PLA пластик: характеристики, свойства, сфера применения

PLA-пластик (полимолочная кислота, полилактид) — это полимер, получаемый из ферментированного кукурузного крахмала или отходов сахарного тростника. Экологически чистая и биоразлагаемая альтернатива традиционным «нефтяным» пластикам. Применяется в разных сферах производства, включая 3D-печать.

Химик Теофиль-Жюль Пелуз впервые синтезировал PLA в 1845 году. С 1960-х полимер применяют в медицине — для производства рассасываемых шовных нитей и имплантатов. В остальных сферах не пользовался популярностью вплоть до 1990-х годов из-за более высокой цены в сравнении с дешёвыми продуктами нефтепереработки.

Сегодня PLA сравнялся по стоимости с ABS и нейлоном, а повсеместное введение углеродного налога (carbon tax) для производителей и продавцов «вредных пластиков», сделало материал востребованным и конкурентным.

Характеристики

Особенность PLA — высокая поверхностная энергия, что делает биопластик идеальным для 3D-печати. Его поверхность гладкая на ощупь, но «шероховатая» на молекулярном уровне». PLA легко окрашивается без грунтовки и праймера. Поддаётся холодному «свариванию» без клея.

Основные характеристики материала:

Температура изгиба под нагрузкой (HDT)	~52 ° C
Плотность	~1,24 г/см³
Предел прочности при изгибе	~55 МПа
Прочность на разрыв	~57,8 МПа
Температура плавления	173-178°C
Температура стеклования	60-65°C
Относительное удлинение при разрыве	3,8%
Ударная вязкость (Дж/м)	~96
Твердость	R70-R90
Минимальная толщина печати	1 мм
Допустимая разбежность при печати	± 0,1%
Усадка при печати	до 0,37%

Сильная сторона PLA — почти нулевая усадка. Он востребован везде, где нет повышенных требований к термической стабильности.

Температура эксплуатации

Физические и механические свойства различаются в зависимости от конкретного типа полимера. Обычный PLA плавится при температуре ~110 °C. Адаптированный для 3D-печати биопластик в нитях — при 170-190 °C.

От ABS и нейлона PLA отличает относительно низкая температура стеклования. В зависимости от нити, обычно в пределах 55-65 °С. Это сужает область применения. Например, даже соприкосновение с горячим металлом или жидкостью приводит к размягчению и деформации деталей.

Проблему решают, внося в состав различные добавки. Композиты PLA с другими полимерами меняют механические свойства полилактида, делая его более прочным, эластичным или термостойким.

Преимущества PLA пластика

Конкурентные преимущества PLA:

• Биопластик — один из самых простых в использовании материалов для 3D-печати. Ему не нужен печатный стол с прогревом. Подходит для самых бюджетных моделей.
• Детали легко приклеивается к различным поверхностям или друг к другу без использования клеящих составов.
• PLA — материал для быстрого прототипирования. Низкая температура печати и почти нулевая усадка делает его одним из самых простых материалов для 3D-печати.
• Полилактид производит детали с глянцевой поверхностью, легко поддается шлифовке и механической обработке.
• PLA не выделяет вредных испарений в отличие от нитей из АБС-пластика или нейлона.
• Благодаря незначительной усадке, материал подходит для изготовления деталей с точными размерами, почти полное соответствие напечатанных деталей чертежам.
• Теплотворность PLA при сжигании ниже, чем у бумаги. Вдвое меньше, чем у полиэтилена или нейлона. Горит почти без дыма. Токсичных газов не выделяет.
• Не вредит живым организмам и широко используется в медицине. Например, для производства неразборных хирургических конструкций, внутренних швов, капсул с замедленным высвобождением лекарства. Это самый безопасный и гигиеничный полимер из всех доступных на рынке.

Ограничения PLA, о которых тоже нельзя не упомянуть:

Низкая температура плавления делает биопластик плохим кандидатом для заготовок и деталей, которые будут подвергаться нагреву. PLA демонстрирует отличные механические свойства, такие как прочность и жесткость. Но при 60ºC и выше, внутренние напряжения приводят к деформации. Вот почему PLA пока укрепился преимущественно в бюджетном сегменте рынка 3Д-печати.

Где используется PLA пластик?

