凹凸棒土对石膏3D打印材料基本性能和可打印性能的影响

增稠剂是3D打印材料的关键组分,但常用的增稠剂以有机物为主,会降低石膏的力学性能。为此,本文选取了凹凸棒土与羟丙基甲基纤维素醚作对比,测试了凹凸棒土对石膏3D打印材料工作性能、力学性能以及实际打印性能的影响。结果表明:与羟丙基甲基纤维素醚相似,凹凸棒土降低了石膏3D打印材料的流动度,增加了动态屈服应力;随凹凸棒土掺量增加,材料抗折抗压强度先降低后增加,而羟丙基甲基纤维素醚组抗折、抗压强度则呈下降趋势;在实际打印中,凹凸棒土组体积稳定性和开放时间结果与羟丙基甲基纤维素醚组相似,实际打印强度高于羟丙基甲基纤维素醚组23%以上。羟丙基甲基纤维素醚通过吸水溶胀、分子缠绕来提高浆体的黏度,而凹凸棒土具有丰富的孔结构,在浆体中以氢键和范德瓦耳斯力吸附水分子和增稠石膏颗粒。

3D打印砂浆的流变性与可打印性

介绍3D打印砂浆(3DPM)性能要求,通过常规工作性测试方法和普通砂浆工作性测试法,研究水胶比对3DPM流变参数的影响及其变化规律,并分析流变参数与流动度间的关系。基于实验室3D打印机的打印效果,确定适合打印的流变参数范围,并与其他文献结果进行比较。结果表明,本研究设计的3DPM在30min内的流动度损失<5%,显示出较合适的工作时间。水胶比对3DPM的屈服应力和触变性有较大影响,而对塑性黏度影响较小。当水胶比由030降低到026时,屈服应力和触变环面积分别增加9651%和5852%。3DPM的流动度与屈服应力、流动度与触变性间均存在较好的线性关系。实际打印效果表明,适合打印的3DPM流动度为205~215mm,屈服应力为102~138Pa。

钢渣-矿渣复合水泥基材料3D打印性能

为了提高固体废弃物的资源化利用,探究利用钢渣制备3D打印水泥基材料的可行性,研究了钢渣、矿渣的质量比对复合水泥基材料流变特性、可打印性和力学性能的影响规律。结果表明,随着钢渣质量的增加,浆体的流动度和静态屈服应力增大,塑性粘度减小,可挤出性增强,变形率降低,同时抗压强度显著降低。通过Zeta电位测试发现,随着钢渣掺量的增加,Zeta电位绝对值变小,胶体颗粒间引力增大,导致静态屈服应力增大。而随着矿渣掺量的增加,浆体固含量增多,固体颗粒间摩擦加剧,产生了更多絮凝结构和网状结构,提高了浆体的塑性粘度。

3D打印混凝土的可打印性研究综述

对国内外3D打印混凝土可打印性的研究现状进行了总结,分析了配合比和原材料组成对3D打印混凝土可打印性的影响,介绍了可打印性的评价方法,并对各评价方法进行了比较,给出了相关建议。

凹凸棒土与纳米二氧化硅对高强石膏浆体3D可打印性的影响

本文研究了凹凸棒土(ATP)和纳米二氧化硅(NS)对3D打印用α半水石膏浆体泵送性、流变性、支撑性等可打印性及固化体力学强度的影响。结果表明,掺入ATP后,泵送力维持在(0.57±0.02)kN,浆体剪切应力与剪切应变曲线不随掺量增加而发生明显变化,0 h、4 h打印体坍塌角分别从空白组的24°、32°降至掺量为2.8%(质量分数,下同)时的8°、11°。与ATP相比,打印浆体掺加NS后泵送力明显增加,掺加2.8%NS浆体的泵送力是同掺量ATP浆体的近2倍,浆体剪切初始应力随NS掺量增加而增大。虽然掺加NS使浆体泵送阻力增大,NS较ATP对打印体的支撑性却明显提升,掺加2.8%NS打印体0 h、4 h均无明显坍塌。ATP和NS在1%~2%掺量时浆体均可打印,且固化打印体抗压强度均有所增加,但层间粘结强度均削弱约2/3。

添加剂对3D打印轻骨料混凝土流变性和可打印性的影响

研究了骨料(石英砂、玻化微珠)、保塑剂(HMC)、塑化剂(KHC)、乳胶粉(FX)对3D打印轻骨料混凝土(3DPLAC)的流变性能、挤出性、堆积性能以及容重的影响.结果表明:在相同水胶比下,随着玻化微珠取代量的增加,3D打印轻骨料混凝土的表观黏度、触变性和屈服应力明显下降,挤出性、堆积性能降低,容重显著下降;随着HMC和KHC掺量的增大,3D打印轻骨料混凝土的表观黏度、触变性、屈服应力均明显增大;随着FX掺量的增加,3D打印轻骨料混凝土的表观黏度、触变性以及屈服应力呈先减小后增大的变化趋势.通过优化各组分配比,3D打印轻骨料混凝土可获得适宜的流变性能,可打印性得到显著改善,容重明显降低.

