소개
생분해성 플라스틱인 PLA(Polylactic acid)는 최근 일회용 포장 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 옥수수 전분, 사탕수수 사탕수수 찌꺼기와 같은 재생 가능한 자원에서 추출된 이 제품은 뛰어난 생체 적합성과 생분해성을 나타내며 산업용 퇴비화 조건에서 몇 달 내에 이산화탄소와 물로 분해됩니다. 그러나 저온-온도 성능은 PLA 애플리케이션의 주요 제한 사항입니다. 유리전이온도(Tg)는 일반적으로 55-65도(일반적인 값은 약 60도)입니다. 이 온도 이하에서는 분자 사슬 이동성이 급격하게 감소하고, 특히 Tg 근처에서 재료가 더 단단해지고 부서지기 쉬워져 저온 성능에 큰 영향을 미칩니다.
PLA 저온 성능에 대한 현재 연구는 주로 재료 변형 및 이론적 분석에 중점을 두고 있습니다. 데이터에 따르면 순수 PLA는 저온에서 부서지기 쉽고 기계적 특성이 크게 감소하는 것으로 나타났습니다. -60도 이하에서는 굽힘강도와 충격강도가 급격히 떨어지며, -80도 이하에서는 굽힘강도가 0에 도달하고 탄성률도 크게 감소합니다. 그러나 일반 일회용 PLA에 대한 구체적인 테스트 데이터는플라스틱 투명 컵일반적으로 사용되는 저온(-20도)에서는 여전히 부족합니다. 본 연구에서는 이러한 측면에 대한 실질적인 테스트와 분석을 수행한다.
I. 재료 특성 및 시험 샘플
1.1 PLA 소재의 기본 특성
PLA는 독특한 분자 구조와 물리적 특성을 지닌 반결정성 폴리머입니다. 문헌에 따르면, 폴리-L-락트산의 결정화도는 약 37%, Tg는 약 65도, 녹는점은 180도, 인장 계수는 3{10}}4 GPa, 굽힘 계수는 4-5 GPa입니다. 이러한 특성은 저온 성능을 결정합니다. 실온에서는 녹는점이 150-160도인 유리 상태이지만 장기간 사용 온도는 80도를 초과해서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 부드러워지고 분해되기 쉽습니다. 저온에서는 분자 사슬의 움직임이 제한되어 상당한 취성을 나타내며 0도 이하에서 깨지기 쉽고 쉽게 부서집니다.
1.2 표준 일회용 PLA 플라스틱 투명컵의 규격 및 특징
시장 조사에 따르면 표준 일회용 PLA의 일반적인 사양은 다음과 같습니다.플라스틱 투명 컵다음과 같습니다:
| 용량(oz/ml) | 상단 직경(mm) | 바닥 직경(mm) | 높이(mm) | 무게(g) | 사용 |
|---|---|---|---|---|---|
| 5온스(150ml) | 74 | 45 | 69 | 4.8 | 차가운 음료 |
| 6온스(180ml) | 74 | 45 | 80 | 4.8 | 차가운 음료 |
| 8온스(240ml) | 78 | 45 | 86 | 5.2 | 차가운 음료 |
| 12온스(360ml) | 89 | 57 | 108 | 8.5-9.3 | 차가운 음료 |
| 16온스(480ml) | 89 | 57 | - | 10 | 차가운 음료 |
본 연구에서는 시중에서 판매되는 12oz(360ml) PLA 투명컵을 테스트 샘플로 선택하였다. 무게는 8.5-9.3g이고 사출성형 방식으로 제작되었으며 벽이 얇아 일회용 플라스틱 투명컵의 원가 절감 및 재료 절약 디자인 특성에 부합합니다.-
1.3 기존 플라스틱 소재와의 성능 비교
| 재료 유형 | 온도 범위 | 저온-온도 성능 특성 | 인장강도(MPa) | 파단 신율(%) | 굴곡 탄성률(GPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 45-50도 | 저온에서 부서지기 쉬운 | 48-145 | 2.5-100 | 3.7-3.8 |
| 애완 동물 | -40도 ~ 60-70도 | 저온에서 부서지기 쉽습니다. Tg 70도 | 57 | - | - |
| PP | -40도 ~ 100도 | 저온에서도 우수한 인성을 유지합니다. | 41-100 | 3.0-80 | - |
| CPET | -40도 ~ 220도 | 탁월한 고온 및 저온-온도 성능 | - | - | - |
표에서 볼 수 있듯이 PLA의 내열성은 기존 플라스틱보다 훨씬 낮습니다. PET도 저온에서는 부서지기 쉽지만 성능은 -20도에서 상대적으로 더 좋습니다. PP는 가장 넓은 온도 범위를 가지며 -40도에서 100도까지 안정적인 성능을 제공합니다. CPET는 최고의 고온 및 저온 성능을 가지고 있습니다. 기계적 물성 측면에서 PLA는 인장강도 범위가 넓으나, 파단신율이 PP에 비해 낮아 인성이 상대적으로 부족하다.
