打印參數(shù)對3D打印聚合物織物自清潔性能的影響

制造自清潔織物是當(dāng)前紡織行業(yè)研究的重點。南極熊獲悉，2022年7月31日，來自烏姆庫拉大學(xué)設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院的研究者們在《Polymers》上發(fā)表了一項新研究，題目為《Influence of Printing Parameters on Self-Cleaning Properties of 3D Printed Polymeric Fabrics》（《打印參數(shù)對3D打印聚合物織物自清潔性能的影響》），研究者們使用常見3D打印技術(shù)控制自清潔紡織品的微觀特征。



自清潔面料



紡織業(yè)是一個快速增長的行業(yè)，2021年市場價值達到了9936億美元。家具和服裝等行業(yè)的面料制造是全球許多國家的一項重要經(jīng)濟活動。近幾十年來，紡織行業(yè)的創(chuàng)新導(dǎo)致了多項技術(shù)發(fā)展，包括增強的功能特性，如防水、抗微生物、抗靜電和自清潔。受大自然的啟發(fā)，這些面料已成為紡織和材料科學(xué)領(lǐng)域的重點。一些生物結(jié)構(gòu)也激發(fā)了該領(lǐng)域的創(chuàng)新，例如昆蟲翅膀、魚鱗、荷葉和水稻植物。

自清潔織物可以應(yīng)用于許多產(chǎn)品中，提高它們的美感，并具有一定的經(jīng)濟和環(huán)境效益。這些先進的紡織品有助于保持清潔和無污染的表面，分解污漬和化學(xué)物質(zhì)，避免灰塵和污垢在材料上擴散。由于在其使用壽命期間減少了洗滌需求，這些織物還具有節(jié)約水、能源和時間等優(yōu)點。除了對服裝行業(yè)的潛力外，自清潔紡織品還可以極大地造福于醫(yī)療行業(yè)。


△層高和擠出機寬度定義。圖片來源：Atwah, AA 等人，聚合物

自清潔織物的生產(chǎn)方法
近幾十年來，人們開發(fā)了幾種方法來生產(chǎn)這些創(chuàng)新織物。常規(guī)方法包括在低表面能材料的表面上創(chuàng)建粗糙的微納米級結(jié)構(gòu)。其他方法改變了低表面能材料，提高了它們的粗糙度。研究人員已經(jīng)探索了幾種用于開發(fā)光解和疏水織物的方法，包括旋涂、濕化學(xué)合成、溶膠-凝膠法、噴涂、化學(xué)蝕刻、LBL和靜電紡絲。然而，這些方法可能會因使用刺激性化學(xué)品和復(fù)雜的加工要求而受到阻礙。

研究自潔織物的結(jié)構(gòu)特征是了解它們的行為和高效設(shè)計具有這種功能的紡織品的關(guān)鍵。這些關(guān)鍵特性和性能包括潤濕性、孔隙率和表面粗糙度。然而，目前缺乏對這些織物微觀特征控制的研究，這阻礙了該紡織品設(shè)計領(lǐng)域的進一步研究。


△紡織面料的孔隙率。圖片來源：Atwah, AA 等人，聚合物

研究
本文重點關(guān)注上述研究空白，以改進具有自清潔性能的織物的設(shè)計。目前使用的傳統(tǒng)制造技術(shù)難以控制制造參數(shù)，這阻礙了織物的發(fā)展。目前，由于其自​​由形式設(shè)計和減少材料浪費等優(yōu)勢，增材打印（也稱為 3D 打?。┦艿皆絹碓蕉嗟年P(guān)注。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D 打印由于其對制造參數(shù)的出色控制而在制造自清潔材料方面具有巨大潛力。

這種增強的控制使得可以在微觀的機織織物水平上控制材料的結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出具有所需性能的織物。在各種 3D 打印方法中，熔絲制造在制造功能化織物方面最具有潛力。該團隊在研究中使用熔融長絲制造來生產(chǎn)用于紡織行業(yè)的自清潔織物。作者研究了幾個參數(shù)，包括層高、取向角和擠出機寬度。作者使用這些參數(shù)來控制織物樣品的微觀自清潔特性。研究中使用了三種不同的柔性熱塑性材料來生產(chǎn)自清潔織物。這些是 TPU 98A、TPC flex45 和 TPE felaflex。采用預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)來量化材料的自清潔特性。


△打印參數(shù)范圍的可能組合，以實現(xiàn)最佳的潤濕性自清潔性能。圖片來源：Atwah, AA 等人，聚合物

同時，研究人員對各種參數(shù)進行了調(diào)整和組合，以證明它們對潤濕性接觸角、表面粗糙度和材料孔隙率等性能的影響。通過調(diào)整層高、擠出機寬度和兩種打印方向的組合來研究最佳的自清潔織物表面。并且通過建模確定最佳的3D打印織物自清潔性能。

作者得出結(jié)論，打印參數(shù)對自潔織物的最終微觀性能有顯著影響。擠出機寬度和層高的不同組合會極大地影響材料的表面粗糙度、潤濕性和孔隙率。孔隙率變化也取決于材料。在這三種材料中，TPE顯示出最佳的自清潔能力。

展望未來
總體而言，該論文展示了調(diào)整打印參數(shù)對織物自清潔性能的影響，實驗結(jié)果與模型一致。研究結(jié)果可用于未來估計印花織物的自清潔能力，為這些重要材料的進一步開發(fā)提供顯著優(yōu)勢。

原文鏈接：https ://www.mdpi.com/2073-4360/14/15/3128