Introduction
L'acide polylactique (PLA), en tant que plastique biodégradable, a été largement utilisé dans le domaine des emballages jetables ces dernières années. Dérivé de ressources renouvelables telles que l'amidon de maïs et la bagasse de canne à sucre, il présente une excellente biocompatibilité et biodégradabilité, se décomposant en dioxyde de carbone et en eau en quelques mois dans des conditions de compostage industriel. Cependant, les performances à basse-température constituent une limitation clé pour les applications PLA. Sa température de transition vitreuse (Tg) est généralement de 55-65 degrés (valeur typique autour de 60 degrés). En dessous de cette température, la mobilité de la chaîne moléculaire diminue fortement et le matériau devient plus dur et plus cassant, notamment près de la Tg, affectant considérablement ses performances à basse température.
Les recherches actuelles sur les performances du PLA à basse-température se concentrent principalement sur la modification des matériaux et l'analyse théorique. Les données montrent que le PLA pur est sujet à la fragilisation à basse température, avec une diminution significative des propriétés mécaniques. En dessous de -60 degrés, la résistance à la flexion et la résistance aux chocs chutent fortement, et en dessous de -80 degrés, la résistance à la flexion atteint même zéro, tandis que le module élastique diminue considérablement. Cependant, des données de test spécifiques pour le PLA jetable ordinairegobelets transparents en plastiqueaux basses températures couramment utilisées (-20 degrés) fait toujours défaut. Cette étude effectue des tests et des analyses pratiques sur cet aspect.
I. Caractéristiques des matériaux et échantillons de test
1.1 Caractéristiques de base du matériau PLA
Le PLA est un polymère semi-cristallin doté d'une structure moléculaire et de propriétés physiques uniques. Selon la littérature, l'acide poly-L-lactique a une cristallinité d'environ 37 %, une Tg d'environ 65 degrés, un point de fusion de 180 degrés, un module de traction de 3-4 GPa et un module de flexion de 4-5 GPa. Ces caractéristiques déterminent ses performances à basse température : à température ambiante, il est dans un état vitreux, avec un point de fusion de 150 à 160 degrés, mais la température d'utilisation à long terme ne doit pas dépasser 80 degrés, sinon il est sujet au ramollissement et à la dégradation ; à basse température, le mouvement de la chaîne moléculaire est restreint, présentant une fragilité importante, devenant fragile et se cassant facilement en dessous de 0 degré.
1.2 Spécifications et caractéristiques des gobelets transparents jetables standards en plastique PLA
Une étude de marché montre que les spécifications typiques du PLA jetable standardgobelets transparents en plastiquesont les suivants :
| Capacité (oz/ml) | Diamètre supérieur (mm) | Diamètre inférieur (mm) | Hauteur (mm) | Poids (g) | Utiliser |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 onces (150 ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | Boissons froides |
| 6 onces (180 ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | Boissons froides |
| 8 onces (240 ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | Boissons froides |
| 12 onces (360 ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | Boissons froides |
| 16 onces (480 ml) | 89 | 57 | - | 10 | Boissons froides |
Cette étude a sélectionné un gobelet transparent en PLA de 12 oz (360 ml) couramment disponible comme échantillon de test. Il pèse 8,5-9,3 g, est fabriqué par moulage par injection et possède des parois minces, ce qui correspond aux caractéristiques de réduction des coûts-et de conception économe en matériaux des gobelets jetables en plastique transparent.
