ABS长丝立体成型织物的结构特征及服用性能

2020-10-23孙昭玲孟家光

纺织高校基础科学学报 2020年3期

孙昭玲,孟家光，支超，李艳

(西安工程大学纺织科学与工程学院/功能性纺织材料及制品教育部重点实验室，陕西西安 710048)

0 引言

3D打印是以计算机三维数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式构造物体的一种快速成型技术，可打印出高精度、高质量、低成本的产品，被广泛应用于航天航海、医疗、纺织服装等领域[1-3]。3D打印技术和纺织服装结合，不仅可以实现传统服装无法达到的立体造型，还可以减少布料损耗，实现服装与高新技术的结合及服装产业的数字化[4-6]。

目前常用的3D打印技术有熔融沉积(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、立体光刻(SLA)、直接能量沉积(DED)、分层实体制造(LOM)[7-8]等，其中FDM使用最广[9-10]。应用FDM成型的高分子丝材有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚乳酸(PLA)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)等[11-12]。由于后两者打印时黏性较大，堵塞喷头，易造成打印成品不精细，所以研究人员侧重于研究以ABS为材质的3D打印技术。陈涛等研究ABS成分及拉伸性能，发现打印制品的翘曲度低，成型性好[13]；AMIRUDDIN等通过3D打印技术和压缩成型技术分别制造ABS样品，并研究其摩擦学行为，发现3D打印型ABS磨损率低，性能良好[14]；CHIU等利用静电纺丝技术制备ABS纤维，发现ABS薄膜表面光滑，无颗粒等[15]。综上所述，ABS具有良好的力学性能及优良的成型性，并且打印成品表面光滑，符合服装的打印要求。但目前国内外对ABS的研究主要在机械性能和打印外观等方面，缺少对ABS立体织物服用性能表征方面的研究。本文首先对ABS喷丝前后结构进行表征，然后制备ABS型立体仿斜纹和网格织物，研究ABS型立体服装的服用性能。

1 实验

1.1 原料与仪器

1) 实验材料：直径为1.75 mm的ABS长丝(珠海天威泛凌贸易有限公司)。

2) 实验仪器：天威Colido X3045准工业级3D打印机(珠海天威泛凌贸易有限公司)；Quanta-450-FEG+X-MAX50场发射扫描电镜(美国FEI公司)；Spotlight 400傅立叶变换红外光谱仪(美国珀金埃尔默有限公司)；Dmax-Rapid II X射线衍射仪(日本理学公司)；YG461E-Ⅲ全自动透气量仪(中国宁波纺织仪器厂)；YG40114C-B织物平磨仪(中国宁波纺织仪器厂)；YG541E全自动激光织物折皱弹性测试仪(中国宁波纺织仪器厂)；LLY4-01B电子硬挺度仪(莱州市电子仪器有限公司)。

1.2 ABS表征方法

1.2.1 扫描电镜观察采用Quanta-450-FEG+X-MAX50型场发射扫描电镜，测试熔融喷丝前后ABS长丝表面形态。首先将长丝剪成规定长度，使用电胶布将试样粘贴在样品台上；再对试样进行喷金处理；最后将样品台放在扫描电镜下，通过调节不同的放大倍数观察喷丝前后的表面形态。

1.2.2 红外光谱(FTIR)测试采用Spotlight 400傅立叶变换红外光谱仪，测试熔融喷丝前后ABS长丝分子结构。采用压片机制成透明薄片测试红外光谱，根据分子红外光谱的吸收峰位置、吸收峰的数量及强度变化分析熔融喷丝前后ABS长丝的性能变化。

1.2.3 X射线衍射采用Dmax-Rapid II X射线衍射仪，表征熔融喷丝前后ABS长丝结晶度及取向度。实验前，将熔融喷丝前后的 ABS长丝剪成30 mm的长度并固定在样品台上，利用Cu靶产生特征X 射线，对长丝进行衍射分析。测试电压为40 kV，电流为250 mA。

1.3 ABS服用性能测试

1.3.1 透气性参照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》[16]，采用YG461E-Ⅲ全自动透气量仪(中国宁波纺织仪器厂)测试ABS型3D打印织物的透气性。测试压差100 Pa，测试面积20 cm2，直径70 mm，实验次数20次，取平均值。

1.3.2 耐磨性参照GB/T 4802.2—1997《纺织品织物起球试验马丁代尔法》，采用YG40114C-B织物平磨仪测试ABS型3D打印织物的耐磨性。重锤压力负荷594 g，实验次数20次，取平均值。

1.3.3 刚柔性参照ZBW04003—87《织物硬挺度试验方法斜面悬臂法》，采用LLY4-01B电子硬挺度仪测试ABS型3D打印织物的刚柔性。测试角度45°，纵、横向各20次，取平均值，得出伸出长度、抗弯长度、抗弯刚度等。分别按照式(1)、(2)和(3)计算其总抗弯刚度。

