3D打印在智能紡織品中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李 帥

(江西服裝學(xué)院 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心,南昌 330201)

隨著3D打印市場(chǎng)增長的加快,紡織產(chǎn)業(yè)也開始以各種方式應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行革新與制造,如3D打印紡織品、服裝、時(shí)尚配飾、鞋類等。智能紡織品相較于傳統(tǒng)紡織品而言,在功能性方面對(duì)于制造技術(shù)提出了更高的要求,而傳統(tǒng)的制造技術(shù)需要較復(fù)雜的工藝流程才能實(shí)現(xiàn)智能紡織品的生產(chǎn)。3D打印技術(shù)在某些層面上能解決此類問題,它可以利用具有智能屬性的材料直接進(jìn)行立體打印,以制成具智能屬性的紡織品。對(duì)于3D打印技術(shù)在智能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究,可為促進(jìn)智能紡織品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、設(shè)計(jì)與開發(fā)提供新的研究思路。

1 智能紡織品及其應(yīng)用分類

1.1 智能紡織品的定義

智能紡織品是將材料、生物、化工、電子信息等技術(shù)融入紡織品中,從而對(duì)不同的刺激(光、溫度、濕度、溶劑、電氣、磁等)具有感知、反應(yīng)、調(diào)節(jié)或適應(yīng)的功能[1],并能延續(xù)紡織品自身屬性的新型紡織品[2]。它可以分為兩類:一類是“被動(dòng)型”智能紡織品,具有被環(huán)境刺激后改變其性能的能力[3]。例如,形狀記憶紡織品、疏水或親水性紡織品等都屬于這一類。另一類“主動(dòng)型”智能紡織品,通過傳感器和驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)?nèi)容參數(shù)轉(zhuǎn)化為傳遞信息[3]。這類“主動(dòng)型”智能紡織品能夠感知溫度、光強(qiáng)和污染等不同環(huán)境信號(hào),并使用各種基于織物的、靈活的、微型化的執(zhí)行器,包括紡織顯示器、微振動(dòng)設(shè)備、發(fā)光二極管等對(duì)環(huán)境信號(hào)做出反饋[4]。隨著納米纖維非織造布、導(dǎo)電纖維、塑料光纖、石墨烯、碳納米管、小型電子元器件和傳感器及微薄電池等技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)智能紡織品的市場(chǎng)增長起到了巨大的推動(dòng)作用[5]。

1.2 智能紡織品的分類

智能紡織品在交通、能源和醫(yī)療領(lǐng)域,防護(hù)、安全、通信等電子產(chǎn)品領(lǐng)域都有較廣泛的應(yīng)用,根據(jù)功能的不同可分為智能變色、溫控、形狀記憶、防水透濕、活性紡織品和智能電子紡織品等類型。

1.2.1 智能變色紡織品

智能變色紡織品是指能夠隨著外部環(huán)境條件,如光線、溫度、壓力等的變化而表現(xiàn)出不同顏色的紡織品[6]。這類智能紡織品主要包括光致變色紡織品、溫致變色紡織品、電致變色紡織品、電熱致變色紡織品、壓致變色紡織品、濕致變色紡織品等[7]。光致變色紡織品經(jīng)光照射產(chǎn)生具有不同吸收光譜的兩種形式之間的可逆轉(zhuǎn)變,主要表現(xiàn)為根據(jù)光源的變化而發(fā)生顏色的變化,并在光源消失后可恢復(fù)本來顏色。溫致變色紡織品能夠根據(jù)周圍溫度的變化而改變自身顏色,其變色原理主要有pH值變化機(jī)制和電子得失機(jī)制兩種[8]。電致變色紡織品主要采用平面夾層結(jié)構(gòu)或線形結(jié)構(gòu),其中各種纖維電極被包裹在一起,通過調(diào)整變色材料摻雜成分與比例,或是改變單一電致變色材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)等方法,實(shí)現(xiàn)纖維的變色效應(yīng)[9]。電熱致變色紡織品是指某些纖維材料在外加交替正負(fù)電壓作用下,由于焦耳熱而可逆地改變材料的顏色。該類紡織品是將電致變色與熱致變色進(jìn)行結(jié)合的一種智能變色紡織品,其根本原理就是熱致變色。壓致變色紡織品是通過導(dǎo)電纖維經(jīng)緯交織形成的矩陣感知織物受壓部位,從而發(fā)生顏色變化[10]。

