L’impression 3D de polymères sur textiles : une approche innovante pour développer des textiles fonctionnels

3D Printing of polymers onto textiles : an innovative approach to develop functional textiles

• Auteur / Autrice : Prisca Aude Eutionnat-Diffo
• Direction : Christine Campagne, Vincent Nierstrasz, Jinping Guan, Aurélie Cayla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Högskolan i Borås (Suède), Soochow University (Suzhou, China)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Extrusion par voie fondue

Nanotubes

Propriétés électriques

Noir de carbone

Alliages de polymères

Acide polylactique

Polyéthylène térephtalate

Impression 3D

Textiles et tissus à usages techniques

Mots clés libres

Polyéthylène basse densité

Élastomère à base de propylène

Résumé

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 biophasiques 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 determinées 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.

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.