尼龍(PA)3D打印可持續(xù)發(fā)展路在何方,？生物基材料或是突破口

導(dǎo)讀：尼龍是一種聚酰胺（PA）合成聚合物,，在增材制造中,，它可以以長絲的形式（PA6）用于FDM 3D打印技術(shù),，也可以以粉末形式（PA11和PA12）用于SLS選擇性激光燒結(jié)或惠普的MultiJet Fusion等技術(shù),。

與PLA或者光敏樹脂等材料相比,，尼龍打印件具有較強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度,，在3D打印行業(yè)中是一種使用率很高的材料，但它也存在一些爭議。比如聚酰胺的成分,、材料的可回收性和可重復(fù)使用的程度,，以及制造過程中的氣體排放。此外,，環(huán)保問題是如今所有公司都在考慮和必須考慮的一個(gè)方面,。

△3D打印用的尼龍長絲，圖源：eSUN易生

為了更好地了解尼龍材料在3D打印行業(yè)中的作用,，以及它的碳足跡,，本文將分析粉末和長絲兩種形式的尼龍材料的特點(diǎn)和性能。

那么,，PA6長絲是如何打印的,？PA11和PA12有什么不同？3D打印行業(yè)在尼龍的使用和可持續(xù)性方面的情況如何,，是否有可行的替代品,？本期文章將為所有這些提供答案，以便更多地了解這種材料的可持續(xù)性以及制造業(yè)的發(fā)展方向,。

△尼龍粉末3D打印件

PA6—一種使用條件苛刻的3D打印長絲

PA6長絲是一種半結(jié)晶的熱塑性聚合物,，是全球使用最廣泛的聚酰胺之一。PA6的熔點(diǎn)為220℃,，由于其良好的性能/成本比,，被廣泛用于各種應(yīng)用。雖然它傳統(tǒng)上被用于工業(yè)制造,，但由于優(yōu)異的機(jī)械性能和創(chuàng)造高性能部件的能力,，它已逐漸在3D打印領(lǐng)域得到普及。此外,，與PLA或ABS等標(biāo)準(zhǔn)塑料相比,，PA6是一種更難3D打印的材料。它的工作溫度范圍是250-270°C,，所以必須確保有一個(gè)合適的工作環(huán)境,，以保證它不會收縮。

尼龍的來源與其他類型的聚酰胺不同,，它是通過開環(huán)聚合形成的,，即通過許多聚合物合成的路線之一。這使它成為縮合（整個(gè)單體分子成為聚合物的一部分）和加成（單體分子成為聚合物的一部分時(shí)失去一部分）聚合物中一個(gè)比較的特殊案例,。在分析PA6的環(huán)境影響并向更可持續(xù)的材料發(fā)展時(shí),，必須考慮到兩個(gè)重要方面。首先是用于獲得該材料的生產(chǎn)過程,，其次是該轉(zhuǎn)換過程中涉及的原材料,；兩者都將確定這種聚酰胺的碳足跡,。

△PA6尼龍耗材PolyMide CoPA打印零件，圖片來源：Polymaker

PA11和PA12的組成以及對環(huán)境的影響

在化學(xué)方面,，PA11和12非常相似，盡管它們在聚合物的主鏈上只相差一個(gè)碳原子,。然而,，這一個(gè)原子在聚合物的組織方式上產(chǎn)生了巨大的差異，從而形成了不一樣的物質(zhì),。除此之外,，用于3D打印的聚酰胺粉末之間的主要區(qū)別在于其來源。PA11是一種半結(jié)晶聚合物,，它是由"綠色"原料生成的,，其合成過程比PA12更接近于PA6。這種類型的尼龍是生物基的,，即它是由來自植物衍生物的可再生原料生產(chǎn)的,，主要是蓖麻油。就其應(yīng)用而言,，PA11主要應(yīng)用在需要良好的耐化學(xué)性,、靈活性、低滲透性和尺寸穩(wěn)定性的地方,。也就是說,，在侵蝕性環(huán)境和暴露在這些條件下的功能原型部件中。

△可持續(xù)的蓖麻籽,，可用于生產(chǎn)PA11,，圖源：Stratasys

PA12是一種精細(xì)的合成粉末，一般從石油中提取,。它的基本特性是由聚酰胺本身的化學(xué)結(jié)構(gòu),，以及添加到成分中的添加劑或纖維所賦予的。它最重要的特性是對化學(xué)制劑,、環(huán)境條件和沖擊的高度抵抗力,，以及低吸水性、高加工性,，最后是良好的耐磨性和滑動性,。在其主要應(yīng)用中，這種塑料被用于先進(jìn)工業(yè),，如汽車或航空業(yè),。正如我們已經(jīng)提到的，由于其出色的機(jī)械性能,，使它成為這類專業(yè)領(lǐng)域中關(guān)鍵材料,。

Sculpteo網(wǎng)站在提及PA11HP材料時(shí),，說明了這兩種聚酰胺之間的差距。該網(wǎng)站指出："我們的PA11 HP是基于100%的可再生生物質(zhì)資源,。從蓖麻植物蓖麻籽中提取制成油,，然后，油料被轉(zhuǎn)化為單體（11-氨基十一烷酸）,，最后被聚合成PA11,。這種PA11材料是PA12的可持續(xù)替代品，而且可以用于制造接觸皮膚的部件",。這表明,，就可持續(xù)性而言，PA11應(yīng)該是首先轉(zhuǎn)型的生物塑料,，盡管還需要考慮到最終3D打印部件的應(yīng)用,。