1.2.2 智能溫控紡織品

人體和環(huán)境之間的熱量傳遞高度依賴于環(huán)境溫度、空氣流動(dòng)、平均輻射加熱、相對(duì)濕度和服裝紡織品的協(xié)同作用[11]。傳統(tǒng)的紡織材料包括棉、聚酯、羊毛和尼龍等,在溫度控制方面都有缺點(diǎn)。如寒冷的冬季使用棉花來防止熱量流失時(shí),增加厚度是唯一的方法,然而保暖的性能有限。在炎熱的夏天,棉也不能阻擋紅外輻射。因此,開發(fā)智能溫控紡織品,使紡織品能夠與人體產(chǎn)生交互作用以達(dá)到控制能量輸出、調(diào)節(jié)體溫的目的。智能溫控紡織品根據(jù)其機(jī)制可分為兩類:第一類是指在沒有輸入電源的情況下能夠感知和應(yīng)對(duì)環(huán)境刺激的紡織品。它的物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)環(huán)境溫度的變化而改變。如相變材料,可以根據(jù)環(huán)境變化而吸收或釋放熱量,是智能溫控紡織品的主要材料之一[12]。融進(jìn)相變材料的紡織品可以形成能量調(diào)節(jié)系統(tǒng),這種設(shè)計(jì)能夠保持人的體溫處于恒溫狀態(tài),使人不會(huì)感到太冷,也不會(huì)太熱,在冷熱兩極之間減少人體能量的輸出。第二類是可以將人體熱量轉(zhuǎn)化為電能的紡織品。如基于塞貝克效應(yīng)的熱電材料(TE)被運(yùn)用在紡織領(lǐng)域中已展示了其巨大的潛能,TE材料利用這種效應(yīng)將高熵能直接轉(zhuǎn)化為電能。此外,TE材料還可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能,用于冷卻或加熱。

1.2.3 形狀記憶紡織品

形狀記憶紡織品是一種通過編織或整理將具有形狀記憶功能的材料置入其中,在溫度、pH值、電、光、磁場(chǎng)和溶劑等外部條件下,具有形狀記憶、恢復(fù)率高、抗沖擊、較好適應(yīng)性等優(yōu)良性能的紡織品[13]。形狀記憶紡織品按材質(zhì)可以分為合金類和聚合物類。形狀記憶合金是一種特殊的金屬材料,將其賦予一定形狀后,經(jīng)過適當(dāng)?shù)募訜?、照射或化學(xué)處理等,能夠恢復(fù)其原始形狀[14]。形狀記憶聚合物,作為一類高分子材料,不僅溫度記憶可選擇范圍寬,而且質(zhì)量輕、原料來源和加工容易、可恢復(fù)形變量大,因而應(yīng)用廣泛。形狀記憶聚合物可以制造成記憶纖維,再由纖維織造成具有記憶功能的紡織品;也可以制成整理液,對(duì)普通織物進(jìn)行后期整理,從而使紡織品具有形狀記憶功能。經(jīng)過形狀記憶后期整理的紡織品,其記憶性能會(huì)隨水洗次數(shù)的增加而慢慢減弱,甚至消失;而由形狀記憶纖維織造而成的紡織品,其記憶特性與纖維本身的性質(zhì)有關(guān),有些材料的形狀記憶特性可以永久保持。

1.2.4 防水透濕紡織品

防水透濕紡織品又稱“可呼吸的紡織品”,是指紡織品在一定的水壓下不被水潤濕,使之具有拒水性,同時(shí)人體散發(fā)的汗液又能以水蒸氣的形式傳導(dǎo)到紡織品外側(cè),不在人體表面和紡織品之間積聚冷凝使人感到不舒適。防水透濕紡織品的原理是氣體分子通過紗線間隙從高濃度擴(kuò)散到低濃度[15]。它主要包括以下四種類型:高密度紡織品是采用精梳高支棉紗或超細(xì)合成纖維制成的質(zhì)地特別致密的織物,利用改變織物結(jié)構(gòu)而達(dá)到防水透濕的目的;微孔膜防水透濕紡織品利用水滴直徑與水蒸氣分子直徑之差來起到防水和防潮的作用;無孔膜防水防潮紡織品利用分子親水性來增加防水膜表面的張力,以達(dá)到防水的效果;智能型防水透濕紡織品是指織物可根據(jù)不同的環(huán)境特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)透濕性的高低,如高溫下織物通過高透濕性以達(dá)到優(yōu)良的散熱排汗效果,而低溫下織物通過低透濕性以達(dá)到降低散熱提升取暖性[16]。

