1.1Влияние HPMC на возможность печати растворов для 3D-печати
1.1.1Влияние HPMC на экструдируемость растворов для 3D-печати
Контрольную группу M-H0 без ГПМЦ и тестовые группы с содержанием ГПМЦ 0,05%, 0,10%, 0,20% и 0,30% оставляли стоять в течение различных периодов времени, а затем проверяли текучесть.Видно, что введение ГПМЦ значительно снизит текучесть строительного раствора;при постепенном увеличении содержания ГПМЦ от 0% до 0,30% начальная текучесть раствора снижается с 243 мм до 206, 191, 167 и 160 мм соответственно.ГПМЦ представляет собой высокомолекулярный полимер.Они могут переплетаться друг с другом, образуя сетчатую структуру, а сцепление цементного раствора можно повысить за счет инкапсулирования таких компонентов, как Ca(OH) 2. Макроскопически когезионность раствора улучшается.С увеличением времени выдержки степень гидратации раствора увеличивается.увеличивается, текучесть со временем теряется.Текучесть контрольной группы М-Н0 без ГПМЦ быстро снижалась.В опытной группе с 0,05%, 0,10%, 0,20% и 0,30% ГПМЦ степень снижения текучести уменьшалась со временем, а текучесть раствора после выдержки в течение 60 мин составила 180, 177, 164 и 155 мм соответственно. .Текучесть 87,3%, 92,7%, 98,2%, 96,8%.Введение ГПМЦ может значительно улучшить способность удерживать текучесть строительного раствора, что обусловлено сочетанием ГПМЦ и молекул воды;с другой стороны, HPMC может образовывать аналогичную пленку. Она имеет сетчатую структуру и обволакивает цемент, что эффективно снижает испарение воды в растворе и обладает определенной водоудерживающей способностью.Стоит отметить, что при содержании ГПМЦ 0,20% способность сохранения текучести раствора достигает наивысшего уровня.
Текучесть раствора для 3D-печати, смешанного с различным количеством HPMC, составляет 160–206 мм.Из-за разных параметров принтера рекомендуемые диапазоны текучести, полученные разными исследователями, различаются, например, 150–190 мм, 160–170 мм.На рисунке 3 интуитивно видно, что текучесть раствора для 3D-печати, смешанного с ГПМЦ, в основном находится в рекомендуемом диапазоне, особенно когда содержание ГПМЦ составляет 0,20%, текучесть раствора в течение 60 минут находится в пределах рекомендуемый диапазон, который обеспечивает соответствующую текучесть и возможность штабелирования.Поэтому, хотя текучесть строительного раствора с подходящим количеством ГПМЦ снижается, что приводит к снижению экструдируемости, он все же имеет хорошую экструдируемость, находящуюся в рекомендуемых пределах.
1.1.2Влияние HPMC на штабелируемость растворов для 3D-печати
В случае без использования шаблона величина показателя сохранения формы под собственным весом зависит от предела текучести материала, который связан с внутренним сцеплением между раствором и заполнителем.Приведено сохранение формы растворов для 3D-печати с различным содержанием ГПМЦ.Скорость изменения со временем стояния.После добавления ГПМЦ улучшается сохраняемость формы раствора, особенно на начальном этапе и в течение 20 мин.Однако с увеличением времени выдержки улучшающий эффект ГПМЦ на степень сохранения формы раствора постепенно ослабевает, что происходит главным образом за счет значительного увеличения скорости удержания.После выдержки в течение 60 минут только 0,20% и 0,30% ГПМЦ могут улучшить степень сохранения формы строительного раствора.
