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纤维后加工及应用PDF下载44合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第5 2 卷第7 期氨纶短纤维对聚氨酯3 D打印面料的影响郭家宁，孟家光1 2*，张紫阳（1.西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安7 1 0 0 48；2.西安工程大学功能性纺织材料及制品教育部重点实验室，陕西西安7 1 0 0 48)摘要：向聚氨酯打印溶液中添加长度为0.6 0.8 mm，质量分数为1%、3%、5%的氨纶短纤维，测试氨纶短纤维对聚氨酯打印溶液的流变、3 D打印面料的力学性能、耐磨性、硬挺度等的影响。结果表明：随着氨纶短纤维质量分数的增加，溶液黏度逐渐增大，氨纶短纤维质量分数为5%时，黏度为536Pas；氨纶短纤维质量分数为3%时，聚氨酯3 D打印面料的断裂强力最高，为5 7.3 3 N氨纶短纤维的加入有利于改善聚氨酯3 D打印面料的硬挺度和折皱弹性，当氨纶短纤维质量分数为3%时，聚氨酯3 D打印面料的弯曲长度降低了44.4%、平均急弹性回复角增加了1 7.2 8%，平均缓弹性回复角增加了1 4.96%。关键词：氨纶；短纤维：3 D打印；聚氨酯中图分类号：TS101.8文献标志码：A文章编号：1 0 0 1-7 0 5 4(2 0 2 3)0 7-44-0 5目前，我国3 D打印技术尚处于发展阶段，虽然历经2 0 年的摸索和探究，但相比3 D打印技术起步较早的国家仍有差距-2 1。据统计，在2 0 1 7 年，我国已有上千家企业从事3 D打印技术的研发以及相关的业务。国内相关领域的院校、研究机构都在积极研究这项技术 3 ，国内一些顶尖高校，如西安交通大学等，最先开展3 D打印相关研究，3 D打印技术转化也主要集中在各个高校。2 0 1 8 年之前，我国3 D技术专利申请达到了990 7 件(4-5 。对于许多将这种技术视为未来的时装设计师来说，3 D打印的时装秀并不是什么新鲜事(6-7 。需要克服的挑战之一是这些3 D打印织物的舒适性和灵活性。研究人员对设计和各种结构的3 D打印表现出了极大的兴趣，从传统的纺织结构转变成数字代码 8-9)，不同的结构被测试生产类似于编织或织物结构的3 D打印织物0，其中针织结构更灵活。不同作者进行的研究展示了这些新型复合材料的可能收稿日期：2 0 2 2-0 9-1 3修回日期：2 0 2 3-0 5-2 9基金项目：国家支撑计划项目(2 0 1 2 BAF13B03)；陕西省科技统筹创新工程项目(2 0 1 4SZS13-Z10)。作者简介：郭家宁(1 995 一），男，汉族，在读硕士研究生，主要研究方向为现代纺织理论与工程。*通信联系人：。性和技术限制，提出了在织物上的3 D打印几何图形的组合 1 2 。另外，印刷在织物上的自成形结构具有重要的功能和美学价值1 3，但是所遇到的问题之一是这两种材料之间的黏附力，而对织物进行预处理可以使黏附力显著改变。此外，打印参数如喷嘴温度、打印床温度4、填充方向1 5 等，对黏附力有显著影响。本试验在聚氨酯打印溶液中加入氨纶短纤维，探究氨纶短纤维的添加对聚氨酯3 D打印溶液的流变、3 D打印面料的力学性能、耐摩擦性能、硬挺度的影响。1试验1.1试验原料和仪器热塑性聚氨酯(TPU)，工业品，日本SMP技术公司。二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。聚氨酯丙烯酸酯，工业品，广东博兴新材料科技有限公司。光引发剂，工业品，上海引昌新材料有限公司。聚氨酯短纤维，长度0.6 0.8 mm，自制。上海墨师智能科技有限公司直写式3 D打印机(定制)，奥地利安东帕公司YQ201401701型流变仪，美国FEI公司Quanta-450-FEG型场发射扫描2023,52(7)45郭家宁氨纶短纤维对聚氨酯3 D打印面料的影响电镜，美国英斯特朗公司INSTRON3365电子织物强力机，上海精密仪器仪表有限公司YG207N型电子硬挺度仪和YG401C-8型织物平磨仪，宁波纺织仪器厂YG541E型全自动激光织物折皱弹性测试仪，红杉实验设备厂HJ-1型恒温磁力加热搅拌器1.2聚氨酯打印溶液的制备先将适量TPU原料置于电热鼓风干燥箱中进行干燥处理，干燥时间为6 h，干燥温度为6 0。