PL
LT
EN
DE
DA
SV
NB
FI
ISURNELA / Materiały / 01
Polilaktyd.
PLA surowce pochodzenia roślinnego
Surowce i struktura
Synteza PLA i surowce.
Przemysłowa produkcja PLA może wykorzystywać cukry pozyskiwane z kukurydzy, trzciny cukrowej, buraków cukrowych lub manioku. Fermentacja prowadzi do powstania kwasu mlekowego, z którego w dalszych etapach otrzymuje się laktyd. Jego polimeryzacja daje PLA. Skład surowców i dodatków zależy od konkretnego gatunku materiału.
Odnawialne źródło węgla odróżnia PLA od polimerów wytwarzanych z surowców kopalnych. Pełna ocena cyklu życia uwzględnia również pigmenty, powłoki, zużycie energii, transport oraz postępowanie po zakończeniu użytkowania.
Struktura molekularna
Stosunek jednostek L- i D-laktydu wpływa na zdolność łańcuchów do tworzenia struktur krystalicznych. Stereochemia oddziałuje zatem na krystalizację i zachowanie materiału pod wpływem temperatury.
Średnia liczbowa i średnia wagowa masa molowa opisują rozkład długości łańcuchów. Wpływa on na płynięcie stopionego materiału, właściwości mechaniczne i starzenie hydrolityczne.
Udział fazy krystalicznej zależy od gatunku materiału i jego historii termicznej. Chłodzenie oraz późniejsza obróbka cieplna mogą zmieniać proporcje obszarów krystalicznych i amorficznych.
Dobór materiału
Porównanie materiałów.
Naturalne drewno
Drewno jest surowcem odnawialnym o charakterystycznym usłojeniu. Jest także higroskopijne i anizotropowe: jego wymiary i właściwości zmieniają się wraz z wilgotnością i kierunkiem włókien. PLA umożliwia uzyskanie kontrolowanej, powtarzalnej geometrii oraz inne podejście do wykończenia powierzchni.
Polimery z surowców kopalnych
Pochodzenie surowca i właściwości użytkowe to odrębne kryteria doboru. Zachowanie pod wpływem temperatury, odporność na uderzenia, dokładność wymiarową i jakość powierzchni można porównywać w określonych warunkach użytkowania.
Właściwości termiczne
Przemiany termiczne i degradacja.
Zeszklenie, ugięcie pod obciążeniem i rozkład chemiczny opisują różne reakcje na ogrzewanie. Warunki użytkowania ustala się na podstawie przemian termicznych i zachowania mechanicznego, a nie wyłącznie temperatury topnienia. Gatunek polimeru, orientacja wydruku, budowa ścianek i powłoka wpływają na gotowy element.
Zeszklenie
Ruchliwość amorficznych segmentów łańcuchów wzrasta, a sztywność zmienia się jeszcze przed topnieniem. Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) identyfikuje tę przemianę na podstawie zmiany pojemności cieplnej.
Ugięcie pod obciążeniem
Znormalizowaną próbkę ogrzewa się przy określonym naprężeniu zginającym do osiągnięcia ustalonego ugięcia. Szybkość ogrzewania, obciążenie i geometria próbki są częścią opisu wyniku.
Rozkład termiczny
Termograwimetria mierzy zmianę masy podczas ogrzewania w określonej atmosferze. Uzyskana krzywa opisuje degradację niezależnie od stabilności kształtu pod obciążeniem.
Zasady pomiaru
Zmiana pojemności cieplnej
Skok pojemności cieplnej wskazuje obszar zeszklenia.
Kryterium ugięcia
Zarejestrowana temperatura odpowiada określonemu ugięciu pod obciążeniem.
Profil utraty masy
Krzywa zmiany masy opisuje rozkład termiczny.
W przypadku struktur drukowanych wraz z temperaturą dokumentuje się kondycjonowanie próbki, czas oddziaływania, grubość ścianek i kierunek nakładania materiału. Parametry te pozwalają powiązać wynik laboratoryjny z zachowaniem konkretnej geometrii.
