Kwas polimlekowy, znany również jako PLA, to termoplastyczny monomer pozyskiwany z odnawialnych, organicznych źródeł, takich jak skrobia kukurydziana lub trzcina cukrowa. Wykorzystanie zasobów biomasy odróżnia produkcję PLA od większości tworzyw sztucznych, które są wytwarzane przy użyciu paliw kopalnych w procesie destylacji i polimeryzacji ropy naftowej.
Pomimo różnic w surowcach, PLA można produkować przy użyciu tych samych urządzeń, co tworzywa petrochemiczne, dzięki czemu proces produkcji PLA jest stosunkowo ekonomiczny. PLA jest drugim najczęściej produkowanym bioplastikiem (po skrobi termoplastycznej) i ma właściwości podobne do polipropylenu (PP), polietylenu (PE) i polistyrenu (PS), a ponadto ulega biodegradacji.
Spis treści
Jak jest produkowany jest pla materiał?
Tworzywo PLA to rodzaj poliestru wytwarzanego ze sfermentowanej skrobi roślinnej pochodzącej z kukurydzy, manioku, kukurydzy, trzciny cukrowej lub pulpy buraczanej. Cukier zawarty w tych materiałach odnawialnych jest fermentowany i przekształcany w kwas mlekowy, który następnie jest przetwarzany na kwas polimlekowy, czyli PLA.
Więcej szczegółowych informacji na temat metod produkcji PLA znajduje się poniżej.
Zobacz również: jak odpowietrzyć grzejnik łazienkowy
Polikaktyd – do czego jest wykorzystywany?
Właściwości materiałowe PLA sprawiają, że nadaje się on do produkcji folii z tworzyw sztucznych, butelek i biodegradowalnych wyrobów medycznych, w tym śrub, szpilek, płytek i prętów, które mają ulec biodegradacji w ciągu 6 do 12 miesięcy.)
PLA może być stosowany jako materiał do produkcji folii termokurczliwych, ponieważ pod wpływem ciepła ulega zwężeniu. Ta łatwość topnienia sprawia, że kwas polimlekowy nadaje się również do zastosowań w druku 3D.
Jednak wiele rodzajów PLA ma niską temperaturę zeszklenia, co sprawia, że nie nadają się do produkcji plastikowych kubków przeznaczonych do przechowywania gorących płynów.
Czy jest przyjazny dla środowiska?
Do produkcji PLA zużywa się o 65% mniej energii niż do produkcji konwencjonalnych tworzyw sztucznych, wytwarza się o 68% mniej gazów cieplarnianych i nie zawiera toksyn. Może on również pozostać przyjazny dla środowiska, jeśli zachowany zostanie właściwy scenariusz wycofania go z eksploatacji.
Tempo degradacji jest jednak bardzo wolne w temperaturach otoczenia, a badanie z 2017 r. wykazało, że nie zaobserwowano żadnej degradacji w ciągu ponad roku od zanurzenia materiału w wodzie morskiej o temperaturze 25°C.
Obecnie istnieją cztery powszechnie stosowane scenariusze wycofania PLA z eksploatacji:
- Recykling
Jest to recykling chemiczny lub mechaniczny. Odpady mogą zawierać zanieczyszczenia, ale kwas polimlekowy można poddać recyklingowi chemicznemu, stosując depolimeryzację termiczną lub hydrolizę w celu uzyskania monomeru, który można następnie wytworzyć z niego pierwotny PLA. PLA można również poddać recyklingowi chemicznemu za pomocą transestryfikacji, w wyniku której powstaje mleczan metylu. - Kompostowanie
Warunki kompostowania przemysłowego umożliwiają przeprowadzenie hydrolizy chemicznej, a następnie fermentacji mikrobiologicznej w celu rozkładu PLA. - Spalanie
Wycofany z eksploatacji PLA można spalić, uzyskując 19,5 MJ/kg (8 368 btu/lb) energii i nie pozostawiając żadnych pozostałości. - Składowisko odpadów
Choć PLA może trafić na wysypisko, jest to opcja najmniej przyjazna dla środowiska ze względu na powolne tempo degradacji materiału w temperaturach otoczenia.
Zobacz również: proporcje betonu na fundament
Polilaktyd – rodzaje
Ze względu na charakter kwasu mlekowego, istnieje kilka różnych form polilaktydu. Należy do nich poli-L-laktyd (PLLA), który powstaje w wyniku polimeryzacji L,L-laktydu (znanego również jako L-laktyd).
Ponadto, choć PLA można wytwarzać z różnych materiałów biomasy, takich jak skrobia kukurydziana lub trzcina cukrowa, to można go również ulepszyć poprzez dodanie innych materiałów w celu uzyskania różnych właściwości. Dotyczy to zwłaszcza filamentów PLA, w przypadku których dodatkowe materiały umożliwiają wykorzystanie wydrukowanego w 3D PLA na różne sposoby.
