1.1Wpływ HPMC na drukowalność zapraw do druku 3D
1.1.1Wpływ HPMC na wytłaczalność zapraw do druku 3D
Pustą grupę M-H0 bez HPMC i grupy testowe z zawartością HPMC 0,05%, 0,10%, 0,20% i 0,30% pozostawiono na różne okresy czasu, a następnie zbadano płynność.Można zauważyć, że dodanie HPMC znacznie zmniejszy płynność zaprawy;przy stopniowym zwiększaniu zawartości HPMC od 0% do 0,30% początkowa płynność zaprawy zmniejsza się odpowiednio z 243 mm do 206, 191, 167 i 160 mm.HPMC jest polimerem wielkocząsteczkowym.Można je splatać ze sobą tworząc strukturę sieciową, a spójność zaczynu cementowego można zwiększyć poprzez kapsułkowanie składników takich jak Ca(OH) 2. Makroskopowo poprawia się spoistość zaprawy.Wraz z wydłużeniem czasu odstania wzrasta stopień uwodnienia zaprawy.wzrasta, płynność traci się z czasem.Płynność ślepej grupy M-H0 bez HPMC gwałtownie spadła.W grupie doświadczalnej z dodatkiem 0,05%, 0,10%, 0,20% i 0,30% HPMC stopień spadku płynności malał z czasem, a płynność zaprawy po 60 min odstania wynosiła odpowiednio 180, 177, 164 i 155 mm .Płynność wynosi 87,3%, 92,7%, 98,2%, 96,8%.Dodatek HPMC może znacznie poprawić zdolność zatrzymywania płynności zaprawy, co wynika z połączenia HPMC i cząsteczek wody;z drugiej strony HPMC może tworzyć podobny film. Ma strukturę sieciową i otula cement, co skutecznie ogranicza ulatnianie się wody w zaprawie i ma pewne właściwości zatrzymywania wody.Warto zaznaczyć, że przy zawartości HPMC wynoszącej 0,20% zdolność zatrzymywania płynności zaprawy osiąga najwyższy poziom.
Płynność zaprawy do druku 3D zmieszanej z różnymi ilościami HPMC wynosi 160 ~ 206 mm.Ze względu na różne parametry drukarki, zalecane zakresy płynności uzyskiwane przez różnych badaczy są różne i wynoszą 150~190 mm, 160~170 mm.Z rysunku 3 widać intuicyjnie. Można zauważyć, że płynność zaprawy do druku 3D zmieszanej z HPMC mieści się w większości w zalecanym zakresie, szczególnie przy zawartości HPMC wynoszącej 0,20%, płynność zaprawy w ciągu 60 minut mieści się w granicach zalecany zakres, który zapewnia odpowiednią płynność i możliwość układania w stosy.Dlatego też, choć płynność zaprawy przy odpowiedniej ilości HPMC ulega zmniejszeniu, co prowadzi do zmniejszenia wytłaczalności, to nadal charakteryzuje się ona dobrą wytłaczalnością, mieszczącą się w zalecanym zakresie.
1.1.2Wpływ HPMC na układalność zapraw do druku 3D
W przypadku niestosowania szablonu wielkość stopnia zachowania kształtu pod ciężarem własnym zależy od granicy plastyczności materiału, która jest związana z wewnętrzną spójnością zaczynu z kruszywem.Podano zachowanie kształtu zapraw do druku 3D o różnej zawartości HPMC.Tempo zmian wraz z czasem przebywania.Po dodaniu HPMC poprawia się trwałość kształtu zaprawy, zwłaszcza w początkowej fazie i po odstawieniu na 20 min.Jednakże wraz z wydłużaniem się czasu stania poprawiający wpływ HPMC na współczynnik zachowania kształtu zaprawy stopniowo słabł, co było spowodowane głównie znacznym wzrostem współczynnika retencji.Po odstaniu przez 60 minut tylko 0,20% i 0,30% HPMC może poprawić współczynnik zachowania kształtu zaprawy.
