3D打印技術在功能性紡織品中的應用及發(fā)展趨勢

1. 東華大學服裝與藝術設計學院，上海 200051；2. 同濟大學上海國際設計創(chuàng)新研究院，上海 200051

3D打印技術是一種通過逐層增加材料來生成三維實體的快速增材制造技術[1]。3D打印技術使得產(chǎn)品的制造更加智能、精準和高效[2]。近年來，3D打印技術得到了快速發(fā)展和廣泛運用。它作為一種新的制造工藝，極大地推動了現(xiàn)代制造技術和控制技術的發(fā)展，同時帶動了各個產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級。3D打印技術的進步為功能性紡織品的發(fā)展提供了契機。我國對功能性紡織品的需求量很大，主要是舒適功能紡織品，它們在醫(yī)療保健、衛(wèi)生、防護及環(huán)保等領域運用廣泛。功能性紡織品要具備舒適、衛(wèi)生、防護、保健、可調(diào)節(jié)等功能[3]，用于醫(yī)療和環(huán)保等領域時還要滿足生物相容性和安全性等要求。

1 3D打印材料現(xiàn)狀

1.1 3D打印材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模

3D打印技術已在工業(yè)制造、建筑工程、航空航天及醫(yī)療衛(wèi)生等領域得到廣泛應用[4]。3D打印產(chǎn)業(yè)主要由制造裝備、材料與服務組成，其中2017年材料的貿(mào)易額占比為26.9%[5]。圖1給出了2017年3D打印產(chǎn)業(yè)中制造裝備、材料、服務的產(chǎn)值占比。目前，3D打印材料主要有塑料、金屬材料、陶瓷材料和碳纖維增強塑料等類別。表1歸納了這四種3D打印材料的優(yōu)點及應用范疇。

圖1 2017年3D打印產(chǎn)業(yè)中制造裝備、材料、服務的產(chǎn)值占比

3D打印材料優(yōu)點應用范疇塑料丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物具有良好的熱熔性、沖擊強度日用品、工程用品和部分機械用品聚己內(nèi)酯具有可降解性、較低的熔點(約60 ℃)、極好的生物相容性藥物傳輸設備、縫合劑光敏樹脂具有較快的固化速度,表干性能優(yōu)異高精度汽車、電子產(chǎn)品金屬材料鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金、鎂合金生產(chǎn)效率高,質(zhì)量高,制備成本低航空航天、醫(yī)療、工業(yè)產(chǎn)品氧化鋁陶瓷具有高抗彎強度、高硬度、優(yōu)良的抗磨損性等刀具、磨輪、球閥、軸承陶瓷材料碳化鈦陶瓷具有較高的熔點、熱穩(wěn)定性、屈服強度和高溫強度,良好的耐腐蝕性和抗氧化性,常溫下具有良好的導熱、導電性能航空航天、高端武器、船舶、汽車、電子產(chǎn)品碳纖維增強塑料短碳纖維增強改性工程塑料、連續(xù)碳纖維增強塑料及復合材料具有高強度、高沖擊韌性、耐熱耐腐蝕性好、導電導熱、可循環(huán)利用等特點航空航天、高鐵、新能源、汽車、機械、電子、體育運動器材和醫(yī)療器材

1.2 3D打印技術在功能性紡織品中的應用

功能性紡織品是指具有某些特殊性能，能滿足人們特殊需求的紡織品[6]。利用3D打印技術，可將3D打印材料置于紡織品內(nèi)部或外部，賦予紡織品新的功能特性。3D結構可黏附在紡織品表面，通過相應功能材料的添加，使紡織品具備期望的物理化學特性。2016年，以色列Nano Dimension公司與一家歐洲的功能性紡織品公司合作，嘗試在織物上打印導線，成功獲得了具備導電功能的織物[7]。英國Tamicare公司開發(fā)出一個制造系統(tǒng)Cosyflex，用于生產(chǎn)3D打印智能紡織品，其可將傳感器和導線與織物同時進行打印，制造出一系列導電紡織品[8]。

3D打印材料種類繁多，不同的3D打印機器和技術可以打印不同的材料，生產(chǎn)出不同功能的產(chǎn)品。將3D打印技術與紡織品以不同方式結合，可以達到不同的效果。例如，通過3D打印技術在紡織品表層直接打印3D打印材料，可達到美觀、裝飾、耐久的效果；使用3D打印技術打印出不同的3D結構，并將3D結構與紡織品黏合，可賦予紡織品相應的功能；將具有導電導熱能力的3D打印材料，如碳纖維增強材料，應用于紡織品中間層或底層，可賦予紡織品導電和導熱功能。基于3D打印技術和3D打印所使用材料的不斷突破，3D打印材料或3D結構(統(tǒng)稱“3D打印件”)與功能性紡織品相結合，可使功能性紡織品獲得多樣的外觀，或賦予功能性紡織品自身不能實現(xiàn)的功能，如導電導熱等。目前，我國的3D打印技術正在高速發(fā)展，3D打印所使用材料正呈功能多樣化趨勢發(fā)展，3D打印技術與功能性紡織品結合，對我國智能化紡織品的研究將起到一定的推動作用。

1.3 3D打印技術應用于功能性紡織品的基本要求

(1) 功能性。在3D打印材料中融入功能性添加劑，如含有聚乳酸(PLA)纖維的3D打印顏料可以呈現(xiàn)出不同的顏色，并且具有熒光或金屬效果；或將3D結構功能化，即通過3D打印，引入具有裝飾性和功能性的結構元件，如用于連接、錨固和防護的機械結構元件，如圖2所示[9]。

