PLA結晶化検討

PLAの普及を阻んでいる要因の一つに結晶化速度の遅さがあります。
PLAは非結晶樹脂ですが、ガラス転移点以上の温度で加熱することで
結晶化させることができます。結晶化すれば耐熱性、耐衝撃性があり、
他の汎用樹脂同様、普段使いの用途に使える十分な特性を持っています。
しかし、PLA結晶化は金型内などで高温で長時間保持する必要があり、
量産ベースではとても採算に合いません。

 

PLA結晶化はよく研究テーマとしてあがるネタで、
樹脂メーカーでも昔から改善検討が行われてきました。
PLAのL体とD体の比率、造核剤種などが代表的なファクターです。
低温、短時間でも結晶化するように処方検討が盛んにおこなわれており、
日本メーカーでも数多くの改質PLAが上市されています。
かなり改善してきてはいるのですが、
昨今コストダウンや性能の要求が厳しく、
改質PLAでもさすがに汎用樹脂には勝てないため、
なかなか普及が難しいようです。

 

3Dプリンタ用途であれば、時間がある程度かかっても許容できることが多く、
結晶化PLAとして使える可能性があります。
市販のグレードを使ってPLA結晶化の検討を行いました。

 

後結晶PLAフィラメント

一般的にPLAを結晶化させるには、上述のように成形時の
金型内でそのまま結晶化させる方法(金型内結晶化)、
非結晶の成形体を熱処理する方法(後結晶化)があります。
今回はPLAを後結晶させることができるようグレード選定を行いました。
写真が作製した後結晶PLAフィラメントです。

 

耐熱性検証

後結晶PLAフィラメントを使って、
3Dプリンタで試験片を作成しました。
200℃、infill=100%、厚み1.5mmで造形。
普通のPLAと同じ条件で造形できます。
上がアニール前、下がアニール後です。
(アニール条件:110℃ x 20分 家庭用オーブンにて)

 

アニール処理によって色が白く変化しました。
PLAが結晶化していると考えられます。
アニール処理による大きな反りはありませんが
少しだけ収縮しました(今回は約1.5%収縮)。

 

 

試験片をクリープ試験にかけます。
簡易的に冶具を作りました。投入時の写真です。
試験片を浮かせて両端固定します。
この上に30gの重りを載せ、120℃加熱を行います。

 

 

クリープ試験後の写真です。
一番上から、
@一般PLA
A後結晶PLA(アニールなし)
B後結晶PLA(アニールあり:110℃ x 20分)
CABS

 

@、A:投入開始3分で荷重部がダレはじめ、
    重りが落下しました。ガラス転移点による
    軟化によるものと考えられます。
C  :少しだけ荷重部がダレました。
    それ以上に反りがすごいです。
    反りによって投入開始17分で重りが落下しました。
    3Dプリント時のひずみが
    加熱で解放されたものと考えられます。
B  :20分経過しても重りが落下することなく
    耐えました。特にダレ、反りなどなく、
    形状に大きな変化はありません。

 

 

ざっくりした評価ですが、
100℃近辺での耐熱性があることがわかりました。
後処理が必要な面倒さがありますが、
耐熱性、耐衝撃が改善できれば
PPなどの汎用樹脂に近い使い方ができ、
用途が拡大できる可能性があるかと思います。