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3D printing of polymers onto textiles: An innovative approach to develop functional textiles
University of Borås, Faculty of Textiles, Engineering and Business.ORCID iD: 0000-0002-3775-4661
2020 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

This thesis aims at characterizing tridimensional (3D) printed polymers onto PET textile materials via fused deposition modeling (FDM) that uses both non-conductive and conductive polymers, optimizing their mechanical and electrical properties through statistical modeling and enhancing them with pre and post-treatments and the development of polymer blends. This research work supports the development of technical textiles through 3D printing that may have functionalities. The FDM process was considered in this thesis for its strong potential in terms of flexibility, resource-efficiency, cost-effectiveness tailored production and ecology compared to the existing conventional textile finishing processes, for instance, the digital and screen printings. The main challenge of this technology is to warranty optimized electrical and mechanical (bending, flexibility, tensile, abrasion, etc.) properties of the 3D printed polymer onto textiles for the materials to be used in textile industry. Therefore, the development of novel 3D printed polymers onto PET materials with improved properties is necessary.First of all, 3D printed non-conductive Polylactic Acid (PLA) and PLA filled with 2.5wt% Carbon-Black filled onto PET fabrics were purchased and manufactured through melt extrusion process respectively, to characterize their mechanical properties including adhesion, tensile, deformation, wash ability and abrasion. Then, the relationship between the textile structural characteristics and thermal properties and build platform temperature and these properties through statistical modeling was determined. Subsequently, different textile pre-treatments that include atmospheric plasma, grafting of acrylic acid and application of adhesives were suggested to enhance the adhesion properties of the 3D printed PLA onto PET fabrics. Lastly, novel biophasic blends using Low-Density Polyethylene (LDPE) / Propylene- Based Elastomer (PBE) filled with multi-walled carbon nanotubes (CNT) and high-structured carbon black (KB) were developed and manufactured to improve the flexibility, the stress and strain at rupture and the electrical properties of the 3D printed PLA onto PET fabric. The morphology, thermal and rheological properties of each blends are also accessed in order to understand the material behavior and enhanced mechanical and electrical properties.The findings demonstrated that the textile structure defined by its weft density and pattern and weft and warp yarn compositions has a significant impact on the adhesion, deformation, abrasion, tensile properties of 3D printed PLA onto PET fabrics. Compromises have to be found as porous and rough textiles with low thermal properties showed better wash-ability, adhesion and tensile properties and worse deformation and abrasion resistance. Statistical models between the textile properties and the 3D printed PLA onto PET materials and the properties were successfully developed and used to optimize them. The application of adhesives on treated PET with grafted acrylic acid did significantly improve the adhesion resistance and LDPE/PBE blends filled with CNT and KB that have co-continuous LDPE and PBE phases as well as CNT and KB selectively located at the interface and in the LDPE phase revealed enhanced deformation and tensile and electrical properties.

Abstract [sv]

Denna avhandling syftar till att karakterisera tredimensionella (3D) tryckta polymerer på textilamaterial av polyester (PET) via fused deposition modeling (FDM) som använder både icke-ledande ochledande polymerer, optimerar deras mekaniska och elektriska egenskaper genom statistisk modelleringsamt förbättrar dem med för- och efterbehandlingar och utvecklingen av polymerblandningar. Dettaforskningsarbete stöder utvecklingen av tekniska textilier genom 3D-utskrift som kan ha funktioner. FDMprocessenvaldes i denna avhandling för sin stora potential i flexibilitet avseende process, resurseffektivitet,kostnadseffektiv skräddarsydd produktion och ekologi jämfört med befintliga konventionellatextilbearbetningsprocesser, till exempel digital- och skärmtryck. Den huvudsakliga utmaningen med dennateknik är att garantera optimerade elektriska och mekaniska egenskaper (böjning, flexibilitet, drag, nötning,etc.) för 3D-tryckta polymerer på textilier för material att användas i textilindustrin. Därför är utvecklingenav nya 3D-tryckta polymerer på PET-material med förbättrade egenskaper nödvändig.Först och främst köptes icke-ledande polylaktid (PLA) och PLA fylld med 2,5 viktprocent kimröktillverkades genom smältextrudering och 3D-trycktes på PET-tyger, för att karakterisera deras mekaniskaegenskaper inklusive vidhäftning, draghållfasthet, deformation, tvättbarhet och nötningstålighet. Därefterbestämdes förhållandet mellan textilens strukturella och termiska egenskaper och plattformstemperatur ochdessa egenskaper bestämdes genom statistisk modellering. Därefter testades olika textila förbehandlingarså som atmosfärisk plasma, ympning av akrylsyra och applicering av lim för att förbättravidhäftningsegenskaperna hos 3D-tryckt PLA på PET-tyger. Slutligen utvecklades och tillverkades nyabiofasiska blandningar med lågdensitetspolyeten (LDPE) / propylenbaserad elastomer (PBE) fyllda medflerväggade kolnanorör (CNT) och högstrukturerad kimrök (KB) för att förbättra flexibiliteten, spänningoch belastning vid bristning och de elektriska egenskaperna hos 3D-tryckt PLA på PET-tyg. Morfologin,samt de termiska och reologiska egenskaperna hos varje blandning analyserades också för att förståmaterialegenskaper och förbättrade mekaniska och elektriska egenskaper.Resultaten visade att textilstrukturen så som den är definierad av dess väfttäthet och konstruktion ochväft- och varpgarnskompositioner har en signifikant inverkan på vidhäftning, deformation, nötning ochdragegenskaper hos 3D-tryckt PLA på PET-tyger. Kompromisser måste göras eftersom porösa och grovatextilier med låga termiska egenskaper visade bättre tvättförmåga, vidhäftning och dragegenskaper ochsämre deformation och nötningsbeständighet. Statistiska modeller mellan textilegenskaperna, 3D-trycktPLA på PET-material och egenskaperna har framgångsrikt utvecklats och använts för optimering.Applicering av lim på behandlad PET med ympad akrylsyra förbättrade signifikant vidhäftningsresistensenoch LDPE/PBE-blandningar fyllda med CNT och KB som har ko-kontinuerliga LDPE- och PBE-faser samtCNT och KB selektivt belägna vid gränssnittet och i LDPE-fasen gav förbättrad deformation, drag- ochelektriska egenskaper.

