3D打印使得智能紡織得到了極大的發(fā)展。由3D打印制成的智能紡織品具有制造成本大幅度降低、制造環(huán)節(jié)被有效簡化、多種材料的組合、提升織物性能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造的優(yōu)勢。
成型方式
3D打印技術(shù)有黏結(jié)成形、光敏成形、熔融成形、選擇性激光燒結(jié)成形4種成形方法。每種方法適用于不同的材料。
成形方式的多樣化是目前3D打印技術(shù)在紡織行業(yè)發(fā)展成熟的見證。黏結(jié)成形技術(shù)是紡織類產(chǎn)品設(shè)計在著色工藝上發(fā)展成熟的表現(xiàn)，具體是將著色劑與黏合材料相結(jié)合，形成薄層并進(jìn)行著色。光敏技術(shù)是運(yùn)用光敏材料(UV樹脂)，在光作用下堆積成形進(jìn)行制造。熔融成形則是通過熱塑性材料在高溫腔體中熔化，形成液體，再被噴頭均勻噴出并疊加成形。由此可見，這些技術(shù)的應(yīng)用改變了紡織產(chǎn)品的制造方式，甚至影響到服飾產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)模式，因此，3D打印技術(shù)對紡織產(chǎn)品有著深遠(yuǎn)影響。
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。
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，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,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，如下圖所示。
作為紡織基材，選擇了有肌理效果的、表面相對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)部電陽較低時，LED的亮度則較低，因?yàn)長ED和3D打印部件連接串聯(lián)電陽作為分斥器工作，較高電陽下的電壓隆越高。
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，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才能被觸發(fā)，這限制其在濕度水平較低時的應(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，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。由于BNNSS在PVA溶液中進(jìn)行超聲處理時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，同時，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紡織品可以沿看纖維釋放人體產(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用環(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。
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%,因此在進(jìn)行打印之前需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計以克服這類限制。Langford等使用人字形折紙結(jié)構(gòu)來解決這個問題，如圖所示。圖(a)是具有人字形折紙結(jié)構(gòu)的3D打印物。
圖(b)展示當(dāng)折疊時，物體體積變小。當(dāng)展開時，物體體積變大但物體上出現(xiàn)了細(xì)微的幾條裂紋，如圖(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Fe04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),如圖所示。通過施加30 KHz的交變磁場，僅在14~24 s后就達(dá)到了95%以上的形狀恢復(fù)。
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)，對于功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子元件的加工會有局限。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，如圖所示。
其中，圖(a)的設(shè)備由一個3D形狀記憶聚合物打印物體組成。圖(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(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)備的互動方式的同時，也在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要的作用。
結(jié)語
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)滿足最其本的織物屬性，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，走向更具有個性化的生產(chǎn)模式。
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