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3D打印在食品包装中的应用
改性聚乳酸在食品包装中的应用摘要:本文介绍了3D打印的基本概念、工作原理及其与传统打印作比较的优势和简便之处。同时也简单的介绍了聚乳酸(PLA)的基本特性和优缺点,以及聚乳酸(PLA)和3D打印的关系。最后对增韧改性后的聚乳酸(PLA)在食品包装中的应用进行了展望。关键词:聚乳酸(PLA) 3D打印增韧改性食品包装
前言
随着全球一体化经济贸易活动的开展,许多国家开始对包装材料设置“绿色技术壁垒”。相对于普通的石油基高分子, 可生物降解高分子材料及其制品已逐渐成为近年来各国科学家研究、开发和生产的热点。因为生物基高分子可以降低30%~50%的石油资源的消耗[11],同时生物降解高分子制品可以和有机废物一起进行堆肥处理,真正取之于自然, 还之于自然,整个生产、使用和用处均符合绿色环保要求。因此,采用新的合成方法或进行聚合物共混改性,有望降低可降解塑料的生产成本。
1、 3D 打印概念
日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说,3D打印机
是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备,比如打印一个机器人、打印玩具车,打印各种模型,甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。
3D打印存在着许多不同的技术,它们的不同之处在于所用材料的方式,并以不同层构建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。3D打印机具有仿真性强、速度快、价格便宜、高易用性等优点。
工作原理
通过3D 打印技术获得一件实物需要经过4个阶段:即建立三维模型、分层切割、三维模型成型和加工处理。
(1)建立三维模型
建立三维模型的方法主要有两种:一是应用AutoCAD、3Dmax、Blender 等三维建模软件直接建立三维数字化模型;二是应用Polhemus、3DCamega、Z Corp 等3D 扫描仪获取对象的三维数据,数据经处理,生成数字化三维模型。
(2)分层切割
3D 打印机不能直接进行3D 打印,在打印3D 模型时,需要将三维数字模型分切为相应的二维图形信息,对二维图形信息进行打印。其中分割形成薄片的厚度由打印材料的属性和打印机的规格决定。[1-3][6][2]
(3)三维模型成型
三维模型成型的方式有两种:一种是使用3D 打印机将打印材料和特殊胶水按照不同的二维图形信息,层层打印并叠加形成三维物体;一种是使用高能激光,熔化合金等材料,层层熔结形成三维模型。
(4)加工处理
打印完成以后的模型表面会存在残留材料或出现毛刺、截面粗糙等问题,需要人工清理掉多余的材料粉末,并针对毛刺和粗糙的表面需要打磨处理;然后在3D 实物上涂上增强硬度的胶水,以增加实物强度;最后进行上色处理得到成品
3D 打印的优势
(1)无需虑及打印的复杂性;
(2)无需虑及品种的多样性;
(3)无需组装;
(4)零限制;
(5)零技能制造;
(6)零尺寸限制;
(7)废料非常少;
(8)无限的材料色度。
3D打印耗材种类
耗材是3D打印产品最主要的成本,同时也是3D打印技术发展的关键。打印耗材主要包括:黏接材料、熔融材料和光固化快速成型材料。目前,主要是热塑性树脂、光敏树脂、橡胶和各种金属,如[5][2,4-6]。
ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚苯砜、光敏树脂等,这些材
料多为粉末或黏稠的液体。石化行业均能生产,拥有开发打印耗材的所有优势。
2、产品包装中3D打印技术的发展前景
3D打印技术节省了制作过程,只要有设计图纸和原材料,在家就能守着3D打印机得到自己的设计实物。
3、聚乳酸(PLA)
PLA的性能简介
PLA 是可生物降解高分子材料中备受关注的一个品种,但由于其玻璃化温度较高( 55~65℃) ,在室温下为脆性材料,加之较高的生产成本( ~ ) ,PLA 被开发出来后大多用于工程塑料和生物医学材料等附加值较高领域。直到1986 年,PLA 树脂才被认为可以作为一种潜在的日用塑料
PLA的来源
聚乳酸(PLA)也聚丙交酯,是一种新型的具有良好生物相容性