CC BY
5
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОПЛАСТИКОВ В АДДИТИВНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Keren Vivas, Ronalds Gonzalez and Daniel Saloni Department of Forest Biomaterials, North Carolina State University, USA
Во всем мире растет интерес к эффективному использованию ресурсов, материалов и энергии. Аддитивные технологии (AM) — это многообещающие и относительно новые производственные процессы.
При использовании AM можно перерабатывать различное сырье, такое как стекло, металл, керамика и пластик. Несмотря на то, что AM помогают сократить использование материала в целом, в случае пластика воздействие его производства на окружающую среду и биоразлагаемость остаются проблемой. Альтернативой традиционным пластикам на нефтяной основе может стать пластик, изготовленный из природных и возобновляемых ресурсов.
Данный обзор призван подчеркнуть (1) возможности и проблемы AM, (2) сравнение био- и нефтеполи-меров в .SD-печати и (3) экономические и экологические преимущества этой инновационной технологии. сочетание производственных процессов и материалов. Этот обзор дает фундаментальное понимание и прикладные знания для создания новой платформы аддитивного производства на основе возобновляемого растительного сырья.
Ключевые слова: аддитивные технологии; BD-печать; биополимеры; биоразлагаемые пластики.
Для цитирования: Перевод оригинальной статьи* Keren Vivas, Ronalds Gonzalez, Daniel Saloni. From a Sustainability Perspective, Why Should Bioplastics Be Used for Additive Manufacturing?. Polymer Sci peer Rev J. 4(4). PSPRJ. 000594. 2023. DOI: 10.31031/PSPRJ.2023.04.000594.
Translation of the original article
FROM A SUSTAINABILITY PERSPECTIVE, WHY SHOULD BIOPLASTICS BE USED FOR ADDITIVE MANUFACTURING?
Keren Vivas, Ronalds Gonzalez and Daniel Saloni
Department of Forest Biomaterials, North Carolina State University, USA
Abstract. As climate change awareness increases, the worldwide interest in efficiently using resources, materials, and energy increases. From producers to consumers, the demand for sustainability-oriented processes has become stronger across all stock market sectors. Additive Manufacturing (AM) is a promising and relatively new manufacturing process that helps to overcome supply chain, logistics, and environmental issues that traditional processes face. Fortunately, AM can process different raw materials, such as glass, metal, ceramics, and plastics. Even though AM helps to reduce the use of the material in general, in the case of plastic, the environmental impact of their production and biodegradability remains an issue. As a response, plastics made from natural and renewable resources have become an alternative to the harmful conventional petroleum-based and no biodegradable plastics. Fortunately, there is evidence of products done through AM from these environmental-friendly plastics. The following review is intended to highlight (1) the opportunities and challenges for AM, (2) the comparison between bio and petroleum-plastic in 3D printing from a sustainability point of view, and (3) the economic and environmental benefits of this innovative combination of manufacturing processes and materials. This review provides a fundamental understanding and applied knowledge to create a new additive manufacturing platform based on renewable plant-based feedstocks.
Key words: Additive manufacturing, 3D printing; Bioplastics, Biodegradable plastics, Sustainability.
How to cite this article: Keren Vivas, Ronalds Gonzalez, Daniel Saloni. From a Sustainability Perspective, Why Should Bioplastics Be Used for Additive Manufacturing? Polymer Sci peer Rev J. 4(4). PSPRJ. 000594. 2023. DOI: 10.31031/PSPRJ.2023.04.000594.
Сокращения: AM: Аддитивные технологии (Additive Manufacturing); CAGR: совокупный годовой темп роста (Compound Annual Growth Rate); PLA: полимолочная кислота (Polylactic Acid), PHA: полигидроксиалканоаты (Polyhydroxyalkanoates); FDM: моделирование методом послойного наплавления (Fused Deposition Modeling); ABS: АБС-пластик (Acrylonitrile Butadiene Styrene); PVA: поливиниловый спирт (Polyvinyl Alcohol); PET: полиэтилентерефталат (Polyethylene Terephthalate); HIPS: ударопрочный полистирол (High Impact Polystyrene); PA: полиамид нейлон, (Nylon Plastic); PS: полистирол (Polystyrene); PE: полиэтилен (Polyethylene); PP: полипропилен (Polypropylene); GHG: парниковые газы (Greenhouse Gases); PCL: поликапролактон (Polycaprolactone); PBS: полибутиленсукцинат (Polybutylene Succinate); PBAT: полибутилен-адипаттерефталат (Polybutylene Adipate Terephthalate); CAB: ацетобутират целлюлозы (Cellulose Acetate Butyrate); CAP: ацетопропионат целлюлозы (Cellulose Acetate Propionate); HPC: гидроксипропилцеллюлоза (Hydroxypropyl Cellulose).
*Copyright@ Daniel Saloni. Эта статья распространяется на условиях международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0, которая разрешает неограниченное использование и распространение при условии указания первоначального автора и источника.
