Table of Contents
Polymjölksyra (PLA), förkortat PLA, är det vanligaste materialet inom FDM (Fused Deposition Modeling) då det är prisvärt, stabilt och lätt att printa med. Den biobaserade egenskapen att PLA vanligtvis använder grödor som majs, sockerrör och kassava som råmaterial gör det miljövänligt och biologiskt nedbrytbart. För att uppnå bättre 3D-utskriftsresultat arbetar många företag med att förbättra PLA:s egenskaper. De har utvecklat olika modifierade PLA-typer baserade på den ursprungliga PLA-filamen. Dessa PLA-typer inkluderar PLA+, PLA Meta, Silk PLA, Rainbow PLA, Marble PLA, Twinkling PLA och trä-PLA-kompositer. PLA-filament är det mest grundläggande filamentet för 3D-skrivare och utgör huvudkomponenten i de flesta specialiserade 3D-skrivarfilament. PLA är så viktigt att vi måste ha en djupgående förståelse för det.
1. PLA:s historia
År 1857 upptäckte Marcellin Berthelot, en fransk kemist, mjölksyra, en organisk syra, genom att hydrolysera ammoniumlaktat. Tio år senare lyckades han för första gången fermentera glukos till mjölksyra, vilket lade grunden för industriell produktion av mjölksyra.
I början av 1900-talet utvecklade ICI (Imperial Chemical Industries) en teknik för att fermentera stärkelsebaserade råvaror för att producera mjölksyra, och byggde världens första storskaliga anläggning för mjölksyrefermentering 1930. Sedan dess blev lågprisproduktion av mjölksyra genom fermentering möjlig, vilket skapade förutsättningar för utveckling och tillämpning av PLA.
År 1932 syntetiserade kemisten Carothers från DuPont för första gången högmolekylär polymjölksyra (PLA) genom direkt polymerisation av mjölksyra, vilket markerar födelsen av PLA-polymerer.
1954 syntetiserade den brittiske kemisten Darby den första biologiskt nedbrytbara polymeren, Poly-Hydroxyalkanoates (PHA), från PLA. Efterföljande studier visade att både PHA och PLA har biologisk aktivitet och god biokompatibilitet, vilket gör dem till ett forskningsområde inom det biomedicinska fältet.
När vi kom in på 2000-talet, med utvecklingen av polyesterkemi och polymerkemi, gjorde forskningen om mjölksyra och PLA stora framsteg. Beredningsmetoder, polymerisationsmekanismer och prestandakontroll var väl förstådda. Samtidigt har PLA blivit det väl lämpade och huvudsakliga materialet för 3D-utskrift, vilket främjar den utbredda tillämpningen av 3D-utskriftsteknik inom familjeutbildning och industriell design. Detta gör 3D-utskrift till ett kraftfullt verktyg för anpassad produktion och anpassning.
2. Hur man producerar PLA
Steg 1: Val av råmaterial
PLA, en biologiskt nedbrytbar polymer, syntetiseras vanligtvis från växtbaserade källor som majsstärkelse eller sockerrör och andra spannmål. Dessa material är lämpliga för PLA med sin höga avkastning och låga kostnad. Dessa stärkelser, som mestadels består av glukosenheter med stora molekylvikter, kräver ytterligare bearbetning för att omvandlas till mjölksyra, råmaterialet för polymjölksyra (PLA).
Steg 2: Stärkelse gelatinisering
Blanda stärkelsegranulerna med vatten och applicera värme under tryck tills stärkelsen är helt upplöst för att bilda en stärkelseslurry. Processen sker vanligtvis vid 130-170°C och 0,5-2 MPa i 30-60 minuter, och kräver noggrann kontroll av tid, temperatur och tryck för att förhindra stärkelsenedbrytning och kvalitetsfel. Stärkelsegelatiniseringsgraden uppnår vanligen 85 % eller högre.
Steg 3: Sackarifiering och fermentering
Applicera ett sammansatt sackarifierande enzym vid 55-65°C och pH 5.5-6.5 för att omvandla stärkelseslurryn till glukos. Inokulera sedan laktobacillus i en anaerob miljö för att fermentera i 24-36 timmar, vilket omvandlar glukos till mjölksyra, med en koncentration på 10-15%. Denna process kräver sterilitet och noggrann kontroll av förhållandena för att maximera utbytet, som vanligen är 80% eller bättre.
Steg 4: PLA polymerisering
Denna process kräver två förfaranden – lågpolymerisation och högpolymerisation. Med hjälp av en katalysator sker lågpolymerisationen under 1-3 timmar, följt av högpolymerisationen som varar 3-5 timmar vid högre temperatur. Dessa två reaktioners varaktighet och temperatur kräver sträng kontroll för att uppnå den önskade produkten.
