尼龙(PA)3D打印可持续发展路在何方？生物基材料或是突破口

导读：尼龙是一种聚酰胺（PA）合成聚合物，在增材制造中，它可以以长丝的形式（PA6）用于FDM 3D打印技术，也可以以粉末形式（PA11和PA12）用于SLS选择性激光烧结或惠普的MultiJet Fusion等技术。

与PLA或者光敏树脂等材料相比，尼龙打印件具有较强的韧性和强度，在3D打印行业中是一种使用率很高的材料，但它也存在一些争议。比如聚酰胺的成分、材料的可回收性和可重复使用的程度，以及制造过程中的气体排放。此外，环保问题是如今所有公司都在考虑和必须考虑的一个方面。

△3D打印用的尼龙长丝，图源：eSUN易生

为了更好地了解尼龙材料在3D打印行业中的作用，以及它的碳足迹，本文将分析粉末和长丝两种形式的尼龙材料的特点和性能。

那么，PA6长丝是如何打印的？PA11和PA12有什么不同？3D打印行业在尼龙的使用和可持续性方面的情况如何，是否有可行的替代品？本期文章将为所有这些提供答案，以便更多地了解这种材料的可持续性以及制造业的发展方向。

△尼龙粉末3D打印件

PA6—一种使用条件苛刻的3D打印长丝

PA6长丝是一种半结晶的热塑性聚合物，是全球使用最广泛的聚酰胺之一。PA6的熔点为220℃，由于其良好的性能/成本比，被广泛用于各种应用。虽然它传统上被用于工业制造，但由于优异的机械性能和创造高性能部件的能力，它已逐渐在3D打印领域得到普及。此外，与PLA或ABS等标准塑料相比，PA6是一种更难3D打印的材料。它的工作温度范围是250-270°C，所以必须确保有一个合适的工作环境，以保证它不会收缩。

尼龙的来源与其他类型的聚酰胺不同，它是通过开环聚合形成的，即通过许多聚合物合成的路线之一。这使它成为缩合（整个单体分子成为聚合物的一部分）和加成（单体分子成为聚合物的一部分时失去一部分）聚合物中一个比较的特殊案例。在分析PA6的环境影响并向更可持续的材料发展时，必须考虑到两个重要方面。首先是用于获得该材料的生产过程，其次是该转换过程中涉及的原材料；两者都将确定这种聚酰胺的碳足迹。

△PA6尼龙耗材PolyMide CoPA打印零件，图片来源：Polymaker

PA11和PA12的组成以及对环境的影响

在化学方面，PA11和12非常相似，尽管它们在聚合物的主链上只相差一个碳原子。然而，这一个原子在聚合物的组织方式上产生了巨大的差异，从而形成了不一样的物质。除此之外，用于3D打印的聚酰胺粉末之间的主要区别在于其来源。PA11是一种半结晶聚合物，它是由"绿色"原料生成的，其合成过程比PA12更接近于PA6。这种类型的尼龙是生物基的，即它是由来自植物衍生物的可再生原料生产的，主要是蓖麻油。就其应用而言，PA11主要应用在需要良好的耐化学性、灵活性、低渗透性和尺寸稳定性的地方。也就是说，在侵蚀性环境和暴露在这些条件下的功能原型部件中。

△可持续的蓖麻籽，可用于生产PA11，图源：Stratasys

PA12是一种精细的合成粉末，一般从石油中提取。它的基本特性是由聚酰胺本身的化学结构，以及添加到成分中的添加剂或纤维所赋予的。它最重要的特性是对化学制剂、环境条件和冲击的高度抵抗力，以及低吸水性、高加工性，最后是良好的耐磨性和滑动性。在其主要应用中，这种塑料被用于先进工业，如汽车或航空业。正如我们已经提到的，由于其出色的机械性能，使它成为这类专业领域中关键材料。

Sculpteo网站在提及PA11HP材料时，说明了这两种聚酰胺之间的差距。该网站指出："我们的PA11 HP是基于100%的可再生生物质资源。从蓖麻植物蓖麻籽中提取制成油，然后，油料被转化为单体（11-氨基十一烷酸），最后被聚合成PA11。这种PA11材料是PA12的可持续替代品，而且可以用于制造接触皮肤的部件"。这表明，就可持续性而言，PA11应该是首先转型的生物塑料，尽管还需要考虑到最终3D打印部件的应用。