然后称取一定量TPU放入DMF溶液中，在恒温水浴锅中8 0 溶解2 h，待溶解完全加入一定量聚氨酯丙烯酸酯，用磁力搅拌器搅拌均匀。其中，TPU的质量分数为2 5%。复合溶液中固体质量分数为70%。随后，加入质量分数为3%的光引发剂，磁力搅拌均匀，得到聚氨酯打印溶液。1.3聚氨酯3 D打印面料的制备按照1%、3%、5%的质量分数向聚氨酯打印溶液里添加氨纶短纤维，用磁力搅拌器搅拌3 h至氨纶短纤维在溶液中均匀混合，得到直写式氨纶短纤维混合打印溶液。将制得的混合打印溶液静置脱泡后倒进打印针筒内，在打印速度为1 0 mm/s、喷头挤出速度为0.3mm/s、填充密度为6 0%、打印针头直径为0.40.6mm的工艺参数下，边打印边用紫外灯照射使其固化，得到聚氨酯3 D打印面料，用去离子水冲洗，彻底去除残留的溶剂，随后放于恒温烘箱中60下烘6 h。1.4测试与表征1.4.1流变测试为了测试打印溶液加入氨纶短纤维后的黏度，在安东帕流变仪上测试了打印溶液在稳态模式下的流变性能。1.4.2形貌观察采用场发射扫描电镜观察聚氨酯3 D打印面料的形貌。1.4.3力学性能测试按照GB/T1040.2一2 0 0 6 塑料拉伸性能的测定测试标准，采用电子织物强力机对聚氨酯3 D打印面料进行拉伸测试。1.4.4硬挺度测试按照GB/T183182001纺织品织物弯曲长度的测定，采用电子硬挺度仪对添加氨纶短纤维前后的聚氨酯3 D打印面料进行硬挺度测试。测试前试样在恒温恒湿室内平衡48 h，裁剪试样大小为25mm250mm，取6 块试样，压板推进速度为4mm/s，水平倾角为45 1.4.5耐磨性测试按照GB/T21196.32007纺织品马丁代尔法织物耐磨性的测定，采用织物平磨仪对整理前后的聚氨酯3 D打印面料进行耐磨性测试，分析摩擦不同次数后面料的质量变化，以此来评定面料的耐磨性。测试前，裁剪直径为(3 8.0+0.5)mm的试样，添加氨纶短纤维前后的试样各取5 块，选择6 0 0#水砂纸作为标准磨料，磨料的直径为1 4cm。当完成摩擦次数试验后，根据各摩擦次数对应的平均质量损失按照公式(1)计算耐磨指数。A=n/m(1)式中：A为耐磨指数，次/mg；n 为总摩擦次数，次；Am为试样在总摩擦次数下的质量损失，mg。当总摩擦次数一定时，试样在总摩擦次数下的质量损失越小，则耐磨指数越高，表明试样的耐磨性越好。1.4.6折皱弹性测试按照GB/T38191997纺织品织物折痕回复性的测定回复角法，采用激光织物折皱弹性测试仪对添加氨纶短纤维前后的聚氨酯3 D打印面料进行折皱弹性测试，分析面料在添加氨纶短纤维前后折皱回复角的变化。折皱弹性试样示意图见图1。15mmKuu回复翼折痕线uu固定翼40mm垂直法图1 折皱弹性试样示意图2结果与讨论2.1流变分析如图2 所示，随着氨纶短纤维质量分数的增加，溶液中氨纶短纤维聚集现象较为严重，溶液黏度逐渐增加，当氨纶短纤维质量分数为5%时，溶液黏度最大为5 3 6 PaS。46合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第5 2 卷第7 期600一无氨纶短纤500一1%氨纶短纤一3%氨纶短纤一5%氨纶短纤(s.ed)/鞋4003002001000020406080100剪切速率/s-图2 打印溶液的流变曲线2.2形貌结果分析由图3 可知：未添加氨纶短纤维的打印面料的截面平整光滑，结构紧密，表明紫外光固化效果良好；当添加氨纶短纤维后，纤维排列方向与打印方向一致，这有利于提高聚氨酯3 D打印面料的力学性能。当添加质量分数为1%的氨纶短纤维时，观测到打印面料截面中有少量纤维，纤维在溶液中分散较为均匀，并无聚集现象产生；当氨纶短纤维质量分数为3%时，可以明显观测到纤维在溶液中有少量聚集，呈现纤维束状态，此时打印较为顺利，打印中并没有出现严重堵塞喷嘴的现象；当氨纶短纤维质量分数为5%时，观测到溶液中纤维聚集比较严重，打印面料截面中有明显纤维束，纤维排列方向高度统一，且和打印方向一致，(a)未添加氨纶短纤维(b)氨纶短纤维质量分数为1%476:51M(c)氨纶短纤维质量分数为3%(d)氨纶短纤维质量分数为5%图3 加入氨纶短纤维后打印面料的形貌图2.3力学性能分析由表1 可知，随着氨纶短纤维质量分数的增加，氨纶短纤维在打印面料中沿着打印方向排列均匀，当打印面料受外力拉伸时会承担一部分力，当氨纶短纤维质量分数为3%时，断裂强力最大，达到5 7.3 3 N，相比未加入氨纶短纤维时提高了2 5.2%；随着氨纶短纤维质量分数的进一步增加，断裂强力反而降低，这可能是氨纶短纤维在打印面料中大量聚集，引起打印面料受力不匀所致。