Интерес к возможностям аддитивного производства и их использование для производства широкого спектра продукции возросли во всем мире. Эта технология позволяет производить товары, которые можно индивидуально настраивать, поскольку она использует компьютерное проектирование (CAD) для репликации дизайна в 3D-объект [1]. 3D-печать и АМ — взаимозаменяемые термины, которые обозначают нанесение материала последовательными слоями друг на друга, создавая трехмерное изделие даже сложной формы [1]. В АМ можно использовать несколько материалов, такие как металлы, керамику, смолы, резину, стекло, бетон и пластмассы, и это лишь некоторые из них [2]. Технологии АМ обеспечивают технические, экономические, экологические и социальные выгоды [1-6]. С технической стороны эти технологии являются гибкими и настраиваемыми, что позволяет корректировать и сокращать этапы и время внутри производственного процесса. С экономической точки зрения АМ помогает снизить инвестиционные затраты и материальные затраты, поскольку одновременно использует то, что требуется, снижая затраты на утилизацию отходов [7, 8]. Кроме того, технологии AM преобразуют рабочую среду сотрудников и снижают воздействие на них опасных компонентов во время производства, поскольку они являются более быстрыми и более энерго- и материалоэф-фективными технологиями [9]. В целом ожидается, что в последующие годы использование этой технологии будет расти еще больше благодаря преимуществам возможностей цепочки поставок, которые в настоящее время критически пострадали [1].
Метод AM позволяет создавать трехмерные объекты путем экструзии нитей (сырья), в основном полимеров [12]. Моделирование методом послойного наплавления FDM считается одной из наиболее экономически эффективных технологий AM с использованием различные термопластические материалы [13]. Хотя пластмассы на основе нефти были наиболее используемыми полимерами, биопластики приобрели важное значение в FDM с экономической точки зрения [9, 14, 15]. Существует ряд многообещающих отчетов о производстве конечной продукции с помощью технологий AM, таких как FDM, с использованием новых биоразлагаемых пластиков, в основном производимых из возобновляемых ресурсов, таких как PLA, PHA, нейлон 11 и другие [5, 12,16].
PLA — это биопластик, получаемый из кукурузы, тапиоки и сахарного тростника посредством процесса бактериальной ферментации. PLA
широко используется в упаковке и может быть переработан и биоразлагаем при определенных условиях [8, 17, 18]. Напротив, PHA — это биопластик, полностью биоразлагаемый даже в неблагоприятных условиях, например, при попадании пластика в почву или водную среду. PHA производятся из бактерий в процессе ферментации [7]. Кроме того, еще одним новым альтернативным пластиком на биологической основе является нейлон 11, биополимер, получаемый из клещевины, природного и возобновляемого ресурса. Нейлон 11 — коммерческий продукт, производимый в США, Европе и Азии [19, 20]. Представленный ниже обзор объясняет коммерческий потенциал AM, или 3D-печати, для производства конечной продукции. Кроме того, в нем освещаются возможности и проблемы AM и использования более экологически чистых пластиков, которые позволяют производить товары с характеристиками, аналогичными товарам, изготовленным из обычных «опасных» пластиков.
Аддитивные технологии
AM, или 3D-печать — это новый производственный процесс, при котором компоненты изготавливаются непосредственно из компьютерных моделей путем выборочного нанесения последовательных слоев сырья (толщиной 0,0010,1 дюйма), а затем консолидации, отверждения или сплавления (рис. 1) [21]. Эта технология появилась в конце 1980-х годов для ускорения тру-
Рис. 1: 3й-принтер с использованием компьютерных моделей [66]
доемкого и дорогостоящего процесса проектирования продукции, тем самым сокращая время выхода на рынок, улучшая качество продукции и, в конечном итоге, снижая затраты на мелкосерийные или специальные изделия [22]. В последнее время растет интерес к использованию этих технологий для производства товаров народного потребления из целого ряда материалов, включая пластмассы, металлы и керамику [4, 5]. АМ обладает потенциалом значительно сократить потребление сырья и энергии и напрямую смягчить наше воздействие на окружающую среду [23-25]. Большинство потребляемых пластиковых изделий производятся с использованием процессов массового производства, таких как литье под давлением, литье, экструзия, термическое формование, штамповка и механическая обработка [26]. Каждый из этих процессов требует определенной формы инструментов (форма, штамп, приспособления и т. д.) и обширной энергоемкой вспомогательной инфраструктуры (т. е. цепочек поставок, сетей транспортировки и распределения и т. д.) [27].
