Table of Contents
Polymelkzuur (PLA), afgekort als PLA, is het meest gebruikte materiaal bij FDM (Fused Deposition Modeling) omdat het betaalbaar, stabiel en gemakkelijk te printen is. Het biobased karakter van PLA, dat veelal gewassen zoals maïs, suikerriet en cassave als grondstof gebruikt, maakt het milieuvriendelijk en biologisch afbreekbaar. Om betere 3D-printresultaten te bereiken, werken veel bedrijven aan het verbeteren van de eigenschappen van PLA. Ze hebben verschillende gemodificeerde PLA's ontwikkeld op basis van het originele PLA-filament. Deze PLA's omvatten PLA+, PLA Meta, Silk PLA, Rainbow PLA, Marble PLA, Twinkling PLA en hout-PLA-composieten. PLA-filament is het meest basale 3D-printerfilament en vormt de hoofdcomponent van de meeste speciale 3D-printerfilamenten. PLA is zo belangrijk dat we er een diepgaand begrip van moeten hebben.
1. De geschiedenis van PLA
In 1857 ontdekte Marcellin Berthelot, een Franse chemicus, melkzuur, een organisch zuur, door hydrolyse van ammoniumlactaat. Tien jaar later fermenteerde hij voor het eerst met succes glucose tot melkzuur, waarmee de basis werd gelegd voor de industriële productie van melkzuur.
Begin 20e eeuw ontwikkelde ICI (Imperial Chemical Industries) een technologie om zetmeelgrondstoffen te fermenteren voor de productie van melkzuur, en bouwde in 1930 's werelds eerste grootschalige melkzuurfermentatieproductie-installatie. Sindsdien is goedkope melkzuurproductie door fermentatie mogelijk geworden, wat de voorwaarden creëerde voor de ontwikkeling en toepassing van PLA.
In 1932 synthetiseerde chemicus Carothers van DuPont voor het eerst hoogmoleculair polymelkzuur (PLA) door directe polymerisatie van melkzuur, wat de geboorte van PLA-polymeren markeert.
In 1954 synthetiseerde de Britse chemicus Darby het eerste biologisch afbreekbare polymeer, Poly-Hydroxyalkanoaten (PHA's), uit PLA. Latere studies toonden aan dat zowel PHA als PLA biologische activiteit en goede biocompatibiliteit hebben, waardoor ze een onderzoekstrend zijn geworden op het gebied van de biomedische wetenschap.
Aan het begin van de 21e eeuw, met de ontwikkeling van polyesterchemie en polymeerchemie, maakte onderzoek naar melkzuur en PLA grote vorderingen. Bereidingsmethoden, polymerisatiemechanismen en prestatiecontrole werden goed begrepen. PLA is ondertussen het meest geschikte en belangrijkste materiaal geworden voor 3D-printen, wat de wijdverspreide toepassing van 3D-printtechnologie in gezinsonderwijs en industrieel ontwerp bevordert. Dit maakt 3D-printen een krachtig hulpmiddel voor maatwerkproductie en personalisatie.
2. Hoe PLA te produceren
Stap 1: Selectie van grondstoffen
PLA, een biologisch afbreekbaar polymeer, wordt doorgaans gesynthetiseerd uit plantaardige bronnen zoals maïszetmeel of suikerriet en andere granen. Deze materialen zijn geschikt voor PLA vanwege hun hoge opbrengst en lage kosten. Deze zetmelen, voornamelijk samengesteld uit glucose-eenheden met grote molecuulgewichten, vereisen verdere verwerking om te worden omgezet in melkzuur, de grondstof voor polymelkzuur (PLA).
Stap 2: Zetmeel gelatinisatie
Meng de zetmeelkorrels met water en verwarm onder druk totdat het zetmeel volledig is opgelost om een zetmeelslurry te vormen. Over het algemeen vindt het proces plaats onder 130-170°C en 0,5-2 MPa gedurende 30-60 minuten, en vereist het nauwkeurige controle van duur, temperatuur en druk om afbraak van het zetmeel en kwaliteitsdefecten te voorkomen. De gelatinisatiesnelheid van zetmeel bereikt gewoonlijk 85% of hoger.
Stap 3: Versuikering en fermentatie
Breng een samengesteld versuikeringsenzym aan bij 55-65°C en pH 5,5-6,5 om de zetmeelslurry om te zetten in glucose. Ent vervolgens lactobacillus in een anaërobe omgeving om 24-36 uur te fermenteren, waarbij glucose wordt omgezet in melkzuur, met een concentratie van 10-15%. Dit proces vereist steriliteit en strenge controle van de omstandigheden om de opbrengst, die gewoonlijk 80% of beter is, te maximaliseren.
Stap 4: PLA polymerisatie
Dit proces vereist twee procedures: lage polymerisatie en hoge polymerisatie. Met behulp van een katalysator vindt de lage polymerisatie plaats, die 1-3 uur duurt, gevolgd door de hoge polymerisatie, die 3-5 uur duurt bij een hogere temperatuur. De duur en temperatuur van deze twee reacties vereisen strenge controle om het doelproduct te bereiken.
