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ポリ乳酸（PLA）はPLAと略され、手頃な価格で安定性が高く、印刷しやすいため、FDM（熱溶解積層法）で最も一般的に使用される材料です。PLAはトウモロコシ、サトウキビ、キャッサバなどの作物を原料として使用することが多く、バイオベースの特性を持つため、環境に優しく生分解性があります。より良い3Dプリント結果を実現するため、多くの企業がPLAの特性改善に取り組んでいます。その結果、従来のPLAフィラメントをベースに、さまざまな改良型PLAが開発されました。これらにはPLA+、PLA Meta、シルクPLA、レインボーPLA、マーブルPLA、トゥインクリングPLA、木質PLA複合材料などがあります。PLAフィラメントは最も基本的な3Dプリンター用フィラメントであり、ほとんどの特殊3Dプリンター用フィラメントの主成分です。PLAは非常に重要であるため、私たちはPLAについて深く理解する必要があります。
1.PLAの歴史
1857年、フランスの化学者マルセラン・ベルテロは、乳酸アンモニウムを加水分解することで、有機酸である乳酸を発見しました。10年後、彼は初めてグルコースを乳酸に発酵させることに成功し、乳酸の工業生産の基礎を築きました。
20世紀初頭、ICI（Imperial Chemical Industries）は、デンプン原料を発酵させて乳酸を生産する技術を開発し、1930年には世界初の大規模乳酸発酵生産設備を建設しました。それ以来、発酵法による低コストの乳酸生産が可能となり、PLAの開発と応用の条件が整いました。
1932年、デュポンの化学者カロザースは、乳酸を直接重合して高分子量のポリ乳酸（PLA）を初めて合成し、PLAポリマーの誕生を示しました。
1954年、イギリスの化学者ダービーは、PLAから初の生分解性ポリマーであるポリヒドロキシアルカノエート（PHA）を合成しました。その後の研究により、PHAとPLAはいずれも生物活性と優れた生体適合性を持つことが示され、医療・生体分野の研究における新たな潮流となりました。
21世紀に入り、ポリエステル化学と高分子化学の発展に伴い、乳酸とPLAの研究は大きく進展しました。調製方法、重合メカニズム、性能制御についての理解が深まりました。一方、PLAは3Dプリントに適した主要材料となり、家庭教育や工業デザインにおける3Dプリント技術の幅広い応用を促進しました。これにより、3Dプリントはカスタマイズ生産や特注製造のための強力なツールとなりました。
2.PLAの製造方法
ステップ1：原料の選択
生分解性ポリマーであるPLAは、通常、トウモロコシデンプンやサトウキビ、その他の穀物など、植物由来の原料から合成されます。これらの材料は、収率が高くコストが低いため、PLAの製造に適しています。主に高分子量のグルコース単位で構成されるこれらのデンプンは、ポリ乳酸（PLA）の原料である乳酸に変換するため、さらに加工する必要があります。
ステップ2：デンプンの糊化
デンプン顆粒を水と混合し、加圧しながら加熱してデンプンを完全に溶解させ、デンプンスラリーを作ります。一般的に、この工程は130-170°C、0.5-2 MPaの条件で30-60分間行われます。デンプンの分解や品質欠陥を防ぐため、時間、温度、圧力を正確に管理する必要があります。デンプンの糊化率は通常85%以上に達します。
ステップ3：糖化と発酵
55-65°C、pH 5.5-6.5の条件で複合糖化酵素を作用させ、デンプンスラリーをグルコースに変換します。次に、嫌気性環境で乳酸菌を接種し、24-36時間発酵させてグルコースを乳酸に変換します。乳酸濃度は10-15%になります。この工程では、収率を最大化するために無菌状態と条件を厳密に管理する必要があり、収率は通常80%以上です。
ステップ4：PLAの重合
この工程には、低重合と高重合という2つの段階があります。触媒の助けを借りて、まず低重合を1-3時間行い、その後、より高い温度で3-5時間の高重合を行います。目的の製品を得るには、これら2つの反応の時間と温度を厳密に管理する必要があります。
