3D打印在食品包装中的应用解析.docVIP

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 [2]。 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[6]。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。[1-3] 1.2 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。 （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[2,4-6]。 1.3 3D 打印的优势[5] （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。 1.4 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[1]。 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]。 3、聚乳酸（PLA） 3.1 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( 每吨比通用塑料PE价格高0.1万~ 0.4万元) ,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[23]。 3.2 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和可生物降解的脂肪族聚酯高分子材料[7], 也是商业化最为成功的可生物降解聚合物之一[19]。聚乳酸是通过特定聚合而成，单体乳酸是