Хотя фактическая стоимость производства одной «детали» обычно невелика, высокие затраты на установку требуют больших производственных объемов или очень высоких цен для коммерчески жизнеспособного бизнеса [11]. Производя детали непосредственно из 3Б-изображения с использованием процесса послойного осаждения, процессы АМ устраняют необходимость в обширных инструментах, таких как формы, необходимые для литья под давлением [27]. Этот факт облегчает экономичное производство деталей небольшими партиями (всего одной), сокращает время выполнения заказа (поскольку инструменты не нужно производить), обеспечивает индивидуальную настройку и, в конечном итоге, повышает гибкость цепочки поставок и разнообразие продукции [11]. Производство больше не зависит от традиционной фабричной инфраструктуры; детали могут быть изготовлены где и когда необходимо, что приводит к снижению затрат на топливо и транспортировку [1]. АМ может расширить границы производства. Этот подход также позволяет предпринимателям делать небольшие инвестиции и снижать финансовые барьеры на пути создания рабочих мест и экономических возможностей в сельских и исторически недостаточно обслуживаемых районах [25]. Полное воздействие этих новых возможностей на окружающую среду еще предстоит полностью оценить количественно. Однако прогнозируется, что возможность производить товары по требованию значительно повысит эффективность, сократит ис-
пользование материалов, потребление энергии на переработку отходов, одновременно создавая новые возможности для малого бизнеса, которые не могут позволить себе дорогие формы [12, 15, 16]. Эффективное использование материала часто является жизненно важной задачей для многих применений и вызывает растущий интерес для многих потребителей [28]. Традиционное или субтрактивное производство часто включает в себя обработку деталей из больших заготовок материала, что приводит к значительным отходам, связанным с сырьем, и затратам энергии, связанных с процессами обработки [6].
AM использует материал только там, где это необходимо, и значительно снижает так называемое соотношение «buy to fly» ratio (степени использования материалов). Этот термин относится к массе материала, необходимой для изготовления компонента, деленной на массу конечного продукта этого компонента [9]. Для деталей почти чистой формы, изготовленных с использованием аддитивного производства без инструментов (например, высокопроизводительные турбинные лопатки), соотношение «buy to fly» ratio приближается к единице [21]. Проектирование структурных компонентов часто предполагает поиск компромиссов между противоречивыми целями. При использовании AM конструкция практически не усложняется, а это означает, что компоненты можно оптимизировать для снижения веса при сохранении ключевых показателей производительности [4].
Проблемы и возможности аддитивного производства
Аддитивное производство сопряжено с множеством проблем, связанных с используемыми материалами, процессом проектирования и производства, квалифицированным персоналом и необходимой последующей обработкой в зависимости от окончательной формы и качества необходимых деталей [17, 29]. Более того, печать для трехмерного изготовления — это очень сложный процесс, сопряженный со сложными техническими проблемами [30]. Армирование волокнами является еще одной проблемой для AM; это сложно при традиционном послойном производстве, поскольку размер волокон не может быть больше самих слоев, иначе это может повлиять на разрешение [31]. Расположение этих волокон также влияет на то, как они повышают прочность детали. Ориентировать волокна и смешивать их с материалами сложно в зависимости от размера волокон [32]. С другой стороны, при использовании 3D-печати для производства готовой продукции использование термопласта является более важным и может быть единственным выбором
для многих применений, что представляет собой прекрасную возможность для нейлона 11, который является не только термопластом, но и натуральным материалом и возобновляемым источником [21, 22]. Следовательно, серьезной проблемой и огромными возможностями является использование биопластиков, которые могли бы быть более экологичными для аддитивного производства. Однако необходимо провести дополнительные исследования, чтобы перейти от пластиков на основе нефти к биопластикам в крупномасштабном производстве.
Перспективы применения биопластиков, используемых в аддитивном производстве
На протяжении нескольких поколений пластмассы использются практически во всех отраслях промышленности благодаря их прочности, коррозионной стойкости, гибкости, пластичности, долговечности, легкости и дешевизне [33]. Однако его чрезмерное использование и неправильное обращение с отходами привели к тревожному загрязнению, что отрицательно сказалось на обществе и окружающей среде [22, 23]. В 2021 году в США было зарегистрировано около 40 млн тонн пластиковых отходов. В среднем американец ежегодно производит 231 фунт пластиковых отходов, из которых только 9% успешно перерабатываются [34]. Это означает, что 91% пластиковых отходов выбрасывается на свалку, сжигается для производства энергии или попадает в окружающую среду [35]. Пластики на основе нефти, первое поколение пластиков, связаны с рядом экологических проблем. При их сжигании выделяется огромное количество СО2, выбросов парниковых газов [36] и опасных синтетических веществ, что способст-
вует ухудшению здоровья живых существ [18]. Более того, из-за отсутствия биоразлагаемости они вызывают загрязнение воздуха, земли и воды, что приводит к гибели дикой природы, морской жизни и орнитофауны [22, 26, 27]. В ответ на эту экологическую проблему биопластики (полученные из биологических объектов) стали многообещающей альтернативой для смягчения воздействия пластика на основе нефти на окружающую среду [37, 38]. Важно уточнить, что не все пластики на биологической основе являются биоразлагаемыми (рис. 2).
Мировое производство биопластика составляет около 2,4 млн тонн (рис. 3). Биоразлагаемыми и действительно компостируемыми из них являются 64% [28, 39]. С коммерческой точки зрения существуют спецификации, согласно которым они должны содержать 50% органических молекул, не превышать пределы содержания тяжелых металлов и разлагаться (>90%) в течение шести месяцев в контролируемых условиях окружающей среды [33]. Биоразлагаемые биопластики могут быстро уничтожаться микробными механизмами (год или меньше) и возвращаться в природу, безвредно смешиваясь с почвой [15].