陶砂对3D打印砂浆的可打印性与早期水化行为的影响

利用陶砂取代一定体积的河砂制备3D打印砂浆,并对砂浆的可打印性、早期水化进程以及骨料与胶凝材料之间的界面结合区进行研究。研究结果表明:陶砂的掺入能够提高砂浆的流动性,延长砂浆的凝结时间,陶砂砂浆适宜打印的流动性在170~200 mm之间,初凝时间处于45~60 min之间,砂浆具有良好的可打印性;陶砂体积替代量在30%以内时,陶砂的掺入能够促进砂浆早期的水化,陶砂体积替代量越大,砂浆早期水化速率越快;在SEM下利用EDXA对7 d和28 d龄期砂浆内骨料与胶凝材料的界面结合区CaO/SiO_(2)进行分析,进而间接表明界面结合区的厚度,研究发现在7 d和28 d龄期时陶砂与胶凝材料界面结合区的厚度分别比河砂与胶凝材料界面结合区的厚度厚25%和30.7%。

水泥基复合材料3D可打印性的量化、优化及标准化

水泥基复合材料的3D可打印性与打印工艺的协调兼容是无模快速建造成型的关键。然而,3D打印原材料和配合比多样,打印设备不同,成型工艺各异,且3D可打印性的量化与评估尚未形成统一标准,为该技术的工程应用和推广带来不便。本文分析了3D可打印性的影响因素,综述了混凝土3D可打印性的量化评价方法,总结分析了六种3D可打印性的优化提升方法,并给出了标准化推广的建议,对混凝土3D打印技术的工程应用具有实践指导价值。

直接挤出成型用环氧树脂的流变性及其可打印性

直接挤出成型制造适用于任何含或不含添加剂的膏状或凝胶状复合材料,对复合材料制造技术具有深远意义。通过探讨热固性环氧树脂的流变学行为与挤出成型特性,得出热固性环氧树脂在直接挤出成型制造应用中的通用性流变学参数。通过向复合材料中加入增稠剂,对其流变学行为进行设计。结果表明:在高剪切速率(50 s-1)和低剪切速率(0.01 s-1)下,添加30%纳米黏土的环氧树脂的流变学行为较适合挤出式3D打印工艺。利用龙门式气动挤出式3D打印机,对复合材料的打印成型质量进行试验分析和验证。结合试验结果探讨了喷头高度对复合材料成型质量的影响,并且提出适用于喷头高度临界值的计算方法。探讨了挤出率、剪切速率等因素对成型质量的作用规律。针对多层打印问题,提出包含补偿系数的多层打印的临界喷头高度的计算方法。以上研究对促进基于复合材料的挤出式3D打印具有积极意义。

添加碳纳米管的吸波材料3D可打印性研究

利用3D打印技术制备了以金属铝为衬底的百分比不同的碳纳米管-丙烯酸酯复合吸波材料。对碳纳米管-丙烯酸酯复合材料进行3D打印可打印性的实验研究,确定它的3D打印可打印性极限值。实验结果显示,所制备的碳纳米管-丙烯酸酯复合材料的3D打印可打印性极限值为1.6%(碳纳米管占吸波材料总试样的质量百分比)。

3D打印全再生粗骨料混凝土各向异性力学性能研究

选用粒径4.75~10mm的粗骨料,制备成天然粗骨料混凝土和再生粗骨料混凝土,对比分析了作为3D打印油墨的可打印性,并探讨了不同养护条件对3D打印混凝土硬化后各向异性力学性能的影响。试验结果表明,相较于天然粗骨料,全再生粗骨料有助于加速打印油墨由流动性向塑性转化;通过配合比调整,打印油墨在静置10min后仍能维持可打印性,连续打印下的可工作时间增至20min;相较于标准养护,自然养护7d的天然及再生打印试样X方向的抗压强度降低分别为19.84%及20.13%;抗压强度关系为X轴(打印方向)>Z轴(叠层方向)>Y轴(传动轴方向),标准养护28d天然及再生打印试样Y轴抗压强度分别为X轴的83.41%与84.27%,表现出明显的各向异性。最后,从细微观角度阐释了骨料类型及3D打印层间性能对各向异性的形成机理。