Wyniki badania odporności na penetrację zaprawy do druku 3D o różnej zawartości HPMC przedstawiono na rysunku 5. Z rysunku 5 można zobaczyć, że opór penetracji generalnie wzrasta wraz z wydłużaniem czasu stania, co wynika głównie z płynięcia zaczynu podczas procesu hydratacji cementu.Stopniowo przekształcił się w sztywną bryłę;w ciągu pierwszych 80 min dodatek HPMC zwiększał odporność na penetrację, a wraz ze wzrostem zawartości HPMC odporność na penetrację wzrastała.Im większa odporność na penetrację, tym odkształcenie materiału pod wpływem przyłożonego obciążenia, tym większa jest odporność HPMC, co wskazuje, że HPMC może poprawić wczesną możliwość układania w stosy zaprawy do druku 3D.Ponieważ wiązania hydroksylowe i eterowe w łańcuchu polimerowym HPMC łatwo łączą się z wodą poprzez wiązania wodorowe, co powoduje stopniową redukcję wolnej wody i zwiększenie połączenia między cząsteczkami, wzrasta siła tarcia, więc wzrasta opór wczesnej penetracji.Po 80 minutach odstania, w wyniku hydratacji cementu, odporność na penetrację grupy ślepej bez HPMC gwałtownie wzrosła, natomiast odporność na penetrację grupy testowej z HPMC wzrosła. Szybkość nie uległa istotnej zmianie aż do około 160 minut stania.Według Chena i wsp. dzieje się tak głównie dlatego, że HPMC tworzy wokół cząstek cementu warstwę ochronną, co wydłuża czas wiązania;Pourchez i in.przypuszcza się, że jest to spowodowane głównie włóknem. Proste produkty degradacji eteru (takie jak karboksylany) lub grupy metoksylowe mogą opóźniać hydratację cementu poprzez opóźnianie tworzenia Ca(OH)2.Warto zauważyć, że aby zapobiec wpływowi parowania wody na powierzchni próbki na rozwój odporności na penetrację, doświadczenie to przeprowadzono w tych samych warunkach temperatury i wilgotności.Ogólnie rzecz biorąc, HPMC może skutecznie poprawić możliwość układania w stosy zaprawy do druku 3D na początkowym etapie, opóźnić koagulację i wydłużyć czas drukowania zaprawy do druku 3D.
Jednostka zaprawy do druku 3D (długość 200 mm × szerokość 20 mm × grubość warstwy 8 mm): Pusta grupa bez HPMC została poważnie zdeformowana, zapadła się i miała problemy z krwawieniem podczas drukowania siódmej warstwy;Zaprawa z grupy M-H0.20 charakteryzuje się dobrą możliwością układania w stosy.Po zadrukowaniu 13 warstw szerokość górnej krawędzi wynosi 16,58 mm, szerokość dolnej krawędzi wynosi 19,65 mm, a stosunek góry do dołu (stosunek szerokości górnej krawędzi do dolnej krawędzi) wynosi 0,84.Odchylenie wymiarowe jest niewielkie.Dlatego też sprawdzono poprzez drukowanie, że dodanie HPMC może znacząco poprawić drukowalność zaprawy.Płynność zaprawy charakteryzuje się dobrą wytłaczalnością i możliwością układania w stosy przy grubości 160 ~ 170 mm;współczynnik zachowania kształtu jest mniejszy niż 70%, jest poważnie zdeformowany i nie spełnia wymagań drukowania.
1.2Wpływ HPMC na właściwości reologiczne zapraw do druku 3D
Podano lepkość pozorną czystej masy celulozowej przy różnej zawartości HPMC: wraz ze wzrostem szybkości ścinania lepkość pozorna czystej masy celulozowej maleje, a przy dużej zawartości HPMC występuje zjawisko rozrzedzania pod wpływem ścinania.To jest bardziej oczywiste.Łańcuch molekularny HPMC jest nieuporządkowany i wykazuje wyższą lepkość przy niskiej szybkości ścinania;ale przy dużej szybkości ścinania cząsteczki HPMC poruszają się równolegle i uporządkowanie wzdłuż kierunku ścinania, dzięki czemu cząsteczki łatwiej się przesuwają, więc lepkość pozorna zawiesiny jest stosunkowo niska.Gdy szybkość ścinania jest większa niż 5,0 s-1, lepkość pozorna P-H0 w grupie ślepej jest zasadniczo stabilna w granicach 5 Pa s;podczas gdy lepkość pozorna zawiesiny wzrasta po dodaniu HPMC i zmieszaniu jej z HPMC.Dodatek HPMC zwiększa tarcie wewnętrzne pomiędzy cząstkami cementu, co zwiększa lepkość pozorną zaczynu, a działanie makroskopowe polega na tym, że zmniejsza się wytłaczalność zaprawy do druku 3D.
