल्यूशन डिजिटल माइक्रोस्कोप और सफेद प्रकाश इंटरफेरोमीटर।

2.4 परीक्षण पैरामीटर सेटिंग्स

2.5 परीक्षण प्रक्रिया डिज़ाइन

परीक्षण बैचों में आयोजित किया जाता है, जिसमें प्रत्येक समय बिंदु पर 10 समानांतर नमूनों का परीक्षण किया जाता है। विशिष्ट चरण इस प्रकार हैं:

नमूना तैयार करना: पूर्व-उपचारित नमूनों को यादृच्छिक रूप से 5 समूहों (प्रति समूह 10 नमूने) में विभाजित किया गया है। एक समूह नियंत्रण समूह (फ्रोज़न नहीं) के रूप में कार्य करता है, और शेष चार समूहों का उपयोग क्रमशः 1-घंटे, 2-घंटे, 24-घंटे और 72-घंटे फ़्रीज़िंग परीक्षणों के लिए किया जाता है।
प्रारंभिक प्रदर्शन मूल्यांकन: नियंत्रण समूह के नमूने आधारभूत डेटा स्थापित करने के लिए दृश्य निरीक्षण, आयामी माप, वजन माप और कठोरता परीक्षण से गुजरते हैं।

फ़्रीज़िंग परीक्षण: परीक्षण के नमूनों को -20 डिग्री फ़्रीज़र में रखा जाता है। तापमान संतुलन सुनिश्चित करने के लिए कम से कम 1 घंटे इंतजार करने के बाद, नमूनों को पूर्व निर्धारित समय पर हटा दिया जाता है, और परिणामों को प्रभावित करने वाले तापमान पलटाव से बचने के लिए उनके प्रदर्शन का तुरंत मूल्यांकन किया जाता है।

प्रदर्शन मूल्यांकन: इसमें दृश्य निरीक्षण (दरारें, विरूपण), आयामी माप (मुख्य आयामों में परिवर्तन), वजन माप, कठोरता परीक्षण और दरार का पता लगाना (दरार की लंबाई, गहराई और वितरण का सूक्ष्म अवलोकन) शामिल है।

डेटा विश्लेषण: परीक्षण डेटा पर सांख्यिकीय विश्लेषण किया जाता है, परिणामों की विश्वसनीयता का आकलन करने के लिए माध्य और मानक विचलन जैसे मापदंडों की गणना की जाती है।

तृतीय. प्रदर्शन मूल्यांकन मानक

3.1 भंगुरता मूल्यांकन मानक

3.2 विरूपण मूल्यांकन मानक

3.2.1 रैखिक आयाम परिवर्तन दर

रैखिक परिवर्तन दर (%)=(उपचार के बाद आयाम - प्रारंभिक आयाम) / प्रारंभिक आयाम × 100%। मुख्य मापों में कप के मुंह का व्यास, कप के नीचे का व्यास, ऊंचाई और दीवार की मोटाई में परिवर्तन शामिल हैं।

3.2.2 आकार विरूपण गुणांक

वारपेज: कप के मुंह और तली के समतलता विचलन को मापें। अधिकतम स्वीकार्य विचलन 0.5 मिमी है, संदर्भ तल समतलता त्रुटि के साथ<0.05 mm.
गोलाई विचलन: गोलाई मापने वाले उपकरण का उपयोग करके विभिन्न ऊंचाइयों पर कप की गोलाई परिवर्तन को मापें।
लंबवत विचलन: कप अक्ष और निचली सतह के बीच लंबवतता में परिवर्तन को मापें।

3.2.3 वॉल्यूम परिवर्तन दर

आयतन परिवर्तन दर (%)=(उपचार के बाद आयतन - आरंभिक आयतन) / आरंभिक आयतन × 100%। आयतन को पानी भरने की विधि द्वारा मापा जाता है, भरे हुए पानी की मात्रा को मापने के लिए एक सटीक मापने वाले सिलेंडर का उपयोग किया जाता है.

3.2.4 दीवार की मोटाई एकरूपता में बदलाव

एक माइक्रोमीटर का उपयोग करके कप के मुंह, कप बॉडी के मध्य और नीचे (प्रत्येक स्थान पर 4 दिशाएं) की दीवार की मोटाई मापें। एकरूपता परिवर्तन का मूल्यांकन करने के लिए मानक विचलन और भिन्नता के गुणांक की गणना करें.

