Tác giả: KS. Dương Phương Thảo
Đơn vị: Khoa Công nghệ Sợi Dệt
-
ĐẶT VẤN ĐỀ
Sản phẩm dệt kim là một bộ phận rất quan trọng trong thị trường dệt may Việt Nam với tiềm năng phát triển vô cùng to lớn. Các sản phẩm dệt kim ngày càng thông dụng và chiếm ưu thế trên thị trường bởi nhiều đặc tính tốt như: độ thoáng khí, mềm mại, độ đàn hồi cao, giá thành rẻ... Sản xuất vải dệt kim lại thường cho năng suất cao do ít công đoạn, các quá trình sản xuất không quá phức tạp, mang lại hiệu quả kinh tế cao...
Trong một số lĩnh vực nhất định, hàng dệt kim hiện đại thể hiện ưu điểm tuyệt vời mà các vật liệu khác (chẳng hạn như polymer, kim loại…) không có được. Việc tìm kiếm các mặt hàng dệt kim có tính năng vượt trội đã thúc đẩy sự hình thành và phát triển vải dệt kim ba chiều (3D). Vải dệt kim 3D có tầm quan trọng to lớn đối với lĩnh vực kỹ thuật và thiết kế cho các sản phẩm dệt công nghiệp. Công nghệ dệt kim 3D được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thiết kế khác nhau, không chỉ phục vụ cho thị trường thời trang, may mặc; các loại vải dệt kim 3D, đặc biệt là vải được sản xuất bằng phương pháp dệt kim định hình còn có nhiều tiềm năng phát triển trong các lĩnh vực như công nghiệp, y tế, hàng không, giao thông, xây dựng...
Bài viết này mang đến những kiến thức khái quát về vải dệt kim 3D cùng với những ứng dụng tuyệt vời của chúng.
-
NỘI DUNG
-
Khái niệm vải dệt kim 3D
Vải dệt kim 3D được định nghĩa là vải dệt kim có kích thước thứ ba theo độ dày của vải. Trong vải dệt kim 3D, độ dày hoặc kích thước dọc theo trục z có thể được coi là đáng kể so với kích thước dọc và ngang trên trục x và y tương ứng. Vải dệt kim 3D bao gồm hai lớp vải riêng biệt (mặt trên và mặt dưới) song song, được kết nối với nhau theo hướng z bằng sợi liên kết hoặc các lớp dệt kim. Các sợi liên kết được tích hợp theo hướng z tạo cho cấu trúc tổng thể độ cứng cần thiết. Hai lớp vải trên và dưới có thể là vải dệt kim đan ngang hoặc đan dọc. Cấu trúc cơ bản của bề mặt vải là các loại vải dệt kim, do đó, về cơ bản vải dệt kim 3D có độ giãn dài cao và có tính đàn hồi, tính chất thoáng khí tuyệt vời [1] [2].
Hình 1. Kích thước thứ ba (độ dày) của vải dệt kim 3D
-
Các loại vải dệt kim 3D
Có 03 loại vải dệt kim 3D phổ biến như sau: vải dệt kim đa trục, vải dệt kim có lớp liên kết (vải Sandwich) và vải dệt kim cấu trúc không gian phức tạp.
Vải đa trục được đặc trưng bởi các lớp sợi liên tiếp trong cấu trúc vải. Phổ biến nhất là các loại vải dệt kim đan dọc đa trục, với các lớp sợi nghiêng theo các góc thiết kế, từ sợi 0
(sợi ngang) đến sợi 90 (sợi dọc). Những loại vải như vậy được đặc trưng bởi độ dày rất cao và sự gia cố bởi các hướng liên kết. Mục đích chính là gia cố cho vật liệu composite, các loại sợi được sử dụng để tạo ra các lớp liên kết là sợi thủy tinh và sợi carbon. Các loại vải dệt kim đan ngang đa trục vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, yêu cầu các loại máy móc hiện đại, quá trình cấp sợi phức tạp.
Hình 2. Vải dệt kim đan dọc đa trục [4]
-
Vải dệt kim có lớp liên kết (vải Sandwich):
Các loại vải dệt kim có lớp liên kết được làm từ hai lớp vải dệt kim độc lập được liên kết với nhau bằng một hệ sợi hoặc các lớp dệt kim như bánh Sandwich. Độ dày của vải phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai lớp vải, thường lớn hơn 5cm. Trong trường hợp đặc biệt, sợi monofilament được sử dụng làm sợi liên kết tạo cho vải dệt kim 3D khả năng đàn hồi tuyệt vời, thích hợp để sử dụng làm ba lô, giày dép, đệm...