Rejestrowano zależność pomiędzy naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania czystej zawiesiny w badaniu reologicznym, a do dopasowania wyników wykorzystano model Binghama.Wyniki przedstawiono na rysunku 8 i w tabeli 3. Gdy zawartość HPMC wynosiła 0,30%, szybkość ścinania podczas badania była większa niż 32,5. Gdy lepkość zawiesiny przekraczała zakres przyrządu przy s-1, odpowiednie dane nie można zbierać punktów.Generalnie do scharakteryzowania tiksotropii zaczynu wykorzystuje się obszar ograniczony krzywymi wznoszenia i opadania w fazie stabilnej (10,0~50,0 s-1) [21, 33].Tiksotropia odnosi się do właściwości polegającej na tym, że zawiesina ma dużą płynność pod działaniem siły zewnętrznej ścinającej i może powrócić do swojego pierwotnego stanu po ustaniu działania ścinającego.Dla drukowalności zaprawy bardzo ważna jest odpowiednia tiksotropia.Z Figury 8 można zobaczyć, że obszar tiksotropowy grupy ślepej bez HPMC wynosił tylko 116,55 Pa/s;po dodaniu 0,10% HPMC powierzchnia tiksotropowa pasty siatkowej znacznie wzrosła do 1 800,38 Pa/s;Wraz ze wzrostem , powierzchnia tiksotropowa pasty malała, ale nadal była 10-krotnie większa niż w grupie ślepej.Z punktu widzenia tiksotropii dodanie HPMC znacznie poprawiło drukowalność zaprawy.
Aby zaprawa zachowała swój kształt po wytłoczeniu i wytrzymała obciążenie kolejnej wytłaczanej warstwy, zaprawa musi posiadać wyższą granicę plastyczności.Z tabeli 3 wynika, że granica plastyczności τ0 zawiesiny netto znacznie się poprawia po dodaniu HPMC i jest podobna do HPMC.Zawartość HPMC jest dodatnio skorelowana;gdy zawartość HPMC wynosi 0,10%, 0,20% i 0,30%, granica plastyczności pasty netto wzrasta odpowiednio do 8,6, 23,7 i 31,8 razy większa niż w grupie ślepej;lepkość plastyczna μ również wzrasta wraz ze wzrostem zawartości HPMC.Druk 3D wymaga, aby lepkość plastyczna zaprawy nie była zbyt mała, w przeciwnym razie odkształcenie po wytłoczeniu będzie duże;jednocześnie należy zachować odpowiednią lepkość plastyczną zapewniającą spójność wytłoczenia materiału.Podsumowując, z punktu widzenia reologii, Incorporation firmy HPMC ma pozytywny wpływ na poprawę możliwości układania w stosy zaprawy do druku 3D.Po dodaniu HPMC czysta pasta nadal odpowiada modelowi reologicznemu Binghama, a stopień dopasowania R2 jest nie niższy niż 0,99.
1.3Wpływ HPMC na właściwości mechaniczne zaprawy do druku 3D
Wytrzymałość na ściskanie i zginanie zaprawy do druku 3D 28 d.Wraz ze wzrostem zawartości HPMC zmniejszała się wytrzymałość na ściskanie i zginanie 28 d zaprawy do druku 3D;gdy zawartość HPMC osiągnęła 0,30%, wytrzymałość na ściskanie 28 d i wytrzymałość na zginanie wynoszą odpowiednio 30,3 i 7,3 MPa.Badania wykazały, że HPMC ma pewne działanie napowietrzające, a jeśli jego zawartość jest zbyt duża, porowatość wewnętrzna zaprawy znacznie wzrośnie;Zwiększa się opór dyfuzyjny i trudno jest całość rozładować.Zatem wzrost porowatości może być przyczyną spadku wytrzymałości zaprawy do druku 3D spowodowanego HPMC.
