L'acide polylactique (PLA), en abrégé PLA , est le matériau le plus couramment utilisé dans le FDM (Fused Deposition Modeling) car il est abordable, stable et facile à imprimer. La caractéristique biosourcée selon laquelle le PLA utilise couramment des cultures comme le maïs, la canne à sucre et le manioc comme matière première le rend écologique et biodégradable. Pour obtenir de meilleurs résultats d’impression 3D, de nombreuses entreprises s’efforcent d’améliorer les propriétés du PLA. Ils ont développé divers PLA modifiés basés sur le filament PLA original. Ces PLA comprennent le PLA+ , le PLA Meta, le Silk PLA, le Rainbow PLA, le Marble PLA, le Twinkling PLA et les composites PLA en bois. Le filament PLA est le filament d'imprimante 3D le plus basique et constitue le composant principal de la plupart des filaments d'imprimante 3D spécialisés. Le PLA est si important que nous devons en avoir une compréhension approfondie.
1.L'histoire du PLA
En 1857, Marcellin Berthelot, un chimiste français, découvre l'acide lactique, un acide organique, en hydrolysant le lactate d'ammonium. Dix ans plus tard, il réussit pour la première fois à fermenter le glucose en acide lactique, jetant ainsi les bases de la production industrielle d’acide lactique.
Au début du 20e siècle, ICI (Imperial Chemical Industries) a développé une technologie pour fermenter les matières premières d'amidon afin de produire de l'acide lactique et a construit le premier appareil de production de fermentation d'acide lactique à grande échelle au monde en 1930. Depuis lors, la production d'acide lactique à faible coût par la méthode de fermentation est devenue possible, créant les conditions pour le développement et l'application du PLA.
En 1932, le chimiste Carothers de DuPont synthétise pour la première fois l'acide polylactique (PLA) de haut poids moléculaire par polymérisation directe de l'acide lactique, ce qui marque la naissance des polymères PLA.
En 1954, le chimiste britannique Darby synthétise le premier polymère biodégradable, les poly-hydroxyalcanoates (PHA), à partir du PLA. Des études ultérieures ont montré que le PHA et le PLA ont tous deux une activité biologique et une bonne biocompatibilité, ce qui en fait une tendance de recherche dans le domaine biomédical.
À l’aube du 21e siècle, avec le développement de la chimie des polyesters et de la chimie des polymères, la recherche sur l’acide lactique et le PLA a fait de grands progrès. Les méthodes de préparation, les mécanismes de polymérisation et le contrôle des performances étaient bien compris. Le PLA, quant à lui, est devenu le matériau principal et bien adapté à l’impression 3D, favorisant l’application généralisée de la technologie d’impression 3D dans l’éducation familiale et le design industriel. Cela fait de l’impression 3D un outil puissant pour la production et la personnalisation personnalisées.
2.Comment produire du PLA
Étape 1 : Sélection des matières premières
Le PLA, un polymère biodégradable, est généralement synthétisé à partir de sources végétales telles que l'amidon de maïs ou la canne à sucre et d'autres céréales. Ces matériaux conviennent au PLA grâce à leur rendement élevé et leur faible coût. Principalement composés d'unités de glucose de poids moléculaire élevé, ces amidons nécessitent un traitement supplémentaire pour être convertis en acide lactique, la matière première de l'acide polylactique (PLA).
Étape 2 : Gélatinisation de l’amidon
Mélangez les granules d'amidon avec de l'eau et appliquez de la chaleur sous pression jusqu'à ce que l'amidon soit complètement dissous pour constituer une bouillie d'amidon. Généralement, le processus se déroulera sous 130-170°C et 0,5-2 MPa pendant 30-60 minutes, et nécessite un contrôle précis de la durée, de la température et de la pression pour éviter la dégradation de l'amidon et les défauts de qualité. Le taux de gélatinisation de l'amidon atteint généralement 85 % ou plus.
Étape 3 : Saccharification et Fermentation
Appliquer une enzyme saccharifiante composite à 55-65°C et pH 5,5-6,5 pour transformer la suspension d'amidon en glucose. Inoculez ensuite les lactobacilles dans un environnement anaérobie pour fermenter pendant 24 à 36 heures, transformant le glucose en acide lactique, avec une concentration de 10 à 15 %. Ce processus nécessite une stérilité et un contrôle rigoureux des conditions pour maximiser le rendement qui est généralement de 80 % ou mieux.
Étape 4 : Polymérisation du PLA
Ce processus nécessite deux procédures : faible polymérisation et haute polymérisation. À l'aide d'un catalyseur, la polymérisation basse dure 1 à 3 heures, suivie ensuite par la polymérisation élevée qui dure 3 à 5 heures à une température plus élevée. La durée et la température de ces deux réactions nécessitent un contrôle strict pour obtenir le produit cible.
