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西安工程大學(xué)孟家光、支超團(tuán)隊(duì) Addit. Manuf.：棉纖維3D打印織物在紡織和時(shí)尚產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用
2024-01-29  來(lái)源：高分子科技

  3D打印技術(shù)因其快速制造和能實(shí)現(xiàn)服裝的個(gè)性化定制，在紡織服裝領(lǐng)域中受到了廣泛的關(guān)注。然而，目前3D打印材料生產(chǎn)的打印織物柔韌性和舒適性較差，與傳統(tǒng)紡織品存在較大的舒適性差距。因此，需開(kāi)發(fā)用于3D打印紡織面料的新型打印材料，以提高3D打印面料的舒適性和柔韌性。



  針對(duì)上述問(wèn)題，西安工程大學(xué)孟家光、支超團(tuán)隊(duì)采用棉纖維作為3D打印原材料，開(kāi)發(fā)了可直接打印織物和服裝的新型纖維素打印墨水。將棉纖維溶解在LiCl/DMAc溶劑中，加入羥乙基纖維素（HEC）調(diào)節(jié)油墨的可打印性，采用直接油墨書(shū)寫(xiě)（DIW）技術(shù)打印面料（圖1）。制備出的3D打印纖維素面料可實(shí)現(xiàn)接近于棉織物的柔韌性，透氣性和吸濕性，且相較于傳統(tǒng)紡織流程，減少了生產(chǎn)步驟，最大化的減少了生產(chǎn)浪費(fèi)（圖2）。 


圖1. 3D打印纖維素織物的制備 


圖2. 傳統(tǒng)工藝與3D打印工藝制備服裝對(duì)比


  為了提高油墨的可打印性和形狀保真度，本研究將棉纖維溶解，在溶液中加入流變添加劑HEC制備出不同濃度的纖維素油墨，如圖3所示。纖維素油墨表現(xiàn)出優(yōu)異的成形性，克服了3D打印纖維素織物在打印后坍塌或成形不連續(xù)的問(wèn)題。 


圖3. 纖維素油墨的流變特性和可打印性


  冷凍干燥、熱干燥和光固化三種不同的后處理方式使3D打印織物表面結(jié)構(gòu)有不同的差異，其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步表明3D打印纖維素織物符合纖維素特征（圖4）。研究進(jìn)一步對(duì)比了不同后處理方式下織物的各項(xiàng)性能（圖5）。其中，冷凍干燥賦予了3D打印纖維素織物截面多孔結(jié)構(gòu)，可增加織物的透氣性，并且這種方式處理下的織物具有最好的懸垂性和拉伸性。 


圖4. 3D打印纖維素面料的物理特性和化學(xué)結(jié)構(gòu) 


圖5. 3D打印纖維素織物的懸垂性、高度差和拉伸性


  3D打印纖維素織物在250次摩擦后僅出現(xiàn)部分磨損現(xiàn)象，與棉織物相比，再生纖維相互纏繞增強(qiáng)了其抗磨損能力，3D打印纖維素織物具有更好的耐磨性。此外，3D打印纖維素織物平均彎曲長(zhǎng)度值（3.19 cm）相比PLA、ABS和TPU材料3D打印織物明顯降低，與棉織物平均彎曲長(zhǎng)度（1.92 cm）最為接近，這表明3D打印纖維素織物的柔韌性得到了明顯的提升。


  此外，3D打印纖維素織物表現(xiàn)出一定的芯吸能力。且通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)3D打印纖維素織物的透氣性主要依靠打印長(zhǎng)絲間特殊的孔洞，這種孔洞依靠擠壓油墨形成相互垂直的細(xì)絲而產(chǎn)生。特殊的孔洞結(jié)構(gòu)使得3D打印纖維素織物相較FDM打印聚合物透氣性得到明顯提升。 


圖6. 3D打印纖維素織物的耐磨性、頂破性、剛?cè)嵝院驼蹚椥?/span> 


圖7.  3D打印纖維素織物的吸濕性和透氣性


  最后，采用新型纖維素油墨進(jìn)行了服裝和手套的制備（圖8），并進(jìn)行了穿戴試驗(yàn)。結(jié)果表明，由新型纖維素油墨打印的服裝和手套具有優(yōu)秀的舒適性和服用性能，這進(jìn)一步表明將棉纖維用于3D打印，以生產(chǎn)高舒適性面料及服裝的可行性。 


圖8. 3D打印纖維素織物的應(yīng)用展示


  相關(guān)研究以Application of 3D printing cellulose fabrics based on cotton fibers in the textile and fashion industry為題發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing（DOI：10.1016/j.addma.2024.104000）。論文第一作者為西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生楊露，通訊作者為西安工程大學(xué)孟家光教授和支超副教授。西安工程大學(xué)薛濤副教授、王永臻副教授、碩士研究生史格格、高興云參與了相關(guān)研究工作。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、陜西省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、陜西省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃等對(duì)本工作的大力支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104000

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（責(zé)任編輯：xu）
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