Биоразлагаемые пластмассы считаются «продуктами-спасителями», поскольку они снижают накопление твердых отходов, уровень выбросов парниковых газов, выбросы CO2 и энергию, используемую в производстве [40]. Несмотря на то, что они также связаны с некоторыми экологическими проблемами, причиняемый ими вред менее серьезен, чем пластик на основе нефти [36]. Технологии AM, такие как моделирование методом послойного наплавления (FDM), ис-
BiG-based
J2
as -О
2 ос <и ■с о
m
4-J
о 2
Rio РЕ (polyettiylene) ;
Bio РР (polypropylene)
Bio PU (polyurethane)
Bio PA (polyamide]
Bio PET (polycthylene terephthalate)
Bio PTT (polytrimethylene terephthnliite) ;
PLA [poly lactic add) PHA (poly hyd roxyal ka noate) Starch-based Cellulose-based
PE (polyethylene) PP (polypropylene) PVC (poty vinyl chloride) PS (polystyrene)
PET (polyethylene tereplithalate) ABS [Acrylonitrile butadiene styrene)
PCL (poly caprolartone) PVA [polyvinyl alcohol) PBS (polybutylene succinate) PBAT (polybutadicne adip^te tercphthalate)
00
5' a,
П5
QfQ
V Cl
GJ
E
fT
Petroleum-based
Рис. 2. Категории пластмасс в зависимости от происхождения сырья и биоразлагаемости. Источник: [42,47]
Рис. 3. Мировые производственные мощности и прогноз по производству биопластиков [48]
пользуют пластик для создания объектов на основе данных SD-модели [8, 41, 42]. Он соединяет термопластическую нить слой за слоем, пока не образуется конечный объект [37]. Наиболее распространенными пластиковыми нитями, используемыми для FDM, являются пластики на нефтяной основе и пластики на биологической основе. Нефтяные материалы — это такие как акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), поливиниловый спирт (PVA), полиэтилентерефталат (PET), ударопрочный полистирол (HIPS) и нейлоновый пластик (PA). И пластики на биологической основе — такие как полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA) [33].
PLA и PHA — два наиболее важных термопластичных алифатических полиэфира, используемых в AM. Это биологические, биосовместимые, нетоксичные и биоразлагаемые полимеры, получаемые в основном из крахмалов и сахаров путем биосинтеза [30, 31]. Оба имеют аналогичные эксплуатационные характеристики с полистиролом (PS), полиэтиленом (PE) и полипропиленом (PP) и являются устойчивой альтернативой замене пластиков на нефтяной основе в 3D-печати по нескольким причинам [37]. PLA — это натуральный, биоразлагаемый и пригодный для вторичной переработки полимер, полученный путем преобразования крахмала, извлеченного из кукурузы и картофеля, в глюкозу, которая ферментируется в молочную кислоту и полимеризу-ется [42]. Разложение PLA является затрудненным в типичной среде, например, в домашнем компосте, где температура не превышает 40 C. Однако он может биоразлагаться в течение двух недель при температуре 60°C [15]. Некоторые характеристики делают его отличным источником полимеров для АМ, такие как глянцевость, индекс текучести расплава, низкая температура печати (180°C) и энергопотребление, недоро-
гая, простая печать, хорошее качество, многоцветный вид и сравнительно меньше выбросов СО2 [28, 43]. PLA производится из кукурузного крахмала, сахарного тростника, картофельного крахмала, пшеницы, свеклы или корней тапиоки — возобновляемых ресурсов, которые могут связывать огромное количество СО2 во время его выращивания [26, 33, 37]. Производство PLA может сэкономить две трети энергии, необходимой для производства пластмасс на основе нефти [26,33], и их можно легко производить на существующих производственных предприятиях, что делает их экономически эффективными [43]. Сообщается о более низком энергопотреблении принтера, когда PLA используется в качестве термопластической нити в 3Б-печати [44].
Более того, использование PLA и термопластика из крахмала в 3Б-печати позволяет снизить выбросы СО2 на 50-70% по сравнению с пластиками на основе нефти [45]. Управление отходами PLA можно решить двумя путями: переработкой и разложением [8]. Разложение PLA может привести к уменьшению выбросов парниковых газов на 70%, если разложение осуществляется на свалке [23, 33]. PLA можно перерабатывать несколько раз, он не выделяет токсичных паров при насыщении кислородом и придает сладкий аромат при печати [37,38]. В процессе 3Б-печати большинство пластиков на основе нефти выделяют токсичные вещества и испаряющиеся частицы [46]. С другой стороны, PLA не оказывает какого-либо токсического или канцерогенного действия, что положительно влияет на здоровье человека и окружающую среду [27, 37, 47]. Недостатком PLA является то, что они производятся из питательной для человека пищи. Таким образом, бесконтрольное использование этих продовольственных культур может усугубить недовольство во всем мире [47].
