Polymilchsäure (PLA), abgekürzt PLA , ist das am häufigsten in FDM (Fused Deposition Modeling) verwendete Material, da es erschwinglich, stabil und einfach zu drucken ist. Die biobasierte Eigenschaft, dass PLA üblicherweise Nutzpflanzen wie Mais, Zuckerrohr und Maniok als Rohstoff verwendet, macht es umweltfreundlich und biologisch abbaubar. Um bessere 3D-Druckergebnisse zu erzielen, arbeiten viele Unternehmen daran, die Eigenschaften von PLA zu verbessern. Sie haben verschiedene modifizierte PLAs auf Basis des ursprünglichen PLA-Filaments entwickelt. Diese PLAs umfassen PLA+ , PLA Meta, Silk PLA, Rainbow PLA, Marble PLA, Twinkling PLA und Holz-PLA-Verbundstoffe. PLA-Filament ist das grundlegendste 3D-Druckerfilament und bildet die Hauptkomponente der meisten speziellen 3D-Druckerfilamente. PLA ist so wichtig, dass wir es gründlich verstehen müssen.
1. Die Geschichte von PLA
1857 entdeckte der französische Chemiker Marcellin Berthelot durch die Hydrolyse von Ammoniumlactat die organische Säure Milchsäure. Zehn Jahre später gelang ihm erstmals die Fermentation von Glucose zu Milchsäure und legte damit den Grundstein für die industrielle Produktion von Milchsäure.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte ICI (Imperial Chemical Industries) eine Technologie zur Fermentierung von Stärkerohstoffen zur Herstellung von Milchsäure und baute im Jahr 1930 die weltweit erste Anlage zur großtechnischen Produktion von Milchsäurefermentation. Seitdem ist die kostengünstige Produktion von Milchsäure durch Fermentation möglich geworden, was die Voraussetzungen für die Entwicklung und Anwendung von PLA schuf.
Im Jahr 1932 synthetisierte der Chemiker Carothers von DuPont erstmals hochmolekulare Polymilchsäure (PLA) durch direkte Polymerisation von Milchsäure, was die Geburtsstunde der PLA-Polymere markierte.
1954 synthetisierte der britische Chemiker Darby aus PLA das erste biologisch abbaubare Polymer, Polyhydroxyalkanoate (PHAs). Nachfolgende Studien zeigten, dass PHA und PLA beide biologisch aktiv und gut biokompatibel sind, was sie zu einem Forschungstrend im biomedizinischen Bereich machte.
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts machte die Forschung an Milchsäure und PLA mit der Entwicklung der Polyesterchemie und Polymerchemie große Fortschritte. Herstellungsmethoden, Polymerisationsmechanismen und Leistungskontrolle wurden gut verstanden. PLA hat sich mittlerweile zum besten und wichtigsten Material für den 3D-Druck entwickelt und fördert die weit verbreitete Anwendung der 3D-Drucktechnologie in der Familienerziehung und im Industriedesign. Dies macht den 3D-Druck zu einem leistungsstarken Werkzeug für kundenspezifische Produktion und Anpassung.
2.Wie wird PLA hergestellt?
Schritt 1: Rohstoffauswahl
PLA, ein biologisch abbaubares Polymer, wird typischerweise aus pflanzlichen Quellen wie Maisstärke oder Zuckerrohr und anderen Getreidesorten synthetisiert. Diese Materialien eignen sich aufgrund ihrer hohen Ausbeute und niedrigen Kosten für PLA. Diese Stärken bestehen hauptsächlich aus Glucoseeinheiten mit hohem Molekulargewicht und müssen weiter verarbeitet werden, um in Milchsäure, den Rohstoff für Polymilchsäure (PLA), umgewandelt zu werden.
Schritt 2: Verkleisterung der Stärke
Mischen Sie die Stärkekörner mit Wasser und erhitzen Sie sie unter Druck, bis die Stärke vollständig aufgelöst ist und ein Stärkebrei entsteht. Normalerweise läuft der Prozess 30–60 Minuten lang bei 130–170 °C und 0,5–2 MPa ab. Dabei ist eine genaue Kontrolle von Dauer, Temperatur und Druck erforderlich, um einen Abbau der Stärke und Qualitätsmängel zu vermeiden. Die Stärkeverkleisterungsrate erreicht üblicherweise 85 % oder mehr.
Schritt 3 : Verzuckerung und Gärung
Wenden Sie bei 55-65 °C und einem pH-Wert von 5,5-6,5 ein zusammengesetztes Verzuckerungsenzym an, um die Stärkeaufschlämmung in Glucose umzuwandeln. Impfen Sie dann Lactobacillus in einer anaeroben Umgebung, um 24-36 Stunden lang zu gären und Glucose in Milchsäure mit einer Konzentration von 10-15 % umzuwandeln. Dieser Prozess erfordert Sterilität und eine strenge Kontrolle der Bedingungen, um die Ausbeute zu maximieren, die normalerweise bei 80 % oder mehr liegt.
Schritt 4 : PLA - Polymerisation
Dieser Prozess erfordert zwei Verfahren – niedrige Polymerisation und hohe Polymerisation. Mithilfe eines Katalysators findet die niedrige Polymerisation statt, die 1–3 Stunden dauert, gefolgt von der hohen Polymerisation, die bei höherer Temperatur 3–5 Stunden dauert. Die Dauer und Temperatur dieser beiden Reaktionen müssen streng kontrolliert werden, um das gewünschte Produkt zu erhalten.