Результаты испытаний на устойчивость к проникновению раствора для 3D-печати с различным содержанием ГПМЦ показаны на рисунке 5. Из рисунка 5 видно, что сопротивление проникновению обычно увеличивается с увеличением времени выдержки, что в основном связано с течением раствора в процессе гидратации цемента.Постепенно он превратился в твердое тело;в первые 80 мин введение ГПМЦ увеличивало сопротивление проникновению, а с увеличением содержания ГПМЦ сопротивление проникновению возрастало.Чем выше сопротивление проникновению, тем больше деформация материала из-за приложенной нагрузки. Чем выше сопротивление HPMC, это указывает на то, что HPMC может улучшить раннюю укладку раствора для 3D-печати.Поскольку гидроксильные и эфирные связи в полимерной цепи ГПМЦ легко соединяются с водой посредством водородных связей, в результате чего происходит постепенное уменьшение свободной воды и увеличение связи между частицами, сила трения увеличивается, поэтому сопротивление раннему проникновению становится больше.После стояния в течение 80 минут из-за гидратации цемента сопротивление проникновению контрольной группы без ГПМЦ быстро увеличивалось, в то время как сопротивление проникновению испытуемой группы с ГПМЦ увеличивалось. Скорость существенно не менялась примерно до 160 минут стояния.По мнению Чена и др., это происходит главным образом потому, что ГПМЦ образует защитную пленку вокруг частиц цемента, что продлевает время схватывания;Пурчез и др.предположили, что это происходит главным образом из-за волокон. Простые продукты разложения эфиров (такие как карбоксилаты) или метоксильные группы могут задерживать гидратацию цемента, замедляя образование Ca(OH)2.Стоит отметить, что для того, чтобы испарение воды с поверхности образца не влияло на развитие сопротивления проникновению, данный эксперимент проводился в одинаковых условиях температуры и влажности.В целом, HPMC может эффективно улучшить штабелируемость раствора для 3D-печати на начальном этапе, задержать коагуляцию и продлить время печати раствора для 3D-печати.
Состав раствора для 3D-печати (длина 200 мм × ширина 20 мм × толщина слоя 8 мм): группа заготовок без HPMC была сильно деформирована, разрушилась и имела проблемы с кровотечением при печати седьмого слоя;Групповой миномет М-Н0,20 обладает хорошей штабелируемостью.После печати 13 слоев ширина верхнего края составляет 16,58 мм, ширина нижнего края — 19,65 мм, а соотношение верха и низа (отношение ширины верхнего края к ширине нижнего края) — 0,84.Отклонение размеров небольшое.Таким образом, методом печати было подтверждено, что добавление ГПМЦ может значительно улучшить пригодность раствора для печати.Текучий раствор имеет хорошую экструдируемость и штабелируемость при толщине 160–170 мм;степень сохранения формы менее 70 %, серьезно деформируется и не может соответствовать требованиям печати.
1.2Влияние ГПМЦ на реологические свойства растворов для 3D-печати
Приведена кажущаяся вязкость чистой целлюлозы при различном содержании ГПМЦ: с увеличением скорости сдвига кажущаяся вязкость чистой пульпы снижается, а при высоком содержании ГПМЦ наблюдается явление сдвигового утонения.Это более очевидно.Молекулярная цепь ГПМЦ неупорядочена и демонстрирует более высокую вязкость при низкой скорости сдвига;но при высокой скорости сдвига молекулы ГПМЦ движутся параллельно и упорядоченно в направлении сдвига, что облегчает скольжение молекул, поэтому кажущаяся вязкость суспензии относительно низкая.Когда скорость сдвига превышает 5,0 с-1, кажущаяся вязкость P-H0 в контрольной группе в основном стабильна в пределах 5 Па с;в то время как кажущаяся вязкость суспензии увеличивается после добавления ГПМЦ и ее смешивания с ГПМЦ.Добавление HPMC увеличивает внутреннее трение между частицами цемента, что увеличивает кажущуюся вязкость пасты, а макроскопические характеристики заключаются в том, что экструдируемость раствора для 3D-печати снижается.
Записывали взаимосвязь между напряжением сдвига и скоростью сдвига чистой суспензии в ходе реологического испытания и для аппроксимации результатов использовали модель Бингама.Результаты показаны на рисунке 8 и в таблице 3. Когда содержание ГПМЦ составляло 0,30%, скорость сдвига во время испытания была больше 32,5. Когда вязкость суспензии превышает диапазон прибора при с-1, соответствующие данные баллы не могут быть набраны.Обычно для характеристики тиксотропии суспензии используют площадь, ограниченную восходящей и нисходящей кривыми на стабильной стадии (10,0~50,0 с-1) [21, 33].Тиксотропия относится к свойству, заключающемуся в том, что суспензия имеет большую текучесть под действием внешней силы сдвига и может вернуться в исходное состояние после прекращения сдвигающего действия.Соответствующая тиксотропность очень важна для печатных свойств раствора.Из рисунка 8 видно, что тиксотропная площадь контрольной группы без ГПМЦ составляла всего 116,55 Па/с;после добавления 0,10% ГПМЦ тиксотропная площадь нетто-пасты значительно увеличилась до 1800,38 Па/с;С увеличением тиксотропная площадь пасты уменьшалась, но все равно была в 10 раз выше, чем у контрольной группы.С точки зрения тиксотропии добавление ГПМЦ значительно улучшило печатные свойства раствора.
