ABS長絲立體成型織物的結構特征及服用性能

孫昭玲,孟家光，支 超，李 艷

(西安工程大學 紡織科學與工程學院/功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室，陜西 西安 710048)

0 引 言

3D打印是以計算機三維數字模型文件為基礎，通過逐層打印的方式構造物體的一種快速成型技術，可打印出高精度、高質量、低成本的產品，被廣泛應用于航天航海、醫療、紡織服裝等領域[1-3]。3D打印技術和紡織服裝結合，不僅可以實現傳統服裝無法達到的立體造型，還可以減少布料損耗，實現服裝與高新技術的結合及服裝產業的數字化[4-6]。

目前常用的3D打印技術有熔融沉積(FDM)、選擇性激光燒結(SLS)、立體光刻(SLA)、直接能量沉積(DED)、分層實體制造(LOM)[7-8]等，其中FDM使用最廣[9-10]。應用FDM成型的高分子絲材有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚乳酸(PLA)、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)等[11-12]。由于后兩者打印時黏性較大，堵塞噴頭，易造成打印成品不精細，所以研究人員側重于研究以ABS為材質的3D打印技術。陳濤等研究ABS成分及拉伸性能，發現打印制品的翹曲度低，成型性好[13]；AMIRUDDIN等通過3D打印技術和壓縮成型技術分別制造ABS樣品，并研究其摩擦學行為，發現3D打印型ABS磨損率低，性能良好[14]；CHIU等利用靜電紡絲技術制備ABS纖維，發現ABS薄膜表面光滑，無顆粒等[15]。綜上所述，ABS具有良好的力學性能及優良的成型性，并且打印成品表面光滑，符合服裝的打印要求。但目前國內外對ABS的研究主要在機械性能和打印外觀等方面，缺少對ABS立體織物服用性能表征方面的研究。本文首先對ABS噴絲前后結構進行表征，然后制備ABS型立體仿斜紋和網格織物，研究ABS型立體服裝的服用性能。

1 實 驗

1.1 原料與儀器

1) 實驗材料：直徑為1.75 mm的ABS長絲(珠海天威泛凌貿易有限公司)。

2) 實驗儀器：天威Colido X3045準工業級3D打印機(珠海天威泛凌貿易有限公司)；Quanta-450-FEG+X-MAX50場發射掃描電鏡(美國FEI公司)；Spotlight 400傅立葉變換紅外光譜儀(美國珀金埃爾默有限公司)；Dmax-Rapid II X射線衍射儀(日本理學公司)；YG461E-Ⅲ全自動透氣量儀(中國寧波紡織儀器廠)；YG40114C-B織物平磨儀(中國寧波紡織儀器廠)；YG541E全自動激光織物折皺彈性測試儀(中國寧波紡織儀器廠)；LLY4-01B電子硬挺度儀(萊州市電子儀器有限公司)。

1.2 ABS表征方法

1.2.1 掃描電鏡觀察 采用Quanta-450-FEG+X-MAX50型場發射掃描電鏡，測試熔融噴絲前后ABS長絲表面形態。首先將長絲剪成規定長度，使用電膠布將試樣粘貼在樣品臺上；再對試樣進行噴金處理；最后將樣品臺放在掃描電鏡下，通過調節不同的放大倍數觀察噴絲前后的表面形態。

1.2.2 紅外光譜(FTIR)測試 采用Spotlight 400傅立葉變換紅外光譜儀，測試熔融噴絲前后ABS長絲分子結構。采用壓片機制成透明薄片測試紅外光譜，根據分子紅外光譜的吸收峰位置、吸收峰的數量及強度變化分析熔融噴絲前后ABS長絲的性能變化。

1.2.3 X射線衍射 采用Dmax-Rapid II X射線衍射儀，表征熔融噴絲前后ABS長絲結晶度及取向度。實驗前，將熔融噴絲前后的 ABS長絲剪成30 mm的長度并固定在樣品臺上，利用Cu靶產生特征X 射線，對長絲進行衍射分析。測試電壓為40 kV，電流為250 mA。

1.3 ABS服用性能測試

1.3.1 透氣性 參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》[16]，采用YG461E-Ⅲ全自動透氣量儀(中國寧波紡織儀器廠)測試ABS型3D打印織物的透氣性。測試壓差100 Pa，測試面積20 cm2，直徑70 mm，實驗次數20次，取平均值。