1.2.5 智能活性紡織品

智能活性紡織品在響應(yīng)溫度、壓力、電流、光照、濕度、溶劑等外加刺激下,改變結(jié)構(gòu)形狀而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)、傳感、顏色變化和能量收集等功能[17]。具有較大應(yīng)力、高適應(yīng)性、高峰值輸出率、穩(wěn)定的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn),目前較多地應(yīng)用在軟機(jī)器人、可穿戴電子設(shè)備、動(dòng)態(tài)偽裝、生物醫(yī)療領(lǐng)域[18-20]。傳統(tǒng)紡織品生產(chǎn)制造的層級(jí)關(guān)系是纖維材料、紗線結(jié)構(gòu)、紡織品形態(tài)[21],而智能活性紡織品基于紡織品的結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行開發(fā)。通過在纖維成分中加入水凝膠、碳納米管、石墨烯、雙晶片等活性材料,既保持了紡織纖維材料的基本特性,還增加了新的活性特征。紗線結(jié)構(gòu)是智能活性紡織品層級(jí)結(jié)構(gòu)的第二步,通過施加預(yù)應(yīng)力和約束來改變?cè)祭w維材料的機(jī)械性能?；钚约喚€在結(jié)構(gòu)上的形變方式主要有纏繞式螺旋結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、夾心結(jié)構(gòu)、混合同軸結(jié)構(gòu)等[22]。這過程涉及的參數(shù)包括成束長絲的數(shù)量和單位長度施加的捻度,從而進(jìn)一步調(diào)整了紗線的彎曲剛性、斷裂強(qiáng)度和應(yīng)變伸縮率。最后利用編織、針織或編結(jié)等制造工藝將活性紗線制成紡織品形態(tài),可以進(jìn)一步調(diào)整活性纖維和紗線的機(jī)械性能[23-24]。

1.2.6 智能電子紡織品

智能電子紡織品將紡織品與電子信息技術(shù)結(jié)合,在紡織品中嵌入傳感器和通信設(shè)備,再通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和計(jì)算機(jī)等技術(shù)對(duì)紡織品中的設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析并作出反饋[25]。智能電子紡織品由分布式處理單元、各種傳感器、人機(jī)交互設(shè)備和電源系統(tǒng)等電子元件組成,這些電子元件在智能紡織品中主要有三種實(shí)現(xiàn)方式:第一種實(shí)現(xiàn)方式是將現(xiàn)有的電子元件集成到紡織品。優(yōu)點(diǎn)是制作過程較簡單,但若使用的電子元件過大,也有影響用戶使用和洗滌的問題。第二種實(shí)現(xiàn)方式是使用紡織材料和紡織制造技術(shù)生產(chǎn)電子元件。雖然集成的過程較容易,但通過紡織材料和紡織制造技術(shù)可以生產(chǎn)的電子元件的類型有限。第三種實(shí)現(xiàn)方式是生產(chǎn)和使用纖維來提供一些電子功能。

2 3D打印技術(shù)分類與特征

2.1 3D打印的定義

3D打印又稱快速成型、增材制造,是一種以3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏結(jié)材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[26]。3D打印工藝由建模、打印、后處理三個(gè)主要步驟組成。通過設(shè)計(jì)軟件或三維掃描儀進(jìn)行CAD設(shè)計(jì),將數(shù)字文件傳輸至3D打印機(jī)系統(tǒng),設(shè)置相關(guān)參數(shù)開始打印,在打印完成后可能還需要利用研磨、染色、粘貼等手段對(duì)打印物體進(jìn)行后處理[27]。傳統(tǒng)的加工技術(shù)主要是以機(jī)械加工為主的切割或削減材料的加工方式,而3D打印是與傳統(tǒng)切削加工相反的疊層加工方式[28]。與傳統(tǒng)加工相比較,3D打印的優(yōu)勢(shì)在于加快了復(fù)雜部件的加工速度、功能性產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能提高、產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)速度加快、一體化成型減少組裝環(huán)節(jié)、制造工具簡單化、能源節(jié)約的程度提高、降低了多產(chǎn)品共線的生產(chǎn)成本等[29]。因此,3D打印在生物醫(yī)療、航空航天、文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂、工業(yè)制造、建筑工程等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用,甚至在教育領(lǐng)域也占有一定的地位。