II. 테스트 방법 설계
2.1 표준화된 테스트 표준
본 연구는 국제 표준을 엄격하게 준수하며 주로 다음을 참조합니다.
- ASTM D746-20 "충격에 의한 플라스틱 및 엘라스토머의 취성 온도에 대한 표준 테스트 방법": 샘플의 50%가 파손될 가능성이 있는 온도를 정의하여 특정 충격 조건에서 플라스틱의 취성 파괴 온도를 결정하는 방법을 지정합니다.
- ISO 974:2000 "플라스틱 - 충격 취성 온도 결정": 실온에서 단단하지 않은 플라스틱의 경우 통계 기법을 사용하여 취성 파괴 온도를 정량화합니다.
- ASTM D618 "테스트용 플라스틱 컨디셔닝에 대한 표준 관행": 테스트 전 플라스틱의 컨디셔닝 절차 및 조건을 지정하여 결과의 신뢰성과 비교 가능성을 보장합니다.
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2.2 시료 전처리 및 환경 조절
ASTM D618 표준에 따르면 테스트 샘플은 저온-온도 테스트 전에 표준화된 전처리가 필요합니다.
- 샘플 청소:오일 얼룩, 먼지 및 기타 오염 물질을 제거하려면 순한 세제와 탈이온수로 샘플 표면을 청소하십시오. 청소 후에는 깨끗하고 부드러운 천으로 표면을 닦아 건조하고 깨끗한지 확인하세요.
- 조절:샘플을 온도 23±2도, 상대 습도 50±5%의 표준 실험실 환경에 최소 48시간 동안 놓아 샘플이 안정적인 초기 상태에 도달하도록 합니다.
- 초기 측정:전처리 후 마이크로미터, 캘리퍼 등 정밀 도구를 사용하여 컵 입구 직경, 컵 바닥 직경, 높이, 벽 두께 등 주요 치수를 측정하고 초기 데이터를 기록합니다.
2.3 테스트 장비 및 환경 제어
본 연구에 사용된 주요 장비는 다음과 같다.
- 저온-냉동고: 온도 제어 정확도 ±0.5도, 균일도 ±2.0도를 갖춘 전문 -20도 저온 저장 냉동고입니다.
- 온도 모니터링 시스템: PT100 온도 센서(정확도 ±0.1도)는 샘플 온도를 실시간으로 모니터링하는 데 사용됩니다.
- 측정 도구:-고정밀 마이크로미터(정확도 0.01mm), 버니어 캘리퍼스(정확도 0.02mm) 및 전자 저울(정확도 0.01g).
- 광학 검사 장비: 표면 균열 관찰을 위한 고해상도 디지털 현미경 및 백색광 간섭계.