ステップ5：精製
不純物、未反応物質、低重合物、未変換モノマーなどの不要な成分を発酵液から除去する必要があります。この工程により、純度99.5%以上の精製された高重合PLAが得られます。これは製品性能にとって重要な工程です。
ステップ6：加工
上記の一連の工程を経て、高純度のPLAが得られます。その後、PLAは190-220°Cで押出成形または射出成形され、繊維、ペレット、フィルムに加工されます。続いてPLAは巻き取り機で処理され、一般的に使用されるフィラメントへと変換されます。
まとめると、PLAの製造には、複雑な生化学プロセスを正確に制御することと、高度な技術的専門知識が必要です。各工程には、目的の製品を得るために慎重に管理すべき固有のパラメータと条件があります。工程全体を通じて高い品質と純度を維持することが不可欠です。持続可能性と生分解性を備えたPLAは、3Dプリントにおける重要な材料となっています。
食料不足を懸念する人にとって、PLAの生産は穀物供給を減少させる可能性があります。実際、現在のPLA生産量は食料消費量に占める割合が非常に小さいものです
- 特性
PLAは基本的かつ重要な材料ですが、その機械的特性は平均的です。PLAで印刷した部品は、耐衝撃性が比較的低く、寸法精度も低めです。PLAで3Dプリントした物体の表面は比較的粗く、光沢のある仕上がりにするには後処理が必要です。PLAの特性は、他の3Dプリンター用フィラメントと比較することでさらに理解できます。
- PLAとPLA+。PLA+の靭性、耐衝撃性、耐熱性はPLAほど優れていません。靭性、耐衝撃性、耐熱性が求められる場面では、特性が向上したPLA+の方が適しています。そのため、私たちはこれを「PLA PLUS」と呼んでいます。
- PLAとTPU。弾性、靭性、高い衝撃強度に関しては、TPUが間違いなく優れています。破断伸びが最大800%以上で、引張強度は35MPaに達するため、衝撃吸収や緩衝に理想的な材料です。
- PLAとPETG。PETGはPLAより化学的安定性に優れています。さらに、PETGはPLAより靭性が高く、衝撃強度も優れています。PETGのIZOD衝撃強度はPLAの約1.5倍です。ただし、3Dプリントの表面仕上げはPLAほど良くありません。
- PLAとABS。ABSは比較的高い硬度、靭性、衝撃強度を備えています。ABSのIZOD衝撃強度は29KJ/㎡に達し、PLAの約5倍です。ABSは高温にもより強い耐性を持ちます。
それでも、PLAは3Dプリントで最も一般的に使用される材料です。印刷しやすいこと、生体適合性、低コストなどの利点があります。いくつかの制限はあるものの、PLAは扱いやすく、成功率が高いうえ低コストであるため、初心者に適しています。そのため、PLAは3Dプリントにおいて重要な位置を占め、3Dプリントの世界を始めるユーザーにとって第一の選択肢となることが多いのです。さらに、異種機能性添加剤を加えることで、PLAの特性や機能は大きく変化し、多彩で魅力的な3Dプリント材料が生まれます。たとえば、シルクパウダーを加えると、PLAにシルクのような滑らかさと柔らかな質感を与えられます。リグニン、木粉、フラボノイド化合物を加えると、PLAに木材の質感を持たせることができます。大理石粉末などの鉱物フィラーを加えると、PLAに石材のような美しい質感を与えられます。光感応性や熱感応性を持つ顔料を加えると、PLAに色変化効果を持たせることができます。蛍光粉末を加えると、PLAは紫外線を吸収して夜間に発光します。これらの材料はPLAの用途範囲を広げるだけでなく、人々の生活や消費の選択肢も大きく豊かにします。技術の進歩に伴い、PLAの延性によって得られる新たな機能はますます増え、3Dプリント向けの創意工夫に富んだ製品はさらに多様化していくでしょう。
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