Der vollständige Leitfaden zu Polymilchsäure (PLA)

Was genau ist PLA und wie wird es verwendet?
Im Gegensatz zu den meisten thermoplastischen Polymeren stammt Polymilchsäure (PLA) aus erneuerbaren Quellen wie Zuckerrohr oder Maisstärke. Im Gegensatz dazu wird der Großteil der Kunststoffe durch Destillation und Polymerisation nicht erneuerbarer Erdölquellen hergestellt. „Biokunststoffe“ sind Kunststoffe, die aus Biomasse hergestellt werden (wie zum Beispiel PLA).

Polymilchsäure ist biologisch abbaubar und ähnelt in ihren Eigenschaften Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polystyrol (PS). Es kann mit derzeit verwendeten Produktionsmaschinen hergestellt werden (solche, die ursprünglich für Kunststoffe in der petrochemischen Industrie entwickelt und verwendet wurden). Dadurch ist die Produktion recht kostengünstig. Vor diesem Hintergrund hat PLA das zweithöchste Produktionsvolumen aller Biokunststoffe (am häufigsten wird es als thermoplastische Stärke bezeichnet).

Der Einsatz von Polymilchsäure ist äußerst vielfältig. Zu den typischsten Anwendungen gehören Kunststoffflaschen, Folien und biologisch abbaubare medizinische Geräte (z. B. Schrauben, Stifte, Stangen und Platten, die voraussichtlich innerhalb von 6–12 Monaten biologisch abbaubar sind). Besuchen Sie diese Seite für weitere Informationen zu Prototypen medizinischer Geräte (sowohl biologisch abbaubar als auch dauerhaft). PLA schrumpft beim Erhitzen und ist somit ein ideales Material für die Schrumpfverpackung. Darüber hinaus ermöglicht die Einfachheit, mit der Polymilchsäure schmilzt, eine Reihe faszinierender 3D-Druckanwendungen, einschließlich „verlorener PLA-Guss“ (weitere Informationen finden Sie weiter unten). Aufgrund der niedrigen Glasübergangstemperatur sind viele PLA-Produkte, einschließlich Plastikbecher, jedoch nicht für die Aufnahme heißer Flüssigkeiten geeignet.

Welche Arten von Polymilchsäure gibt es und warum wird sie so häufig verwendet?
Racemische PLLA (Poly-L-Milchsäure), reguläre PLLA (Poly-L-Milchsäure), PDLA (Poly-D-Milchsäure) und PDLLA sind einige der verschiedenen Arten von Polymilchsäure (Poly-DL-Milchsäure). Sie sind insofern vergleichbar, als sie aus einer nachwachsenden Ressource (Milchsäure: C3H6O3) hergestellt werden, im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen, die aus nicht erneuerbarem Erdöl hergestellt werden, aber sie weisen jeweils leicht unterschiedliche Eigenschaften auf.

Die Idee, PLA herzustellen, erfreut sich großer Beliebtheit, da sie das Ziel verwirklicht, kostengünstigen, erdölfreien Kunststoff herzustellen. Die Anpassungsfähigkeit von PLA als Biokunststoff und die Tatsache, dass es bei Kontakt mit der Umwelt spontan zerfällt, sind zwei seiner großen Vorteile. Beispielsweise würde eine im Meer entsorgte PLA-Flasche normalerweise nach sechs bis vierundzwanzig Monaten kaputt gehen. Dies ist äußerst erstaunlich im Vergleich zu gewöhnlichem Kunststoff, dessen Abbau in der gleichen Umgebung Hunderte bis Tausende von Jahren dauern kann. Daher hat PLA eine große Chance, bei Anwendungen mit begrenzter Lebensdauer, bei denen die biologische Abbaubarkeit besonders vorteilhaft ist (z. B. als Plastikwasserflasche oder als Behälter für Obst und Gemüse), sehr hilfreich zu sein. Insbesondere ist PLA in jeder typischen Anwendung unglaublich widerstandsfähig, obwohl es dazu neigt, sich zu zersetzen, wenn es über einen längeren Zeitraum im Freien ausgesetzt ist.

Einer der beiden Hauptkunststoffe, die auf FDM-Maschinen (3D-Druck) verwendet werden, ist PLA, das häufig als 3D-druckbares Filament angeboten wird. ABS ist der zweitbeliebteste Kunststoff für 3D-Drucker. Typischerweise stehen für den 3D-Druck PLA-Filamente in vielen verschiedenen Farben zur Verfügung. Obwohl Polymilchsäure nicht häufig in Platten- oder Stangenform angeboten wird, kann sie CNC-bearbeitet sein. Dennoch wird es häufig als dünne Folie zum Thermoformen oder als Kunststoffgranulat zum Spritzgießen angeboten. Kunststoffspritzgusspellets werden oft hergestellt und/oder miteinander vermischt, um die Materialeigenschaften zu verändern.