2.2 3D打印的技術(shù)分類

3D打印技術(shù)應(yīng)用較廣的成型工藝包括光固化成型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光熔化(SLM)、激光近凈成型(LENS)、電子束熔融成型(EBM)、分層實(shí)體制造(LOM)、多頭噴技術(shù)(PolyJet)、黏結(jié)劑噴射(Binder Jetting)等。在紡織服裝行業(yè),FDM、SLS技術(shù)被應(yīng)用最多,此外還有SLA、PolyJet、Binder Jetting等技術(shù)。根據(jù)成型工藝的方式不同,可以分為7個(gè)類型,如表1所示。不同的3D打印技術(shù)使用的材料不同,FDM主要使用熱塑性聚合物進(jìn)行打印,如ABS、PLA、PC、TPU、PVC、PPS等。SLS和SLA理論上是一樣的,不同的是SLS用激光去燒結(jié)粉末,如尼龍粉、金屬粉等。另外還有運(yùn)用各種類型的材料,如塑料、金屬、陶瓷、玻璃、紙張、木材、食材、椰殼、羊毛、亞麻等進(jìn)行制造[30]。目前主要用于紡織服裝制作的3D打印材料有聚乳酸(PLA)、聚氨酯(TPU)和Bendlay等。PLA和TPU屬于熱塑性塑料,具有良好的柔韌性、耐腐蝕性和耐磨性,Bendlay是由Orbi-Tech制造的Acrylonitrile Butadiene Styrene[31]。根據(jù)最近的研究表明,隨著材料開發(fā)的不斷深入,天然和合成纖維本身可以作為3D打印材料[32]。在3D打印紡織品制造中,需要重點(diǎn)考慮的物性是柔軟性。此外,還必須滿足紡織材料基本要求的特性,如抗拉強(qiáng)度、耐磨性、透氣性等。

表1 3D打印的技術(shù)分類與特征Tab.1 Technical classification and characteristics of 3D printing

2.3 3D打印智能紡織品的優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)為智能紡織品的高效率制造開辟了新的路徑,也提供了許多新的可能性。它簡化了傳統(tǒng)制造方法,通過多種成型工藝降低制造的復(fù)雜性。與傳統(tǒng)制造相比,3D打印在智能紡織品領(lǐng)域有五個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),即成本、速度、創(chuàng)新、質(zhì)量和影響。

2.3.1 制造成本大幅度降低

3D打印智能紡織品無需使用工具、模具而直接制作原型或制件,可大幅縮短產(chǎn)品的試制周期并節(jié)省工具的費(fèi)用。由于制造過程由3D打印機(jī)獨(dú)立完成,無需采購各式各樣的機(jī)器,這也省去一部分設(shè)備采購與維護(hù)的費(fèi)用。而且制造速度很快,從CAD數(shù)字模型到生產(chǎn)完成的速度比傳統(tǒng)加工成型方法快得多,在使用3D打印技術(shù)制造智能紡織品時(shí),由于是有控制地一層層添加材料,減少了材料的浪費(fèi),既節(jié)省了時(shí)間成本也節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本。此外,3D打印制造使得供應(yīng)鏈縮短,不需要庫存、倉儲(chǔ)、包裝和運(yùn)輸,也相對(duì)地縮減了成本。

2.3.2 制造環(huán)節(jié)被有效簡化

智能紡織品的織造生產(chǎn)需要解決很多問題,如使用非常規(guī)紗線進(jìn)行織造、減少經(jīng)紗和緯紗在織造過程中的損傷、保持特殊結(jié)構(gòu)織物的成型性等。在這過程中會(huì)使用不同的機(jī)器進(jìn)行織造,如織布機(jī)、提花機(jī)等。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造相比,無論是打印紗線或是紡織品形態(tài)都極大地縮減了制造環(huán)節(jié)與降低了制造難度,主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)速度加快、一體化制造減少多余環(huán)節(jié)和制造工具簡化。