PHA — еще один интересный биополимер, разработанный и используемый в 3D-^4a™ [37,48]. Бактериальная ферментация — это процесс получения PHA, при котором его могут производить несколько бактерий в почве [7]. PHA на 100% биологические, биоразлагаемые и компостируемые, как и PLA [49,50]. Однако PHA можно компостировать в промышленных условиях и в других средах, например, в морских водах, и он полностью биоразлагаем по сравнению с PLA [49, 50]. Кроме того, что касается биораз-лагаемости, PHA имеет короткий период разложения, около 85% за 7 недель [51]. Это значительно уменьшает пространство, необходимое для захоронения отходов, помогая снизить воздействие на окружающую среду по сравнению с другими пластиками, например, пластиками на основе нефти, на которые уходит несколько лет [27, 47]. Недостатком является стоимость PHA, которая в 3-4 раза выше, чем у пластиков на нефтяной основе. Это связано с питанием, необходимым для бактерий, и сложностью производства, разделения, экстракции и очистки сточных вод [47]. Точка плавления и термическое разложение PHA близки, что делает процесс печати более сложным, чем PLA; однако в результате исследований его удобство в обращении улучшилось [39, 52]. Благодаря значительной экологической выгоде от использования биопластиков и их эффективности в 3D-печати, биопластики могут стать потенциальной альтернативой замене обычных пластиков на основе нефти в приложениях аддитивного производства.
Рост рынка биоразлагаемых пластиков, используемых в аддитивном производстве
Пластики на биологической основе (PLA, PHA, смеси крахмала и т.д.) и пластмассы на основе нефти (PCL, PVA, PBS, PBAT и т.д.) относятся к категории биоразлагаемых пластиков. Эти пластмассы используются в различных отраслях, таких как упаковка, потребительские товары, текстиль, сельское хозяйство и садоводство [33]. Из-за глобальной проблемы загрязнения одноразовым пластиком производители предъявляют потребителям претензии на биоразлагаемые материалы, соответствующие экологическим и государственным нормам. К 2021 г. объем рынка составил 7,7 млрд долларов; однако растущий спрос на биоразлагаемые пластмассы приведет к увеличению рынка, который, по прогнозам, к 2026 г. достигнет 23,3 млрд долларов при среднегодовом темпе роста 24,9% [53]. Что касается долей, то к 2020 г. сектор потребительских товаров составлял около 14% доли рынка биоразлагаемого пластика, и ожидается, что в прогнозируемый период он будет расти еще больше [53].
Поскольку растет интерес к использованию технологий АМ для производства потребительских товаров, этот факт представляет собой привлекательную возможность для игроков рынка АМ в ближайшие пять лет [4,5]. Сегодня ведущими странами на рынке биоразла-гаемых пластиков являются Германия, США, Япония, Нидерланды, Италия, Великобритания и Австралия. Однако некоторые развивающиеся страны Азиатско-Тихоокеанского региона разработали стратегии. Например, в 2019 г. таиландская компания Total Corbion создала завод по производству 75000 т PLA ежегодно [53]. Несмотря на то, что биоразлагаемый пластик имеет более высокую цену, чем обычный пластик на основе нефти (не разлагаемый), колебания цен на нефть и преимущества, ориентированные на устойчивое развитие, делают биораз-лагаемые пластики потенциальной альтернативой обычным пластикам [54].
В то же время быстро растет интерес к полимерам и композитам на биологической основе. Традиционные термопластичные полимеры на биологической основе включают сложные эфиры целлюлозы, такие как ацетат-бутират целлюлозы (CAB), полимолочная кислота (PLA) и поли-гидроксиалканоаты (PHA) [17]. Все они вызвали коммерческий интерес. Этиленгликоль биологического происхождения был включен в полиэти-лентерефталат (PET), а совсем недавно на рынок был представлен 100% «биологический» конкурент PET — полиэтилен фурандикарбоксилат PEF (Polyethylene furan-2,5-dicarboxylate) [55]. Все эти термопласты привлекательны простотой обработки. Однако все эти полимеры содержат гидролитически нестабильные сложноэфирные связи. PLA и PHA также являются относительно хрупкими материалами с плохими свойствами удлинения и некоторыми проблемами обработки, связанными с тем, что температура их обработки близка к температуре их разложения [47].
Во многих случаях нейлоны являются привлекательной альтернативой полиэфирам. Хотя они также являются полукристаллическими термопластами, они, как правило, прочнее, жестче и более термически и гидролитически стабильны, чем полиэфиры. Контролируя количество метиленовых групп между амидны-ми связями, нейлоны можно «спроектировать» для работы в широком диапазоне температур обработки. Нейлоны на биологической основе могут быть изготовлены из двухдикислот биологического происхождения или модификации жирных кислот [39, 56]. Нейлон 11 представляет особый интерес для исследователей. Первоначально разработанный в 1938 году [57],
нейлон 11 представляет собой относительно новый коммерческий материал, изготовленный из аминоундекановой кислоты и производимый в США, Франции и Китае. Касторовое масло является распространенным исходным материалом для производства основного мономера аминоун-декановой кислоты, хотя также можно использовать и другие ненасыщенные жирные кислоты C10. Также сообщалось о путях ферментации для производства промежуточных исходных материалов [39, 56]. Несмотря на то, что нейлон 11 получен из исходного материала биологического происхождения, он трудно биоразлагается, хотя смеси и композиты нейлона 11 могут подвергаться биоразложению [46,58].
