尼龍是可持續(xù)的3D打印材料嗎？

魔猴君  知識(shí)堂   84天前

尼龍是聚酰胺類型的合成聚合物。在增材制造中，它以長(zhǎng)絲形式(PA6)形式用于FDM技術(shù)，或者以粉末形式（PA11和PA12）形式用于選擇性激光燒結(jié)或HP的MultiJet Fusion等技術(shù)。盡管尼龍是3D打印行業(yè)廣泛使用的材料，但它有時(shí)會(huì)成為爭(zhēng)論的話題，因?yàn)樗皇鞘袌?chǎng)上最耐用的選擇。這是由于多種因素造成的，例如某些聚酰胺的成分、材料的可回收性和再利用程度，或制造過程中的氣體排放。

如果我們只關(guān)注尼龍3D打印，很明顯，根據(jù)聚酰胺的類型、來源和成分，這種材料會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生或大或小的影響。為了更好地了解其在行業(yè)中的作用及其碳足跡，我們將嘗試分析粉末和長(zhǎng)絲形式的尼龍的特性和性能。PA6長(zhǎng)絲是如何打印的，PA11和PA12之間有什么區(qū)別，3D行業(yè)在尼龍的使用和耐用性方面處于什么位置，以及是否有可行的替代品？

照片來源：FICEP S3

PA6，一種要求苛刻的3D打印耗材

PA6長(zhǎng)絲是一種半結(jié)晶熱塑性聚合物，也是全球應(yīng)用最廣泛的聚酰胺之一。PA6的熔點(diǎn)為220°C，因其良好的性價(jià)比而被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。盡管它傳統(tǒng)上用于工業(yè)制造方法，但由于其有趣的機(jī)械性能和創(chuàng)建高性能零件的能力，它在3D打印行業(yè)逐漸受到歡迎。此外，PA6是一種比PLA或ABS等標(biāo)準(zhǔn)塑料更難3D打印的材料。它的打印溫度范圍在250-270℃之間，因此必須保證合適的工作環(huán)境，使其不收縮。

就起源而言，它與其他類型的聚酰胺的不同之處在于它是通過開環(huán)聚合形成的，即通過許多聚合物合成的途徑之一。這使得它在縮聚物（整個(gè)單體分子成為聚合物的一部分）和加成聚合物（當(dāng)單體分子成為聚合物的一部分時(shí)失去一部分）之間的比較中成為特殊情況。在分析聚酰胺6對(duì)環(huán)境的影響并轉(zhuǎn)向更可持續(xù)的材料時(shí)，必須考慮兩個(gè)重要方面。首先，用于獲取材料的生產(chǎn)過程，其次，該轉(zhuǎn)化過程涉及的原材料；兩者都將定義該聚酰胺的碳足跡。

PA6是一種要求很高的3D打印耗材（照片來源：Sharebot）

PA11和PA12的成分和環(huán)境影響

在化學(xué)方面，聚酰胺11和12非常相似；它們僅在聚合物主鏈上有一個(gè)碳原子不同。然而，這個(gè)單個(gè)原子對(duì)聚合物如何組織創(chuàng)造物質(zhì)產(chǎn)生了巨大的影響。除此之外，用于3D打印的聚酰胺粉末之間的主要區(qū)別在于它們的來源。一方面，PA11是一種半結(jié)晶聚合物，由“綠色”原材料生成，合成工藝更接近PA6，而不是PA12。這種類型的尼龍是生物來源的，這意味著它是由源自植物衍生物（主要是蓖麻油）的可再生原材料生產(chǎn)的。就其應(yīng)用而言，聚酰胺11主要用于需要良好的耐化學(xué)性、柔韌性、低滲透性和尺寸穩(wěn)定性的場(chǎng)合，即在相當(dāng)惡劣的環(huán)境中。

另一方面，PA12是一種從石油中提取的精細(xì)合成粉末。其基本特性由聚酰胺本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及添加到組合物中的添加劑或纖維決定。其最重要的特性是對(duì)化學(xué)試劑、環(huán)境條件和影響的高抵抗力，以及低吸水性、極易加工，最后是良好的耐磨性和防滑性。這種塑料的主要應(yīng)用是用于汽車和航空等高科技行業(yè)。如上所述，這是由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，這在這些專業(yè)領(lǐng)域至關(guān)重要。

為了更好地了解兩種聚酰胺之間的差異，更準(zhǔn)確地說，了解它們的來源，Sculpteo在其網(wǎng)站上表示：“PA11 HP基于100%可再生生物質(zhì)來源。蓖麻子是從蓖麻植物中提取來制造油的。然后油轉(zhuǎn)化為單體（11-氨基十一烷酸），最后進(jìn)行聚合。這種PA11材料是PA12的可持續(xù)替代品，它為需要與皮膚接觸的組件提供了有趣的特性。這就是為什么就可持續(xù)性而言，尼龍11應(yīng)成為首選生物塑料，盡管這取決于3D打印部件的應(yīng)用。

