ترموپلاستیک ها پلیمرهایی هستند که می توانند به طور مکرر چرخه ذوب و انجماد را طی کنند. این در تضاد با پلاستیک های گرماسخت، که پس از جامد شدن قابل ذوب مجدد نیست. به این ترتیب، ترموپلاستیک‌ها برای کاربردهای مختلف بسیار محبوب هستند، از جمله آن‌هایی که پلاستیک را می‌توان پس از استفاده بازیافت کرد و آن‌هایی که به مراحل شکل‌گیری چندگانه نیاز دارند، مانند رشته‌هایی برای چاپ سه بعدی.

PLA و PETG دو ترموپلاستیک به دلایل مختلف، به ویژه برای چاپ سه بعدی، محبوب هستند. PLA زیست تخریب پذیر است و می تواند از منابع تجدید پذیر و طبیعی تولید شود، در حالی که PETG به دلیل خواص مکانیکی برترش شناخته شده است.

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• پلی لاکتیک اسید (PLA) چیست؟
• پلی اتیلن ترفتالات گلیکول (PETG) چیست؟
• مقایسه PETG در مقابل PLA
• کاربردهای PLA و PETG

پلی لاکتیک اسید (PLA) چیست؟

PLAیا پلی لاکتیک اسید، یک پلی استر ترموپلاستیک با فرمول شیمیایی (C₃اچ₄O₂)_n. این یک بیوپلیمر زیست تخریب پذیر مبتنی بر زیست است که از تخمیر منابع طبیعی و تجدیدپذیر مانند ذرت، کاساوا و نیشکر ساخته می شود. PLA به یکی از پرمصرف ترین پلاستیک های زیستی در جهان و پرمصرف ترین پلیمر مبتنی بر زیست برای چاپ سه بعدی تبدیل شده است.

PLA از مونومر پایه آن، اسید لاکتیک، که به صورت دو استریو ایزومر یا مولکول کایرال، L-لاکتیک اسید و D-لاکتیک اسید وجود دارد، تولید می شود. مونومر اسید لاکتیک یا از طریق تخمیر باکتریایی کربوهیدرات ها (در این مورد PLA مبتنی بر زیستی است) یا با سنتز شیمیایی از منابع پتروشیمی تولید می شود. سپس اسید لاکتیک برای تولید PLA از طریق هر یک از این سه روش استفاده می شود. پلیمریزاسیون با تراکم مستقیم، تراکم کم آبی آزئوتروپیک یا پلیمریزاسیون از طریق تشکیل لاکتید [1].

شکل 1. فرآیند تولید PLA [1].

PLA می تواند دوباره به اسید لاکتیک، که یک مولکول طبیعی است، تجزیه شود. به همین دلیل PLA زیست تخریب پذیر در نظر گرفته می شود. حدود 60 سال طول می کشد تا تجزیه شود و هیچ سمی از خود باقی نماند. تجزیه آن از طریق سه روش هیدرولیز، تجزیه نوری یا تخریب حرارتی انجام می شود [1]. PLA در محیط کمپوست صنعتی به بهترین وجه تجزیه می شود.

PLA گاهی اوقات با رزین ها یا پرکننده های دیگر (الیاف یا ذرات) مخلوط می شود تا خواص آن را بهبود بخشد و آن را برای کاربردهای مکانیکی دقیق تر مناسب کند. نتایج دیگر PLA منظم نیستند، بلکه معمولاً با نام های تجاری ترکیب می شوند. روش‌های دیگری نیز وجود دارد که می‌توان از آن برای بهبود خواص PLA استفاده کرد، مانند آنیل کردن، افزودن عوامل هسته‌زا برای افزایش تبلور و گسترش زنجیره.

PETG (پلی اتیلن ترفتالات گلیکول) چیست؟

PETGیا پلی اتیلن ترفتالات گلیکول، یک ترموپلاستیک آمورف است که دوام و شکل پذیری خوبی برای فرآیندهای تولید دارد. این یک کوپلیمر است، به این معنی که از دو مونومر مختلف مشتق شده است. این یک نسخه اصلاح شده از پلیمر PET است که بسیار رایج است.

PET اصلاح نشده یا توسط واکنش اتیلن گلیکول با دی متیل ترفتالات (DMT) از طریق ترانس استریفیکاسیون یا با اسید ترفتالیک (TPA) از طریق استری‌سازی تولید می‌شود. هر دو فرآیند مونومر، بیس (2-هیدروکسی اتیل)-ترفتالات (BHET) تولید می کنند که سپس برای تولید PET پلیمریزه می شود. [2].

PETG از طریق فرآیندی ساخته می شود که در آن اتیلن گلیکول در زنجیره با مونومر دیگری به نام سیکلوهگزان متانول جایگزین می شود. از آنجایی که دومی مولکولی بزرگتر از اتیلن گلیکول است، مونومر حاصل بزرگتر است که در فرآیند تبلور پلیمر اختلال ایجاد می کند. به همین دلیل، PETG دمای ذوب کمتری (180 درجه سانتیگراد) نسبت به PET (260 درجه سانتیگراد) دارد.

شکل 2. ساختارهای (الف) PET و (ب) PETG [3].

