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科学家开发出用于3D打印智能纺织设备的新型聚合物混合物

来源:原创

发布时间:2020-10-16 09:37:19

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  aau讯(编辑 佟佟)近日,GEMTEX研究实验室的科学家与瑞典Borås大学、中国东吴大学合作,开发了一系列新型聚合物,可直接在织物上进行3D打印。
  
  据了解,研究人员设计了一系列定制的、增强的聚合物混合物,其中包括炭黑(CB)、聚丙烯(PP)弹性体和碳纳米管(CNT)。当使用两步挤压工艺将塑料组合物3D打印到布料上时,与现有的注入聚合物的可穿戴设备相比,所得的含添加剂服装具有增强的强度质量,且不易断裂。
  
  该团队的新型导电3D打印材料系列可以实现新一代智能纺织品的开发,其几何形状比当前更复杂。
  
  纺织业的增材制造
  
  众所周知,FDM是世界上使用最广泛的3D打印技术,尽管它通常被用作生产原型,但它也越来越多地用于将导电聚合物融合到纺织品中。使用FDM,可以在图案或层中沉积热塑性塑料,并且近年来,许多研究人员设法将传感器、天线和其他物体打印到纺织品上。
  
  而今,在直接打印到织物上所遇到的困难之一是保持原始材料的拉伸性能以及在多次洗涤后保持高水平的粘合性。肯尼亚莫伊大学(Moi University)先前的研究表明,沉积在衣服上对PET塑料的质量的影响比对PLA的影响更大,这意味着材料成分对于纺织品3D打印的成功至关重要。
  
  肯尼亚莫伊大学的研究人员还发现,为了应对可穿戴塑料的脆性,需要改善聚合物各层的应力和应变。基于此,联合研究团队开始寻找用于3D打印的理想聚合物。低密度聚乙烯(LDPE)表现出潜力,因为它的质地柔软且具有橡胶感,并且聚乙烯(PE)已在其他纺织品应用中使用。
  
  其他塑料【例如,导电聚合物复合材料(CPC)】是带电的,以前曾被用于生产传感器,但是已知它们暴露于不同的温度会影响其电阻性能。为了使CPC易于加工并使其更加稳定,研究人员假设可以将CPC掺入不混溶的弹性聚合物中。


  
  创建用于3D打印的增强型共混聚合物
  
  研究人员旨在提高3D打印到纺织品中的LDPE和PBE聚合物的柔韧性、耐应力性和导电性。为了实现这一目标,该团队生产了许多不溶混的CNT,并使用了一种结构化的CB(称为科琴黑(KB))来填充低密度LDPE / PP弹性体(PBE)混合物。
  
  为了更仔细地检查其新的聚合物组合的特征,该团队创建了四个样品,样品的填充水平不同,因此电导率也不同。此外,再制作另外五个样品,它们也具有不同的重量,但是这些样品可用于评估CPC-PBE的流变性质,并优化每种组分聚合物的百分比。
  
  研究小组测试聚合物样品的过程包括使用Pollen AM Pellet Additive Manufacturing(PAM)3D打印机将其沉积到矩形的聚酯片中。处理完所有测试对象后,研究人员进行了一系列流变分析,以评估其新型材料的拉伸性能。
  
  评估表明,增加聚合物中KB和CNT的含量会增加其电导率,因为填料开始在它们之间建立网络。此外,使用两步挤出技术(在打印前将塑料转变成颗粒)的效果相反,限制了形成的聚合物网格的数量,从而降低了导电性。
  
  就该团队开发的新型聚合物共混物的强度而言,PBE密集型配方被证明比没有这种配方的材料更耐应变。 PBE的流变学组成允许其KB和CNT填料之间形成高度结构化的网格,从而在保持自然柔韧性和弹性的同时提高强度。
  
  总体而言,该团队的3D打印方法使他们能够定制其组合的热塑性塑料并创建高度结构化的聚合物网格,同时保持弹性体的灵活性。使用PBE可以明显改善导电性、抗应变性和弹性,研究人员认为它们的材料将成为将来3D打印可穿戴设备的可行基础。
  
  时装界的3D打印服装
  
  柔性聚合物和弹性体配方的最新进展越来越多地使其能够用于时装业以及整个纺织领域。
  
  目前,Stratasys已开发出其新颖的直接纺织品3D打印技术-PolyJet打印技术,该技术还允许将数字设计直接打印到材料上。在最近与时装设计师Ganit Goldstein和Julia Koerner进行的现场测试中,该公司设法3D打印了一系列新潮的3D打印服装系列。
  
  GE Additive和Protolabs与美国时装设计师Zac Posen的合作取得了类似的成果,用户将可以看到他们为2019年Met Gala制作的礼服。展会上的“玻璃鞋”连衣裙耗费了Protolabs 200多小时的时间,经历了打磨和涂覆等多个步骤。
  
  在其他地方,伦敦皇家艺术学院时装和纺织品研究的候选人Mingjing Lin和Tsai-Chun Huang博士使用3D打印机制造商Sinterit的柔性TPU来制作京剧的3D打印服装。通过利用增材制造,二人组能够生产出高度复杂的几何形状,并为每个穿着者量身定制服装。
  
  目前,研究人员已经将其发现发表在题为“使用3D打印技术为智能纺织品应用开发柔性和导电不溶混的热塑性/弹性体单丝”的论文中。该论文由Prisca Eutionnat-Diffo、Yan Chen、Jinping Guan、Vincent Nierstrasz、AurélieCayla和Christine Campagne合著。
  
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延伸阅读:大阪大学科学家开发出基于丝纤维的新型生物墨水

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