Исследования Салони и др. [29] показали важность и актуальность аддитивного производства, а также устойчивую актуальность использования биопластиков [10]. Некоторые из опубликованных работ Салони и его команды демонстрируют важность использования биопластиков в аддитивном производстве.
Mervine et al. [10] показали, что в последние десятилетия возник интерес к технологиям AM из-за нетрадиционного способа производства продукции. Критическая область знаний в области аддитивного производства сосредоточена на использовании полимеров для производства уникальных и конкурентоспособных компонентов по сравнению с традиционным производством. В последнее время более устойчивые биопластики, такие как PLA, нейлон 11, ацетатпропионат целлюлозы (CAP), ацетатбутират целлюлозы (CAB) и поликапролактон (PCL), стали конкурентами обычных пластиков на основе нефти. Таким образом, многие соответствующие публикации объединяют компоненты разработки и характеристики материалов, подходящие для АМ [10].
Дальнейшая работа Салони и др. [29] демонстрирует возможность использования биопластиков в аддитивном производстве. Типичные термопласты, распространенные в индустрии литья под давлением, производятся из нефти, невозобновляемого ресурса, и широко используются в AM. Для исследования [29] были составлены и протестированы на АМ ацетатбутират целлюлозы (CAB), ацетатпропионат целлюлозы (CAP), гидроксипропилцеллюлоза (HPC), нейлон 11 и поликапролактон (PCL). Кроме того, в качестве контрольных материалов были протестированы ABS и PLA. Результаты показали техническую осуществимость некоторых биопластиков для АМ [29].
Кроме того, Маклафлин и др. [20] показали потенциал использования добавок растительного происхождения для изменения свойств
материалов для аддитивного производства. PLA смешивали с древесной мукой в разных соотношениях, чтобы оценить влияние размера частиц, породы древесины и концентрации древесной муки на характеристики биополимерных и 3D-печатных деталей. Изучены термические, механические и структурные свойства. Результаты показали потенциал использования древесной муки в качестве добавки для улучшения качества биопластиков и изменения биополимера, чтобы он был подходящим и экологически чистым для АМ [20].
Заключение
Этот обзор показывает возможность использования биопластиков в аддитивном производстве для решения многих проблем перспективного развития, таких как применение возобновляемых материалов, их биоразлагаемости, экономически целесообразности и т. д. В настоящее время стоит множество задач, связанных с ответом на три задачи: устойчивое развитие, окружающая среда и экономика.
Как видно из этого обзора, композиты и добавки будут играть важную роль, делая материалы более устойчивыми и конкурентоспособными по сравнению с пластиками на основе нефти [59-66]. Наконец, аддитивное производство может сыграть важную роль, воспользовавшись преимуществами биопластиков и низким так называемым соотношением «buy to fly» ratio (степени использования материалов) для значительного снижения воздействия отходов пластмассовых продуктов на окружающую среду.
REFERENCES / СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. M. Attaran (2017) Additive manufacturing: The most promising technology to alter the supply chain and logistics. J Serv Sci Manag 10(3): 189-205.
2. Kishore K, Varshney R, Singh P., Sinha M.K. (2022) Materials for 3D printing in medicine: Metals, polymers, ceramics, hydrogels. Addit Manuf with Med Appl pp. 73-95.
3. Wang P., Nakano T., Bai J., Wang P., Nakano T., et al. (2022) Additive manufacturing: Materials, processing, characterization and applications. Cryst 12(5): 747.
4. Doubrovski Z, Verlinden J.C., Geraedts J.M.P. (2012) Optimal design for additive manufacturing: Opportunities and challenges. Proc ASME Des Eng Tech Conf 9: 635-646.
5. Pal A.K., Mohanty A.K., Misra M. (2021) Additive manufacturing technology of polymeric materials for customized products: Recent developments and future prospective. RSC Advances 11(58): 36398-36438.
6. Ponis S., Aretoulaki E., Maroutas N., Plakas G., Dimogiorgi K. (2021) A systematic literature review on additive manufacturing in the context of circular economy. Sustainability 13(11): 6007.
7. Mehrpouya M, Vahabi H., Barletta M, Laheurte P., Langlois V. (2021) Additive manufacturing of Polyhydroxyalkanoates (PHAs) biopolymers: Materials, printing techniques, and applications. Mater Sci Eng C 127.
8. Sombatsompop N, Srimalanon P., Markpin T., Prapagdee B. (2021) Polylactic acid (PLA): Improve it, use it, and dump it faster. Bio Resources 16(2): 2196-2199.
9. Rasiya G., Shukla A., Saran K. (2021) Additive manufacturing-a review. Mater Today Proc 47(19): 68966901.
10. Mervine N, Bratt K., Saloni D. (2020) A review of sustainable materials used in thermoplastic extrusion and powder bed melting additive manufacturing. Adv Intell Syst Comput 1216: 95-102.
11. Franchetti M, Kress C. (2017) An economic analysis comparing the cost feasibility of replacing injection molding processes with emerging additive manufacturing techniques. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 88: 2573-2579.
12. Melocchi A., Parietti F, Loreti G, Maroni A., Gazzaniga A., et al. (2015) 3D printing by Fused Deposition Modeling (FDm) of a swellable/erodible capsular device for oral pulsatile release of drugs. Journal of Drug Delivery Science and Technology 30: 360-367.