2.4 테스트 매개변수 설정
표준 요구 사항과 실제 적용 요구 사항을 기반으로 테스트 매개 변수는 다음과 같이 설정됩니다.
| 테스트 조건 | 매개변수 설정 | 비고 |
|---|---|---|
| 테스트 온도 | -20±1도 | 목표 동결 온도 |
| 단기-테스트 시간 | 1시간, 2시간 | 두 시점 |
| 장기-테스트 시간 | 24시간, 48시간, 72시간 | 세 가지 시점 |
| 샘플 수량 | 그룹당 10개의 병렬 샘플 | 통계적 신뢰성 보장 |
| 온도 평형 시간 | 최소 1시간 | 시료 온도 안정성 보장 |
2.5 테스트 절차 설계
테스트는 일괄적으로 수행되며 각 시점에서 10개의 병렬 샘플을 테스트합니다. 구체적인 단계는 다음과 같습니다:
샘플 준비: 전-처리된 샘플을 무작위로 5개 그룹(그룹당 10개 샘플)으로 나눕니다. 한 그룹은 대조군(동결되지 않음)으로 사용하고, 나머지 4개 그룹은 각각 1시간, 2시간, 24시간, 72시간 냉동 테스트에 사용합니다.
초기 성능 평가: 대조군 샘플은 육안 검사, 치수 측정, 중량 측정 및 경도 테스트를 거쳐 기준 데이터를 설정합니다.
냉동 테스트: 테스트 샘플을 -20도 냉동고에 넣습니다. 온도 평형을 보장하기 위해 최소 1시간을 기다린 후 미리 결정된 시간에 샘플을 제거하고 결과에 영향을 미치는 온도 반등을 방지하기 위해 성능을 즉시 평가합니다.
성능 평가: 여기에는 육안 검사(균열, 변형), 치수 측정(주요 치수의 변화), 중량 측정, 경도 테스트 및 균열 감지(균열 길이, 깊이 및 분포의 현미경 관찰)가 포함됩니다.
데이터 분석: 테스트 데이터에 대해 통계 분석을 수행하고 평균 및 표준 편차와 같은 매개변수를 계산하여 결과의 신뢰성을 평가합니다.
III. 성과평가 기준
3.1 취성 평가 기준
3.1.1 균열길이 분류기준
| 균열 수준 | 길이 범위 | 심각성 | 판단기준 |
|---|---|---|---|
| 사소한 균열 | 2mm 이하 | 근소한 | 기능에 영향을 미치지 않습니다 |
| 짧은 균열 | 2-5mm | 보통의 | 미적인 측면에는 영향을 미치지만 기능성에는 영향을 미치지 않습니다. |
| 중간 균열 | 5-10mm | 극심한 | 기능에 영향을 미침 |
| 긴 균열 | >10mm | 매우 심함 | 구조적 실패로 이어진다 |
3.1.2 균열밀도 평가
균열 밀도=총 균열 길이 / 샘플 표면적. 균열 분기 밀도 및 분포 특성도 GB/T13298-2015 표준에 따라 기록되고 평가됩니다.
3.1.3 취성 온도 평가
ASTM D746 및 ISO 974 표준에 따르면 취성 온도는 특정 충격 조건에서 샘플의 50%가 취성 파괴를 겪는 온도를 나타냅니다. 본 연구는 -20도에 초점을 맞추고 있지만 PLA 플라스틱 투명컵의 취성 온도 범위를 결정하기 위해 추가 테스트를 수행했습니다..
3.2 변형 평가 기준
3.2.1 선형 치수 변화율
선형 변화율(%)=(처리 후 치수 - 초기 치수) / 초기 치수 × 100%. 주요 측정에는 컵 입구 직경, 컵 바닥 직경, 높이 및 벽 두께의 변화가 포함됩니다.
3.2.2 형상변형계수
뒤틀림: 컵 입구와 바닥의 평탄도 편차를 측정합니다. 최대 허용 편차는 0.5mm이며 기준면 평탄도 오류는 다음과 같습니다.<0.05 mm.
진원도 편차: 진원도 측정기를 사용하여 다양한 높이에서 컵의 진원도 변화를 측정합니다.
직각도 편차: 컵 축과 바닥면 사이의 직각도 변화를 측정합니다.
3.2.3 거래량 변화율
용적 변화율(%)=(치료 후 용적 - 초기 용적) / 초기 용적 × 100%. 부피는 물충진법으로 측정하며, 정밀 메스실린더를 사용하여 채워진 물의 양을 측정합니다..
