FDM 3D printing of conductive polymer nanocomposites : A novel process for functional and smart textiles

par Razieh Hashemi Sanatgar

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

  • Titre traduit

    L'impression 3D de nanocomposites polymères conducteurs : un nouveau procédé pour la fonctionnalisation de surface de smart textiles


  • Résumé

    Le but de cette étude est d’exploiter les fonctionnalités des nano-Composites Polymères Conducteurs (CPC) imprimés en utilisant la technologie FDM (modélisation par dépôt de monofilament en fusion) pour le développement de textiles fonctionnels et intelligents. L’impression 3D présente un fort potentiel pour la création d’une nouvelle classe de nanocomposites multifonctionnels. Par conséquent, le développement et la caractérisation des polymères et nanocomposites fonctionnels et imprimables en 3D sont nécessaires afin d’utiliser l’impression 3D comme nouveau procédé de dépôt de ces matériaux sur textiles. Cette technique introduira des procédés de fonctionnalisation de textiles plus flexibles, économes en ressources et très rentables, par rapport aux procédés d'impression conventionnels tels que la sérigraphie et le jet d'encre. L’objectif est de développer une méthode de production intégrée et sur mesure pour des textiles intelligents et fonctionnels, afin d’éviter toute utilisation d'eau, d'énergie et de produits chimiques inutiles et de minimiser les déchets dans le but d’améliorer l'empreinte écologique et la productivité. La contribution apportée par cette thèse consiste en la création et la caractérisation de filaments CPC imprimables en 3D, le dépôt de polymères et de nanocomposites sur des tissus et l’étude des performances en termes de fonctionnalité des couches de CPC imprimées en 3D. Dans un premier temps, nous avons créé des filaments de CPC imprimables en 3D, notamment des nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT) et du noir de carbone à haute structure (Ketjenblack) (KB), incorporés dans de l'acide polylactique (PLA) à l'aide d'un procédé de mélange à l'état fondu. Les propriétés morphologiques, électriques, thermiques et mécaniques des filaments et des couches imprimées en 3D ont été étudiées. Deuxièmement, nous avons déposé les polymères et les nanocomposites sur des tissus à l’aide d’une impression 3D et étudié leur adhérence aux tissus. Enfin, les performances des couches de CPC imprimées en 3D ont été analysées sous tension et force de compression appliquées. La variation de la valeur de la résistance correspondant à la charge appliquée permet d’évaluer l'efficacité des couches imprimées en tant que capteur de pression / force. Les résultats ont montré que les nanocomposites à base de PLA, y compris MWNT et KB, sont imprimables en 3D. Les modifications des propriétés morphologiques, électriques, thermiques et mécaniques des nanocomposites avant et après l’impression 3D nous permettent de mieux comprendre l’optimisation du procédé. De plus, différentes variables du procédé d’impression 3D ont un effet significatif sur la force d'adhérence des polymères et des nanocomposites déposés sur les tissus. Nous avons également développé des modèles statistiques fiables associés à ces résultats valables uniquement pour le polymère et le tissu de l’étude. Enfin, les résultats démontrent que les mélanges PLA/MWNT et PLA/KB sont de bonnes matières premières piézorésistives pour l’impression 3D. Elles peuvent être potentiellement utilisées dans l’électronique portable, la robotique molle et la fabrication de prothèses, où une conception complexe, multidirectionnelle et personnalisable est nécessaire.


  • Résumé

    The aim of this study is to get the benefit of functionalities of fused deposition modeling (FDM) 3D printed conductive polymer nanocomposites (CPC) for the development of functional and smart textiles. 3D printing holds strong potential for the formation of a new class of multifunctional nanocomposites. Therefore, development and characterization of 3D printable functional polymers and nanocomposites are needed to apply 3D printing as a novel process for the deposition of functional materials on fabrics. This method will introduce more flexible, resource-efficient and cost-effective textile functionalization processes than conventional printing process like screen and inkjet printing. The goal is to develop an integrated or tailored production process for smart and functional textiles which avoid unnecessary use of water, energy, chemicals and minimize the waste to improve ecological footprint and productivity. The contribution of this thesis is the creation and characterization of 3D printable CPC filaments, deposition of polymers and nanocomposites on fabrics, and investigation of the performance of the 3D printed CPC layers in terms of functionality. Firstly, the 3D printable CPC filaments were created including multi-walled carbon nanotubes (MWNT) and high-structured carbon black (Ketjenblack) (KB) incorporated into a biobased polymer, polylactic acid (PLA), using a melt mixing process. The morphological, electrical, thermal and mechanical properties of the 3D printer filaments and 3D printed layers were investigated. Secondly, the performance of the 3D printed CPC layers was analyzed under applied tension and compression force. The response for the corresponding resistance change versus applied load was characterized to investigate the performance of the printed layers in terms of functionality. Lastly, the polymers and nanocomposites were deposited on fabrics using 3D printing and the adhesion of the deposited layers onto the fabrics were investigated. The results showed that PLA-based nanocomposites including MWNT and KB are 3D printable. The changes in morphological, electrical, thermal, and mechanical properties of nanocomposites before and after 3D printing give us a great understanding of the process optimization. Moreover, the results demonstrate PLA/MWNT and PLA/KB as a good piezoresistive feedstock for 3D printing with potential applications in wearable electronics, soft robotics, and prosthetics, where complex design, multi-directionality, and customizability are demanded. Finally, different variables of the 3D printing process showed a significant effect on adhesion force of deposited polymers and nanocomposites onto fabrics which has been presented by the best-fitted model for the specific polymer and fabric.


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