Hình 3. Vải dệt kim 3D đan dọc có lớp liên kết
Hình 4. Vải dệt kim 3D đan ngang có lớp liên kết
Đối với vải dệt kim đan ngang, vải Sandwich được cấu tạo từ hai lớp vải nền được hình thành độc lập, chúng liên kết với nhau bằng cách sử dụng sợi hoặc lớp vải dệt kim khác [3]. Liên kết vải nền thông qua các sợi làm khả năng đa dạng hóa cấu trúc của vải bị hạn chế hơn, trong khi độ dày của vải có hạn. Độ dày của loại vải có thể đạt 10cm, với nhiều hình khối đa dạng, từ hình chữ nhật đến hình elip, hình chữ V, hình thang…
Các loại vải Sandwich có liên kết là các lớp dệt kim có tiềm năng phát triển, giúp đa dạng hóa mặt hàng và ứng dụng rộng rãi nhờ vào việc điều chỉnh một số thông số như sau:
-
Tăng độ dày của vải bằng cách tăng chiều dài của các sợi liên kết hoặc lớp liên kết;
-
Thay đổi hình dạng của vải 3D bằng cách thay đổi quy luật liên kết giữa các lớp vải;
-
Thay đổi cấu trúc vải 3D bằng cách thay đổi cấu trúc hình học của lớp liên kết [3].
-
Vải dệt kim cấu trúc không gian phức tạp:
Vải không gian phức tạp là loại vải có cấu trúc hình học 3D phức tạp, chúng được hình thành bằng cách thay đổi số lượng kim dệt trong quá trình dệt. Những loại vải này được sản xuất trên máy dệt kim phẳng điều khiển bằng điện tử.
Hình 5. Vải dệt kim cấu trúc không gian phức tạp [3]
Vải dệt kim không gian phức tạp được phân loại dựa vào hình dạng 3D của sản phẩm, có thể có nhiều kiểu cấu trúc 3D với hình dạng khác nhau, chẳng hạn như hình bán cầu, hình nón, hình ống, hình chữ T hoặc uốn cong, hình bình hành, hình chóp… bằng cách kiểm soát vị trí và kích thước của các đường dệt để có thể dễ dàng đa dạng hóa các hình dạng vải [4].
-
Tính chất vải dệt kim 3D
Đã có kết quả nghiên cứu chỉ ra những tính chất của vải dệt kim 3D như sau:
-
Khả năng chịu nén: khả năng chịu nén của vải dệt kim 3D có thể được thay đổi tùy thuộc vào độ dày của cấu trúc và loại sợi liên kết. Các sợi liên kết ban đầu được sắp xếp vuông góc với hai lớp nền của vải, tuy nhiên khi áp lực thay đổi, các sợi sẽ được đẩy sang một bên, do đó làm giảm khả năng chịu nén của vải. Các loại vải sử dụng monofilament làm sợi liên kết thường có khả năng chịu nén cao hơn so với những loại sử dụng sợi multifilament. Khả năng chịu nén của vải có liên quan chặt chẽ đến cách sắp xếp sợi liên kết. Các đặc tính phục hồi sau nén phụ thuộc rất nhiều vào loại sợi liên kết: lớp liên kết sử dụng sợi monofilament sẽ có đặc tính phục hồi tốt hơn so với các mẫu sử dụng sợi liên kết là multifilament.
-
Độ thoáng khí: độ thoáng khí của vải dệt kim 3D có liên quan chặt chẽ đến các đặc điểm cấu tạo của sợi mà nó được tạo ra, có một số yếu tố ảnh hưởng đến độ thoáng khí của vải như cấu trúc vải, độ dày vải, hiệu ứng bề mặt vải, mật độ vải… Mật độ vải cao sẽ cản trở luồng không khí đi qua vải, do đó dẫn đến độ thoáng khí kém hơn; tuy nhiên, mật độ vải cao sẽ có độ dẫn nhiệt tốt hơn, vì sẽ có ít không gian hơn để giữ không khí bên trong vải, do đó, một loại vải có mật độ cao hơn sẽ có độ thoáng khí tốt hơn.