圖2 3D打印件實例——錨固和連接元件

(2) 穩(wěn)定性。除了通過3D打印技術在紡織品表面實現(xiàn)簡單的功能外，3D打印件與紡織品穩(wěn)定結合也是一個重要前提。3D打印件與紡織品結合成為一個整體，在其使用過程中，會經(jīng)受洗滌和磨損等作用，影響其穩(wěn)固性的最重要因素是3D打印件與紡織品之間的黏附性。

(3) 具備吸濕、保溫、防水、透濕、抗菌、防霉、防污、防火、防靜電、環(huán)保、可調(diào)節(jié)及防過敏等功能性紡織品的基本特性[10]。

2 3D打印功能性紡織品的研究成果及發(fā)展趨勢

2.1 研究成果

目前，國內(nèi)外的3D打印技術雖日漸成熟，但仍處于發(fā)展階段。3D打印技術與功能性紡織品結合所體現(xiàn)的作用是提高紡織品的導熱性、耐磨損性等功能，或呈現(xiàn)多樣化的裝飾效果。

武漢紡織大學開發(fā)出適用于3D打印的光固化蠟和高性能光固化樹脂材料。該材料是利用納米增韌劑和芳綸短纖維、漿粕增強劑改性丙烯酸酯類樹脂，通過樹脂增韌增強技術改性得到的，具有低收縮率、高精度和優(yōu)異的力學性能等特點[11]。

瑞典博羅斯大學(University of Bor?s)、法國國立藝術與紡織工業(yè)學院(ENSAIT)、法國里爾一大GEMTEX(GEnie et Matériaux TEXtiles)實驗室、法國北部里爾大學(Université Lille Nord de France)及蘇州大學紡織與服裝工程學院聯(lián)合進行了“聚合物和納米復合材料直接3D打印在紡織品上的黏附性能”的研究，結果表明PLA纖維絲對PLA織物的黏附性最大。此研究使用3D打印技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴墨打印技術，并且使用的PLA材料具有可持續(xù)、生態(tài)環(huán)保等特點，因此其研究成果肯定了使用3D打印技術制造環(huán)保和智能功能性紡織品的可能性[12]。

德國下萊茵應用技術大學和比勒費爾德中型企業(yè)應用技術大學聯(lián)合進行了“機織物融入3D打印元素增強織物力學性能”的研究，結果發(fā)現(xiàn)，利用3D打印技術將碳纖維打印在機織物上(圖3)，織物的橫向拉伸強度較未打印碳纖維時增大[13]。

(a) 未打印碳纖維的機織物

(b) 打印碳纖維的機織物

2.2 發(fā)展趨勢

近年來，我國對功能性紡織品的需求逐漸增多，這在一定程度上推動了功能性紡織品的研究和開發(fā)進程。3D打印技術的逐步成熟與發(fā)展，推動功能性紡織品往智能化、多功能化的方向發(fā)展。3D打印功能性紡織品的發(fā)展趨勢可以從以下方面體現(xiàn)：

(1) 智能化。將3D打印技術與功能性紡織品相結合，可促進我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，如制備智能繃帶、智能穿戴設備等，同時也可促進我國軍事事業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，如開發(fā)帶有傳感器的服裝等。目前，出現(xiàn)了將電子工業(yè)和紡織領域的生產(chǎn)工藝相結合制備智能紡織品的發(fā)展趨勢。

(2) 環(huán)保。功能性紡織品的發(fā)展主要指向環(huán)保且可循環(huán)。3D打印材料層出不窮，目前已出現(xiàn)許多生態(tài)環(huán)保、可降解的3D打印材料，如利用植物資源制成的PLA(聚乳酸)。利用3D打印技術與傳統(tǒng)功能性紡織品結合，可獲得新型生物降解紡織品、可重復使用織物等環(huán)保型的功能性紡織品。

(3) 高性能。在傳統(tǒng)紡織品中嵌入3D打印材料，可增強紡織品的某些性能。CHEN等[14]將3D打印技術和靜電紡絲結合，得到了能快速響應和可設計性增強的水凝膠致動器。

(4) 形式多樣化。3D打印技術在功能性紡織品中應用，比如在紡織品上直接打印3D打印材料，或將3D打印結構黏附于紡織品上，使得功能性紡織品的形式更加多樣化，為功能性紡織品的發(fā)展提供更多的可能性。

3 結語

本文分析了3D打印材料現(xiàn)狀，通過分析目前3D打印技術和功能性紡織品結合的研究成果，指出未來基于3D打印技術的功能性紡織品的發(fā)展趨勢；總結了3D打印技術在功能性紡織品中的應用，目前主要通過利用3D打印技術在紡織品上直接打印3D打印材料，以及利用3D打印技術打印出3D結構再黏附于紡織品上兩種途徑，尚未涉及利用3D打印技術直接制備功能性紡織品。筆者認為，目前的工業(yè)技術發(fā)展很難突破不能直接利用3D打印技術制備功能性紡織品的局限，因為所得制品無法滿足紡織品的舒適功能要求。隨著社會經(jīng)濟和生活水平的提高，功能性紡織品將在保證其舒適、衛(wèi)生、防護、保健、可調(diào)節(jié)等功能的前提下，往智能、環(huán)保、高性能及形式多樣的方向發(fā)展。3D打印技術為此提供了一定的可能性。