Dostępnych jest wiele różnych mieszanek PLA, chociaż dodawanie materiałów do PLA może utrudnić drukowanie 3D, a nawet zmniejszyć właściwości PLA. Stosowanie mieszanek może również oznaczać konieczność zmiany temperatury wymaganej do stopienia materiału podczas drukowania.
- Filamenty drewniane
PLA jest mieszany z drewnem, takim jak bambus, cedr, drewno kokosowe, korek, sosna lub orzech włoski. Można to wykorzystać na przykład do nadania meblom wydrukowanym z PLA naturalnego wyglądu. - Filamenty metalowe
Mieszanie PLA z metalami takimi jak mosiądz, brąz, miedź, żelazo i stal może sprawić, że wydrukowane elementy będą mocniejsze i bardziej błyszczące. - Inne filamenty
PLA można także mieszać z innymi materiałami i substancjami, w tym z włóknem węglowym, węglem przewodzącym, a nawet z piwem lub kawą (aby nadać drukowanym elementom zapach). Filamentom PLA można także nadawać właściwości zmieniające kolor.
Tworzywo PLA – właściwości
PLA jest rozpuszczalny w rozpuszczalnikach, takich jak dioksan, gorący benzen i tetrahydrofuran. Właściwości fizyczne i mechaniczne różnią się w zależności od rodzaju polimeru – od amorficznego polimeru szklistego do polimeru pół- lub wysokokrystalicznego o temperaturze zeszklenia 60-65 °C, temperaturze topnienia 130-180 °C i module sprężystości przy rozciąganiu 2,7-16 GPa.
Żaroodporny PLA może wytrzymać temperaturę 110 °C, a temperaturę topnienia można zwiększyć o 40-50 °C, zaś temperaturę ugięcia pod wpływem ciepła można zwiększyć z ok. 60 °C do nawet 190 °C poprzez fizyczne zmieszanie polimeru z PDLA (poli-D-laktydem).
Wyżarzanie, dodawanie czynników nukleujących lub tworzenie kompozytów z innymi materiałami może zmienić właściwości mechaniczne PLA. Jednak podstawowe właściwości mechaniczne PLA mieszczą się pomiędzy właściwościami polistyrenu i PET, przy czym właściwości te są podobne do właściwości PET, ale niższa jest maksymalna temperatura ciągłego użytkowania.
Wysoka energia powierzchniowa PLA sprawia, że jest on idealny do druku 3D. PLA można również zgrzewać rozpuszczalnikiem przy użyciu dichlorometanu, natomiast aceton zmiękcza powierzchnię materiału, czyniąc go lepkim, ale nie rozpuszczając go, dzięki czemu można go zgrzać z inną powierzchnią PLA. Etylooctan może być stosowany jako rozpuszczalnik organiczny, rozpuszczający PLA i będący dobrym rozwiązaniem do usuwania podpór do drukowania z PLA lub czyszczenia głowic wytłaczarek do druku 3D. Jako rozpuszczalnika można również użyć węglanu propylenu i pirydyny, ale są one mniej korzystne niż octan etylu i węglan propylenu, ponieważ w pierwszym przypadku są mniej bezpieczne, a w drugim wydzielają wyraźny nieprzyjemny zapach ryb.
Zobacz też: Beton towarowy – rodzaje, wady i zalety
Zalety PLA
PLA ma kilka zalet w porównaniu z innymi materiałami, w tym
- Przyjazny dla środowiska (jeśli jest prawidłowo utylizowany)
- Łatwy do drukowania 3D
- Bezpieczny w takich zastosowaniach, jak pojemniki na żywność i urządzenia medyczne
- Szeroka gama kompozytów i kolorów zapewniających różne właściwości i wygląd
- Możliwość spawania rozpuszczalnikowego (np. z użyciem dichlorometanu)
Wady polilaktyda
Istnieją jednak pewne wady stosowania PLA, do których należą m.in:
- Niska odporność na ciepło
- Porównywalnie niska wytrzymałość
- Obróbka mechaniczna może być trudna.
- Metody produkcji
- Istnieje kilka przemysłowych metod produkcji użytecznego PLA o wysokim współczynniku molekularnym. Dwa główne monomery stosowane do tego celu to kwas mlekowy i cykliczny di-ester, laktyd.
Najbardziej rozpowszechnioną metodą wytwarzania PLA jest polimeryzacja z otwarciem pierścienia laktydu z różnymi katalizatorami metalowymi (zwykle oktanianem cyny) w roztworze lub w zawiesinie. Reakcja katalizowana metalami prowadzi zwykle do reemisji PLA, co zmniejsza stereoregularność w porównaniu z materiałem wyjściowym z biomasy.