氨纶短纤维的加入会降低打印面料的弹性性能，未加氨纶短纤维的打印面料的断裂伸长率为2 2 9.4%，当加入质量分数1%的氨纶短纤维后，断裂伸长率下降到1 5 3.7 1%；氨纶短纤维质量分数为3%时，打印面料的断裂伸长率为149.97%，相比未加入时降低了3 4.6%；氨纶短纤维质量分数为5%时，打印面料的断裂伸长率为152.76%。从表1 数据可以看出，氨纶短纤维的加入量对打印面料断裂伸长率的影响不是很大，综合断裂强力与断裂伸长率，加入3%质量分数的氨纶短纤维时，打印面料的力学性能最优。表1 氨纶短纤维的加入对聚氨酯3 D打印面料力学性能的影响氨纶短纤维质量分数/%断裂强力/N断裂伸长率/%045.78229.40151.24153.71357.33149.97553.05152.762.4硬挺度分析表2 所示为聚氨酯3 D打印面料的硬挺度。由表2 可知，未添加氨纶短纤维的打印面料的伸出长度平均值为4.8 2 cm，弯曲长度平均值为2.41 cm。一般来说，面料弯曲长度平均值可以用来表征面料硬挺度大小：面料弯曲长度越大，硬挺度越大；反之，面料弯曲长度越小，硬挺度越小。从表2 测试数据可以得出，加入氨纶短纤维后，聚氨酯3 D打印面料的弯曲长度有所降低，有利于降低面料的硬挺度。当加入氨纶短纤维的质量分数为1%时，弯曲长度平均值降至1.8 9cm；当氨纶短纤维质量分数为3%时，弯曲长度平均值降至1.3 4cm，比未加氨纶短纤维时降低了44.4%；当氨纶短纤维质量分数为5%时，弯曲长度平均值降低至2.1 3 cm。由此可以看出，当聚氨酯3 D打印面料中聚氨酯短纤维质量分数为3%时，面料硬挺度改善最好，此时面料最为柔软。2023,52(7)郭家宁氨纶短纤维对聚氨酯3 D打印面料的影响47表2 氨纶短纤维的加入对聚氨酯3 D打印面料硬挺度的影响氨纶短纤维质量分伸出长度平均值/cm弯曲长度平均值/cm数/%04.822.41一3.791.8932.681.3452.262.132.5耐磨性分析表3 为加入氨纶短纤维前后聚氨酯3 D打印面料的耐磨性测试分析。从表3 可知：加入氨纶短纤维后，聚氨酯3 D打印面料的质量损失随着摩擦次数的增加而增加，且比加入氨纶短纤维前的高。摩擦次数为1 0 0 0 次，当氨纶短纤维质量分数分别为1%、3%、5%时，质量损失要比加入前的分别增加5.9%、9.1%、1 8.2%，耐磨指数分别为5.0 5 次/mg、4.90次/mg、4.5 2 次/mg。表3 氨纶短纤维的加入对聚氨酯3 D打印面料耐磨性的影响氨纶短纤维摩擦次摩擦前质摩擦后质量损耐磨指数/质量分数/%数/次量/mg质量/mg失/mg(次mg)2001669238.704001618745.410600169215661264.7680015351575.10100015051875.352001876306.6740017941123.571600190617651414.2680017371694.73100017081985.052001887385.264001836894.493600192517711543.9080017481774.52100017212044.902001895533.7740018431053.815600194817901583.8080017591894.23100017272214.52从表3 还可以看出：加入氨纶短纤维后耐磨指数要比加入前有所降低；随着氨纶短纤维质量分数的增加，耐磨指数降低。这是因为当表面聚氨酯面料磨损后，氨纶短纤维失去保护，进一步摩擦，氨纶短纤维容易脱落，因此造成质量损失随着氨纶短纤维质量分数的增加而增加2.6折皱弹性分析由表4可以看出：未加氨纶短纤维时，聚氨酯3 D打印面料的平均急弹性回复角为1 2 3.7 2，平均缓弹性回复角为1 2 9.0 3；随着氨纶短纤维质量分数的增加，面料平均急弹性回复角和平均缓弹性回复角均增大。由此可见，氨纶短纤维的加入有利于增加聚氨酯3 D打印面料的折皱弹性，并且随着氨纶短纤维质量分数的增加，这种趋势越明显。表4氨纶短纤维的加入对聚氨酯3 D打印面料折皱弹性的影响氨纶短纤维质量平均急弹性回复角/平均缓弹性回复角/分数/%0123.72129.031138.14144.60145.10148.335148.46152.083结语向聚氨酯打印溶液中添加长度为0.6 0.8 mm，质量分数为1%、3%、5%的氨纶短纤维，探究氨纶短纤维的加入对打印溶液的流变、聚氨酯3 D打印面料的力学性能、耐磨性、硬挺度等的影响，结论如下。