PETG انعطاف پذیرتر است، مقاومت در برابر ضربه بهتری دارد و دمای انتقال شیشه ای بالاتری (80 درجه سانتیگراد) نسبت به PET آمورف (67 درجه سانتیگراد) دارد. PETG یک پلیمر آمورف و خطی است که دمای تشکیل پایینی دارد. این باعث می شود آن را برای فرآیندهای ساختی که به شکل پذیری بالا نیاز دارند مانند شکل دهی تحت فشار، خمش حرارتی، اکستروژن، قالب گیری تزریقی، قالب گیری دمشی و چاپ سه بعدی مناسب کند. PETG یک پلیمر قابل بازیافت است، اگرچه به دلیل افزودن رنگ در کاربردهای آن، بازیافت آن فرآیند ساده یا آسانی نیست. [4].

مقایسه PLA در مقابل PETG

PLA و PETG هر دو پلی استر هستند که اغلب کاربردهای مشابهی دارند. در نتیجه، مقایسه خواص آنها بسیار مهم است تا بتوان بهترین انتخاب را بین این دو انجام داد. در زیر جدولی از برخی از مهمترین خواص هر دو ماده آورده شده است.

میز 1. مقایسه خواص PLA و PETG [4][5][6].

 

در ادبیات، نشان داده شده است که آزمایش PLA و PETG بسته به سازنده نمونه آزمایش شده، روش آزمایش به کار گرفته شده، و روش مورد استفاده برای تولید نمونه، یعنی از طریق چاپ سه بعدی یا قالب گیری تزریقی، نتایج متفاوتی را تولید می کند.

کاربردهای PLA و PETG

توانایی PLA برای تجزیه به اسید لاکتیک آن را به ویژه برای ایمپلنت های پزشکی زیرا می تواند این کار را در بدن انسان طی 6 تا 24 ماه انجام دهد. به دلیل زیست تخریب پذیری، PLA نیز بسیار جذاب است بسته بندی صنعت، و رایج ترین پلیمر زیست تخریب پذیر مورد استفاده برای این منظور است.

PLA برای پرینت سه بعدی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد زیرا برای چاپ به حرارت بالایی نیاز ندارد و پس از آن تاب نمی خورد. انواع مختلفی دارد که با مواد دیگری مخلوط شده است که بر برخی از خواص آن مانند نقطه ذوب، سرعت تبلور، حساسیت به عکس و حساسیت حرارتی تأثیر می‌گذارد، همه ویژگی‌هایی که در چاپ سه بعدی مفید هستند.

PETG را می توان PET تقویت شده نامید، اما از نظر کاربرد با PET متفاوت است. PET تقریباً منحصراً در صنعت نساجی و بسته بندی استفاده می شود در حالی که PETG علاوه بر تولید بسته بندی و ظروف نگهداری مواد غذایی کاربردهای دیگری نیز دارد. کاربردهای پزشکی مانند ساخت ایمپلنت ها و بسته بندی وسایل پزشکی از PETG استفاده می کنند زیرا به اندازه کافی قوی است که در برابر فرآیندهای استریلیزاسیون سخت مقاومت می کند و با بدن انسان سازگار است. PETG به طور گسترده در ساخت نمایشگرهای گرافیکی برای خرده فروشی و در الکترونیک به عنوان عایق استفاده می شود.

PETG همچنین یکی از پرکاربردترین مواد برای چاپ سه بعدی است. PETG در مقایسه با PLA بادوام تر، مقاوم در برابر خش و انعطاف پذیرتر است.

[1] E. Castro-Aguirre، و همکاران، “پلی (اسید لاکتیک) – تولید انبوه، پردازش، کاربردهای صنعتی، و پایان عمر.” Adv. Drug Deliv. کشیش جلد 107، دسامبر 2016.

[2] آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، AP 42، ویرایش پنجم، جلد اول، فصل 6: “صنعت فرآیندهای شیمیایی آلی”، عوامل انتشار هوا و تعیین کمیت، سپتامبر 1991. [Online]. در دسترس: https://www3.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch06/final/c06s06-2.pdf [Accessed June 19, 2020].

[3] M. Baranowski و همکاران، “دینامیک مولکولی در پلی (اتلیلن ترفتالات) (PET) و پلی (اتیلن ترفتالات) – گلیکول (PETG)،” XXXIX سمینار لهستانی در مورد تشدید مغناطیسی هسته ای و کاربردهای آن، کراکوف، 2006. [Online]. در دسترس: https://www.ifj.edu.pl/conf/mrj/mrj06/abstrakty/baranowski_m.pdf [Accessed June 19, 2020].

[4] Latko-Durałek، P.، Dydek، K. & Boczkowska، A. خواص حرارتی، رئولوژیکی و مکانیکی ترکیبات PETG/rPETG. J Polym Environ 27, 2600–2606 (2019). https://doi.org/10.1007/s10924-019-01544-6

[5] S. Farah، و همکاران، خواص فیزیکی و مکانیکی PLA، و عملکردهای آنها در کاربردهای گسترده – بررسی جامع، Adv. Drug Deliv. Rev. (2016)، http://dx.doi.org/10.1016/j.addr.2016.06.012

[6] برگه داده PETG، rigid.ink، 1969. [Online]. در دسترس: https://devel.lulzbot.com/filament/Rigid_Ink/PETG%20DATA%20SHEET.pdf [Accessed June 19, 2020].