照片來源：Formlabs

考慮到這兩種聚酰胺的特性，乍一看，生物塑料似乎是傳統(tǒng)塑料的更好替代品，因?yàn)樗糠钟煽稍偕Y源制成，并且可以生物降解。然而，FICEP S3的設(shè)計(jì)主管Nuno Neves告訴我們：“為了確定生物塑料是否比傳統(tǒng)塑料更適合我們的環(huán)境，與生物塑料相比，我們需要考慮傳統(tǒng)塑料整個(gè)生命周期的幾個(gè)因素，包括生產(chǎn)。、溫室氣體排放和回收可能性。這就是我們?cè)贔ICEP S3對(duì)我們使用的每一種材料和我們?cè)O(shè)計(jì)的每一種產(chǎn)品所做的事情。我們根據(jù)數(shù)據(jù)和給定情況的科學(xué)現(xiàn)實(shí)做出決策，而不是簡(jiǎn)單地想追隨環(huán)保潮流。?

尼龍、3D打印和耐用性

與其他合成塑料一樣，尼龍不是一種會(huì)被環(huán)境降解的材料。其他自然資源也是如此，例如紙張、木材或玻璃，它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而氧化和分解。因此，應(yīng)對(duì)地球上塑料的復(fù)雜處理的最常見方法是回收，即它們的轉(zhuǎn)化。應(yīng)該記住，生物塑料（如PA11）很難回收，因?yàn)榇蠖鄶?shù)城市沒有此類加工設(shè)施。其中許多最終被扔進(jìn)垃圾填埋場(chǎng)，導(dǎo)致它們失去氧氣。這會(huì)引發(fā)甲烷釋放到大氣中，這種溫室氣體的效力比二氧化碳強(qiáng)23倍，據(jù)信與傳統(tǒng)塑料相比，甲烷會(huì)導(dǎo)致更大的臭氧消耗。

如果我們關(guān)注所使用的兩項(xiàng)主要技術(shù)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在可持續(xù)性方面，SLS 3D打印尼龍具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。制造過程完成后，零件將被未燒結(jié)的粉末包圍，從而充當(dāng)打印零件的支撐。在SLS技術(shù)中，高達(dá)70%的未燒結(jié)粉末可以重復(fù)用于未來的打印。從可持續(xù)性和可回收性的角度來看，這是相對(duì)于FDM工藝的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇蛴〗橘|(zhì)不會(huì)被轉(zhuǎn)換回長(zhǎng)絲以供重復(fù)使用。

SLS技術(shù)在耐用性方面似乎更有趣（照片來源：阿科瑪）

為了評(píng)估和控制企業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，就有了所謂的CSR或企業(yè)社會(huì)責(zé)任，它是指每個(gè)組織對(duì)環(huán)境所承擔(dān)的責(zé)任。這方面越來越多地出現(xiàn)在所有3D打印參與者的活動(dòng)中。事實(shí)上，該行業(yè)的許多公司已經(jīng)在開發(fā)生物基解決方案來減少這種環(huán)境影響。

阿科瑪是業(yè)內(nèi)最著名的化學(xué)家之一，擁有多種用于3D打印的材料，包括尼龍。阿科瑪在蓖麻化學(xué)方面擁有獨(dú)特的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)。阿科瑪催化、工藝和生物質(zhì)增值主管Jean-Luc-Dubois評(píng)論道：“我們的生物來源工藝表明，可以使用可再生原材料以成本方式生產(chǎn)技術(shù)和有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，以滿足實(shí)際市場(chǎng)需求。?

前景

顯然，制造業(yè)中使用的所有材料都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，無論是通過氣體排放還是零件的可回收程度。此外，雖然目前沒有可行的石油衍生聚酰胺替代品，但目前正在研究有前景的生物基聚酰胺結(jié)構(gòu)單元。隨著石油價(jià)格持續(xù)波動(dòng)以及人們對(duì)氣候危機(jī)的認(rèn)識(shí)增強(qiáng)，可能會(huì)開發(fā)出更多當(dāng)前尼龍組件的替代品。

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

仍然關(guān)注3D打印工藝本身，我們知道該技術(shù)以減少制造時(shí)間和材料使用量而聞名。關(guān)于聚酰胺11的使用，阿科瑪團(tuán)隊(duì)在其網(wǎng)站上表示：“越來越多的公司需要清潔和可持續(xù)的材料。PA11是一種100%生物來源的聚合物，其選擇完全符合旨在實(shí)現(xiàn)企業(yè)社會(huì)責(zé)任目標(biāo)的綠色戰(zhàn)略。對(duì)于尼龍的全球使用，F(xiàn)ICEP S3的Nuno Neves給出了更為復(fù)雜的看法：“解決方案不是停止制造和使用從石油中提取的塑料，而是以更智能的方式使用它們，正確回收它們并不要再認(rèn)為一切‘有機(jī)’都是好東西的代名詞，事實(shí)很少如此簡(jiǎn)單。”

比較這兩個(gè)角度，很明顯增材制造行業(yè)在尼龍的使用方面走在正確的軌道上。然而，正如內(nèi)維斯先生所說，要實(shí)現(xiàn)“有機(jī)”積極并實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的制造并對(duì)環(huán)境影響更低，還有很長(zhǎng)的路要走。

編譯整理：.3dnatives