Stap 5: Zuivering
Ongewenste componenten, zoals onzuiverheden, ongereageerde stoffen, lage polymerisatie en onomgezette monomeren, moeten uit de fermentatievloeistof worden verwijderd. Deze stap culmineert in de verwerving van gezuiverd, hoog gepolymeriseerd PLA, 99,5% of hoger. Deze stap is cruciaal voor de productprestaties.
Stap 6: Verwerking
Hoogzuiver PLA kan worden verkregen door de bovenstaande reeks procedures. Vervolgens wordt PLA verwerkt tot vezels, pellets en films door extrusie of spuitgieten bij 190-220°C. Daarna ondergaat het PLA een wikkelmachineproces, waardoor het wordt omgezet in filamenten die u het meest gebruikt.
Samenvattend vereist PLA-productie een nauwkeurige controle van complexe biochemische processen en een hoge mate van technische expertise. Elke stap heeft specifieke parameters en omstandigheden die zorgvuldig moeten worden gereguleerd om het gewenste product te bereiken. Het handhaven van hoge kwaliteits- en zuiverheidsnormen gedurende het hele proces is essentieel. Met zijn duurzaamheid en biologische afbreekbaarheid is PLA een belangrijk materiaal geworden voor 3D-printen.
Voor degenen die zich zorgen maken over voedseltekorten, zou de productie van PLA de graantoevoer kunnen verminderen. In feite is de huidige productie van PLA een zeer klein percentage van het voedselverbruik.
- Eigenschappen
Hoewel PLA zowel fundamenteel als cruciaal is, zijn de mechanische eigenschappen gemiddeld. PLA-geprinte onderdelen hebben een relatief slechte slagvastheid en lagere dimensionale precisie. De oppervlakken van PLA 3D-geprinte objecten zijn relatief ruw en vereisen nabewerking om een glanzende afwerking te bereiken. De eigenschappen van PLA kunnen verder worden waargenomen door het te vergelijken met andere 3D-printerfilamenten.
- PLA en PLA+. De taaiheid en slagvastheid, en temperatuurbestendigheid van PLA+ zijn niet zo goed als PLA+. In sommige gevallen met hoge eisen is PLA+ geschikter vanwege de verbeterde taaiheid en slagvastheid, en temperatuurbestendigheid. Daarom beschouwen we het als "PLA PLUS".
- PLA en TPU. Wat elasticiteit, taaiheid en hoge slagvastheid betreft, is TPU ongetwijfeld de winnaar, waardoor het een ideaal materiaal is voor schokabsorptie en buffering, omdat het een rek bij breuk heeft van meer dan 800% en de treksterkte 35MPa kan bereiken.
- PLA en PETG. PETG is chemisch stabieler dan PLA. Bovendien is PETG taaier en heeft het ook een hogere slagvastheid dan PLA. De IZOD-slagvastheid van PETG is bijna 1,5 keer die van PLA. Maar de oppervlakteafwerking van 3D-prints is niet zo goed als die van PLA.
- PLA en ABS. ABS heeft een relatief hoge hardheid, taaiheid en slagvastheid. De IZOD-slagvastheid van ABS kan 29KJ/㎡ bereiken, bijna 5 keer die van PLA. ABS is ook beter bestand tegen hoge temperaturen.
PLA is echter het meest gebruikte materiaal in 3D-printen. Het heeft voordelen zoals eenvoudig printen, biocompatibiliteit en lage kosten. Ondanks enkele beperkingen is PLA gemakkelijk te hanteren met hoge slagingspercentages en lage kosten voor beginners. PLA neemt dus een belangrijke positie in in 3D-printen en is vaak de eerste keuze voor gebruikers om in de 3D-printwereld te stappen. Bovendien kunnen door het toevoegen van heterogene functionele additieven de eigenschappen en kenmerken van PLA drastisch veranderen, waardoor talloze levendige 3D-printmaterialen ontstaan. Door bijvoorbeeld zijdepoeder toe te voegen, kunnen zijdeachtige gladheid en zachte textuur aan PLA worden gegeven; Door lignine, houtmeel en flavonoïde verbindingen toe te voegen, kan PLA de textuur van hout krijgen; Door marmerpoeder en andere minerale vulstoffen toe te voegen, kan PLA de esthetische textuur van steen krijgen; Door pigmenten met lichtgevoeligheid en warmtegevoeligheid toe te voegen, kan het kleurveranderingseffect van PLA worden bereikt; Door fluorescentiepoeder toe te voegen, kan PLA 's nachts gloeien door ultraviolet licht te absorberen. Deze materialen vergroten niet alleen de toepassingsmogelijkheden van PLA, maar verrijken ook het leven en de consumptiemogelijkheden van mensen aanzienlijk. Met technologische vooruitgang zullen de nieuwe capaciteiten die door de rekbaarheid van PLA worden verkregen geleidelijk toenemen, en zullen ingenieuze producten voor 3D-printen steeds overvloediger worden.
——————————————————