2.3.3 多種材料的組合

智能紡織品的部分功能體現(xiàn)在智能纖維材料的使用,即為了制造智能纖維會(huì)將具有不同屬性的材料結(jié)合成單一結(jié)構(gòu)的纖維,而傳統(tǒng)機(jī)器在織物成型過程中不易將多種材料進(jìn)行融合織造。在其他的領(lǐng)域,有多種材料進(jìn)行混合注塑的應(yīng)用,但其成本較高、塑型品質(zhì)良莠不齊。而3D打印技術(shù)則不同,可以在同一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)不同材料的混合打印,為智能紡織品的新功能開發(fā)提供了創(chuàng)新可能性。

2.3.4 提升織物性能質(zhì)量

3D打印技術(shù)提升織物性能主要從兩個(gè)方面考慮:首先是打印材料,通過使用具有特殊性能的材料進(jìn)行織物的制造,材料的優(yōu)秀性能直接影響織物的性能屬性。其次是打印結(jié)構(gòu),織物的打印結(jié)構(gòu)通過改變紗線經(jīng)緯的間隙、粗細(xì)、排列方式表現(xiàn)出不同的性能質(zhì)量。另外,在傳統(tǒng)制造過程中,由于制造工具和工藝方法的限制,復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和過于彎曲扭轉(zhuǎn)的曲面加工難度較高,相比之下,3D打印制造具有實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的優(yōu)勢(shì),因?yàn)樵摷夹g(shù)不受傳統(tǒng)制造工藝的技術(shù)限制。

2.3.5 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造

傳統(tǒng)紡織行業(yè)造成的環(huán)境污染主要涉及原料加工、紡織生產(chǎn)、染整等過程[33],如設(shè)備產(chǎn)生的大量噪音、退漿、煮煉、漂白和洗滌造成的廢水、設(shè)備加熱的過程中產(chǎn)生大量的能源消耗、減材制造過程中產(chǎn)生的廢料等都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。而3D打印是一體成型的增材制造技術(shù),縮減了紡織品制造周期,基本上不會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢水,部分回收的廢料也可循環(huán)使用。

3 3D打印技術(shù)在智能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用類型

智能紡織品可以包含光纖、相變材料、化學(xué)品或其他電子元件,為普通紡織品增加新的功能。越來越多的紡織材料正試圖采用3D打印技術(shù)直接制造出具有復(fù)雜功能的智能紡織品,目前的研究主要集中在導(dǎo)電、形狀記憶、溫度調(diào)節(jié)和柔性電子元件等方面。

3.1 3D打印智能導(dǎo)電紡織品

開發(fā)導(dǎo)電紡織品最常見的方法是在織物表面附著導(dǎo)電材料,實(shí)現(xiàn)方法包括層壓、涂層、印刷、噴涂、離子電鍍、化學(xué)鍍層、真空金屬化、陰極濺射和化學(xué)氣相沉積等。3D打印機(jī)能夠準(zhǔn)確地打印出所定義的形狀。通過這種方式,可以將導(dǎo)電紗線或涂層連接起來,特別是與無引線的SMD(表面安裝設(shè)備)元件連接。同時(shí),3D打印可以調(diào)整電子元件的結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)與織物最合適的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。德國比勒費(fèi)爾德應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Grimmelsmanna等[34],利用3D打印技術(shù)在使用導(dǎo)電Shieldex紗線織造的包含電路路徑的面料上直接打印,使3D打印的物體作為導(dǎo)電線與小型電子元件之間連接,從而讓紡織品發(fā)光,如圖1所示。作為紡織基材,選擇了有肌理效果的、表面相對(duì)緊湊且均勻的單面鉤花針織面料,使3D打印材料能更好地與織物黏結(jié)。開發(fā)者設(shè)計(jì)了一款SMD-LED電子元件,在紡織基材表面利用FDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造。SMD-LED由黑色導(dǎo)電材料、非導(dǎo)電的白色PLA材料及LED三個(gè)部分組成。黑色導(dǎo)電部分主要起到電連接的作用,材料使用的是Proto-Pasta導(dǎo)電PLA長絲,擠出機(jī)溫度207 ℃,打印床溫度60 ℃,層高為0.2 mm,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充。白色部分為普通的PLA長絲,起到固定和連接的作用。具有導(dǎo)電特性的黑色長絲與Shieldex紗線連接,點(diǎn)亮紡織品上的LED。3D打印部件作為串聯(lián)電阻,保護(hù)LED不受過高的應(yīng)用電壓而影響其正常工作。當(dāng)內(nèi)部電阻較低時(shí),LED的亮度則較低,因?yàn)長ED和3D打印部件連接串聯(lián)電阻作為分壓器工作,較高電阻下的電壓降越高。