3.3 व्यापक प्रदर्शन मूल्यांकन ग्रेड

चतुर्थ. परीक्षण के परिणाम और विश्लेषण

4.1 लघु-टर्म फ़्रीज़िंग परीक्षण परिणाम (1-2 घंटे)

4.2 दीर्घ-टर्म फ़्रीज़िंग परीक्षण परिणाम (24 घंटे या अधिक)

4.3 तापमान वितरण और शीतलन विशेषताओं का विश्लेषण

तापमान संतुलन समय: नमूने को कमरे के तापमान (23 डिग्री) से -20 डिग्री तक ठंडा होने में 30-40 मिनट लगते हैं, और तापमान संतुलन तक पहुंचने में कम से कम 1 घंटा लगता है, जो नमूना दीवार की मोटाई, मात्रा और फ्रीजर की शीतलन क्षमता से संबंधित है।
तापमान वितरण एकरूपता: -20 डिग्री के वातावरण में, नमूने के विभिन्न हिस्सों के बीच तापमान का अंतर ±0.5 डिग्री के भीतर होता है, और कप मुंह, शरीर और नीचे का तापमान सुसंगत होता है, जो परीक्षण आवश्यकताओं को पूरा करता है।
थर्मल सिकुड़न विशेषताएँ: जब PLA कप कमरे के तापमान से -20 डिग्री तक ठंडा होता है, तो रैखिक सिकुड़न दर लगभग 0.3-0.5% होती है। यह सिकुड़न कप की दीवार के भीतर आंतरिक तनाव उत्पन्न करती है, जो दरार बनने का एक महत्वपूर्ण कारण है।

4.4 पारंपरिक प्लास्टिक सामग्री के साथ तुलनात्मक विश्लेषण

4.5 विफलता तंत्र विश्लेषण

सूक्ष्म अवलोकनों के आधार पर पीएलए की विफलताप्लास्टिक साफ़ कप-20 डिग्री पर कई कारकों के संयोजन से उत्पन्न होता है:
निम्न तापमान भंगुर फ्रैक्चर: -20 डिग्री पर, पीएलए आणविक श्रृंखलाओं की गति प्रतिबंधित होती है, जिससे कठोरता में कमी आती है, जिससे वे आंतरिक या बाहरी तनाव के तहत भंगुर फ्रैक्चर के प्रति संवेदनशील हो जाते हैं।
थर्मल तनाव एकाग्रता: पीएलए में थर्मल विस्तार का गुणांक कम होता है, जो शीतलन के दौरान थर्मल तनाव उत्पन्न करता है। दरारें तनाव सघनता वाले क्षेत्रों जैसे कप रिम, शरीर और नीचे तथा दीवार के बीच के जोड़ में शुरू होती हैं और फैलती हैं;
क्रिस्टलीयता में परिवर्तन: लंबे समय तक कम तापमान पीएलए में ठंडे क्रिस्टलीकरण को प्रेरित कर सकता है, जिससे सामग्री की भंगुरता और बढ़ सकती है।
तनाव विश्राम प्रभाव: कम तापमान पर, पीएलए की तनाव विश्राम दर कम हो जाती है, जिससे आंतरिक तनाव को मुक्त करना मुश्किल हो जाता है, जिससे दरार का प्रसार तेज हो जाता है।

वी. चर्चा और सिफ़ारिशें

5.1 परीक्षण परिणामों का व्यावहारिक अनुप्रयोग महत्व

परीक्षणों से पता चलता है कि साधारण डिस्पोजेबल पारदर्शी पीएलए प्लास्टिक के स्पष्ट कपों में -20 डिग्री पर महत्वपूर्ण सीमाएँ होती हैं: दृश्यमान दरारें अल्पावधि (1-2 घंटे) के जमने के बाद दिखाई देती हैं, और लंबे समय तक (24 घंटे या अधिक) जमने से संरचनात्मक पतन होता है। इसका मतलब यह है कि PLA प्लास्टिक क्लियर कप -20 डिग्री पर दीर्घकालिक भंडारण के लिए उपयुक्त नहीं हैं। यदि कम तापमान का उपयोग आवश्यक है, तो पीईटी या पीपी सामग्री को प्राथमिकता देने की सिफारिश की जाती है; यदि पीएलए का उपयोग किया जाना चाहिए, तो क्षति को कम करने के लिए दीवार की मोटाई बढ़ाने और सुरक्षात्मक आस्तीन जोड़ने जैसे उपाय किए जाने चाहिए।