Możliwe jest także wytwarzanie PLA poprzez bezpośrednią kondensację monomerów kwasu mlekowego. Proces ten prowadzi się w temperaturze poniżej 200 °C, w której powstaje monomer laktydowy uprzywilejowany entropowo. W procesie tym na każdym etapie estryfikacji powstaje woda. Wodę należy usunąć, stosując próżnię lub destylację azeotropową, aby wspomóc polikondensację i uzyskać wysoką szybkość cząsteczkową. Jeszcze większe szybkości cząsteczkowe można uzyskać poprzez krystalizację surowego polimeru z roztopionego tworzywa. Powoduje to koncentrację końcowych grup kwasów karbolitycznych i alkoholi w obszarze amorficznym stałego polimeru, które reagując ze sobą, osiągają masę cząsteczkową 128-152 kDa.
Polimeryzując racemiczną mieszaninę L- i D-laktydów, można syntetyzować amorficzny poli-DL-laktyd (PDLLA). Stereospecyficzne katalizatory mogą prowadzić do otrzymania heterotaktycznego PLA, który, jak wiadomo, wykazuje krystaliczność. Stopień tej krystaliczności zależy od stosunku użytych enancjomerów D do L, a także od rodzaju zastosowanego katalizatora. W środowisku akademickim zamiast kwasu mlekowego i laktydu stosuje się także pięcioczłonowy cykliczny związek O-karboksyanhydryd kwasu mlekowego (lac-OCA). Związek ten nie wytwarza wody jako produktu ubocznego i jest bardziej reaktywny niż laktyd. PLA jest również bezpośrednio biosyntetyzowany, a kwas mlekowy jest również łączony z zeolitem, co tworzy jednoetapowy proces, który przebiega w temperaturze o około 100°C niższej.
Zobacz również: Stokrotka afrykańska
Zastosowania polilaktyda
PLA ma wiele powszechnych zastosowań, w tym w medycynie i przemyśle spożywczym. Jest także szeroko stosowany jako materiał wsadowy do drukowania 3D w stacjonarnych drukarkach 3D wykorzystujących technologię stapiania włókien. PLA jest popularny w druku 3D, ponieważ można go łatwo szlifować, malować lub poddawać dalszej obróbce. To przyjazne dla użytkownika tworzywo pracuje przy niskich temperaturach wytłaczania i nie ma potrzeby stosowania podgrzewanego łoża, komory drukarki czy wzmocnionej dyszy. Kolejną zaletą jest to, że PLA zachowuje się lepiej niż wiele twardszych tworzyw sztucznych, a ponadto nie wydziela oparów ani nieprzyjemnych zapachów. Łatwo się go przechowuje i można go produkować w różnych kolorach oraz jako bazę dla szeregu kompozytów o dodatkowych właściwościach (patrz wyżej).
Ponieważ PLA może ulegać rozkładowi do kwasu mlekowego, może być stosowany do produkcji implantów medycznych, takich jak kotwice, śruby, płytki, bolce, pręty lub jako siatka. W zależności od rodzaju użytego materiału rozkłada się on w okresie od 6 miesięcy do 2 lat. Oznacza to, że produkty te mogą stopniowo przenosić obciążenie z konstrukcji nośnej PLA na ciało w miarę jego gojenia.
PLA, wytwarzany metodą formowania wtryskowego, odlewania lub przędzenia, jest również wykorzystywany jako materiał opakowaniowy, foliowy lub do produkcji kubków i torebek ulegających rozkładowi. Wykorzystuje się go do produkcji worków na kompost, opakowań na żywność, jednorazowych zastaw stołowych i opakowań na produkty sypkie. Jako włókno lub włóknina, PLA jest wykorzystywany w tapicerstwie, odzieży jednorazowej, produktach higieny kobiecej i pieluchach.
Przyszłość PLA
Tworzywo PLA, wykonane z surowca nadającego się do recyklingu i odnawialnego, ma wiele zalet na przyszłość, a przy rosnących cenach ropy naftowej tworzywo sztuczne na bazie kukurydzy ma również zalety finansowe. Mimo tych wszystkich zalet, niska temperatura topnienia PLA w porównaniu z tworzywami takimi jak PET oznacza, że jak dotąd nie znalazł on tak wielu zastosowań.
Koszt produkcji PLA również zmniejszył się na przestrzeni dziesięcioleci, ale trzeba uważać na rozkład tego materiału, który wymaga specjalnego kompostowania w zakładach, które mogą podgrzewać materiał do temperatury 140°C przez dziesięć dni. Mimo że wymaga to pracy zakładu, jest to zdecydowanie bardziej korzystne niż wysyłanie zużytego PLA na wysypisko, gdzie szacuje się, że jego rozkład trwałby od 100 do 1000 lat.
Choć PLA nie jest jeszcze cudowną substancją, brak paliw kopalnych i mniejsze zanieczyszczenie powietrza w procesie produkcji oznaczają, że z pewnością znajdzie się dla niego miejsce w przyszłości wśród materiałów.