Multifaceted Evaluation of Plastics: Difference of Heat Treatment Conditions

Význam tématu

Bioplasty na bázi kyseliny polylaktické (PLA) představují perspektivní alternativu k tradičním ropným polymerům díky sníženému environmentálnímu zatížení. Pro použití v náročnějších aplikacích je však potřeba vylepšit jejich mechanické vlastnosti a tepelnou odolnost, což se dosahuje anelačním (vysokotepelným krystalizačním) ošetřením. Multifunkční hodnocení pomocí mechanických a spektroskopických metod umožňuje hlubší pochopení změn materiálové struktury a vede k optimalizaci procesů zpracování.

Cíle a přehled studie

Cílem práce byla kvantifikace vlivu anelačního ošetření při 100 °C po dobu 30 minut na vlastnosti PLA. Studie kombinovala tahové zkoušky, měření tvrdosti, diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) a FTIR spektroskopii pro komplexní analýzu strukturálních změn a souvisejících mechanických vlastností.

Použitá metodika a instrumentace

Pro testy a analýzy byly použity následující přístroje a podmínky:

• Mechanické testy: Shimadzu AGX-V Autograph s TRViewX240S videoextensometrem, rychlost 1 mm/min, měřná délka 75 mm, pět replik.
• Tvrdostní testy: DUH-210 Dynamic Ultra Micro Hardness Tester s Berkovichovým hrotem, zatížení 500 mN, load-unload režim, doba zatížení 30 s, pět měření.
• DSC analýza: DSC-60Plus, ohřev 10 °C/min, dusíková atmosféra, vzorky 8 mg.
• FTIR spektroskopie: IRTracer-100 s diamantovou ATR celou QATR-10, rozlišení 4 cm⁻¹, 20 skenů, Happ-Genzel apodizační funkce.

Hlavní výsledky a diskuse

• Tahové zkoušky: Po anelačním ošetření vzrostla pevnost v tahu a modul pružnosti, zatímco maximální prodloužení při přetržení kleslo přibližně na polovinu.
• Tvrdost: Indenční tvrdost HIT vzrostla z 221,5 MPa (bez anelačního ošetření) na 277,6 MPa (s anelačním ošetřením).
• DSC: U neošetřeného vzorku byly detekovány skelný přechod (55,96 °C) a krystalizační vývoj (114,08 °C). U anelaovaných vzorků tyto jevy v prvním běhu zmizely, což potvrzuje probíhající krystalizaci, přičemž teplota tání zůstala okolo 169 °C.
• FTIR: Snižující se amorfní pás okolo 955 cm⁻¹ a nárůst pásu odpovídajícího α-krystalu při 921 cm⁻¹ prokázaly přeměnu amorfní fáze na krystalickou.

Přínosy a praktické využití metody

Multifunkční přístup kombinuje destruktivní a nedestruktivní techniky a umožňuje komplexní charakterizaci materiálu. Měření tvrdosti na skutečných dílech bez nutnosti přesného tvaru zkušebních tyčí přináší efektivní nástroj pro průběžnou kontrolu kvality v průmyslové praxi.

Budoucí trendy a možnosti využití

Dalšími kroky mohou být rozšíření databáze korelací mezi tvrdostí a mechanickými parametry, automatizace in-situ měření během zpracování a aplikace této metodiky na další bioplasty a kompozity. Integrace s pokročilými modely strojového učení by mohla podpořit prediktivní kontrolu výroby.

Závěr

Anelační ošetření PLA výrazně zlepšuje pevnost, pružnost a tvrdost materiálu díky indukované krystalizaci, avšak za cenu snížené tažnosti. Kombinace mechanických zkoušek, DSC a FTIR nabízí efektivní způsob pro optimalizaci parametrů zpracování a zajištění kvality finálních dílů.

Reference

• J.M. Zhang, Y.X. Duan, H. Sato, H. Tsuji, I. Noda, S. Yan a Y. Ozaki, Macromolecules, 38, 8012 (2005)