圖1 3D打印發(fā)光智能紡織品Fig.1 3D-printed luminous smart textiles

3.2 3D打印智能溫控紡織品

具有調(diào)節(jié)溫度的智能紡織品種類繁多,如當(dāng)前市面上最為常見的溫濕度調(diào)節(jié)紡織品,是通過去除多余的水分來降低人體溫度[35]。但這類紡織品只有在身體和織物之間的空氣處于高濕度水平時(shí)才能被觸發(fā),這限制其在濕度水平較低時(shí)的應(yīng)用。另外還有其他溫控技術(shù),包括帶有相變材料的冷袋紡織品、空氣冷卻紡織品和液體冷卻紡織品等,但也都有其局限性。研究人員為了解決這類問題,在開發(fā)熱調(diào)節(jié)紡織品方面做了大量的工作。馬里蘭大學(xué)利用一種在聚乙烯醇(PVA)聚合物基體中嵌入了氮化硼納米片(BNNSs)的復(fù)合材料進(jìn)行3D打印,制成能使人體溫度快速下降的智能溫控紡織品,如圖2所示。BNNSs具有二維結(jié)構(gòu),有高達(dá)2 000 W/(m·K)的平面內(nèi)熱導(dǎo)率[36]。為了利用BNNSs的平面內(nèi)熱性能,片材必須有良好的排列方向和均勻的分散[37-39]。由于BNNSs在PVA溶液中進(jìn)行超聲處理時(shí)可以通過吸收的聚合物促進(jìn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,因此可以實(shí)現(xiàn)均勻的分散[40]。同時(shí),在纖維打印和進(jìn)一步的熱拉加工過程中,通過單軸延伸流動(dòng)引入了納米復(fù)合纖維,其中BNNSs形成良好的排列方向,從而形成聲子熱傳導(dǎo)的能量路徑。高度定向且相互連接可以提供更多導(dǎo)熱途徑,從而有效地提高了a-BN/PVA復(fù)合纖維的熱性能,a-BN/PVA紡織品可以沿著纖維釋放人體產(chǎn)生的額外熱量。紡織品將人體產(chǎn)生的額外熱量沿纖維釋放到周圍環(huán)境中,從而為人體提供了熱舒適的微氣候,以達(dá)到降溫的目的。

圖2 3D打印智能溫控紡織品Fig.2 3D-printed smart temperature-controlled textiles

3.3 3D打印形狀記憶紡織品

形狀記憶聚合物是一種能記住原始形狀的聚合物,在一定條件下改變其形狀,并能通過施加如熱、電、磁場(chǎng)等刺激,又恢復(fù)到原始形狀的高分子材料。形狀記憶聚合物最常使用的聚乳酸(PLA),也是3D打印中常使用的材料,因此形狀記憶聚合物可以通過3D打印技術(shù)進(jìn)行制作。目前對(duì)于使用3D打印技術(shù)打印形狀記憶聚合物的相關(guān)研究,主要涉及材料的兩方面,一類是使用百分百的純聚乳酸作為形狀記憶聚合物,但由于聚乳酸材料最長能延長10%[41],因此在進(jìn)行打印之前需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以克服這類限制。Langford等使用人字形折紙結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題,如圖3所示。圖3(a)是具有人字形折紙結(jié)構(gòu)的3D打印物。圖3(b)展示當(dāng)折疊時(shí),物體體積變小。當(dāng)展開時(shí),物體體積變大,但物體上出現(xiàn)了細(xì)微的幾條裂紋,如圖3(c)所示。通常PLA長絲的恒定恢復(fù)率約61%,而人字形折紙結(jié)構(gòu)的恢復(fù)率提升到約96%。另一類是采用聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行3D打印。Guido Ehrmann、Andrea Ehrmann利用FDM 3D打印機(jī),通過將80%的PLA與20%的Fe3O4混合,形成固體混合物并將其粉碎,然后在雙螺桿擠壓機(jī)中擠壓打印了一種骨小梁多孔結(jié)構(gòu)[42],如圖4所示。通過施加30 kHz的交變磁場(chǎng),僅在14～24 s后就達(dá)到了95%以上的形狀恢復(fù)。除了這些可能性,聚乳酸還可以與其他聚合物混合,創(chuàng)造出具有恢復(fù)特性的物體。如在聚乳酸中加入羥基磷灰石(HAP)、碳纖維、鈦酸鋇和聚酯酰胺(PEA)等,加入的劑量、打印參數(shù)的設(shè)置,以及為了使形狀恢復(fù)施加的外因的不同,都會(huì)對(duì)其恢復(fù)率產(chǎn)生影響。這些3D打印的形狀記憶聚合物可以用來做形狀記憶面料,用于智能紡織品領(lǐng)域。