Abstract [fr]

Cette thèse vise à caractériser des polymères imprimés tridimensionnellement (3D) sur des matériaux textiles PET via une méthode de dépôt de polymère fondu connu sur le nom de Fused Deposition Modeling (FDM) utilisant à la fois des polymères non conducteurs et conducteurs. Les propriétés mécaniques et électriques ont été optimisées par le biais de modèles statistiques et améliorées grâce à des pré et post-traitements ou le développement de mélanges de polymères. Ce travail de recherche apporte de nouveaux résultats sur le développement de textiles techniques par l'impression 3D de polymères fonctionnels. Le procédé FDM a été considéré dans cette thèse pour son fort potentiel en termes de flexibilité, d'efficacité des ressources, de production sur mesure et d'écologie par rapport aux procédés de finition textile conventionnels existants, par exemple, les impressions numériques et sérigraphiques. Le principal enjeu de cette technologie est de garantir des propriétés électriques et mécaniques optimisées (flexion, flexibilité, traction, abrasion, etc.) du polymère imprimé en 3D sur les textiles afin d’être utilisé dans l'industrie textile. Par conséquent, le développement de nouveaux polymères imprimés en 3D sur des matériaux PET avec des propriétés améliorées est nécessaire. Dans un premier temps, de l’'acide polylactique (PLA) non conducteur et du PLA contenant 2.5% de noir de carbone ont été imprimé en 3D sur des tissus en PET. Les polymères conducteurs ont été fabriqués par le procédé d'extrusion à voie fondu. Les propriétés mécaniques, notamment d’adhésion, de traction, de déformation, de résistance au lavage et d’abrasion ont été déterminées. Ensuite, la relation entre les caractéristiques structurelles et thermiques du textile et la température du plateau de l’imprimante 3D et ces propriétés par le biais de modèles statistiques a été déterminée. De plus, différents pré-traitements sur textiles incluant le plasma atmosphérique, le greffage d'acide acrylique et l'application d'adhésifs ont été suggérés pour améliorer les propriétés d’adhésion du PLA imprimé en 3D sur les tissus en PET. Enfin, de nouveaux mélanges biphasiques utilisant du polyéthylène basse densité (LDPE) et un élastomère à base de propylène (PBE) contenant de nanotubes de carbone à parois multiples (CNT) et de noir de carbone à haute structure (KB) ont été développés et fabriqués pour améliorer la flexibilité, le la contrainte et la déformation à la rupture et les propriétés électriques du PLA imprimé en 3D sur le tissu PET. La morphologie, les propriétés thermiques et rhéologiques de chaque mélange sont également déterminées afin de comprendre le comportement du matériau et l’amélioration de ses propriétés mécaniques et électriques. Les résultats ont démontré que la structure textile définie par sa densité en trame, son motif et la composition des fils de trame et de chaîne a un impact significatif sur l'adhésion, la déformation, l'abrasion et les propriétés de traction du PLA imprimé en 3D sur les tissus en PET. Des compromis doivent être trouvés car les textiles poreux, rugueux possédant de faible conductivité thermique ont montré de meilleures propriétés de lavage, d’adhésion et de traction et une moins bonne résistance à la déformation et à l'abrasion. Des modèles statistiques entre les propriétés textiles et le PLA imprimé en 3D sur des matériaux PET et les propriétés ont été développés avec succès et utilisés pour les optimiser. L'application d'adhésifs sur des tissus en PET traité avec de l'acide acrylique greffé a considérablement amélioré la résistance d'adhésion. Par ailleurs, les mélanges LDPE / PBE de phases co-continues et contenant du CNT et de KB localisés à l'interface ou dans la phase LDPE a révélé améliorer considérablement la déformation et les propriétés de traction et électriques des imprimés 3D sur textiles.