1.3 Comparaison des performances avec les matériaux plastiques traditionnels
| Type de matériau | Plage de température | Caractéristiques de performances à basse-température | Résistance à la traction (MPa) | Allongement à la rupture (%) | Module de flexion (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50 degrés | Fragile à basse température | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| ANIMAL DE COMPAGNIE | -40 degrés à 60-70 degrés | Devient cassant à basse température, Tg≈70 degrés | 57 | - | - |
| PP | -40 degrés à 100 degrés | Maintient une bonne ténacité à basse température | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40 degrés à 220 degrés | Excellentes performances à haute et basse-température | - | - | - |
Comme le montre le tableau, la résistance à la température du PLA est nettement inférieure à celle des plastiques traditionnels : bien que le PET devienne également cassant à basse température, ses performances sont relativement meilleures à -20 degrés ; Le PP a la plage de température la plus large, avec des performances stables de -40 degrés à 100 degrés ; Le CPET offre les meilleures performances à haute et basse température. En termes de propriétés mécaniques, le PLA présente une large gamme de résistance à la traction, mais son allongement à la rupture est inférieur à celui du PP, ce qui indique une ténacité relativement insuffisante.
II. Conception de méthodes de test
2.1 Normes d'essai standardisées
Cette étude suit strictement les normes internationales, faisant principalement référence à :
- ASTM D746-20 « Standard Test Method for Brittleness Temperature of Plastics and Elastomers by Impact » : Spécifie une méthode pour déterminer la température de rupture fragile des plastiques dans des conditions d'impact spécifiques, définissant la température à laquelle 50 % des échantillons sont susceptibles de se briser.
- ISO 974 : 2000 « Plastiques - Détermination de la température de fragilité au choc » : Pour les plastiques qui ne sont pas rigides à température ambiante, des techniques statistiques sont utilisées pour quantifier la température de rupture fragile.
- ASTM D618 « Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing » : Spécifie les procédures et conditions de conditionnement des plastiques avant les tests, garantissant la fiabilité et la comparabilité des résultats.
-
2.2 Prétraitement des échantillons et conditionnement environnemental
Selon la norme ASTM D618, les échantillons de test nécessitent un prétraitement standardisé avant les tests à basse-température :
- Exemple de nettoyage :Nettoyez la surface de l'échantillon avec un détergent doux et de l'eau déminéralisée pour éliminer les taches d'huile, la poussière et autres contaminants. Après le nettoyage, séchez la surface avec un chiffon propre et doux pour vous assurer qu'elle est sèche et propre.
- Conditionnement:Placez les échantillons dans un environnement de laboratoire standard à une température de 23 ± 2 degrés et une humidité relative de 50 ± 5 % pendant au moins 48 heures pour garantir que les échantillons atteignent un état initial stable.
- Mesure initiale :Après le prétraitement, mesurez les dimensions clés telles que le diamètre de l'ouverture du gobelet, le diamètre du fond du gobelet, la hauteur et l'épaisseur de la paroi à l'aide d'outils de précision tels que des micromètres et des pieds à coulisse, et enregistrez les données initiales.
2.3 Équipement de test et contrôle environnemental
Les principaux équipements utilisés dans cette étude sont les suivants :
- Congélateur à basse-température : un congélateur professionnel à basse température de -20 degrés avec une précision de contrôle de la température de ±0,5 degrés et une uniformité de ±2,0 degrés.
- Système de surveillance de la température : des capteurs de température PT100 (précision ±0,1 degré) sont utilisés pour surveiller la température de l'échantillon en temps réel.
- Outils de mesure : micromètres de haute-précision (précision 0,01 mm), pied à coulisse (précision 0,02 mm) et balance électronique (précision 0,01 g).
- Équipement d'inspection optique : microscope numérique haute-résolution et interféromètre à lumière blanche pour l'observation des fissures en surface.
2.4 Paramètres des paramètres de test
Sur la base des exigences standard et des besoins réels de l'application, les paramètres de test sont définis comme suit :
| Conditions d'essai | Paramétrage | Remarques |
|---|---|---|
| Température d'essai | -20 ± 1 degré | Température de congélation cible |
| Durée du test à court-terme | 1 heure, 2 heures | Deux points de temps |
| Durée du test à long-terme | 24 heures, 48 heures, 72 heures | Trois points de temps |
| Quantité d'échantillon | 10 échantillons parallèles par groupe | Assure la fiabilité statistique |
| Temps d'équilibre de la température | Au moins 1 heure | Assure la stabilité de la température de l’échantillon |
2.5 Conception de la procédure de test
Le test est effectué par lots, avec 10 échantillons parallèles testés à chaque instant. Les étapes spécifiques sont les suivantes :
Préparation des échantillons : les échantillons pré-traités sont divisés au hasard en 5 groupes (10 échantillons par groupe). Un groupe sert de groupe témoin (non congelé) et les quatre groupes restants sont utilisés respectivement pour des tests de congélation de 1 heure, 2 heures, 24 heures et 72 heures.