3.2.4 벽두께 균일성 변화
마이크로미터를 사용하여 컵 입구, 컵 본체 중앙, 바닥(각 위치의 4방향)의 벽 두께를 측정합니다. 균일성 변화를 평가하기 위해 표준편차와 변동계수를 계산합니다..
3.3 종합 성과평가 등급
| 등급 | 취성 수준 | 변형 수준 | 사용 권장 사항 |
|---|---|---|---|
| 훌륭한 | 균열 없음 | 흉한 모습<1% | 정상적인 사용에 적합 |
| 좋은 | 약간의 균열(<2mm) | 변형 1-3% | 주의해서 사용하세요 |
| 공정한 | 짧은 균열(2~5mm) | 변형 3-5% | 장기간 사용에는 권장되지 않습니다- |
| 가난한 | Medium-long cracks (>5mm) | Deformation >5% | 사용하기에 부적합함 |
| 매우 나쁨 | 심한 균열 | 심한 변형 | 완전한 실패 |
IV. 테스트 결과 및 분석
4.1 단기-동결 테스트 결과(1~2시간)
단기-테스트에서 PLA 플라스틱 투명 컵은 -20도에서 상당한 저온 취성을 나타내는 것으로 나타났습니다.- 구체적인 데이터는 다음과 같습니다.
| 테스트 시간 | 샘플 번호 | 균열 상태 | 최대 균열 길이(mm) | 평균 균열 밀도(mm/cm²) | 컵 입 직경 변화(%) | 높이 변화(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1시간 | 1-5 | 약간의 균열 | 1.2-1.6 | 0.15-0.20 | -0.6~-0.9 | -0.3~-0.6 |
| 1시간 평균 | - | 약간의 균열 | 1.4±0.1 | 0.17±0.02 | -0.76±0.1 | -0.46±0.1 |
| 2시간 | 6-10 | 짧은 균열/약간의 균열 | 1.8-2.4 | 0.22-0.30 | -1.0 ~ -1.3 | -0.6~-0.9 |
| 2시간 평균 | - | 짧은 균열 | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 | -0.76±0.1 |
1시간 동안 동결시킨 후 모든 샘플에 약간의 균열이 나타났습니다. 이러한 균열은 주로 컵 테두리를 따라, 컵 본체의 응력 집중 영역, 바닥과 측벽의 접합부에서 상대적으로 분산된 분포를 보였습니다. 2시간 동안 동결시킨 후 균열이 더욱 심해졌고, 샘플 5개 중 4개에서 짧은 균열이 나타났습니다. 평균 균열 길이와 밀도가 크게 증가하여 동결 시간이 길어지면 취성 파괴가 악화되는 것으로 나타났습니다.
변형 측면에서는 1시간 후 컵 개구부의 평균 직경이 -0.76±0.1% 감소하고 높이가 -0.46±0.1% 감소했으며; 2시간 후에는 컵 개구부 직경이 -1.16±0.1%, 높이가 -0.76±0.1% 수축하여 수축이 더욱 두드러졌습니다. 변형은 PLA의 저온 열 수축 특성과 일치합니다.
4.2 장기-동결 테스트 결과(24시간 이상)
장기-테스트 결과 PLA 플라스틱 투명 컵이 심각한 구조적 손상과 함께 더욱 악화된 것으로 나타났습니다. 데이터는 다음과 같습니다:
| 테스트 시간 | 샘플 번호 | 균열상태 | 최대 균열 길이(mm) | 평균 균열 밀도(mm/cm²) | 컵 입 직경 변화(%) | 높이 변화(%) | 체중변화(g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 24시간 | 11-15 | 중간/긴 균열 | 6.5-12.5 | 0.79-1.52 | -2.1~-2.5 | -1.6~-2.0 | -0.2~-0.3 |
| 48시간 | 16-20 | 긴 균열/심각한 균열 | 14.6-25.2 | 1.78-3.04 | -2.9~-3.3 | -2.3~-2.7 | -0.3~-0.5 |
| 72시간 | 21-25 | 심한 균열 | 28.7-32.5 | 3.52-3.98 | -3.5~-3.8 | -2.9~-3.2 | -0.5~-0.6 |
4.3 온도 분포 및 냉각 특성 분석
온도 평형 시간: 시료가 실온(23도)에서 -20도까지 냉각되는 데 30~40분이 걸리며, 온도 평형에 도달하는 데 최소 1시간이 소요됩니다. 이는 시료 벽 두께, 부피 및 냉동고의 냉각 용량과 관련이 있습니다.