Чистый PLA прозрачный и блестящий, похож на стекло. Хорошо держит печать, устойчив к жирам, большинству органических растворителей и пищевых кислот. Биопластик заменяет нефтяные полимеры во многих областях промышленности.

Чаще всего встречается в таких продуктах:

• столовые приборы;
• посуда;
• упаковка для продуктов питания;
• нетканые материалы;
• текстиль;
• гигиенические средства;
• защитные упаковки.

Находит применение в электронике (защитные покрытия для гаджетов, компонентов ПК) и автомобилестроении.

PLA-пластик по-прежнему востребован в медицине. Из него делают штифты, винты, спицы, стержни и пластины. В отличие от металла или обычного пластика, их не нужно вытаскивать после заживления раны. Материал медленно растворяется, питая окружающие ткани. Бесследно исчезает спустя 6-12 месяцев.

Единственное ограничение связано с относительно низкой температурой стеклования. Из-за того, что процесс происходит ниже температуры закипания воды, немодифицированные типы PLA нельзя использовать для изготовления термостойкой посуды. Например, пластиковых стаканчиков для кофе или суповых тарелок.

В чем разница пластика ABS и PLA?

PLA и ABS — два самых популярных термопласта для 3D-печати. PLA гибкий, эластичный, с низкой температурой плавления. Больше подходит для любительской печати, быстрого прототипирования несложных объектов. ABS прочнее и легче, с более высокой температурой плавления, что делает его лучшим пластиком для печати массивных деталей, сложных движущихся конструкций.

Сравнение PLA и ABS по базовым свойствам:

Характеристики	ABS	PLA
Предел прочности	~27 МПа	~37 МПа
Относительное удлинение	3,5%	6%
Модуль упругости при изгибе	~7,6 ГПа	~4 ГПа
Плотность	1,0  г/см3	1,3 г/см3
Температура плавления	+200 ℃	До 173 ℃
Биоразлагаемый	Нет	Да
Температура стеклования	105 ℃	60 ℃

PLA прочный, пластичный, но более хрупкий. ABS лёгкий, упругий, лучше противостоит деформации.

Отделка поверхности и постобработка для PLA и ABS

Поверхность биопластика — глянцевая. Без шершавости или ощутимой слоистости. Почти не нуждается в шлифовке. Адгезия к пигментам высокая, краска ложится ровно, прилипает крепко.

ABS обычно дает матовую поверхность. Чтобы сгладить деталь и придать ей глянцевую поверхность, нужна двухэтапная постобработка:

• грубая механическая шлифовка;
• чистовая обработка ацетоносодержащими растворителями.

Для лучшего результата, перед окрашиванием или нанесением принта, поверхность грунтуют.

ABS или PLA — что лучше для 3D-печати?

ABS термостойкий, упругий, обладает более высокой теплоотдачей. Легче, чем PLA. Эти преимущества делают его более востребованным в промышленном производстве.

Однако PLA побеждает в других категориях. Примечательно, что он прочнее и жестче, чем ABS, хотя и более хрупкий. Из-за низкой температуры плавления теряет эти свойства при температуре выше 55 градусов. Это ограничивает область применения полилактида.

На стороне PLA также и простота использования. ABS сложнее печатать. Он выделяет токсичные газы и неприятный запах при печати. Биопластик — нет. С ним легко и безопасно работать. Не нужны высокие температуры, усадки почти нет.

При этом оба материала разлагаются под действием жёсткого ультрафиолетового излучения. Поэтому нуждаются в защитном покрытии. Методы постобработки одинаковые — механическая шлифовка и финишная полировка с помощью растворителя.

Изучив все особенности и свойства материалов, приходим к такому выводу:

• PLA — больше подходит начинающим пользователям и в малобюджетном производстве. Для обучения, создания декоративных элементов или игрушек.
• ABS — промышленный материал. Чаще используется при разработке прототипов зубчатых колес, шестерней, движущихся частей, различных инструментов. Полезен там, где в приоритете механическая и термическая стойкость.

Выбор правильного материала имеет решающее значение для получения предсказуемых результатов на производстве. Сравните и сопоставьте ABS и PLA с другими материалами, чтобы определить набор необходимых физических и механических свойств (таких, как прочность на изгиб или устойчивость к высоким температурам) необходимый именно вам.