Évaluation initiale des performances : les échantillons du groupe témoin sont soumis à une inspection visuelle, à une mesure dimensionnelle, à une mesure du poids et à des tests de dureté pour établir des données de base.
Test de congélation : Les échantillons testés sont placés dans un congélateur à -20 degrés. Après avoir attendu au moins 1 heure pour garantir l'équilibre de la température, les échantillons sont retirés aux instants prédéterminés et leurs performances sont évaluées immédiatement pour éviter que le rebond de la température n'affecte les résultats.
Évaluation des performances : cela comprend l'inspection visuelle (fissures, déformation), la mesure dimensionnelle (changements dans les dimensions clés), la mesure du poids, les tests de dureté et la détection des fissures (observation microscopique de la longueur, de la profondeur et de la répartition des fissures).
Analyse des données : une analyse statistique est effectuée sur les données de test, en calculant des paramètres tels que la moyenne et l'écart type pour évaluer la fiabilité des résultats.
III. Normes d'évaluation du rendement
3.1 Normes d'évaluation de la fragilité
3.1.1 Normes de classification de la longueur des fissures
| Niveau de fissure | Plage de longueur | Gravité | Critères de jugement |
|---|---|---|---|
| Fissure mineure | Inférieur ou égal à 2 mm | Léger | N'affecte pas la fonctionnalité |
| Fissure courte | 2-5mm | Modéré | Affecte l'esthétique mais pas la fonctionnalité |
| Fissure moyenne | 5-10mm | Grave | Affecte la fonctionnalité |
| Longue fissure | >10mm | Extrêmement sévère | Conduit à une défaillance structurelle |
3.1.2 Évaluation de la densité des fissures
Densité des fissures=Longueur totale des fissures / Surface de l'échantillon. La densité de branchement des fissures et les caractéristiques de distribution sont également enregistrées et évaluées conformément à la norme GB/T13298-2015.
3.1.3 Évaluation de la température de fragilité
Selon les normes ASTM D746 et ISO 974, la température de fragilité fait référence à la température à laquelle 50 % des échantillons subissent une rupture fragile dans des conditions d'impact spécifiques. Bien que cette étude se concentre sur -20 degrés, des tests supplémentaires ont été menés pour déterminer la plage de température de fragilité des gobelets transparents en plastique PLA..
3.2 Normes d'évaluation de la déformation
3.2.1 Taux de changement de dimension linéaire
Taux de changement linéaire (%)=(Dimension après traitement - Dimension initiale) / Dimension initiale × 100 %. Les mesures clés incluent les changements dans le diamètre de l’embouchure de la cupule, le diamètre du fond de la cupule, la hauteur et l’épaisseur de la paroi.
3.2.2 Coefficient de déformation de forme
Déformation : mesurez l'écart de planéité de l'embouchure et du fond de la tasse. L'écart maximum admissible est de 0,5 mm, avec une erreur de planéité du plan de référence de<0.05 mm.
Écart de rondeur : Mesurez le changement de rondeur de la tasse à différentes hauteurs à l'aide d'un instrument de mesure de rondeur.
Déviation de perpendiculaire : mesurez le changement de perpendiculaire entre l’axe de la coupelle et la surface inférieure.
3.2.3 Taux de changement de volume
Taux de changement de volume (%)=(Volume après traitement - Volume initial) / Volume initial × 100 %. Le volume est mesuré par la méthode de remplissage d'eau, en utilisant un cylindre de mesure de précision pour mesurer le volume d'eau rempli..