△SLS激光烧结PA，照片来源：Formlabs

鉴于这两种PA的特性，生物塑料乍一看似乎是传统塑料的更好替代品，因为它部分由可再生资源制成，并且可以进行生物降解。话虽如此，考虑到尼龙的特性，我们还是需要关注它在3D打印中的使用以及它在可持续性方面的关系。

尼龙、3D打印和可持续性

与其他合成塑料一样，尼龙不是一种可以被环境降解的材料。其他自然资源，如纸张、木材或玻璃就属于这种情况，它们会随着时间的推移被氧化和分解。因此，应对复杂的塑料处理的最经常的方法是回收。需要记住的一个方面是，生物塑料，如PA11，很难回收，因为大多数城市都没有这种类型的转化所需的设施。它们中的许多最终被填埋，这导致它们释放甲烷到大气中，这种温室气体比二氧化碳强23倍，这将比传统塑料造成更大的臭氧消耗。

本文主要关注尼龙材料所使用的两种增材技术——FDM和SLS。在可持续性方面，尼龙SLS 3D打印有一个关键优势。打印过程中，部件会被未烧结的粉末包围，这些粉末又会成为打印部件的支撑。在SLS技术中，高达70%的未烧结粉末可以被重新用于新一轮的打印。从可持续性和可回收性的角度来看，这比FDM方法更有优势，因为熔融挤出打印出来的支撑材料无法转换为再利用。

△在SLS技术中，高达70%的未烧结粉末可以被重新使用，图片来源：阿科玛公司

事实上，3D打印行业的许多公司已经在开发生物基环保材料的解决方案，以减少这种环境影响。

阿科玛是业内最著名的化学公司之一，拥有广泛的增材制造材料应用经验，包括尼龙。该公司在蓖麻植物化学方面拥有独特的专业知识和技能。从这个工厂可以开发出各种高性能的长链可生物降解聚酰胺，比如该公司的Rilsan®聚酰胺11系列。

Stratasys公司最新推出的H350™ 3D打印机便率先采用了源自蓖麻油的High Yield PA11材料。

图源：Stratasys

根据巴斯夫(BASF)的数据，印度是目前最大的蓖麻籽生产国，供应量占世界总量的80%，即120万吨。在气候适宜的地区，蓖麻籽很容易生长。蓖麻籽的含油量在40%到60%之间，剩余部分通常被用作肥料。事实上，在合成材料被开发出之前，这种植物多年来都被用作发动机润滑油。蓖麻油是一种不可食用的植物油，因此不会给食品行业带来竞争。由于其在化学上的多功能性，企业可以从蓖麻油中合成多种聚合物，例如环氧树脂、聚酰胺和聚酯，PA11便是其中之一。巴斯夫、阿科玛(Arkema)和Yayant Agro-Organics等材料公司以及国际NGO Solidaridad已采取多项措施来鼓励印度生产可持续蓖麻籽。

尼龙在可持续性方面的未来展望

很明显，制造业中使用的所有制造材料都会对环境或多或少地产生一些影响，无论是通过气体的排放还是通过部件的可回收程度。此外，虽然目前还没有可行的石油基聚酰胺的替代品，但目前正在研究非常有前途的生物基聚酰胺构件。随着石油价格的持续波动和对气候危机认识的提高，很可能会开发出更多目前尼龙部件的替代品。

△增材制造行业在可持续性方面有着广阔的前景（图片来源：FICEP S3)

专注于3D打印工艺本身，这项技术具有不可比拟的优势，它可以减少制造时间和使用的材料数量。关于PA11的使用，阿科玛团队在网站上表示："越来越多的公司要求使用清洁和可持续的材料。PA11是一种100%的生物基聚合物，完全符合绿色战略，有助于实现企业社会责任目标"。

关于尼龙的全球使用，FICEP S3公司的Nuno Neves的观点更加犀利：“解决方案不是停止制造和使用石油基塑料，而是以更明智的方式使用它们，正确地回收它们，并停止认为那些所谓的附上“生物”标签的就是好的代名词，事实上它远不止表面上那么简单。”

对比这两种观点，很明显，在使用尼龙方面，增材制造行业走在了正确的道路上。然而，正如Neves所说，要使 "生物环保"成为积极因素，实现对环境影响更小的可持续制造，还有很长的路要走。

文章来源：南极熊3D打印