圖3 3D打印人字形折紙結(jié)構(gòu)形狀記憶物體Fig.3 3D-printed herringbone, origami structureand shape memory objects

3.4 3D打印智能電子紡織品

智能電子紡織品集成了傳感器、微控制器、執(zhí)行器、連接設(shè)備和能源等電子元件,傳統(tǒng)的電子元件多由金屬、塑料等材料制成,發(fā)生彎折、扭轉(zhuǎn)、拉伸等情況時(shí)容易導(dǎo)致不可逆變形,從而影響電子元件的正常功能,但柔性材質(zhì)的運(yùn)用可以彌補(bǔ)上述問題。這類柔性電子元件不僅能夠?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ钐峁┍銛y功能,而且由于其與人體皮膚接口的能力提高,還可以用來監(jiān)測(cè)人體的健康信息。然而,柔性電子元件的傳統(tǒng)加工技術(shù),對(duì)于功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子元件的加工會(huì)有局限。因此,3D打印的三維快速成型的加工方式受到關(guān)注。目前,各種3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性電子設(shè)備,為了增加對(duì)產(chǎn)品不同功能需求的適應(yīng)性,越來越多的柔性材料被應(yīng)用到3D打印技術(shù)中。例如楊慧等[43]利用PCL10K和甲基丙烯酸異氰乙酯的化學(xué)反應(yīng)合成的聚己內(nèi)酯(PCL),可以作為3D打印的柔性材料。通過商用的SLA打印機(jī)將聚己內(nèi)酯(PCL),打印成柔性裝置,并在上面涂上導(dǎo)電材料,如銀納米粒子或碳納米管(CNTs),形成具有形狀記憶性能的3D打印柔性電子裝置,如圖5所示。其中,圖5(a)的設(shè)備由一個(gè)3D形狀記憶聚合物打印物體組成。圖5(b)是在室溫下將銀納米粒子以燒結(jié)工藝添加到具有形狀記憶性能的3D打印物體表面,制造的柔性電溫度傳感器。圖5(c)中,當(dāng)柔性電溫度傳感器遇到溫度上升后,它的形狀發(fā)生變化,由開放電路變成關(guān)閉電路并點(diǎn)亮發(fā)光二極管。使用3D打印技術(shù)打印的具有形狀記憶行為的柔性傳感器,不僅賦予了電子設(shè)備以新的功能,而且在改變?nèi)伺c電子設(shè)備的互動(dòng)方式的同時(shí),也在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要的作用。

圖5 3D打印柔性電子設(shè)備Fig.5 3D-printed flexible electronics

4 3D打印智能紡織品的發(fā)展趨勢(shì)