(1)对加入氨纶前后聚氨酯3 D打印面料进行扫描电子显微镜观测，氨纶短纤维在打印复合物中排列整齐，可以观察到纤维聚集现象；随着氨纶短纤维质量分数的增加，聚氨酯3 D打印溶液的黏度逐渐增加，当聚氨酯短纤维质量分数为5%时，黏度最大为5 3 6 PaS。(2)当氨纶短纤维质量分数为3%时，聚氨酯3D打印面料的断裂强力最高，为5 7.3 3 N，断裂伸长率最低，为1 49.97%。(3)氨纶短纤维的加入有利于改善聚氨酯3 D打印面料的硬挺度和折皱弹性：当氨纶短纤维质量分数为3%时，聚氨酯3 D打印面料的弯曲长度降低了44.4%，此时面料最柔软；当氨纶短纤维质量分数为3%时，平均急弹性回复角增加了1 7.2 8%，平均缓弹性回复角增加了1 4.96%。当加入5%质量分数的氨纶短纤维、摩擦次数为1 0 0 0 次时，面料质量损失比未加氨纶短纤维时增加1 8.2%。C48合成纤维Synthetic Fiber in China2023年第5 2 卷第7 期参考文献1潘冬璇.关于3 D打印技术在服装服饰中的创新应用研究 D武汉：武汉纺织大学，2 0 1 6.2冯帆.3 D打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响 J.科技创新与应用，2 0 1 5(1 8)：47-47.3黄建社,洪铃燕.3 D打印术在服装设计的发展趋势 J西部皮革，2020,42(15):45.4王斯佳，唐红玉，鲍伟，等。3 D打印技术应用于服装设计的研究现状 J.纺织科技进展,2 0 2 0(6):42-45.5王珏.3 D打印技术在服装造型构想中的应用研究 D.济南：齐鲁工业大学，2 0 1 9.6 MENANO L,FIDALCO P,SANTOS I M,et al.Integration of 3D print-ing in art education:a multidisciplinary approachJJ.Computers in theSchools,2019,36(3):222-236.7 SPAHIU T,CANAJ E,SHEHI E.3D printing for clothing production.JournalofEngineeredFibersandFabrics,2020,15:1558925020948216.8 DAVIS F.3D printed textiles from textile code:structural form and ma-terial operationsCJ/Proceedings of the 16th Iberoamerican Congress ofDigital 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mass fraction ofSpandex staple fibers.When the mass fraction of Spandex staple fibers is 5%,the viscosity is 536 Pa:s.When the mass fraction of Spandex staple fibers is 3%,the breaking strength of polyurethane 3D printingfabric is the highest,which is 57.33 N.The addition of Spandex staple fibers is helpful to improve the stiff-ness and fold elasticity of polyurethane 3D printing fabric.When the mass fraction of Spandex staple fibersis 3%,the bending length of polyurethane 3D printing fabric decreases by 44.4%,the average rapid elasticrecovery angle increases by 17.28%,and the average slow elastic recovery angle increases by 14.96%.Key words:Spandex,staple fiber,3D printing,polyurethane人人关心环境质量人人参与环境保护