Transport ciepła
Grubość ścianki wpływa na czas nagrzewania.
Dyfuzyjność cieplna α zależy od przewodności cieplnej k, gęstości ρ i ciepła właściwego cₚ. Dla charakterystycznej grubości ścianki L skala czasowa przewodzenia τ rośnie w przybliżeniu jak L²/α. Temperatura powierzchni i temperatura wewnątrz ścianki nie muszą więc zmieniać się z taką samą szybkością.
Hydroliza
Woda może rozrywać wiązania estrowe w PLA. Podwyższona temperatura i wilgoć przyspieszają ten proces. Skracanie łańcuchów molekularnych może zmieniać właściwości mechaniczne; nie jest to to samo co samo mięknięcie pod wpływem ciepła.
03 / Struktura wydruku
Budowa warstwowa i właściwości mechaniczne.
W druku z topionego filamentu element powstaje z sąsiadujących ścieżek materiału. Sam gatunek materiału nie wystarcza do opisania jego zachowania: kierunek ścieżek, kontakt między warstwami i geometria wewnętrzna wpływają na wytrzymałość oraz stabilność wymiarową.
Orientacja
Ścieżki materiału przenoszą obciążenia inaczej wzdłuż warstwy niż poprzez połączenia między warstwami. Opis próbki badawczej obejmuje więc orientację budowy i układ ścieżek.
Kontakt między warstwami
Powstawanie połączenia zależy od temperatury i czasu kontaktu sąsiadujących ścieżek. Ciągłość połączeń wpływa na właściwości mechaniczne w kierunku budowy.
Geometria ścianek
Liczba obrysów, szerokość ścieżek i udział pustych przestrzeni określają rozkład materiału w przekroju. Geometrię rozpatruje się łącznie z zamknięciem i wymaganą pojemnością wewnętrzną.
04 / Wykończenie powierzchni
Układ powłok i wykończenie.
Powierzchnia PLA z powłoką obejmuje przygotowane podłoże, warstwę barwną i, jeśli przewidziano, ochronną warstwę nawierzchniową. Jakość wykończenia zależy od przygotowania powierzchni, zgodności warstw, grubości powłoki i utwardzania.
Specyfikacja powłoki określa chemię spoiwa, zgodność z podkładem, warunki utwardzania i zasady pielęgnacji. Połysk można mierzyć na gładkich płytkach próbnych; powierzchnie teksturowane ocenia się dodatkowo wizualnie.
Energia powierzchniowa i mikrotopografia wpływają na zwilżanie. Pomiary kąta zwilżania opisują rozprowadzanie cieczy po podłożu, a metoda siatki nacięć ocenia odporność powłoki na odspajanie. Grubość warstwy i warunki utwardzania uzupełniają ocenę połączenia z podłożem.
05 / Informacje techniczne
Techniczne metody badań.
Ocena techniczna obejmuje pochodzenie surowca, właściwości termiczne, zachowanie przy zginaniu i wykończenie powierzchni. Te metody ISO określają powtarzalne warunki pomiarowe oraz podstawę interpretacji wyników.
Oznaczanie udziału węgla pochodzenia biologicznego metodą ¹⁴C.
Pomiar temperatury zeszklenia metodą różnicowej kalorymetrii skaningowej.
Temperatura ugięcia przy określonym obciążeniu zginającym.
Zmiana masy podczas ogrzewania jako metoda oceny rozkładu termicznego.
Właściwości przy zginaniu w określonych warunkach badania.
Odporność powłoki na odspajanie w badaniu siatką nacięć.
Pomiar połysku gładkich, nieprzezroczystych powłok pod kątami 20°, 60° i 85°.
Specyfikacja produktu
Pełna dokumentacja techniczna określa gatunek i dostawcę materiału, dodatki i system powłok, pojemność wewnętrzną, wymiary zewnętrzne i masę, orientację wydruku, budowę ścianek, rodzaj zamknięcia, warunki badań oraz wymagania dotyczące pielęgnacji. Każdy wynik jest powiązany z badanym gatunkiem, geometrią i wykończeniem.