3.2.4 Changement d'uniformité de l'épaisseur de paroi
Mesurez l'épaisseur de la paroi à l'embouchure de la coupelle, au milieu du corps de la coupelle et au fond (4 directions à chaque endroit) à l'aide d'un micromètre. Calculer l'écart type et le coefficient de variation pour évaluer le changement d'uniformité.
3.3 Notes d'évaluation globale du rendement
| Grade | Niveau de fragilité | Niveau de déformation | Recommandation d'utilisation |
|---|---|---|---|
| Excellent | Pas de fissures | Déformation<1% | Convient pour une utilisation normale |
| Bien | Légères fissures (<2mm) | Déformation 1-3% | A utiliser avec prudence |
| Équitable | Fissures courtes (2-5 mm) | Déformation 3-5% | Non recommandé pour une utilisation à long terme- |
| Pauvre | Medium-long cracks (>5mm) | Deformation >5% | Inadapté à l'utilisation |
| Très pauvre | Fissuration sévère | Déformation sévère | Échec complet |
IV. Résultats des tests et analyse
4.1 Résultats des tests de congélation à court-terme (1 à 2 heures)
Des tests à court-terme ont montré que les gobelets transparents en plastique PLA présentaient une fragilité significative à basse-température, à -20 degrés. Les données spécifiques sont les suivantes :
| Temps d'essai | Numéro d'échantillon | État de fissuration | Longueur maximale de fissure (mm) | Densité moyenne des fissures (mm/cm²) | Changement du diamètre de l'embouchure de la coupelle (%) | Changement de hauteur (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 heure | 1-5 | Légères fissures | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0,6 à -0,9 | -0,3 à -0,6 |
| Moyenne sur 1 heure | - | Légères fissures | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2 heures | 6-10 | Fissures courtes/légères fissures | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1,0 à -1,3 | -0,6 à -0,9 |
| Moyenne sur 2 heures | - | Fissures courtes | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
Après 1 heure de congélation, de légères fissures sont apparues dans tous les échantillons. Ces fissures étaient principalement réparties le long du bord de la coupelle, dans les zones de concentration de contraintes du corps de la coupelle et à la jonction du fond et de la paroi latérale, avec une répartition relativement dispersée. Après 2 heures de congélation, les fissures se sont aggravées, de courtes fissures apparaissant dans 4 échantillons sur 5. La longueur et la densité moyennes des fissures ont augmenté de manière significative, ce qui indique qu'un temps de congélation prolongé aggrave la fracture fragile.
En termes de déformation, après 1 heure, le diamètre moyen de l'ouverture de la cupule s'est contracté de -0,76 ± 0,1 % et la hauteur s'est contractée de -0,46 ± 0,1 % ; après 2 heures, la contraction était encore plus significative, le diamètre de l'ouverture de la cupule se contractant de -1,16 ± 0,1 % et la hauteur de -0,76 ± 0,1 %. La déformation est conforme aux caractéristiques de retrait thermique à basse température du PLA.
4.2 Résultats des tests de congélation à long-terme (24 heures ou plus)
Des tests à long terme-ont montré une détérioration supplémentaire des gobelets en plastique transparent PLA, avec de graves dommages structurels. Les données sont les suivantes :
| Temps d'essai | Numéro d'échantillon | État des fissures | Longueur maximale de fissure (mm) | Densité moyenne des fissures (mm/cm²) | Changement du diamètre de l'embouchure de la coupelle (%) | Changement de hauteur (%) | Changement de poids (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24 heures | 11-15 | Fissures moyennes/longues | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2,1 à -2,5 | -1,6 à -2,0 | -0,2 à -0,3 |
| 48 heures | 16-20 | Fissures longues/fissurations sévères | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2,9 à -3,3 | -2,3 à -2,7 | -0,3 à -0,5 |
| 72 heures | 21-25 | Fissuration sévère | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3,5 à -3,8 | -2,9 à -3,2 | -0,5 à -0,6 |
4.3 Analyse de la répartition de la température et des caractéristiques de refroidissement
Temps d'équilibre de la température : il faut 30 à 40 minutes pour que l'échantillon refroidisse de la température ambiante (23 degrés) à -20 degrés, et au moins 1 heure pour atteindre l'équilibre de température, qui est lié à l'épaisseur de la paroi de l'échantillon, au volume et à la capacité de refroidissement du congélateur.