-
Độ cứng uốn: vải dệt kim đan ngang 3D có độ cứng uốn cao hơn theo hướng ngang, trong khi vải dệt kim đan dọc 3D có độ cứng uốn cao hơn theo hướng dọc.
-
Độ co giãn: khả năng co giãn của vải dệt kim 3D có liên quan mật thiết đến kiểu dệt của chúng. Vải dệt kim đan dọc 3D có khả năng co giãn cao theo chiều ngang, trong khi khả năng co giãn theo hướng dọc của chúng là rất thấp (dưới 50%). Mặt khác, vải dệt kim đan ngang 3D có khả năng co giãn cao theo cả hướng ngang và hướng dọc. Vì vải 3D bao gồm hai lớp vải bề mặt riêng biệt, được liên kết với nhau bằng sợi liên kết, do đó có thể kết luận rằng các loại vải 3D có cùng khả năng co giãn của vải nền của chúng [5].
2.4. Một số công nghệ dệt vải dệt kim 3D
2.4.1. Công nghệ dệt kim đan ngang 3D
Vải dệt kim đan ngang 3D có thể được sản xuất trên máy dệt kim phẳng và trên máy dệt tròn hai giường kim. Các loại vải dệt kim đan ngang 3D bao gồm hai lớp dệt kim và được kết hợp bằng hệ sợi liên kết. Để sản xuất vải dệt kim đan ngang 3D, cần có ba hệ thống sợi độc lập, hai hệ thống cho hai lớp vải nền và một hệ sợi liên kết. Mỗi lớp vải dệt kim được tạo ra trên một giường kim, độc lập với nhau. Sợi liên kết được đan cài xen kẽ ở cả hai lớp bằng cách sử dụng quy tắc gài sợi. Do độ cứng cao hơn sợi liên kết, hai lớp vải được giữ ở một khoảng cách nhất định trong quá trình sản xuất.
Vải dệt kim 3D có thể được sản xuất với nhiều hình dạng khác nhau trên máy dệt kim phẳng. Việc định hình hàng dệt trên máy dệt kim phẳng đạt được bằng cách thay đổi số lượng kim dệt hoặc thay đổi chiều dài vòng sợi. Đối với các biến thể của vòng dệt, có thể sử dụng vòng dịch chuyển, vòng sợi kéo dài, đoạn sợi cách kim… để nới rộng hoặc thu hẹp hoặc vặn thừng... tùy theo mục đích.
Những ưu điểm chính của vải dệt kim đan ngang là quá trình thiết lập sản xuất khá nhanh gọn, đem lại lợi ích về kinh tế và các ưu điểm về đặc tính liên quan đến độ thoáng khí và cảm giác mềm mại của chúng. Khoảng cách giữa hai lớp trong vải dệt kim đan ngang 3D được giới hạn ở một vài milimet. Do hai lớp vải nền được dệt độc lập nên hai lớp dệt kim này có thể được thiết kế độc lập, không giống nhau [1].
2.4.2. Công nghệ dệt kim đan dọc 3D
Vải dệt kim đan dọc 3D được sản xuất trên máy Raschel một thanh kim đôi. Có nhiều loại máy dệt kim dọc 3D khác nhau, chúng có thể được sản xuất với các cấu trúc đa dạng như dạng ống, dạng đa trục, dạng không gian phức tạp.
Vải dệt kim đan dọc 3D cho các ứng dụng cần sự lưu thông không khí lớn hoặc sự thoải mái do cấu trúc ba chiều. Chúng được sử dụng trong hàng dệt y tế như nẹp định hình, trong nội thất như áo phủ ghế, trong thời trang như áo ngực, cũng như trong quần áo bảo hộ và thể thao. Ngoài ra, vải dệt kim đan dọc 3D còn được sử dụng cho kỹ thuật cấy ghép, làm mô nhân tạo, mạch máu nhân tạo hoặc động mạch nhân tạo [1].
-
Ứng dụng của vải dệt kim 3D
-
Sản phẩm định hình
Trang phục không đường may (Whole-garment):
Công nghệ hiện đại có thể giúp chúng ta tạo ra nhiều loại sản phẩm không đường may khác nhau như găng tay, mũ, tất, áo len theo từng khổ máy và loại máy khác nhau. Ngoài ra, các mẫu trang phục dệt kim cũng có thể được tạo ra hoàn chỉnh về mặt cấu trúc trên máy dệt kim hoàn chỉnh. Các sản phẩm whole-garment được tạo ra với cấu trúc không gian ba chiều, không đường may, tạo ra sự vừa vặn, tính tiện nghi, thoải mái cho người sử dụng [5]. Chúng được thiết kế tùy chỉnh cho những người dùng gặp khó khăn cụ thể ở một số điểm nhất định trên cơ thể và được thiết kế liền mạch, chúng đảm bảo sự thoải mái trong quá trình vận động hoặc điều trị [6].