Unikalny proces laminowania w druku 3D prowadzi do istnienia słabych obszarów w strukturze i właściwościach mechanicznych pomiędzy sąsiednimi warstwami, a siła wiązania między warstwami ma ogromny wpływ na ogólną wytrzymałość drukowanego elementu.Do druku 3D wycięto próbki zaprawy zmieszanej z 0,20% HPMC M-H0.20 i zbadano siłę wiązania międzywarstwowego metodą rozszczepiania międzywarstwowego.Siła wiązania międzywarstwowego trzech części była wyższa niż 1,3 MPa;a gdy liczba warstw była mała, siła wiązania międzywarstwowego była nieco większa.Przyczyną może być to, że z jednej strony ciężar górnej warstwy powoduje, że dolne warstwy są gęściej powiązane;z drugiej strony powierzchnia zaprawy może mieć więcej wilgoci podczas drukowania dolnej warstwy, podczas gdy wilgotność powierzchni zaprawy zmniejsza się w wyniku parowania i hydratacji podczas drukowania górnej warstwy, więc wiązanie pomiędzy dolnymi warstwami jest silniejsze.
1.4Wpływ HPMC na mikromorfologię zaprawy do druku 3D
Obrazy SEM próbek M-H0 i M-H0.20 w wieku 3 dni pokazują, że pory powierzchniowe próbek M-H0.20 znacznie zwiększają się po dodaniu 0,20% HPMC, a wielkość porów jest większa niż w przypadku pusta grupa.Dzieje się tak z jednej strony dlatego, że HPMC ma działanie napowietrzające, które wprowadza jednolite i drobne pory;z drugiej strony może się zdarzyć, że dodatek HPMC zwiększy lepkość zawiesiny, zwiększając w ten sposób opór odprowadzania powietrza wewnątrz zawiesiny.Wzrost ten może być główną przyczyną pogorszenia właściwości mechanicznych zaprawy.Podsumowując, aby zapewnić wytrzymałość zaprawy do druku 3D, zawartość HPMC nie powinna być zbyt duża (≤ 0,20%).
Podsumowując
(1) Hydroksypropylometyloceluloza HPMC poprawia drukowalność zaprawy.Wraz ze wzrostem zawartości HPMC wytłaczalność zaprawy zmniejsza się, ale nadal ma dobrą wytłaczalność, poprawia się możliwość układania w stosy i drukowalność. Czas jest wydłużony.Drukując potwierdzono, że po dodaniu HPMC odkształcenie dolnej warstwy zaprawy zmniejsza się, a stosunek góra-dół wynosi 0,84 przy zawartości HPMC 0,20%.
(2) HPMC poprawia właściwości reologiczne zaprawy do druku 3D.Wraz ze wzrostem zawartości HPMC wzrasta lepkość pozorna, granica plastyczności i lepkość plastyczna zaczynu;tiksotropia najpierw wzrasta, a następnie maleje i uzyskuje się drukowalność.Poprawa.Z punktu widzenia reologii dodatek HPMC może również poprawić drukowalność zaprawy.Po dodaniu HPMC zawiesina nadal odpowiada modelowi reologicznemu Binghama, a dobroć dopasowania R2≥0,99.
(3) Po dodaniu HPMC zwiększa się mikrostruktura i pory materiału.Zaleca się, aby zawartość HPMC nie przekraczała 0,20%, w przeciwnym razie będzie to miało duży wpływ na właściwości mechaniczne zaprawy.Siła wiązania pomiędzy różnymi warstwami zaprawy do druku 3D jest nieco inna, a liczba warstw, gdy jest mniejsza, to siła wiązania pomiędzy warstwami zaprawy jest większa.
Czas publikacji: 27 września 2022 r