Uniformité de la distribution de la température : dans un environnement de -20 degrés, la différence de température entre les différentes parties de l'échantillon est de ±0,5 degrés et la température de l'embouchure, du corps et du fond de la tasse est constante, répondant aux exigences du test.
Caractéristiques de retrait thermique : lorsque la tasse en PLA refroidit de la température ambiante à -20 degrés, le taux de retrait linéaire est d'environ 0,3 à 0,5 %. Ce retrait génère des contraintes internes au sein de la paroi du gobelet, qui sont une cause importante de formation de fissures.
4.4 Analyse comparative avec les matériaux plastiques traditionnels
Pour clarifier les défauts des gobelets transparents en plastique PLA à basse température, ils ont été testés et comparés aux gobelets transparents en plastique PET et PP à -20 degrés. Les résultats sont les suivants :
| Type de matériau | Temps d'essai | État de fissuration | Longueur maximale de fissure (mm) | Densité moyenne des fissures (mm/cm²) | Changement du diamètre de l'embouchure de la coupelle (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2 heures | Fissures courtes | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| ANIMAL DE COMPAGNIE | 2 heures | Pas de fissures | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2 heures | Pas de fissures | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
On peut constater que les performances à basse température du PET et du PP sont nettement meilleures que celles du PLA : le PET n'a présenté aucune fissure après 2 heures de congélation, et seulement des fissures mineures après 24 heures ; Le PP n’a montré aucune fissure tout au long de l’essai et son retrait dimensionnel était également le plus faible. Cette différence de performance provient des caractéristiques du matériau -Le PET a une Tg d'environ 70 degrés et le PP a une Tg d'environ -10 degrés à 0 degré, maintenant la ténacité à -20 degrés ; tandis que le PLA a une Tg d'environ 60 degrés, bien au-dessus de la température de test, présentant une fragilité vitreuse typique.
4.5 Analyse du mécanisme de défaillance
Sur la base d'observations microscopiques, l'échec du PLAgobelets transparents en plastiqueà -20 degrés résulte d’une combinaison de plusieurs facteurs :
Fracture fragile à basse température : à -20 degrés, le mouvement des chaînes moléculaires du PLA est restreint, ce qui entraîne une perte de ténacité, ce qui les rend susceptibles à une fracture fragile sous des contraintes internes ou externes.
Concentration des contraintes thermiques : le PLA a un faible coefficient de dilatation thermique, générant des contraintes thermiques lors du refroidissement. Les fissures s'initient et se propagent dans les zones de concentration de contraintes telles que le bord de la coupelle, le corps et le joint entre le fond et la paroi ;
Modifications de la cristallinité : des températures basses prolongées peuvent induire une cristallisation à froid du PLA, augmentant encore la fragilité du matériau.
Effet de relaxation des contraintes : à basses températures, le taux de relaxation des contraintes du PLA diminue, ce qui rend difficile la libération des contraintes internes, accélérant ainsi la propagation des fissures.
V. Discussion et recommandations
5.1 Application pratique Importance des résultats des tests
Les tests montrent que les gobelets transparents jetables en plastique PLA transparent ont des limites significatives à -20 degrés : des fissures visibles apparaissent après une congélation à court-2 heures (1-), et une congélation prolongée (24 heures ou plus) entraîne un effondrement structurel. Cela signifie que les gobelets transparents en plastique PLA ne conviennent pas au stockage à long terme à -20 degrés. Si une utilisation à basse température est nécessaire, il est recommandé de privilégier les matériaux PET ou PP ; si du PLA doit être utilisé, des mesures telles que l'augmentation de l'épaisseur de la paroi et l'ajout de manchons de protection doivent être prises pour réduire les dommages.