Hình 6. Sản phẩm dệt kim định hình
Đồ thể thao:
Các loại vải dệt kim đan dọc 3D được ứng dụng rộng rãi trong các môn thể thao khác nhau, đặc biệt là golf, bóng chày và quần vợt, sử dụng làm giày thể thao và quần áo thể thao do đặc tính nhẹ, đàn hồi tốt và độ thoáng khí tốt của nó [6].
Những đôi giày thể thao được tạo ra từ dệt kim định hình 3D nhẹ hơn và thoáng khí hơn, ngoài ra còn thể hiện hiệu ứng của các đường khâu ở phần trên của giày. Điều thú vị về quá trình này là phần mũi giày được tạo ra thành một mảnh liền mạch thay vì phải dệt thành nhiều mảnh rồi may chúng lại với nhau. Do đó mà chuỗi quy trình sản xuất ngắn gọn hơn nhiều và hơn hết là không có các khuyết điểm trong quá trình liên kết thủ công [4].
Vải bọc:
.JPG)
Một số công ty sản xuất ghế đang sử dụng vải bọc ghế là vải dệt kim định hình 3D để tạo ra các tấm bọc ghế polyester có hình dạng 3D cạnh tranh với vải dệt thoi đòi hỏi quá trình cắt và may. Thời gian thực hiện ngắn hơn đáng kể so với vải dệt thoi thông thường và ghế văn phòng phủ vải dệt kim định hình là dòng bán chạy nhất của họ. Ngoài ra, công nghệ dệt kim 3D tạo ra sản phẩm với hình dạng liền mạch với đặc tính có thể kéo giãn, bao phủ theo các đường viền của ghế, mang lại khả năng tạo hình ghế tốt hơn, giúp nâng cao ngoại quan và cho phép người dùng cảm thấy thoải mái hơn khi loại bỏ được các đường gờ do quá trình may hoặc liên kết gây ra [5].
Nội thất ô tô:
Các loại vải và vật liệu được sử dụng làm nội thất chính cho ô tô cũng như xe lửa, máy bay và tàu thủy phải chịu được ánh sáng mặt trời và bức xạ tia cực tím, đồng thời chi phí bảo dưỡng thấp và dễ chăm sóc. Vải dệt kim thông thường và vải dệt kim 3D được sử dụng làm túi khí và các bộ phận của ghế ô tô có độ thoáng khí và khả năng thải ẩm tốt hơn, dễ dàng đáp ứng được các yêu cầu về thẩm mỹ và độ bền. Các loại vải dệt kim và sản phẩm dệt kim đan dọc 3D được sử dụng nhiều làm nội thất lắp ráp sẵn như lót cốp, lưng ghế, tấm cửa, bộ lọc dầu và không khí cabin, tấm lót nắp ca-pô đúc, tấm chắn nhiệt, kệ trang trí [6].
-
Ứng dụng trong y tế
Cấu trúc vải dệt kim 3D được sử dụng trong trang phục y tế bảo vệ như tã trẻ em, băng vệ sinh phụ nữ, giấy vệ sinh khô và ướt, miếng lót cho con bú hoặc miếng dán mũi, màn mổ, áo choàng, khẩu trang, băng phẫu thuật… Các cấu trúc dệt kim 3D có nhiều ứng dụng chức năng hơn như mạch máu nhân tạo do tính chất cơ học tốt; mô nhân tạo
thâm nhập tốt hơn để bịt kín các thành mạch, mảnh ghép cho dị mạch bẩm sinh hoặc tổn thương xơ cứng động mạch; mô mềm như da và sụn, gân và dây chằng nhân tạo, băng vết thương, chỉ phẫu thuật tự tiêu, bộ lọc máu, miếng dán, băng nén, đệm giường bệnh viện… Điều đó cũng chứng minh cho sự ổn định về kích thước và tính tương thích sinh học của vải dệt kim 3D [6].
