3Dプリントポリマー生地のセルフクリーニング特性に対する印刷パラメータの影響

自己洗浄性生地の開発は、繊維産業における現在の研究の焦点です。 Antarctic Bearは、2022年7月31日にウンム・アル・クラー大学デザイン芸術学部の研究者が「ポリマー」誌に「 3Dプリントポリマー織物のセルフクリーニング特性に対する印刷パラメータの影響」と題する新しい研究を発表したことを知りました。研究者らは、一般的な3Dプリント技術を使用して、セルフクリーニング織物の微細な特徴を制御しました。

セルフクリーニング生地

繊維産業は急速に成長している産業であり、 2021年の市場価値は9,936億米ドルに達します。家具や衣料品などの産業向けの生地製造は、世界中の多くの国で重要な経済活動です。繊維産業におけるここ数十年の技術革新により、撥水性、抗菌性、帯電防止性、セルフクリーニング性などの機能特性の向上を含む、さまざまな技術開発が実現しました。自然からインスピレーションを得たこれらの生地は、繊維および材料科学の分野で注目を集めています。昆虫の羽、魚の鱗、蓮の葉、稲など、いくつかの生物学的構造もこの分野における革新に影響を与えています。

セルフクリーニング生地は多くの製品に適用でき、製品の美観を向上させ、一定の経済的および環境的利点をもたらします。これらの高度な繊維は、汚れや化学物質を分解し、ほこりや汚れが素材に広がるのを防ぐことで、清潔で汚れのない表面を維持するのに役立ちます。これらの生地は、耐用年数中に洗濯する必要性が減るため、水、エネルギー、時間も節約できます。アパレル業界にとっての可能性に加えて、セルフクリーニング繊維は医療業界にも大きな利益をもたらす可能性があります。

△レイヤーの高さと押し出し幅の定義。画像クレジット: Atwah, AA et al., Polymer

セルフクリーニング生地の製造方法<br /> ここ数十年で、これらの革新的な生地を生産するためのいくつかの方法が開発されました。従来の方法では、表面エネルギーの低い材料の表面に粗いマイクロスケールおよびナノスケールの構造を作成します。他のアプローチでは、表面エネルギーの低い材料を改変して、その粗さを増加させます。研究者たちは、スピンコーティング、湿式化学合成、ゾルゲル法、スプレーコーティング、化学エッチング、LBL、電界紡糸など、光撥水性および疎水性の布地を開発するためのさまざまな方法を研究してきました。しかし、これらのアプローチは、強力な化学物質の使用や複雑な処理要件によって妨げられる可能性があります。

セルフクリーニング生地の構造特性を研究することは、その動作を理解し、そのような機能を備えた繊維を効率的に設計するための鍵となります。これらの主要な特性と性質には、濡れ性、多孔性、表面粗さなどがあります。しかし、これらの布地の微細な特徴の制御に関する研究が不足しており、それが繊維デザインのこの分野におけるさらなる研究の妨げとなっています。

△織物の多孔性。画像クレジット: Atwah, AA et al., Polymer

研究<br /> この論文では、自己洗浄特性を持つ布地の設計を改善するための前述の研究ギャップに焦点を当てています。現在使用されている従来の製造技術では、製造パラメータを制御することが困難であり、それが生地の開発を妨げています。 3D プリントとしても知られる付加印刷は、自由形状設計や材料の無駄の削減などの利点により、最近ますます注目を集めています。従来の製造方法と比較すると、 3D プリンティングは製造パラメータを優れた方法で制御できるため、セルフクリーニング材料の製造に大きな可能性を秘めています。

この強化された制御により、微細な織物レベルで材料の構造を操作し、望ましい特性を持つ織物を生産することが可能になります。さまざまな 3D プリント方法の中で、熱溶解フィラメント製法は機能性生地の製造に最も大きな可能性を秘めています。研究チームは、繊維産業で使用するためのセルフクリーニング生地を製造するために、溶融フィラメント製造法を研究に利用しました。著者らは、層の高さ、配向角度、押出機の幅など、いくつかのパラメータを研究した。著者らはこれらのパラメータを使用して、布地サンプルの微視的な自己洗浄特性を制御しました。この研究では、セルフクリーニング生地を製造するために、3 種類の異なる柔軟な熱可塑性材料が使用されました。これらは、TPU 98A、TPC flex45、TPE felaflex です。事前に設定された基準を使用して、材料の自己洗浄特性を定量化します。

△最適な濡れ性とセルフクリーニング性能を実現するための印刷パラメータ範囲の可能な組み合わせ。画像クレジット: Atwah, AA et al., Polymer

同時に、研究者らはさまざまなパラメータを調整および組み合わせて、濡れ性、接触角、表面粗さ、材料の多孔性などの特性への影響を実証しました。層の高さ、押し出し機の幅、および 2 つの印刷方向の組み合わせを調整することにより、最適なセルフクリーニング布地表面が調査されました。そして、3D プリントされた生地の最適なセルフクリーニング性能がモデリングを通じて決定されました。

著者らは、印刷パラメータがセルフクリーニング生地の最終的な微視的特性に大きな影響を与えると結論付けました。押出機の幅と層の高さのさまざまな組み合わせは、材料の表面粗さ、濡れ性、および多孔性に大きな影響を与える可能性があります。多孔性も材質によって異なります。 3つの材料の中で、 TPEが最も優れたセルフクリーニング能力を示しました。

将来を見据えて<br /> 全体として、この論文は、印刷パラメータの調整が布地の自己洗浄特性に与える影響を示しており、実験結果はモデルと一致しています。この研究結果は、将来的にプリント生地の自己洗浄能力を推定するために使用でき、これらの重要な材料のさらなる開発に大きな利点をもたらす可能性があります。

オリジナルリンク: https://www.mdpi.com/2073-4360/14/15/3128

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