1.3.2 耐磨性 參照GB/T 4802.2—1997《紡織品 織物起球試驗 馬丁代爾法》，采用YG40114C-B織物平磨儀測試ABS型3D打印織物的耐磨性。重錘壓力負荷594 g，實驗次數20次，取平均值。

1.3.3 剛柔性 參照ZBW04003—87《織物硬挺度試驗方法 斜面懸臂法》，采用LLY4-01B電子硬挺度儀測試ABS型3D打印織物的剛柔性。測試角度45°，縱、橫向各20次，取平均值，得出伸出長度、抗彎長度、抗彎剛度等。分別按照式(1)、(2)和(3)計算其總抗彎剛度。

(1)

B=0.1G(0.487l)3

(2)

(3)

式中：C為彎曲長度,cm；l為伸出長度,cm；θ=45°，則C=0.487l,cm;B為抗彎剛度,cN·cm；G為面密度,g/m2；BT為經向抗彎剛度,cN·cm；BW為緯向抗彎剛度,cN·cm；B0為總抗彎剛度。

1.3.4 折痕回復角 參照GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復性的測定 回復角法》[17]，采用YG541E全自動激光織物折皺彈性測試儀測試ABS型3D打印織物的抗皺性。急彈性測試時間(15±1) s，緩彈性測試時間5 min±5 s，實驗次數20次，取平均值。根據式(4)計算折皺回復率

(4)

式中：w為折皺回復率；θ為徑向或緯向彈性回復角。

2 3D打印織物的制備工藝

2.1 FDM技術原理

FDM原理是將絲狀熱塑性材料按照三維模型切片預訂的軌跡熔融噴出，逐層打印，直至形成完整的實物模型[18]。FDM技術原理圖如圖1所示。

圖 1 FDM技術原理

2.2 打印參數

打印工藝參數是影響打印外觀效果的主要因素[19]。選用Print-Rite CoLiDo Repetier-Host切片軟件，對.stl格式的模型進行水平切割，并計算織物組織切片模型參數,結果如表1所示。通過對ABS長絲反復預噴絲，確定較優的打印工藝參數為：熱床溫度110 ℃；擠出頭溫度230 ℃；打印頭移動速率70 mm/s。

表 1 基本組織模型切片信息

2.3 3D打印織物的建模與制備

采用3D Studio Max軟件建模。首先在3Ds Max軟件中，構造模型最小單元，啟用“渲染”功能；然后按照建立的模型大小對菱形進行“復制”、“附加操作”，分別得到網格結構和仿斜紋結構。建模效果和實物圖如圖2所示，2種織物的規格如表2所示。

(a) 網格織物效果圖 (b) 網格織物實物圖

(c) 仿斜紋織物效果圖 (d) 仿斜紋織物實物圖圖 2 織物建模效果與實物圖Fig. 2 Fabric modeling effect and physical picture

表 2 織物規格

3 結果與討論

3.1 ABS的結構特征

3.1.1 表觀結構分析 通過場發射掃描電鏡觀察熔融噴絲前后ABS的表面形貌，結果如圖3所示。由圖3(a)可知，噴絲前ABS長絲表面較為粗糙，有明顯的凹槽；由圖3(b)可知，噴絲后ABS表面光滑，細絲條干均勻連續。說明ABS耗材具有較好的流動性，能熔融成均勻的細絲，噴絲效果好。

3.1.2 紅外光譜(FTIR)分析 用紅外光譜分析熔融噴絲前后ABS分子結構和化學基團，測試結果如圖4所示。

圖 4 熔融噴絲前后ABS紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrum of ABS before and after melt spinning

由圖4可以看出，噴絲前后長絲的紅外光譜圖走勢基本相同。2 922 cm-1處出現的特征吸收峰是因為CH2反對稱伸縮振動引起的；2 852 cm-1處的特征吸收峰是由于CH2對稱伸縮振動引起的；2 238 cm-1處出現的特征吸收峰為C≡N發生伸縮振動引起的；1 736 cm-1處是C=C雙鍵發生伸縮振動出現的特征吸收峰；1 603 cm-1處是由于NO2反對稱伸縮振動出現的特征吸收峰；1 496 cm-1和1 453 cm-1處出現的特征吸收峰為CH2反對稱剪式振動；1 071、967、912、960 cm-1處出現的特征吸收均為烯烴C—H彎曲振動。同時，可以看出熔融噴絲后長絲的吸收峰強度減弱，是由于熔融噴絲時的高溫影響了材料內部的的官能團。但是，并沒有出現新的吸收峰，說明經過熔融噴絲后，長絲并沒有發生分子內部的結構變化。