(1)

B=0.1G(0.487l)3

(2)

(3)

式中：C为弯曲长度,cm；l为伸出长度,cm；θ=45°，则C=0.487l,cm;B为抗弯刚度,cN·cm；G为面密度,g/m2；BT为经向抗弯刚度,cN·cm；BW为纬向抗弯刚度,cN·cm；B0为总抗弯刚度。

1.3.4 折痕回复角参照GB/T 3819—1997《纺织品织物折痕回复性的测定回复角法》[17]，采用YG541E全自动激光织物折皱弹性测试仪测试ABS型3D打印织物的抗皱性。急弹性测试时间(15±1) s，缓弹性测试时间5 min±5 s，实验次数20次，取平均值。根据式(4)计算折皱回复率

(4)

式中：w为折皱回复率；θ为径向或纬向弹性回复角。

2 3D打印织物的制备工艺

2.1 FDM技术原理

FDM原理是将丝状热塑性材料按照三维模型切片预订的轨迹熔融喷出，逐层打印，直至形成完整的实物模型[18]。FDM技术原理图如图1所示。

图 1 FDM技术原理

2.2 打印参数

打印工艺参数是影响打印外观效果的主要因素[19]。选用Print-Rite CoLiDo Repetier-Host切片软件，对.stl格式的模型进行水平切割，并计算织物组织切片模型参数,结果如表1所示。通过对ABS长丝反复预喷丝，确定较优的打印工艺参数为：热床温度110 ℃；挤出头温度230 ℃；打印头移动速率70 mm/s。

表 1 基本组织模型切片信息

2.3 3D打印织物的建模与制备

采用3D Studio Max软件建模。首先在3Ds Max软件中，构造模型最小单元，启用“渲染”功能；然后按照建立的模型大小对菱形进行“复制”、“附加操作”，分别得到网格结构和仿斜纹结构。建模效果和实物图如图2所示，2种织物的规格如表2所示。

(a) 网格织物效果图 (b) 网格织物实物图

表 2 织物规格

3 结果与讨论

3.1 ABS的结构特征

3.1.1 表观结构分析通过场发射扫描电镜观察熔融喷丝前后ABS的表面形貌，结果如图3所示。由图3(a)可知，喷丝前ABS长丝表面较为粗糙，有明显的凹槽；由图3(b)可知，喷丝后ABS表面光滑，细丝条干均匀连续。说明ABS耗材具有较好的流动性，能熔融成均匀的细丝，喷丝效果好。

3.1.2 红外光谱(FTIR)分析用红外光谱分析熔融喷丝前后ABS分子结构和化学基团，测试结果如图4所示。

图 4 熔融喷丝前后ABS红外光谱图Fig.4 Infrared spectrum of ABS before and after melt spinning

由图4可以看出，喷丝前后长丝的红外光谱图走势基本相同。2 922 cm-1处出现的特征吸收峰是因为CH2反对称伸缩振动引起的；2 852 cm-1处的特征吸收峰是由于CH2对称伸缩振动引起的；2 238 cm-1处出现的特征吸收峰为C≡N发生伸缩振动引起的；1 736 cm-1处是C=C双键发生伸缩振动出现的特征吸收峰；1 603 cm-1处是由于NO2反对称伸缩振动出现的特征吸收峰；1 496 cm-1和1 453 cm-1处出现的特征吸收峰为CH2反对称剪式振动；1 071、967、912、960 cm-1处出现的特征吸收均为烯烃C—H弯曲振动。同时，可以看出熔融喷丝后长丝的吸收峰强度减弱，是由于熔融喷丝时的高温影响了材料内部的的官能团。但是，并没有出现新的吸收峰，说明经过熔融喷丝后，长丝并没有发生分子内部的结构变化。

3.1.3 X射线衍射分析用X射线衍射测试熔融喷丝前后ABS的结晶度和取向度。测试结果如图5所示。

图 5 ABS熔融喷丝前后X射线衍射图Fig.5 XRD pattern before and after ABS melt spinning

由图5可以知，与喷丝前的长丝相比，喷丝后ABS的X射线衍射峰位置没有发生明显的变化，但强度降低。在2θ=20.3°时出现强度较高的衍射峰，为钝峰；在2θ分别为27.6°、36.3°、39.4°、41.5°、44.4°、54.7°、57.1°、63.2°、64.5°、69.9°、73.0°时均出现较为尖锐的衍射峰。衍射峰的强度和结晶度有一定关系，衍射峰的强度越高，衍射峰越尖锐，结晶越好。因此，喷丝前ABS长丝的结晶度较高，喷丝后结晶度降低。