Gần đây, các loại vải dệt kim đặc biệt được tạo ra bằng máy dệt kim 3D phẳng cũng đã được ứng dụng cho sản phẩm dệt y tế. Cấu trúc dệt kim định hình dạng ống như băng gạc, giá đỡ chỉnh hình và tất định hình y tế đã được phát triển.
-
Ứng dụng trong xây dựng
Đối với các ứng dụng xây dựng, các loại vải dệt kim đan dọc có lớp liên kết có thể hấp thụ các lực kéo xảy ra theo hướng x và y. Vật liệu gia cố điển hình được sử dụng là thủy tinh, xenlulozơ, aramid, polymer hoặc sợi bazan. Máy Raschel hai thanh kim lỗ được sử dụng để sản xuất các loại vải dệt kim 3D có lớp liên kết. Các phần tử dệt kim đan dọc của máy được thiết kế đối xứng [1].
Hình 10. Cấu trúc vải dệt kim đan dọc 3D làm cốt bê tông [1]
Các cấu trúc gia cố 3D này đã được sử dụng làm cốt bê tông từ nhiều năm gần đây. Các loại vải dệt kim đan dọc 3D với ưu điểm là có hai lớp gia cố có thể được tích hợp vào một loại vải dệt và có thể được thiết kế khác nhau. Do đó, mức độ gia cố có thể được điều chỉnh tự do thông qua kích thước của lớp liên kết. Độ cứng của sợi liên kết cao cho phép các lớp cốt thép gắn kết với nhau tại một vị trí chính xác, đây là điều cần thiết cho việc gia cố bê tông, ngay cả một sai lệch nhỏ, dù chỉ vài milimet ở vị trí cốt thép cũng dẫn đến các đặc tính cơ học trong cấu kiện bê tông.
Các ứng dụng khác của vải dệt kim 3D trong lĩnh vực xây dựng đang được nghiên cứu bằng cách kết hợp các loại vải dệt kim 3D với in 3D, tạo ra vải có cấu trúc nhẹ, có chức năng đặc biệt, điều này sẽ phát huy tác dụng của chúng, ví dụ như vải dệt kim có một lớp ngoài có chức năng chống nắng và cách nhiệt [1].
-
Ứng dụng trong vũ trụ và hàng không
Vật liệu tổng hợp dệt kim đan dọc 3D, vải dệt kim đa trục hiện đang được sử dụng trong các cấu trúc quan trọng của cả máy bay dân dụng và quân sự như thân máy bay, cánh và vỏ máy bay. Có thông tin cho rằng vật liệu tổng hợp dệt kim đan dọc đa trục 3D cũng đang được nghiên cứu làm cánh quạt, lớp vỏ bên ngoài với khả năng chống đạn cho máy bay trực thăng [2].
-
KẾT LUẬN
Trên đây là kiến thức tổng quan về vải dệt kim 3D, bao gồm khái niệm, các loại vải dệt kim 3D; một số đặc điểm, tính chất của vải dệt kim 3D; một số công nghệ dệt vải dệt kim 3D và những ứng dụng phong phú của chúng trong thực tiễn. Qua đây có thể thấy được những tính năng nổi trội và xu hướng phát triển của vải dệt kim 3D trong tương lai.
Tài liệu tham khảo
[1]. Thomas Gries, Isa Bettermann (2022), Aachen Technology Overview of 3D Textile Materials anh Recent Innovation and Applications, Applied Composite Materials 29 (2022), pp.43-64 .
[2]. Kadir Bilisik, Nesrin Sahbaz Karaduman, Nedim Erman Bilisik (2016), 3D Fabrics for Technical Textile Applications, IntechOpen, pp. 81-142.
[3]. Ionesi Dorin, Ciobanu Ramona, Vircan Ana, Blaga Mirela, Budulan Costea (2010), Three-dimensional knitted fabric with technical destination, Buletinl Institutului Politehnic Din Iasi, pp. 29-37.
[4]. Ionesi Dorin, Ciobanu Ramona, Luminita Ciobanu (2010), Developments of 3D knitted fabrics, ResearchGate.
[5]. Joanne Yip, Sun-Pui Ng (2008), Study of three-dimensional spacer fabric: Physical and Mechanical Properties, Journal of Material Processing Technology 206 (2008), pp. 359-364.
[6]. Giovanni Maria Conti (2019), Contemporary textile products. Knitting as a fertile design ground for experimentation with 3D technologies, Taylor & Francis Group, ISBN 978-1-138-37011-1, pp. 331-340.