△SLS激光燒結(jié)PA，照片來源：Formlabs

鑒于這兩種PA的特性,，生物塑料乍一看似乎是傳統(tǒng)塑料的更好替代品,，因?yàn)樗�部分由可再生資源制成，并且可以進(jìn)行生物降解,。話雖如此,，考慮到尼龍的特性，我們還是需要關(guān)注它在3D打印中的使用以及它在可持續(xù)性方面的關(guān)系,。

尼龍,、3D打印和可持續(xù)性

與其他合成塑料一樣，尼龍不是一種可以被環(huán)境降解的材料,。其他自然資源,，如紙張、木材或玻璃就屬于這種情況,，它們會隨著時(shí)間的推移被氧化和分解,。因此，應(yīng)對復(fù)雜的塑料處理的最經(jīng)常的方法是回收,。需要記住的一個(gè)方面是,，生物塑料，如PA11,，很難回收,，因?yàn)榇蠖鄶?shù)城市都沒有這種類型的轉(zhuǎn)化所需的設(shè)施。它們中的許多最終被填埋,，這導(dǎo)致它們釋放甲烷到大氣中,，這種溫室氣體比二氧化碳強(qiáng)23倍，這將比傳統(tǒng)塑料造成更大的臭氧消耗,。

本文主要關(guān)注尼龍材料所使用的兩種增材技術(shù)——FDM和SLS,。在可持續(xù)性方面,，尼龍SLS 3D打印有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。打印過程中,，部件會被未燒結(jié)的粉末包圍,，這些粉末又會成為打印部件的支撐。在SLS技術(shù)中,，高達(dá)70%的未燒結(jié)粉末可以被重新用于新一輪的打印,。從可持續(xù)性和可回收性的角度來看，這比FDM方法更有優(yōu)勢,，因?yàn)槿廴跀D出打印出來的支撐材料無法轉(zhuǎn)換為再利用。

△在SLS技術(shù)中,，高達(dá)70%的未燒結(jié)粉末可以被重新使用（圖片來源：阿科瑪公司）

事實(shí)上,，3D打印行業(yè)的許多公司已經(jīng)在開發(fā)生物基環(huán)保材料的解決方案，以減少這種環(huán)境影響,。

阿科瑪是業(yè)內(nèi)最著名的化學(xué)公司之一,，擁有廣泛的增材制造材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，包括尼龍,。該公司在蓖麻植物化學(xué)方面擁有獨(dú)特的專業(yè)知識和技能,。從這個(gè)工廠可以開發(fā)出各種高性能的長鏈可生物降解聚酰胺，比如該公司的Rilsan®聚酰胺11系列,。

Stratasys公司最新推出的H350™ 3D打印機(jī)便率先采用了源自蓖麻油的High Yield PA11材料,。

圖源：Stratasys

根據(jù)巴斯夫(BASF)的數(shù)據(jù)，印度是目前最大的蓖麻籽生產(chǎn)國,，供應(yīng)量占世界總量的80%,，即120萬噸。在氣候適宜的地區(qū),，蓖麻籽很容易生長,。蓖麻籽的含油量在40%到60%之間，剩余部分通常被用作肥料,。事實(shí)上,，在合成材料被開發(fā)出之前，這種植物多年來都被用作發(fā)動機(jī)潤滑油,。蓖麻油是一種不可食用的植物油,，因此不會給食品行業(yè)帶來競爭。由于其在化學(xué)上的多功能性,，企業(yè)可以從蓖麻油中合成多種聚合物,，例如環(huán)氧樹脂、聚酰胺和聚酯,，PA11便是其中之一,。巴斯夫,、阿科瑪(Arkema)和Yayant Agro-Organics等材料公司以及國際NGO Solidaridad已采取多項(xiàng)措施來鼓勵(lì)印度生產(chǎn)可持續(xù)蓖麻籽。

尼龍?jiān)诳沙掷m(xù)性方面的未來展望

很明顯,，制造業(yè)中使用的所有制造材料都會對環(huán)境或多或少地產(chǎn)生一些影響,，無論是通過氣體的排放還是通過部件的可回收程度。此外,，雖然目前還沒有可行的石油基聚酰胺的替代品,，但目前正在研究非常有前途的生物基聚酰胺構(gòu)件。隨著石油價(jià)格的持續(xù)波動和對氣候危機(jī)認(rèn)識的提高,，很可能會開發(fā)出更多目前尼龍部件的替代品,。

△增材制造行業(yè)在可持續(xù)性方面有著廣闊的前景（圖片來源：FICEP S3)

專注于3D打印工藝本身，這項(xiàng)技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢,，它可以減少制造時(shí)間和使用的材料數(shù)量,。關(guān)于PA11的使用，阿科瑪團(tuán)隊(duì)在網(wǎng)站上表示："越來越多的公司要求使用清潔和可持續(xù)的材料,。PA11是一種100%的生物基聚合物,，完全符合綠色戰(zhàn)略，有助于實(shí)現(xiàn)企業(yè)社會責(zé)任目標(biāo)",。

關(guān)于尼龍的全球使用,，F(xiàn)ICEP S3公司的Nuno Neves的觀點(diǎn)更加犀利：“解決方案不是停止制造和使用石油基塑料，而是以更明智的方式使用它們,，正確地回收它們,，并停止認(rèn)為那些所謂的附上“生物”標(biāo)簽的就是好的代名詞，事實(shí)上它遠(yuǎn)不止表面上那么簡單,�,！�

對比這兩種觀點(diǎn)，很明顯,，在使用尼龍方面,，增材制造行業(yè)走在了正確的道路上。然而,，正如Neves所說,，要使 "生物環(huán)保"成為積極因素，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境影響更小的可持續(xù)制造,，還有很長的路要走,。

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