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西安工程大學孟家光、支超團隊 Addit. Manuf.：棉纖維3D打印織物在紡織和時尚產業的應用

2024-01-29 來源：高分子科技

3D打印技術因其快速制造和能實現服裝的個性化定制，在紡織服裝領域中受到了廣泛的關注。然而，目前3D打印材料生產的打印織物柔韌性和舒適性較差，與傳統紡織品存在較大的舒適性差距。因此，需開發用于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。

針對上述問題，西安工程大學孟家光、支超團隊采用棉纖維作為3D打印原材料，開發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）調節油墨的可打印性，采用直接油墨書寫（DIW）技術打印面料（圖1）。制備出的3D打印纖維素面料可實現接近于棉織物的柔韌性，透氣性和吸濕性，且相較于傳統紡織流程，減少了生產步驟，最大化的減少了生產浪費（圖2）。

圖1. 3D打印纖維素織物的制備

圖2. 傳統工藝與3D打印工藝制備服裝對比

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。纖維素油墨表現出優異的成形性，克服了3D打印纖維素織物在打印后坍塌或成形不連續的問題。

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打印織物表面結構有不同的差異，其微觀結構進一步表明3D打印纖維素織物符合纖維素特征（圖4）。研究進一步對比了不同后處理方式下織物的各項性能（圖5）。其中，冷凍干燥賦予了3D打印纖維素織物截面多孔結構，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結構

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次摩擦后僅出現部分磨損現象，與棉織物相比，再生纖維相互纏繞增強了其抗磨損能力，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出一定的芯吸能力。且通過結構分析，發現3D打印纖維素織物的透氣性主要依靠打印長絲間特殊的孔洞，這種孔洞依靠擠壓油墨形成相互垂直的細絲而產生。特殊的孔洞結構使得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、剛柔性和折彈性

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行了服裝和手套的制備（圖8），并進行了穿戴試驗。結果表明，由新型纖維素油墨打印的服裝和手套具有優秀的舒適性和服用性能，這進一步表明將棉纖維用于3D打印，以生產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用展示

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

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

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（責任編輯：xu）

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