„Verlorener PLA-Guss“ ist eines der faszinierenden Dinge, für die PLA auf einem 3D-Drucker verwendet werden kann. Bei diesem Verfahren wird PLA in Form eines inneren Hohlraums gedruckt, der dann mit gipsähnlichen Materialien bedeckt wird. Aufgrund seiner niedrigeren Schmelztemperatur als das umgebende Material verbrennt das PLA schließlich. Dadurch entsteht eine Lücke, die gefüllt werden kann (häufig mit geschmolzenem Metall).

Wie werden PLAs hergestellt?
Kondensation und Polymerisation sind die beiden Hauptmethoden zur Herstellung von Polymilchsäure. Die am häufigsten verwendete Polymerisationsmethode ist die ringöffnende Polymerisation. Bei dieser Methode wird Lactid mit Metallkatalysatoren kombiniert, um die größeren PLA-Moleküle zu erzeugen. Die Temperatur während des Verfahrens und die bei der Reaktion entstehenden Nebenprodukte (Kondensate) sind die Hauptunterschiede zwischen dem Kondensationsprozess.

Welche Eigenschaften besitzt Polymilchsäure?
Lassen Sie uns einige der wichtigsten Eigenschaften von Polymilchsäure betrachten, nachdem wir nun verstanden haben, wofür sie verwendet wird. Aufgrund der Reaktion des Kunststoffs auf Hitze wird PLA als „thermoplastischer“ Polyester (im Gegensatz zu „Duroplast“) kategorisiert. Wenn eine thermoplastische Substanz ihren Schmelzpunkt erreicht, wird sie flüssig (150–160 Grad Celsius im Fall von PLA). Die Fähigkeit von Thermoplasten, bis zu ihrem Schmelzpunkt erhitzt, abgekühlt und dann wiederholt erwärmt zu werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Verschlechterung kommt, ist eine ihrer vorteilhaftesten Eigenschaften. Thermoplaste wie Polymilchsäure verflüssigen sich, anstatt zu verbrennen, sodass sie einfach im Spritzgussverfahren hergestellt und anschließend recycelt werden können. Duroplastische Kunststoffe können jedoch nur einmal erhitzt werden (normalerweise während des Spritzgussverfahrens). Wenn duroplastische Materialien zum ersten Mal erhitzt werden, härten sie aus (ähnlich wie Zweikomponenten-Epoxidharz) und verursachen eine chemische Veränderung, die nicht rückgängig gemacht werden kann. Ein duroplastisches Material würde brennen, wenn Sie versuchen würden, es ein zweites Mal auf eine hohe Temperatur zu erhitzen. Aufgrund dieser Qualität sind duroplastische Materialien keine guten Kandidaten für das Recycling. Der SPI-Harz-Identifikationscode für PLA ist 7. („andere“).

Ist PLA giftig?
Nein, nicht in fester Form. Polymilchsäure (PLA) ist tatsächlich biologisch abbaubar. Es wird häufig in der Lebensmittelverarbeitung und in medizinischen Implantaten eingesetzt, die im Körper nach und nach zerfallen. Es kann gesundheitsschädlich sein, wenn es eingeatmet, in die Haut oder in die Augen aufgenommen oder als Dampf oder Flüssigkeit eingeatmet wird, wie die meisten Kunststoffe (d. h. während des Herstellungsprozesses). Seien Sie besonders beim Umgang mit geschmolzenem Polymer vorsichtig und achten Sie genau auf die Anweisungen.

Ein Artikel über die Emissionen ultrafeiner Partikel (UFP) von kommerziell erhältlichen 3D-Druckern mit ABS- und PLA-Rohstoffen wurde kürzlich von Forschern des Illinois Institute of Technology veröffentlicht. Die Ergebnisse stehen hier zum Nachlesen bereit.

Welche Nachteile hat Polymilchsäure?
Der normale Bereich für die Glasübergangstemperatur von PLA liegt zwischen 111 und 145 °F. Aus diesem Grund ist es für Hochtemperaturanwendungen nicht wirklich geeignet. Schon durch einfache Dinge wie ein beheiztes Auto im Sommer können Teile weicher werden und sich verformen.

Für das 3D-Prototyping ist Polymilchsäure etwas spröder als ABS, hat aber auch einige Vorteile. Lesen Sie dies für eine detaillierte Analyse der beiden Kunststoffe und ihrer Beziehung zum 3D-Druck.