Abstract [zh]

本论文旨在通过熔融沉积成型(FDM)将导电和非导电高分子材料通过3D打印到纺织品上。通过数据建模分析来优化纺织品的机械性能和导电性能,并通过纺织品的前处理和后处理来增强性能,以开发功能性高分子共聚物。本研究有助于3D打印功能性技术纺织品的研发。本研究采用的熔融沉积成型过程跟传统的纺织品整理过程如数码或筛网印花相比,具有较高的加工灵活性,原料使用的高效性以及成本低廉的优势。熔融沉积成型3D打印技术的关键在于确保加工后的纺织具有最优的电学和力学性能(弯曲、柔韧、拉伸、耐摩擦等)。因此,对熔融沉积成型3D打印技术应用于纺织品的研究具有十分重要的意义。

本课题首先通过熔融加工制备了含有2.5wt%炭黑的PLA复合材料并将其运用于PET织物上,并对该织物和3D打印非导电PLA材料进行机械性能包括粘附性、拉伸性、变形性、可洗性和摩擦性进行表征。运用数据建模分析了纺织品结构特征和热学性能以及加工平台温度的关系。然后通过不同的纺织品前处理过程如大气压等离子体、丙烯酸接枝和粘合剂应用以增强3D打印的PLA与PET织物的粘合性。最后,使用填充有多壁碳纳米管(CNT)和高结构炭黑(KB)的低密度聚乙烯(LDPE)/丙烯基弹性体(PBE)制备新型二相共混物,以提高PLA 3D打印PET织物的柔韧性、断裂应力应变以及电学性能。同时,对复合物的表面结构、热学性能和流变性能进行表征以了解材料机械和电学特性。

试验表明,织物的结构如纬密,样式以及经纬纱线的成分对3D打印PLA在PET织物上的粘附性、变形性、摩擦性和拉伸性能有明显影响。多孔和具有较低热学性能的粗糙的纺织品具有较好的可洗性、粘附性和拉伸性,变形性和耐磨性较差。通过数据建模分析对PLA 3D打印PET织物的性能进行分析和优化。将丙烯酸作为粘合剂运用于PET织物上时可以明显的提高粘合性。LDPE/PBE与CNT和KB的复合物具有共连续的LDPE和PBE相,且CNT和KB有选择性的分布于界面和LDPE相中的,从而提高了耐变形性和力学以及电学性能。

Place, publisher, year, edition, pages
Borås: Högskolan i Borås, 2020.
Series
Skrifter från Högskolan i Borås, ISSN 0280-381X ; 114
Keywords [en]
3D printing, Fused deposition modeling, Adhesion, Textile Functionalization, Statistical Modeling, Non conductive and conductive polymer, Multi-walled carbon nanotube, Carbon Black, Deformation, Tensile, Abrasion, Biphasic polymeric bends
Keywords [zh]
3D打印,熔融沉积成型,粘附性,纺织品功能性,数据建模,导电与非导电高聚物,多壁碳纳米管,炭黑,变形性能,拉伸性能,摩擦性能,二相高分子共混物
Keywords [fr]
Impression 3D, Modélisation par dépôt de polymère fondu, Adhésion, Fonctionnalisation textile, Modélisation statistique, Polymère non conducteur et conducteur, Nanotube de carbone multi-parois, Noir de carbone, Déformation, Traction, Abrasion, Mélanges de polymères biphasiques
Keywords [sv]
3D-utskrift, smält deponeringsmodellering, vidhäftning, textilfunktionalisering, statistisk modellering, icke ledande och ledande polymer, flerväggigt kolnanorör, kolsvart, deformation, draghållfasthet, nötning, bifasisk polymerböjning
National Category
Textile, Rubber and Polymeric Materials
Research subject
Textiles and Fashion (General)
Identifiers
URN: urn:nbn:se:hb:diva-23878ISBN: 978-91-89271-00-5 (print)ISBN: 978-91-89271-01-2 (electronic)OAI: oai:DiVA.org:hb-23878DiVA, id: diva2:1473759
Public defence
2020-12-01, Vestindien C, Textile Fashion Centre, Skaraborgsvägen 3, Borås, 10:00 (English)
Opponent
Projects
SmdTexAvailable from: 2020-11-09 Created: 2020-10-07 Last updated: 2020-11-10Bibliographically approved

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