온도 분포 균일성: -20도 환경에서 샘플의 여러 부분 사이의 온도 차이는 ±0.5도 이내이며 컵 입구, 몸체 및 바닥의 온도가 일관되어 테스트 요구 사항을 충족합니다.
열 수축 특성: PLA 컵이 실온에서 -20도까지 냉각될 때 선형 수축률은 약 0.3-0.5%입니다. 이러한 수축은 컵 벽 내에 내부 응력을 발생시키며 이는 균열 형성의 중요한 원인입니다.
4.4 기존 플라스틱 소재와의 비교 분석
저온에서 PLA 플라스틱 투명컵의 단점을 명확히 하기 위해 테스트를 거쳐 -20도에서 PET 및 PP 플라스틱 투명컵과 비교했습니다. 결과는 다음과 같습니다.
| 재료 유형 | 테스트 시간 | 균열 상태 | 최대 균열 길이(mm) | 평균 균열 밀도(mm/cm²) | 컵 입 직경 변화(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2시간 | 짧은 균열 | 2.2±0.2 | 0.28±0.03 | -1.16±0.1 |
| 애완 동물 | 2시간 | 균열 없음 | 0 | 0 | -0.3±0.05 |
| PP | 2시간 | 균열 없음 | 0 | 0 | -0.2±0.03 |
PET와 PP의 저온 성능이 PLA보다 훨씬 더 우수하다는 것을 알 수 있습니다. PET는 2시간 동안 동결시킨 후에도 균열이 발생하지 않았고, 24시간 후에는 약간의 균열만 나타났습니다. PP는 시험 내내 균열이 발생하지 않았으며, 치수수축률도 가장 작았습니다. 이러한 성능 차이는 재료 특성에서 비롯됩니다.-PET의 Tg는 약 70도이고 PP의 Tg는 약 -10~0도이며 인성은 -20도에서 유지됩니다. PLA는 시험 온도보다 훨씬 높은 약 60도의 Tg를 가지며 전형적인 유리 취성을 나타냅니다.
4.5 고장 메커니즘 분석
현미경 관찰에 따르면 PLA의 실패는플라스틱 투명 컵-20도에서는 여러 요인의 조합으로 인해 발생합니다.
저온-온도 취성 파괴: -20도에서는 PLA 분자 사슬의 움직임이 제한되어 인성이 손실되어 내부 또는 외부 응력 하에서 취성 파괴가 발생하기 쉽습니다.
열응력 집중: PLA는 열팽창 계수가 낮아 냉각 중에 열응력이 발생합니다. 균열은 컵 가장자리, 몸체, 바닥과 벽 사이의 접합부와 같은 응력 집중 영역에서 시작되고 전파됩니다.
결정화도 변화: 저온이 장기간 지속되면 PLA에서 냉결정화가 유도되어 재료의 취성이 더욱 증가할 수 있습니다.
응력 완화 효과: 저온에서는 PLA의 응력 완화율이 감소하여 내부 응력이 방출되기 어려워 균열 전파가 가속화됩니다.
V. 논의 및 권고사항
5.1 테스트 결과의 실제 적용 의의
테스트 결과 일반 일회용 투명 PLA 플라스틱 투명 컵은 -20도에서 상당한 제한이 있는 것으로 나타났습니다. 단기간(1-2시간) 동결 후에 눈에 보이는 균열이 나타나고 장기간(24시간 이상) 동결하면 구조적 붕괴가 발생합니다. 이는 PLA 플라스틱 투명 컵이 -20도에서 장기간 보관하기에 적합하지 않음을 의미합니다. 저온 사용이 필요한 경우 PET 또는 PP 소재를 우선적으로 사용하는 것이 좋습니다. PLA를 사용해야 하는 경우 손상을 줄이기 위해 벽 두께를 늘리고 보호 슬리브를 추가하는 등의 조치를 취해야 합니다.