13. Malik A., Raina A., Gupta K. (2022) 3D printing towards implementing industry 4.0: Sustainability aspects, barriers and challenges. Industrial Robot 49(3): 491-511.
14. Velazquez D.R.T., Simon AT, Helleno A.L., Mastrapa L.H. (2020) Implications of additive manufacturing on supply chain and logistics. Indep J Manag & Amp Prod 11(4): 1279-1302.
15. Joseph T.M., Kallingal A., Suresh A.M., Mahapatra D.K., Hasanin M.S., et al. (2023) 3D printing of polylactic acid: Recent advances and opportunities. Int J Adv Manuf Technol pp. 1-21.
16. Ford S., Despeisse M. (2016) Additive manufacturing and sustainability: An exploratory study of the advantages and challenges. J Clean Prod 137: 1573-1587.
17. Lee C.H., Sapuan S.M., Ilyas RA, Lee S.H., Khalina A. (2020) Development and processing of PLA, PHA, and other biopolymers, in advanced processing, properties, and applications of starch and other bio-based polymers. Elsevier pp. 47-63.
18. Ilyas RA., Sapuan SA, Kadier A., Kalil M.S., Ibrahim R., et al. (2020) Properties and characterization of PLA, PHA, and other types of biopolymer composites. Advanced Processing, Properties, and Applications of Starch and Other Bio-Based Polymers, Elsevier pp. 111-138.
19. Bhagwat G., Gray K., Wilson S.P., Muniyasamy S., Vincent S.G.T., et al. (2020) Benchmarking bioplastics: A natural step towards a sustainable future. J Polym Environ 28(12): 3055-3075.
20. Laughlin K.M., Webb A., Bratt K., Saloni D.
(2020) Bioplastic modified with woodflour for additive manufacturing. Adv Intell Syst Comput 1216: 86- 94.
21. Saloni D., Mervine N., Verdi C. (2018) Design and development of biopolymers for additive manufacturing. IISE Annual Conference and Expo pp. 330-335.
22. Thompson M., Moroni G., Vaneker T., Fadel G., Campbell R.I., et al. (2016) Design for additive manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints. CIRP Annals 65(2): 737-760.
23. Javaid M., Haleem A., Singh R., Suman R., Shanay R.
(2021) Role of additive manufacturing applications towards environmental sustainability. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research 4(4): 312-322.
24. Wohlers report 2014: 3D printing and additive manufacturing state of the industry annual worldwide progress report.
25. Beyer C. (2014) Expert view strategic implications of current trends in additive manufacturing. J Manuf Sci Eng 136(6): p. 8.
26. Alting L., Boothroyd G. (2020) Plastics and plastic processing. Manuf Eng Process pp. 343-362.
27. Faludi J. (2023) 3D printing and its environmental implications.
28. (2023) Buying Green for Consumers. US.
29. Saloni D., Mervine N. (2020) Investigation of bioplastics for additive manufacturing. Adv Intell Syst Comput 975: 365376.
30. Bhuvanesh Kumar M., Sathiya P. (2021) Methods and materials for additive manufacturing: A critical review on advancements and challenges. Thin-Walled Struct 159: 107228.
31. Christ S., Schnabel M., Vorndran E., Groll J., Gbureck U. (2015) Fiber reinforcement during 3D printing. Mater Lett 139: 165-168.
32. Armstrong C.D., Todd N., Alsharhan A.T., Bigio D.I., Sochol R.D. (2021) A 3D printed morphing nozzle to control fiber orientation during composite additive manufacturing. Adv Mater Technol 6(1): 2000829.
33. Murthy K., Ghorpade C.V., Charitha Shetty S. (2022) Bioplastics production and applications: A mini review.
34. Vetter D. (2020) Guess which two countries produce the most plastic trash per person?
35. OECD (2022) Plastic pollution is growing relentlessly as waste management and recycling fall short, says OECD.
36. Atiwesh G, MikhaelA., Parrish C.C., Banoub J., Tuyet AT.L. (2021) Environmental impact of bioplastic use: A review. Heliyon 7(9): e07918.
37. Wasti S., Triggs E., Farag R., Auad M., Adhikari S., et al. (2021) Influence of plasticizers on thermal and mechanical properties of biocomposite filaments made from lignin and polylactic acid for 3D printing. Compos Part B Eng 205: 108483.
38. Bentzen N., Laussen E. (2018) Using recycled and bio-based plastics for additive manufacturing A Case Study on a Low Volume Car Component.
39. Paris H., Mokhtarian H., Coatanea E., Museau M., Ituarte I.F. (2016) Comparative environmental impacts of additive and subtractive manufacturing technologies. CIRP Ann 65(1): 29-32.
40. Abdulhameed O., Al-Ahmari A., Ameen W., Mian S.H. (2019) Additive manufacturing: Challenges, trends, and applications. Advances in Mechanical Engineering 11(2): 1-27.
41. Velu R., Tulasi R., Ramachandran M.K. (2023) Environmental impact, challenges for industrial applications and future perspectives of additive manufacturing. Nanotechnology-Based Addit Manuf 2: 691-709.