磷石膏基3D打印材料制备及性能研究

研究了微硅粉及缓凝剂对磷石膏基3D打印材料可打印性及力学性能的影响。结果表明,随着微硅粉掺量增加,材料流动度先增大后减小,高度保留率逐渐减小,强度变化不大;微硅粉掺量4%时,材料的可挤出性得到改善且抗压强度较高。从可打印性来看,200P、SG12X缓凝剂对材料初始时的可打印性影响较小,但材料的可打印时间较短,且二者掺量较高,影响材料早期强度发展;GR200缓凝剂对材料初始可打印性的影响相对较大,但材料的可挤出性保持时间较长;从强度来看,200P对强度基本无影响,GR200引起的强度损失较小,而SG12X造成的强度损失较大。综合考虑,宜选择GR200作为磷石膏基3D打印材料的缓凝剂,其掺量控制在0.15%~0.20%。从打印效果来看,加入微硅粉后材料的可挤出性显著改善,DY3组材料初始流动度176 mm、初始高度保留率88.7%,可打印性良好。

壳聚糖对氧化淀粉凝胶热挤压3D打印成型性的影响

氧化淀粉凝胶材料因其具有亲水性和电荷性、易反应与组装等优势,成为近年来食品及生物医药等领域研究和应用的热点材料,但其作为热挤压3D打印凝胶材料时却存在打印成型性较差及凝胶强度较低等缺陷。本研究提出利用壳聚糖与氧化淀粉分子间的非共价及化学交联作用对其进行调控,探究不同壳聚糖添加量对氧化淀粉凝胶材料的流变性能、打印成型性和凝胶强度的影响。结果表明:壳聚糖与氧化淀粉糊特性依然呈现典型的剪切稀化特征,随着壳聚糖添加量增加(0.5%~2%),氧化淀粉-壳聚糖凝胶体系中存在氢键及静电吸引等非共价相互作用导致黏度增大,触变性先提升后下降,流动应力(τ_(f))先减小后增大、屈服应力(τ_(y))先增大后减小。相比于氧化淀粉凝胶,氧化淀粉-壳聚糖凝胶均具有良好的打印成型性,尤其是当壳聚糖添加量为1%时,复合凝胶触变性最好,流动应力(τ_(f))最小、屈服应力(τ_(y))最大,因此打印成型性与打印精度最佳。此外,由于壳聚糖与氧化淀粉的非共价相互作用以及希夫碱化学交联作用,使得氧化淀粉凝胶网络结构更加致密,稳定性提升,凝胶强度显著增大,且随壳聚糖添加量增加变化趋势愈加明显。本研究结果可为氧化淀粉凝胶材料的性能改善及适合热挤压3D打印加工需求的氧化淀粉-壳聚糖凝胶材料设计与应用提供理论依据和技术支撑。

聚羧酸高效减水剂的掺量对3D打印砂浆性能的影响

以聚羧酸减水剂对3D打印砂浆性能的影响为目标,选定和保持流动度基本不变,调整减水剂掺量和用水量,研究减水剂掺量对3D打印砂浆性能的影响。结果表明,随着减水剂掺量的增大,用水量降低,流动度经时损失降低,堆叠性降低,打印性能先变好后变差,强度增加,且性能变化较大或发生转折时的掺量与最大减水率对应的掺量有关。3D打印砂浆的减水剂最佳掺量不同于普通混凝土,综合考虑宜选中低掺量。

纤维掺量对速凝3D打印水泥基材料力学各向异性的影响

结合自主研发的物料搅拌和挤出同时进行的3D混凝土打印机(搅拌-挤出-体化打印机),实现了速凝玄武岩纤维改性水泥基材料的3D打印。以水平打印层为XY平面,进行试验测试3D打印混凝土在X、Y、Z方向的抗压、抗弯力学性能,并分析其力学各向异性规律。研究结果表明:在满足打印性能的要求下,玄武岩纤维的掺量范围为0~2.0%,掺量为1.5%时打印材料力学性能最优;随着纤维含量的增加,材料呈现力学各向异性趋势增大;沿X方向加载的打印试样抗压强度最高;沿Y方向加载的打印试样抗折强度最高。

固废基建筑3D打印材料的制备及性能研究

研究了建筑垃圾(微粉、再生砂)和钢渣(粉、砂)单、双组分固废对建筑3D打印材料可打印性和力学性能的影响,并优选出了最佳配合比。结果表明:采用单组分固废较难实现固废的大掺量(>50%)利用;与同条件下的单组分固废相比,双组分固废基建筑3D打印材料的可打印性得到一定改善,其中,当m钢渣砂∶m再生砂=1∶1、m钢渣粉∶m微粉=7∶3时,JS4组打印材料的可打印性和可建造性总体上显著优于其他组;与浇筑试件相比,打印试件Y、Z方向的抗折强度相差较小,但X、Y、Z方向的抗压强度明显较低。

