西安工程大学孟家光、支超团队 Addit. Manuf.：棉纤维3D打印织物在纺织和时尚产业的应用

2024-01-29 来源：高分子科技

3D打印技术因其快速制造和能实现服装的个性化定制，在纺织服装领域中受到了广泛的关注。然而，目前3D打印材料生产的打印织物柔韧性和舒适性较差，与传统纺织品存在较大的舒适性差距。因此，需开发用于3D打印纺织面料的新型打印材料，以提高3D打印面料的舒适性和柔韧性。

针对上述问题，西安工程大学孟家光、支超团队采用棉纤维作为3D打印原材料，开发了可直接打印织物和服装的新型纤维素打印墨水。将棉纤维溶解在LiCl/DMAc溶剂中，加入羟乙基纤维素（HEC）调节油墨的可打印性，采用直接油墨书写（DIW）技术打印面料（图1）。制备出的3D打印纤维素面料可实现接近于棉织物的柔韧性，透气性和吸湿性，且相较于传统纺织流程，减少了生产步骤，最大化的减少了生产浪费（图2）。

图1. 3D打印纤维素织物的制备

图2. 传统工艺与3D打印工艺制备服装对比

为了提高油墨的可打印性和形状保真度，本研究将棉纤维溶解，在溶液中加入流变添加剂HEC制备出不同浓度的纤维素油墨，如图3所示。纤维素油墨表现出优异的成形性，克服了3D打印纤维素织物在打印后坍塌或成形不连续的问题。

图3. 纤维素油墨的流变特性和可打印性

冷冻干燥、热干燥和光固化三种不同的后处理方式使3D打印织物表面结构有不同的差异，其微观结构进一步表明3D打印纤维素织物符合纤维素特征（图4）。研究进一步对比了不同后处理方式下织物的各项性能（图5）。其中，冷冻干燥赋予了3D打印纤维素织物截面多孔结构，可增加织物的透气性，并且这种方式处理下的织物具有最好的悬垂性和拉伸性。

图4. 3D打印纤维素面料的物理特性和化学结构

图5. 3D打印纤维素织物的悬垂性、高度差和拉伸性

3D打印纤维素织物在250次摩擦后仅出现部分磨损现象，与棉织物相比，再生纤维相互缠绕增强了其抗磨损能力，3D打印纤维素织物具有更好的耐磨性。此外，3D打印纤维素织物平均弯曲长度值（3.19 cm）相比PLA、ABS和TPU材料3D打印织物明显降低，与棉织物平均弯曲长度（1.92 cm）最为接近，这表明3D打印纤维素织物的柔韧性得到了明显的提升。

此外，3D打印纤维素织物表现出一定的芯吸能力。且通过结构分析，发现3D打印纤维素织物的透气性主要依靠打印长丝间特殊的孔洞，这种孔洞依靠挤压油墨形成相互垂直的细丝而产生。特殊的孔洞结构使得3D打印纤维素织物相较FDM打印聚合物透气性得到明显提升。

图6. 3D打印纤维素织物的耐磨性、顶破性、刚柔性和折弹性

图7. 3D打印纤维素织物的吸湿性和透气性

最后，采用新型纤维素油墨进行了服装和手套的制备（图8），并进行了穿戴试验。结果表明，由新型纤维素油墨打印的服装和手套具有优秀的舒适性和服用性能，这进一步表明将棉纤维用于3D打印，以生产高舒适性面料及服装的可行性。

图8. 3D打印纤维素织物的应用展示

相关研究以Application of 3D printing cellulose fabrics based on cotton fibers in the textile and fashion industry为题发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing（DOI：10.1016/j.addma.2024.104000）。论文第一作者为西安工程大学纺织科学与工程学院博士研究生杨露，通讯作者为西安工程大学孟家光教授和支超副教授。西安工程大学薛涛副教授、王永臻副教授、硕士研究生史格格、高兴云参与了相关研究工作。感谢国家自然科学基金项目、陕西省科技创新领军人才项目、陕西省高校优秀青年人才支持计划等对本工作的大力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104000

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（责任编辑：xu）

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