Schritt 5 : Reinigung
Unerwünschte Bestandteile wie Verunreinigungen, nicht umgesetzte Substanzen, geringe Polymerisation und nicht umgewandelte Monomere müssen aus der Fermentationsflüssigkeit entfernt werden. Dieser Schritt führt zur Gewinnung von gereinigtem, hochpolymerisiertem PLA, 99,5 % oder höher. Dieser Schritt ist für die Produktleistung entscheidend.
Schritt 6: Verarbeitung
Durch die oben beschriebene Verfahrensabfolge kann hochreines PLA gewonnen werden. Anschließend wird PLA durch Extrusion oder Spritzguss bei 190-220 °C zu Fasern, Pellets und Filmen verarbeitet. Anschließend durchläuft das PLA einen Wickelmaschinenprozess, bei dem es in die von Ihnen am häufigsten verwendeten Filamente umgewandelt wird.
Zusammenfassend erfordert die PLA-Produktion eine präzise Kontrolle komplexer biochemischer Prozesse und ein hohes Maß an technischem Fachwissen. Jeder Schritt hat spezifische Parameter und Bedingungen, die sorgfältig reguliert werden müssen, um das gewünschte Produkt zu erhalten. Die Einhaltung hoher Qualitäts- und Reinheitsstandards während des gesamten Prozesses ist unerlässlich. Aufgrund seiner Nachhaltigkeit und biologischen Abbaubarkeit ist PLA zu einem wichtigen Material für den 3D-Druck geworden.
Für diejenigen, die sich Sorgen über Nahrungsmittelknappheit machen, könnte die Produktion von PLA die Getreideversorgung verringern. Tatsächlich macht die derzeitige Produktion von PLA nur einen sehr geringen Prozentsatz des Nahrungsmittelverbrauchs aus.
- Eigenschaften
Obwohl PLA sowohl grundlegend als auch entscheidend ist, sind seine mechanischen Eigenschaften durchschnittlich. Mit PLA gedruckte Teile haben eine relativ schlechte Schlagfestigkeit und geringere Maßgenauigkeit. Die Oberflächen von 3D-gedruckten PLA-Objekten sind relativ rau und müssen nachbearbeitet werden, um ein glänzendes Finish zu erzielen. Die Eigenschaften von PLA können weiter beobachtet werden, indem man es mit anderen 3D-Druckerfilamenten vergleicht.
- PLA und PLA+. Die Zähigkeit, Schlagfestigkeit und Temperaturbeständigkeit von PLA+ ist nicht so gut wie die von PLA+. In einigen Fällen mit hohen Anforderungen ist PLA+ aufgrund seiner verbesserten Zähigkeit, Schlagfestigkeit und Temperaturbeständigkeit besser geeignet. Deshalb betrachten wir es als „PLA PLUS“.
- PLA und TPU. In puncto Elastizität, Zähigkeit und Schlagfestigkeit ist TPU zweifellos der Gewinner. Es ist ein ideales Material zur Stoßdämpfung und -pufferung, da es eine Bruchdehnung von über 800 % aufweist und seine Zugfestigkeit bis zu 35 MPa erreichen kann.
- PLA und PETG. PETG ist chemisch stabiler als PLA. Außerdem ist PETG zäher und hat auch eine höhere Schlagfestigkeit als PLA. Die IZOD-Schlagfestigkeit von PETG ist fast 1,5-mal so hoch wie die von PLA. Aber die Oberflächenbeschaffenheit beim 3D-Druck ist nicht so gut wie bei PLA.
- PLA und ABS. ABS hat eine relativ hohe Härte, Zähigkeit und Schlagfestigkeit. Die IZOD-Schlagfestigkeit von ABS kann 29 KJ/㎡ erreichen, fast das Fünffache von PLA. ABS ist auch widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen.
PLA ist jedoch das am häufigsten verwendete Material im 3D-Druck. Es bietet Vorteile wie einfaches Drucken, Biokompatibilität und niedrige Kosten. Trotz einiger Einschränkungen ist PLA einfach zu handhaben und weist hohe Erfolgsraten bei niedrigen Kosten für Anfänger auf. Daher nimmt PLA im 3D-Druck eine wichtige Position ein und ist oft die erste Wahl für Benutzer, die in die Welt des 3D-Drucks einsteigen. Darüber hinaus können die Eigenschaften und Merkmale von PLA durch Hinzufügen heterogener Funktionszusätze drastisch verändert werden, wodurch vielfältige, lebendige 3D-Druckmaterialien entstehen. Beispielsweise kann PLA durch Hinzufügen von Seidenpulver eine seidenartige Glätte und weiche Textur verliehen werden. Durch Hinzufügen von Lignin, Holzmehl und Flavonoidverbindungen kann PLA die Textur von Holz aufweisen. Durch Hinzufügen von Marmorpulver und anderen mineralischen Füllstoffen kann PLA die ästhetische Textur von Stein erhalten. Durch Hinzufügen von licht- und wärmeempfindlichen Pigmenten kann der Farbwechseleffekt von PLA erzielt werden. Durch Hinzufügen von fluoreszierendem Pulver kann PLA nachts leuchten, indem es ultraviolettes Licht absorbiert. Diese Materialien erweitern nicht nur den Anwendungsbereich von PLA, sondern bereichern auch das Leben und die Konsummöglichkeiten der Menschen enorm. Mit dem technologischen Fortschritt werden die neuartigen Möglichkeiten, die durch die Duktilität von PLA erreicht werden, immer weiter zunehmen und es wird immer mehr geniale Produkte für den 3D-Druck geben.
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