42. Mangla S.K., Kazancoglu Y., Sezer M.D., Top N., Sahin I. (2023) Optimizing fused deposition modelling parameters based on the design for additive manufacturing to enhance product sustainability. Comput Ind 145: 103833.
43. Amrita AM., Panda R.C. (2022) Biodegradable filament for three-dimensional printing process: A review. Eng Sci 18: 11-19.
44. Faludi J., Van Sice C., Van C. (2023) The additive manufacturer green trade association in collaboration with Delft University of technology presents: State of knowledge on the environmental.
45. Tajeddin B., Arabkhedri M. (2020) Polymers and food packaging. Polymer Science and Innovative Applications pp. 525-543.
46. Chang S.P. (2014) Sustainable design-centered integration for polylactic acid in the bioprinting process.
47. Ryohei M. (2023) Replacing all petroleum-based chemical products with natural biomass-based chemical products: A tutorial review. RSC Sustain.
48. E Bioplastics (2021) Global bioplastics production will more than triple within the next five years.
49. Faludi J., Hu Z., Alrashed S., Braunholz C., Kaul S., et al. (2015) Does material choice drive sustainability of 3D printing?
50. Chiulan I., Frone A.N., Brandabur C., Panaitescu D.M. (2018) Recent advances in 3D printing of aliphatic polyesters. Bioengineering 5(1): 2.
51. Filiciotto L., Rothenberg G. (2021) Biodegradable plastics: Standards, policies, and impacts. Chem Sus Chem 14(1): 56-72.
52. Rudnik E. (2013) Biodegradability testing of compostable polymer materials.
53. Plantamura O.I. Is 3D Printed House Sustainable?
54. Markets and Markets (2023) Biodegradable plastics market size & share.
55. Filiciotto L., Rothenberg G. (2021) Biodegradable plastics: Standards, policies, and impacts. Chem Sus Chem 14(1): 56-72.
56. Andreeßen C., Steinbüchel A. (2019) Recent developments in non-biodegradable biopolymers: Precursors, production processes, and future perspectives. Appl Microbiol Biotechnol 103(1): 143-157.
57. Clèries L. Boosting talent towards circular economies.
58. Devaux E., Aubry C., Campagne C., Rochery M. (2011) PLA/carbon nanotubes multifilament yarns for relative humidity textile sensor. J Eng Fiber Fabr 6(3): 13-24.
59. DiGregorio B.E. (2009) Biobased performance bioplastic: Mirel. Chemistry and Biology 16(1): 1-2.
60. (2023) Polyamide 11 & 12 Market-Global Industry Analysis 2014-2018 and Forecast 2019-2029.
61. Khalid M, Peng Q. (2021) Sustainability and environmental impact of additive manufacturing: A literature review. Sustainability of Additive Manufacturing Methods.
62. Navanietha Krishnaraj R, Sani R.K. (2021) Biomolecular engineering solutions for renewable specialty chemicals: microorganisms, products, and processes. Online Wiley.
63. Kind S., Neubauer S., Becker J., Yamamoto M, Volkert M., et al. (2014) From zero to hero-production of bio-based nylon from renewable resources using engineered Corynebacterium glutamicum. Metab Eng 25: 113-123.
64. Kuo P.C., Sahu D, Yu H.H. (2006) Properties and biodegradability of chitosan/nylon 11 blending films. Polym Degrad Stab 91(12): 3097- 3102.
65. Kinstlinger I.S., Bastian A., Paulsen S.J., Hwang D.H., Ta A.H., et al. (2016) Open-source selective laser sintering (OpenSLS) of nylon and biocompatible polycaprolactone. PLoS One 11(2): e0147399.
66. Marc H. (2013) The 3D printer in the James B. Hunt Library. North Carolina state University, Raleigh, NC, USA.
ВНИМАНИЮ АВТОРОВ!
Научный рецензируемый журнал «Промышленное производство и использование эластомеров»
набирает портфель статей на 2024 год
Направлять статьи необходимо по электронной почте [email protected].
С подробной информацией можно ознакомиться на сайте ELASTOMERY.RU.
Журнал по решению ВАК Минобрнауки России включен в «ПЕРЕЧЕНЬ рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» и включен в международную реферативную базу данных Американского химического общества Chemical Abstract Service (CAS).
В соответствии с итоговым распределением журналов Перечня ВАК по категориям К1, К2, КЗ в 2023 году научно-информационный сборник «Промышленное производство и использование эластомеров» соответствует категории К2.
Для справки:
С утверждением системы категорирования журналов ВАК для российских ученых начинают действовать следующие правила:
• хотя бы одна статья аспиранта должна быть размещена в журналах, относящихся к К1 или К2;
• 5 статей соискателей на докторскую степень должны быть напечатаны в изданиях из первой и второй категории.
С 28.12.2018 г. за научно-информационным сборником «Промышленное производство и использование эластомеров» закреплены научные специальности и соответствующие им отрасли науки, по которым присуждаются ученые степени:
02.00.06 — Высокомолекулярные соединения (технические науки),
02.00.13 — Нефтехимия (химические науки)