5.2 परीक्षण परिणामों को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक

भौतिक कारक: पीएलए का टीजी, आणविक भार वितरण, क्रिस्टलीयता और प्लास्टिसाइज़र सामग्री सभी इसके निम्न तापमान प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं। डाइऑक्टाइल एडिपेट (डीओए) और डिब्यूटाइल सेबाकेट (डीबीएस) जैसे प्लास्टिसाइज़र जोड़ने से कठोरता में सुधार हो सकता है।
संरचनात्मक डिजाइन कारक: दीवार की मोटाई और कप के तनाव एकाग्रता क्षेत्रों का डिजाइन दरार प्रतिरोध को प्रभावित करता है। दीवार की मोटाई बढ़ाने से प्रदर्शन में सुधार हो सकता है, लेकिन इससे लागत बढ़ जाएगी।
पर्यावरण और प्रक्रिया कारक: ठंड की दर और तापमान में उतार-चढ़ाव सामग्री की उम्र बढ़ने में तेजी ला सकते हैं; विनिर्माण प्रक्रियाएं, जैसे इंजेक्शन मोल्डिंग पैरामीटर और शीतलन दर, उत्पाद की प्रारंभिक गुणवत्ता को प्रभावित करती हैं।
सामग्री संशोधन: कोपोलिमराइजेशन/सम्मिश्रण के माध्यम से पीएलए के टीजी को कम करें, कम तापमान वाले प्लास्टिसाइज़र जोड़ें, और न्यूक्लियेटिंग एजेंटों के साथ क्रिस्टलीयता को नियंत्रित करें;
संरचनात्मक अनुकूलन: कप रिम और तल जैसे प्रमुख हिस्सों को मोटा करें, तनाव एकाग्रता को कम करने के लिए डिज़ाइन को अनुकूलित करें, और पीएलए/पीई समग्र संरचना को अपनाएं।
उपयोग और मानक: पीएलए प्लास्टिक स्पष्ट कपों के लंबे समय तक भंडारण से बचें, तापमान परिवर्तन की दर को नियंत्रित करें; पीएलए निम्न-तापमान अनुप्रयोग प्रदर्शन मानकों और उपयोग दिशानिर्देशों की स्थापना को बढ़ावा देना.

5.3 सुधार सुझाव

सामग्री संशोधन:कोपोलिमराइजेशन/सम्मिश्रण के माध्यम से पीएलए के टीजी को कम करें, कम तापमान वाले प्लास्टिसाइज़र जोड़ें, और न्यूक्लियेटिंग एजेंटों के साथ क्रिस्टलीयता को नियंत्रित करें;

संरचनात्मक अनुकूलन:कप रिम और तली जैसे मुख्य हिस्सों को मोटा करें और तनाव एकाग्रता को कम करने के लिए डिज़ाइन को अनुकूलित करें।

उपयोग और मानक:-20 डिग्री पर पीएलए प्लास्टिक क्लियर कप के लंबे समय तक भंडारण से बचें, और तापमान परिवर्तन की दर को नियंत्रित करें।

5.4 अनुसंधान सीमाएँ और आउटलुक

• इस अध्ययन में केवल 12 ऑउंस पीएलए प्लास्टिक क्लियर कपों का -20 डिग्री के एकल तापमान पर और 72 घंटों के भीतर परीक्षण किया गया, और इसमें अन्य विशिष्टताओं, तापमान और आर्द्रता कारकों को शामिल नहीं किया गया। भविष्य के शोध में परीक्षण के दायरे का विस्तार करने, कम तापमान के अनुकूल संशोधित पीएलए सामग्री विकसित करने, मूल्यांकन प्रणाली में सुधार करने और कम तापमान वाली पैकेजिंग में पीएलए के तर्कसंगत अनुप्रयोग को बढ़ावा देने की आवश्यकता है।