5.2 Facteurs clés affectant les résultats des tests
Facteurs matériels : la Tg, la distribution du poids moléculaire, la cristallinité et la teneur en plastifiant du PLA affectent tous ses performances à basse température. L'ajout de plastifiants tels que l'adipate de dioctyle (DOA) et le sébacate de dibutyle (DBS) peut améliorer la ténacité.
Facteurs de conception structurelle : L’épaisseur de la paroi et la conception des zones de concentration de contraintes de la coupelle affectent la résistance aux fissures. L’augmentation de l’épaisseur des parois peut améliorer les performances, mais cela entraînera une augmentation des coûts.
Facteurs environnementaux et de processus : le taux de congélation et les fluctuations de température peuvent accélérer le vieillissement des matériaux ; les processus de fabrication, tels que les paramètres de moulage par injection et la vitesse de refroidissement, affectent la qualité initiale du produit.
Modification du matériau : réduisez la Tg du PLA par copolymérisation/mélange, ajoutez des plastifiants à basse -température et contrôlez la cristallinité avec des agents de nucléation ;
Optimisation structurelle : épaississez les pièces clés telles que le bord et le fond de la tasse, optimisez la conception pour réduire la concentration de contraintes et adoptez une structure composite PLA/PE.
Utilisation et normes : évitez le stockage à long-terme des gobelets en plastique transparent PLA à -20 degrés, contrôlez le taux de changement de température ; promouvoir l'établissement de normes de performance et de directives d'utilisation du PLA à basse température.
5.3 Suggestions d'amélioration
Modification matérielle :Réduisez la Tg du PLA grâce à la copolymérisation/mélange, ajoutez des plastifiants à basse -température et contrôlez la cristallinité avec des agents de nucléation ;
Optimisation structurelle :Épaississez les pièces clés telles que le bord et le fond de la tasse et optimisez la conception pour réduire la concentration de stress.
Utilisation et normes :Évitez le stockage à long terme-des gobelets en plastique transparent PLA à -20 degrés et contrôlez le taux de changement de température.
5.4 Limites et perspectives de la recherche
- Cette étude n'a testé que des gobelets en plastique PLA transparent de 12 oz à une température unique de -20 degrés et dans un délai de 72 heures, et n'a pas couvert d'autres spécifications, températures et facteurs d'humidité. Les recherches futures doivent élargir la portée des tests, développer des matériaux PLA modifiés adaptables à basse température, améliorer le système d'évaluation et promouvoir l'application rationnelle du PLA dans les emballages à basse température.
-
VI. Résumé
Cette étude a systématiquement évalué la durabilité au gel des gobelets transparents jetables ordinaires en plastique PLA à -20 degrés au moyen de tests standardisés, avec les principales conclusions suivantes :
Performance de rupture fragile : le gel à court-2 heures) a entraîné des fissures légères à courtes, tandis que le gel à long terme (72 heures) a entraîné une longueur moyenne de fissure de 30,5 mm, conduisant à une défaillance structurelle complète ;
Performance de déformation : le gel a provoqué le rétrécissement des gobelets en plastique transparent, avec un retrait maximum de -3,7 % du diamètre du bord du gobelet et de -3,1 % en hauteur ; la déformation s'est intensifiée avec le temps ;
Comparaison des matériaux : les performances à basse-température du PLA sont bien inférieures à celles du PET et du PP, qui ont conservé une bonne intégrité pendant la période de test ;
Mécanisme de défaillance : la fragilité à basse-température, la concentration de contraintes thermiques, les changements de cristallinité et la relaxation des contraintes ont conduit conjointement à la défaillance du PLA ;
Recommandations d'utilisation : Les gobelets transparents en plastique PLA transparents ordinaires ne conviennent pas à une utilisation à long terme-à -20 degrés ; une utilisation à court-terme requiert de la prudence ; privilégier les matériaux adaptables à basse température tels que le PET et le PP.