Steg 5: Rening
Oönskade komponenter, såsom föroreningar, oreagerade ämnen, låg polymerisering och oomvandlade monomerer, måste avlägsnas från fermenteringsvätskan. Detta steg kulminerar i förvärvet av renat, högpolymeriserat PLA, 99,5% eller högre. Detta steg är avgörande för produktens prestanda.
Steg 6: Bearbetning
Högrent PLA kan uppnås genom ovanstående procedurer. Därefter bearbetas PLA till fibrer, pellets och filmer genom extrudering eller formsprutning vid 190-220°C. Därefter genomgår PLA en upplindningsmaskinsprocess, som omvandlar den till de filament du oftast använder.
Sammanfattningsvis kräver PLA-produktion noggrann kontroll av komplexa biokemiska processer och hög teknisk expertis. Varje steg har specifika parametrar och förhållanden som måste regleras noggrant för att uppnå önskad produkt. Att upprätthålla höga kvalitets- och renhetsstandarder under hela processen är avgörande. Med sin hållbarhet och biologiska nedbrytbarhet har PLA blivit ett viktigt material för 3D-utskrift.
För dem som oroar sig för livsmedelsbrist kan produktion av PLA minska spannmålstillgången. I själva verket utgör den nuvarande produktionen av PLA en mycket liten procentandel av livsmedelsförbrukningen.
- Egenskaper
Medan PLA är både grundläggande och avgörande, är dess mekaniska egenskaper genomsnittliga. PLA-utskrivna delar har relativt dålig slagtålighet och lägre dimensionell precision. Ytorna på 3D-utskrivna PLA-objekt är relativt grova och kräver efterbehandling för att uppnå en glansig yta. PLA:s egenskaper kan observeras ytterligare genom att jämföra det med andra 3D-skrivarfilament.
- PLA och PLA+. Segheten och slagtåligheten, samt temperaturmotståndet hos PLA+ är inte lika bra som PLA. I vissa fall med höga krav är PLA+ mer lämpligt för sin förbättrade seghet och slagtålighet, samt temperaturmotstånd. Det är därför vi betraktar det som "PLA PLUS".
- PLA och TPU. När det gäller elasticitet, seghet och hög slagstyrka är TPU tveklöst vinnaren, vilket gör det till ett idealiskt material för stötdämpning och buffring eftersom det har en brottförlängning på upp till över 800 % och dess draghållfasthet kan uppgå till 35 MPa.
- PLA och PETG. PETG är kemiskt stabilare än PLA. Dessutom är PETF segare och har även högre slagstyrka än PLA. IZOD-slagstyrkan för PETG är nästan 1,5 gånger den för PLA. Men 3D-utskriftens ytkvalitet är inte lika bra som PLA.
- PLA och ABS. ABS har relativt hög hårdhet, seghet och slagstyrka. IZOD-slagstyrkan för ABS kan uppgå till 29 KJ/㎡, nästan 5 gånger PLA:s. ABS är också mer motståndskraftigt mot höga temperaturer.
PLA är dock det vanligaste materialet inom 3D-utskrift. Det har fördelar som enkel utskrift, biokompatibilitet och låg kostnad. Trots vissa begränsningar är PLA lätt att hantera med hög framgångsfrekvens och låga kostnader för nybörjare. Därmed intar PLA en viktig position inom 3D-utskrift och representerar ofta det första valet för användare som vill komma igång med 3D-utskriftsvärlden. Dessutom kan egenskaperna och funktionerna hos PLA genom att tillsätta heterogena funktionella tillsatser genomgå en drastisk förändring, vilket ger upphov till en mångfald av levande 3D-utskriftsmaterial. Till exempel, genom att tillsätta silkepulver kan sidenliknande jämnhet och mjuk textur ges till PLA; genom att tillsätta lignin, trämjöl och flavonoidföreningar kan PLA få trästruktur; genom att tillsätta marmorpulver och andra mineraliska fyllmedel kan PLA ges den estetiska texturen av sten; genom att tillsätta pigment med fotosensitivitet och termisk känslighet kan färgförändringseffekten av PLA uppnås; genom att tillsätta fluorescerande pulver kan PLA glöda på natten genom att absorbera ultraviolett ljus. Dessa material utvidgar inte bara PLA:s användningsområde, utan berikar också folks liv och konsumtionsalternativ avsevärt. Med tekniska framsteg kommer de nya kapaciteterna som PLA:s duktilitet ger successivt att öka, och geniala produkter för 3D-utskrift kommer att bli alltmer rikliga.
——————————————————