Étape 5 : Purification
Les composants indésirables, tels que les impuretés, les substances n'ayant pas réagi, les faibles polymérisations et les monomères non convertis, doivent être éliminés du liquide de fermentation. Cette étape aboutit à l’acquisition de PLA purifié et hautement polymérisé, à 99,5 % ou plus. Cette étape est cruciale pour la performance du produit.
Étape 6 : Traitement
Du PLA de haute pureté peut être obtenu grâce à la séquence de procédures ci-dessus. Le PLA est ensuite transformé en fibres, granulés et films par extrusion ou moulage par injection à 190-220°C. Par la suite, le PLA subit un processus de bobinage, le transformant en filaments que vous utilisez le plus couramment.
En résumé, la production de PLA nécessite un contrôle précis de processus biochimiques complexes et un haut degré d’expertise technique. Chaque étape comporte des paramètres et des conditions spécifiques qui doivent être soigneusement réglementés pour obtenir le produit souhaité. Il est essentiel de maintenir des normes élevées de qualité et de pureté tout au long du processus. Grâce à sa durabilité et sa biodégradabilité, le PLA est devenu un matériau important pour l'impression 3D.
Pour ceux qui s’inquiètent des pénuries alimentaires, la production de PLA pourrait réduire l’approvisionnement en céréales. En fait, la production actuelle de PLA ne représente qu’un très faible pourcentage de la consommation alimentaire.
- Propriétés
Bien que le PLA soit à la fois fondamental et crucial, ses propriétés mécaniques sont moyennes. Les pièces imprimées en PLA ont une résistance aux chocs relativement faible et une précision dimensionnelle inférieure. Les surfaces des objets imprimés en PLA 3D sont relativement rugueuses et nécessitent un post-traitement pour obtenir une finition brillante. Les caractéristiques du PLA peuvent être observées davantage en le comparant avec d’autres filaments d’imprimante 3D.
- PLA et PLA+. La ténacité, les chocs et la résistance à la température du PLA+ ne sont pas aussi bonnes que celles du PLA+. Dans certaines occasions où les exigences sont élevées, le PLA+ est plus adapté en raison de sa ténacité améliorée, de sa résistance aux chocs et à la température. C'est pourquoi nous le considérons comme « PLA PLUS ».
- PLA et TPU. En ce qui concerne l'élasticité, la ténacité et la résistance élevée aux chocs, le TPU est sans aucun doute le gagnant, ce qui en fait un matériau idéal pour absorber les chocs et amortir les chocs car il a un allongement à la rupture allant jusqu'à plus de 800 % et sa résistance à la traction peut atteindre 35MPa.
- PLA et PETG. Le PETG est chimiquement plus stable que le PLA. De plus, le PETF est plus résistant et a également une résistance aux chocs plus élevée que le PLA. La résistance aux chocs IZOD du PETG est près de 1,5 fois supérieure à celle du PLA. Mais la finition de la surface de l’impression 3D n’est pas aussi bonne que celle du PLA.
- PLA et ABS. L'ABS a une dureté, une ténacité et une résistance aux chocs relativement élevées. La résistance aux chocs IZOD de l'ABS peut atteindre 29KJ/㎡, soit près de 5 fois celle du PLA. L'ABS est également plus résistant aux températures élevées.
Cependant, le PLA est le matériau le plus couramment utilisé en impression 3D. Il présente des avantages tels qu’une impression facile, une biocompatibilité et un faible coût. Malgré certaines limitations, le PLA est facile à gérer avec des taux de réussite élevés mais des coûts faibles pour les débutants. Le PLA occupe ainsi une place importante dans l’impression 3D et représente souvent le premier choix des utilisateurs pour se lancer dans le monde de l’impression 3D. De plus, grâce à l’ajout d’additifs fonctionnels hétérogènes, les propriétés et les caractéristiques du PLA peuvent subir un changement radical, engendrant de nombreux matériaux d’impression 3D aux couleurs vives. Par exemple, en ajoutant de la poudre de soie, une douceur soyeuse et une texture douce peuvent être conférées au PLA ; En ajoutant de la lignine, de la farine de bois et des composés flavonoïdes, le PLA peut avoir la texture du bois ; En ajoutant de la poudre de marbre et d’autres charges minérales, le PLA peut recevoir la texture esthétique de la pierre ; En ajoutant des pigments photosensibles et thermiquement sensibles, l'effet de changement de couleur du PLA peut être obtenu ; En ajoutant de la poudre fluorescente, le PLA peut briller la nuit en absorbant la lumière ultraviolette. Ces matériaux élargissent non seulement le champ d'application du PLA, mais enrichissent également considérablement la vie et les options de consommation des gens. Avec le progrès technologique, les nouvelles capacités obtenues par la ductilité du PLA augmenteront progressivement et les produits ingénieux pour l'impression 3D deviendront toujours plus nombreux.
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