尼龍是可持續的3D打印材料嗎？

魔猴君  知識堂   80天前

尼龍是聚酰胺類型的合成聚合物。在增材制造中，它以長絲形式(PA6)形式用于FDM技術，或者以粉末形式（PA11和PA12）形式用于選擇性激光燒結或HP的MultiJet Fusion等技術。盡管尼龍是3D打印行業廣泛使用的材料，但它有時會成為爭論的話題，因為它不是市場上最耐用的選擇。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。

如果我們只關注尼龍3D打印，很明顯，根據聚酰胺的類型、來源和成分，這種材料會對環境產生或大或小的影響。為了更好地了解其在行業中的作用及其碳足跡，我們將嘗試分析粉末和長絲形式的尼龍的特性和性能。PA6長絲是如何打印的，PA11和PA12之間有什么區別，3D行業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長絲是一種半結晶熱塑性聚合物，也是全球應用最廣泛的聚酰胺之一。PA6的熔點為220°C，因其良好的性價比而被廣泛應用于各種領域。盡管它傳統上用于工業制造方法，但由于其有趣的機械性能和創建高性能零件的能力，它在3D打印行業逐漸受到歡迎。此外，PA6是一種比PLA或ABS等標準塑料更難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（整個單體分子成為聚合物的一部分）和加成聚合物（當單體分子成為聚合物的一部分時失去一部分）之間的比較中成為特殊情況。在分析聚酰胺6對環境的影響并轉向更可持續的材料時，必須考慮兩個重要方面。首先，用于獲取材料的生產過程，其次，該轉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的成分和環境影響

在化學方面，聚酰胺11和12非常相似；它們僅在聚合物主鏈上有一個碳原子不同。然而，這個單個原子對聚合物如何組織創造物質產生了巨大的影響。除此之外，用于3D打印的聚酰胺粉末之間的主要區別在于它們的來源。一方面，PA11是一種半結晶聚合物，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的。就其應用而言，聚酰胺11主要用于需要良好的耐化學性、柔韌性、低滲透性和尺寸穩定性的場合，即在相當惡劣的環境中。

另一方面，PA12是一種從石油中提取的精細合成粉末。其基本特性由聚酰胺本身的化學結構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化學試劑、環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。這種塑料的主要應用是用于汽車和航空等高科技行業。如上所述，這是由于其優異的機械性能，這在這些專業領域至關重要。

為了更好地了解兩種聚酰胺之間的差異，更準確地說，了解它們的來源，Sculpteo在其網站上表示：“PA11 HP基于100%可再生生物質來源。蓖麻子是從蓖麻植物中提取來制造油的。然后油轉化為單體（11-氨基十一烷酸），最后進行聚合。這種PA11材料是PA12的可持續替代品，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性而言，尼龍11應成為首選生物塑料，盡管這取決于3D打印部件的應用。

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塑料的更好替代品，因為它部分由可再生資源制成，并且可以生物降解。然而，FICEP S3的設計主管Nuno Neves告訴我們：“為了確定生物塑料是否比傳統塑料更適合我們的環境，與生物塑料相比，我們需要考慮傳統塑料整個生命周期的幾個因素，包括生產。、溫室氣體排放和回收可能性。這就是我們在FICEP S3對我們使用的每一種材料和我們設計的每一種產品所做的事情。我們根據數據和給定情況的科學現實做出決策，而不是簡單地想追隨環保潮流。?

尼龍、3D打印和耐用性

與其他合成塑料一樣，尼龍不是一種會被環境降解的材料。其他自然資源也是如此，例如紙張、木材或玻璃，它們會隨著時間的推移而氧化和分解。因此，應對地球上塑料的復雜處理的最常見方法是回收，即它們的轉化。應該記住，生物塑料（如PA11）很難回收，因為大多數城市沒有此類加工設施。其中許多最終被扔進垃圾填埋場，導致它們失去氧氣。這會引發甲烷釋放到大氣中，這種溫室氣體的效力比二氧化碳強23倍，據信與傳統塑料相比，甲烷會導致更大的臭氧消耗。

如果我們關注所使用的兩項主要技術，我們會發現在可持續性方面，SLS 3D打印尼龍具有關鍵優勢。制造過程完成后，零件將被未燒結的粉末包圍，從而充當打印零件的支撐。在SLS技術中，高達70%的未燒結粉末可以重復用于未來的打印。從可持續性和可回收性的角度來看，這是相對于FDM工藝的一個主要優勢，因為打印介質不會被轉換回長絲以供重復使用。

SLS技術在耐用性方面似乎更有趣（照片來源：阿科瑪）

為了評估和控制企業對環境的影響，就有了所謂的CSR或企業社會責任，它是指每個組織對環境所承擔的責任。這方面越來越多地出現在所有3D打印參與者的活動中。事實上，該行業的許多公司已經在開發生物基解決方案來減少這種環境影響。

阿科瑪是業內最著名的化學家之一，擁有多種用于3D打印的材料，包括尼龍。阿科瑪在蓖麻化學方面擁有獨特的專業知識和技術。阿科瑪催化、工藝和生物質增值主管Jean-Luc-Dubois評論道：“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技術和有競爭力的產品，以滿足實際市場需求。?

前景

顯然，制造業中使用的所有材料都會對環境產生一定的影響，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構單元。隨著石油價格持續波動以及人們對氣候危機的認識增強，可能會開發出更多當前尼龍組件的替代品。

增材制造行業在可持續發展方面有著廣闊的前景（圖片來源：FICEP S3）

仍然關注3D打印工藝本身，我們知道該技術以減少制造時間和材料使用量而聞名。關于聚酰胺11的使用，阿科瑪團隊在其網站上表示：“越來越多的公司需要清潔和可持續的材料。PA11是一種100%生物來源的聚合物，其選擇完全符合旨在實現企業社會責任目標的綠色戰略。對于尼龍的全球使用，FICEP S3的Nuno Neves給出了更為復雜的看法：“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為一切‘有機’都是好東西的代名詞，事實很少如此簡單。”

比較這兩個角度，很明顯增材制造行業在尼龍的使用方面走在正確的軌道上。然而，正如內維斯先生所說，要實現“有機”積極并實現更可持續的制造并對環境影響更低，還有很長的路要走。

編譯整理：.3dnatives