5.2 테스트 결과에 영향을 미치는 주요 요소
재료 요소: PLA의 Tg, 분자량 분포, 결정화도 및 가소제 함량은 모두 저온 성능에 영향을 미칩니다.- DOA(디옥틸아디페이트) 및 DBS(디부틸세바케이트)와 같은 가소제를 첨가하면 인성을 향상시킬 수 있습니다.
구조적 설계 요소: 벽 두께와 컵의 응력 집중 영역 설계는 균열 저항에 영향을 미칩니다. 벽 두께를 늘리면 성능이 향상되지만 비용이 증가합니다.
환경 및 공정 요인: 동결 속도 및 온도 변동으로 인해 재료 노화가 가속화될 수 있습니다. 사출 성형 매개변수 및 냉각 속도와 같은 제조 공정은 제품의 초기 품질에 영향을 미칩니다.
재료 개질: 공중합/혼합을 통해 PLA의 Tg를 낮추고, 저온-가소제를 첨가하고, 핵제로 결정성을 제어합니다.
구조 최적화: 컵 테두리, 바닥 등 핵심 부품을 두껍게 하고 응력 집중을 줄이기 위한 설계 최적화, PLA/PE 복합 구조를 채택합니다.
사용 및 표준: -PLA 플라스틱 투명 컵을 -20도에서 장기간 보관하지 말고 온도 변화 속도를 제어하세요. PLA 저온 적용 성능 표준 및 사용 지침 수립 촉진.
5.3 개선 제안
재료 수정:공중합/혼합을 통해 PLA의 Tg를 낮추고, 저온-가소제를 첨가하고, 핵제로 결정성을 제어합니다.
구조적 최적화:컵 테두리, 바닥 등 핵심 부품을 두껍게 하고, 응력 집중을 줄이기 위해 설계를 최적화했습니다.
사용법과 기준:PLA 플라스틱 투명 컵을 -20도에서 장기간 보관하지 말고{0}}온도 변화율을 조절하세요.
5.4 연구의 한계와 전망
- 이 연구에서는 12oz PLA 플라스틱 투명 컵을 -20도의 단일 온도에서 72시간 이내에 테스트했으며 다른 사양, 온도 및 습도 요인은 다루지 않았습니다. 향후 연구에서는 테스트 범위를 확대하고, 저온 적응형 변형 PLA 재료를 개발하고, 평가 시스템을 개선하고, 저온 포장에 PLA의 합리적인 적용을 촉진해야 합니다.
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6. 요약
본 연구에서는 표준화된 테스트를 통해 일반 일회용 투명 PLA 플라스틱 투명 컵의 동결 내구성을 -20도에서 체계적으로 평가했으며 다음과 같은 주요 결과를 얻었습니다.
취성파괴 성능: 단기-동결(1-2시간)으로 인해 경미하거나 짧은 균열이 발생한 반면, 장기 동결(72시간)으로 인해 평균 균열 길이가 30.5mm가 되어 완전한 구조적 파손이 발생했습니다.
변형 성능: 동결로 인해 플라스틱 투명 컵이 수축되었습니다. 최대 수축률은 컵 테두리 직경이 -3.7%, 높이가 -3.1%였습니다. 시간이 지남에 따라 변형이 심해졌습니다.
재료 비교: PLA의 저온 성능은-테스트 기간 동안 양호한 무결성을 유지한 PET 및 PP에 비해 훨씬 열등합니다.
고장 메커니즘: 저온-취성, 열 응력 집중, 결정화도 변화 및 응력 완화가 함께 PLA 고장을 초래했습니다.
사용 권장 사항: 일반 투명 PLA 플라스틱 투명 컵은 -20도에서 장기간 사용하기에 적합하지 않습니다. 단기간-사용 시 주의가 필요합니다. PET, PP 등 저온 적응성 소재를 우선시합니다.