3.1.3 X射線衍射分析 用X射線衍射測試熔融噴絲前后ABS的結晶度和取向度。測試結果如圖5所示。

圖 5 ABS熔融噴絲前后X射線衍射圖Fig.5 XRD pattern before and after ABS melt spinning

由圖5可以知，與噴絲前的長絲相比，噴絲后ABS的X射線衍射峰位置沒有發生明顯的變化，但強度降低。在2θ=20.3°時出現強度較高的衍射峰，為鈍峰；在2θ分別為27.6°、36.3°、39.4°、41.5°、44.4°、54.7°、57.1°、63.2°、64.5°、69.9°、73.0°時均出現較為尖銳的衍射峰。衍射峰的強度和結晶度有一定關系，衍射峰的強度越高，衍射峰越尖銳，結晶越好。因此，噴絲前ABS長絲的結晶度較高，噴絲后結晶度降低。

3.2 服用性能分析

3.2.1 透氣性 因為網格織物有很大的孔隙，具有優異的透氣性，因此，僅對仿斜紋織物進行測試。使用4.0噴嘴號，測得斜紋織物透氣率為300.97 L/(m2·s)。透氣量較小是因為仿斜紋織物有2層結構，上下2層的斜紋方向相反，導致織物空隙較小。

3.2.2 耐磨性 影響織物耐磨性能的主要因素有纖維的物理性質、形態尺寸以及紡織物的內部幾何結構。ABS長絲3D打印織物的耐磨性測試結果如表3所示。

表 3 打印織物耐磨性測試結果

由表3可以看出，ABS長絲3D打印服裝面料的耐磨性等級均為5級。由此可以說明，ABS打印織物的耐磨性能良好。不同于傳統織物易被磨損的特性，3D打印織物不會出現毛羽現象。

3.2.3 抗彎剛度 抗彎剛度主要反映織物的活絡性、剛柔性和彈力保持性等能力[20]，常用其相對指標彎曲剛度表達，彎曲剛度越大表示織物越剛硬。ABS型3D打印織物剛柔性的測試結果見表4。

表 4 打印織物剛柔性測試結果

由表4可知，ABS仿斜紋組織織物的總抗彎剛度比網格織物大。原因是仿斜紋組織織物中細絲結構排列緊密，沒有空隙；而網格織物是由大小規格相同的孔洞構成，因此，抗彎剛度也相應減小。

3.2.4 折痕回復角 織物受到揉搓擠壓等外力作用時會發生塑性彎曲變形而產生折皺。折痕回復角是評價織物折皺彈性的指標，折痕回復角越大說明保型性越好[21]。ABS型3D打印織物折痕回復角的測試結果如表5所示。

由表5可知，ABS型3D打印仿斜紋織物的經、緯向彈性回復角和折皺回復率均比網格織物大，原因同樣是仿斜紋織物比網格織物結構致密所致。因此，仿斜紋織物的抗皺性能比網格織物好。

表 5 打印織物折皺彈性測試結果

4 結 論

1) 通過掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射對ABS長絲的結構進行表征。結果表明：經過熔融噴絲后ABS長絲表面更均勻順滑；熔融噴絲并沒有使材料發生分子結構的變化；ABS具有較高的結晶度，噴絲后結晶度降低。

2) 根據建立的仿斜紋組織和網格組織模型，對ABS型3D打印實物模型進行效果分析，發現仿斜紋組織打印的更精確，網格組織更立體。

3) 測試分析制備的ABS仿斜紋型織物和網格織物的透氣性、耐磨性、抗皺性以及剛柔性等，結果表明：ABS仿斜紋組織織物的透氣率較??；仿斜紋織物的抗皺性能和抗彎剛度均比網格織物好；2種組織織物的耐磨性都很好，等級均為5級。