將3D打印技術(shù)運(yùn)用到智能紡織品中,對(duì)新型材料、材料組合、混紡紗和面料基本成分處理,包括新型纖維、紗線形態(tài)及織物結(jié)構(gòu)等的探索會(huì)進(jìn)入一個(gè)全新的領(lǐng)域。在防護(hù)功能、舒適保健、易護(hù)理性能、外觀與形態(tài)、易用性能和環(huán)境特性等方面都能得到廣泛的應(yīng)用。目前,3D打印智能紡織品的技術(shù)應(yīng)用有三種:最常用的一種是直接在紡織品上3D打印,可以在現(xiàn)有紡織品的基礎(chǔ)上添加新的功能。該技術(shù)的重點(diǎn)是紡織品與3D打印材料之間的黏合,不同的材料在織物上的黏合程度,除了與兩種材料加熱屬性有關(guān)外,還與打印參數(shù)的設(shè)置有關(guān),如打印溫度、打印速度、填充率、走線角度等。基于柔軟、舒適的紡織基材和硬性材料的結(jié)合,未來這類產(chǎn)品將在醫(yī)療康復(fù)、安全防護(hù)等領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。第二方面是通過3D打印不同的紡織品結(jié)構(gòu),使其具有一些智能化的功能,并將廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、服裝、建筑等領(lǐng)域。第三方面是使用柔性材料進(jìn)行3D打印,柔性材料的開發(fā)目前還處于初級(jí)階段,隨著彈性材料在未來的快速發(fā)展,3D打印的智能紡織品在賦予多元功能性的同時(shí)也能提供良好的透氣性和透濕性。無論是在紡織品上直接3D打印,還是使用不同的復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)性打印的智能紡織品,都有望在未來進(jìn)行大批量商業(yè)性生產(chǎn)。

3D打印是依據(jù)三維數(shù)字模型,由計(jì)算機(jī)控制將離散材料逐層累加制造實(shí)體模型的技術(shù)[44]。雖然大多數(shù)3D打印機(jī)按照這樣的工作原理與流程進(jìn)行工作,但不同的3D打印類型在技術(shù)上的限制不同。如FDM打印速度較慢,還需浪費(fèi)材料做支撐;SLA設(shè)備造價(jià)高昂,使用和維護(hù)成本過高,對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)苛等。3D打印主要使用的材料類型有液態(tài)材料、固態(tài)材料和粉末材料,同種材料在打印過程中的操作流程也可能不同,同樣使用粉末材料進(jìn)行3D打印,SLS工藝需要對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)熱,以減少打印過程中的變形和黏粉等問題,而BJ工藝則不需要粉末預(yù)熱的步驟。另外,為了賦予紡織品以特殊功能,部分技術(shù)會(huì)選擇在打印材料中添加不同性質(zhì)的新成分,而使用新的材料進(jìn)行打印時(shí),需要重新對(duì)打印溫度、打印速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。3D打印工藝的結(jié)構(gòu)大多都需要進(jìn)行后處理加工,以創(chuàng)建表面質(zhì)量、機(jī)械性能和功能性良好的智能紡織品。后處理主要包括去除支撐結(jié)構(gòu)、拋光、上色、增強(qiáng)成形強(qiáng)度、長久保存處理和表面涂覆[45]。后處理雖然彌補(bǔ)了打印模型的不足,但也增加了操作流程和生產(chǎn)時(shí)間。目前,3D打印智能紡織品得到了快速發(fā)展和提高,但是在打印過程的穩(wěn)定性、成型的精度、精加工和后處理等環(huán)節(jié),均存在一定的缺陷和有待提高的地方。再者3D打印智能紡織品行業(yè)缺少統(tǒng)籌穩(wěn)定的發(fā)展,沒有完整的產(chǎn)業(yè)鏈或者產(chǎn)業(yè)體系,包括完善的供應(yīng)商、服務(wù)商體系和良好的市場(chǎng)平臺(tái)等,在技術(shù)研發(fā)和技術(shù)推廣上仍有較大的上升空間。

5 結(jié) 語

本文對(duì)3D打印技術(shù)在智能紡織品中的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究,分析了3D打印智能紡織品的五個(gè)優(yōu)勢(shì),并得出3D打印智能紡織品增加了產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的可能性,減少了生產(chǎn)流程,拓寬了智能紡織品應(yīng)用領(lǐng)域。目前市面上有幾十種3D打印機(jī),不同類型的機(jī)器可以根據(jù)要求選擇適合的打印材料,但3D打印技術(shù)無論是機(jī)器或材料都依然存在一定的局限性。3D打印智能紡織品,除了需要滿足功能性外,還應(yīng)滿足最基本的織物屬性,這些都受到3D打印機(jī)器和材料的限制,另外還有尺寸、強(qiáng)度、形變等也是需要關(guān)注的問題。3D打印智能紡織品主要是智能數(shù)字化制造和新型材料的應(yīng)用,隨著紡織工業(yè)、智能數(shù)字化、新材料及3D打印技術(shù)等不同領(lǐng)域的融合發(fā)展,使得智能紡織品的生產(chǎn)制造更有靈活性,走向更具有個(gè)性化的生產(chǎn)模式。

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