直写打印高聚物形状记忆复合材料制备与性能

形状记忆聚合物目前在各领域具有广阔的应用前景,但其成型所依赖的模具形状难以做得非常复杂,很难满足新兴高科技领域对器件结构复杂性的需求,利用3D打印的方法制备形状记忆聚合物可以克服传统制备方法的诸多缺点。本研究将乙炔炭黑(ACB)与双酚A型环氧树脂(E51)共混,制备出不同ACB含量的环氧树脂基墨水。研究了墨水可打印性与流变性能的关系,筛选出四种可打印墨水,然后利用直接喷墨式打印技术制备环氧树脂基形状记忆复合材料,通过扫描电镜(SEM)观测填料的分布情况,研究了ACB含量对该复合材料玻璃化转变温度、动态力学行为、准静态力学性能、形状记忆性能的影响,为3D打印制备形状记忆聚合物以及环氧树脂基形状记忆聚合物更广泛的应用提供了参考。

温敏型胶体对玉米淀粉3D打印固化性能的影响

目的:利用温敏型胶体的相转变特性,辅助实现淀粉在打印过程中的成型固化,并揭示不同种类胶体-淀粉体系的固化性能变化规律。方法:将不同比例的温敏型胶体(低酰基结冷胶、明胶、κ-卡拉胶)与玉米淀粉进行复配并测定其流变性能,通过打印圆柱及空心球模型、测试产品力-位移曲线、温度扫描流变、全质构分析及微观结构观测评估体系可打印及固化性能。结果:结冷胶和卡拉胶在2%~4%添加量,明胶在0%~2%添加量时,体系具有适宜的流变性能及良好的可打印性能。添加4%结冷胶及4%卡拉胶的产品表现出显著的塑性,固化效果较好;添加明胶的打印产品无显著塑性,打印产品不固化。结冷胶-淀粉混合体系的固化温度在35~43℃之间;卡拉胶-淀粉混合体系的固化温度在30~40℃之间,随着胶体含量增加,固化温度上升,固化速度加快。而随着明胶含量增加,固化温度从25℃下降至20℃以下且固化速度减慢。4%低酰基结冷胶产品具有更致密的凝胶网络,硬度高于4%κ-卡拉胶产品。明胶对硬度、弹性都有削弱作用,但使粘附力大幅提高。结论:适宜含量的低酰基结冷胶和κ-卡拉胶能够实现淀粉的成型固化,且卡拉胶固化性能优于结冷胶,而明胶则无辅助固化能力。

建筑3D打印胶凝材料工程性能评价体系研究

在相关研究的基础上归纳总结了建筑3D打印胶凝材料的工程性能,包括可打印性、力学性能等,其中,可打印性包括流动性、可挤出性、可建造性、凝结时间、一次打印长度、挤出形态质量等;力学性能包括抗折强度与抗压强度。此外,选取可打印性与力学性能所包含的指标作为影响因子,利用层次分析法确定了因子权重,提出了因子赋值标准及评价结果分级标准,建立了建筑3D打印胶凝材料的工程性能评价体系,并设计正交试验计算性能指标值,对材料的工程性能进行了评价,可为3D打印胶凝材料工程性能相关研究提供参考。

玄武岩纤维对3D打印水泥基材料可打印性的影响

玄武岩纤维是一种具备良好力学性能、优异耐腐蚀性且高性价比的纤维材料,将其掺入3D打印水泥基材料中可以起到抑制塑性收缩开裂的作用。而玄武岩纤维的掺入会显著改变3D打印水泥基材料的流变性能,从而对3D打印水泥基材料可挤出性及可建造性产生影响。通过改变纤维的掺量、直径及长度,研究了玄武岩纤维特性对3D打印水泥基材料流变性能、可挤出性及可建造性的影响,明确了流变性能与可挤出性和可建造性之间的关系。研究结果表明,玄武岩纤维的掺量对3D打印水泥基材料流变性能参数的影响权重最大,其次是直径。动态屈服应力与单位时间挤出量呈负相关,静态屈服应力与打印试件倾角呈正相关。打印试件横截面积比受动态屈服应力和静态屈服应力等综合因素影响。综合来看,优良的可挤出性需要适中的动态屈服应力,约为280 Pa。而优良的可建造性不仅需要适中的动态屈服应力,还需要静态屈服应力大于950 Pa。