Чтобы раствор сохранял свою форму после экструзии и выдерживал нагрузку последующего экструдированного слоя, раствор должен иметь более высокий предел текучести.Из таблицы 3 видно, что предел текучести τ0 чистой суспензии значительно улучшается после добавления ГПМЦ и аналогичен ГПМЦ.Содержание HPMC положительно коррелирует;при содержании ГПМЦ 0,10, 0,20 и 0,30 % предел текучести нетто-пасты увеличивается в 8,6, 23,7 и 31,8 раза по сравнению с контрольной группой соответственно;пластическая вязкость ц также увеличивается с увеличением содержания ГПМЦ.3D-печать требует, чтобы пластическая вязкость раствора не была слишком маленькой, иначе деформация после экструзии будет большой;в то же время следует поддерживать подходящую пластическую вязкость, чтобы обеспечить постоянство экструзии материала.Таким образом, с точки зрения реологии, добавление HPMC оказывает положительное влияние на улучшение штабелируемости раствора для 3D-печати.После добавления ГПМЦ чистая паста по-прежнему соответствует реологической модели Бингама, а степень соответствия R2 не ниже 0,99.
1.3Влияние HPMC на механические свойства раствора для 3D-печати
Прочность раствора для 3D-печати на сжатие и изгиб 28 дней.С увеличением содержания ГПМЦ прочность раствора для 3D-печати на сжатие и изгиб в течение 28 дней снизилась;когда содержание ГПМЦ достигает 0,30%, прочность на сжатие в течение 28 суток и прочность на изгиб составляют 30,3 и 7,3 МПа соответственно.Исследования показали, что ГПМЦ обладает определенным воздухововлекающим действием, и если его содержание слишком велико, внутренняя пористость раствора значительно увеличится;Диффузионное сопротивление увеличивается, и разрядить все становится сложно.Следовательно, увеличение пористости может быть причиной снижения прочности раствора для 3D-печати, вызванного HPMC.
Уникальный процесс ламинирования при 3D-печати приводит к существованию слабых участков в структуре и механических свойствах между соседними слоями, а прочность соединения между слоями оказывает большое влияние на общую прочность печатного компонента.Для 3D-печати образцы раствора, смешанного с 0,20% HPMC M-H0.20, вырезались и прочность межслоевого соединения проверялась методом межслоевого расщепления.Прочность межслоевого соединения трех деталей составила более 1,3 МПа;а когда количество слоев было небольшим, прочность межслоевого соединения была немного выше.Причина может быть в том, что, с одной стороны, гравитация верхнего слоя делает более прочно связанными нижние слои;с другой стороны, поверхность раствора может иметь больше влаги при печати нижнего слоя, в то время как поверхностная влажность раствора снижается из-за испарения и гидратации при печати верхнего слоя, поэтому связь между нижними слоями становится более прочной.
1,4Влияние HPMC на микроморфологию раствора для 3D-печати
СЭМ-изображения образцов M-H0 и M-H0.20 в возрасте 3 дней показывают, что поверхностные поры образцов M-H0.20 значительно увеличиваются после добавления 0,20% ГПМЦ, а размер пор больше, чем у образцов M-H0.20. пустая группа.С одной стороны, это связано с тем, что ГПМЦ обладает воздухововлекающим эффектом, что приводит к образованию однородных и мелких пор;с другой стороны, возможно, что добавление ГПМЦ увеличивает вязкость суспензии, тем самым увеличивая сопротивление выпуску воздуха внутри суспензии.Увеличение может быть основной причиной снижения механических свойств раствора.Подводя итог, чтобы обеспечить прочность раствора для 3D-печати, содержание HPMC не должно быть слишком большим (≤ 0,20%).
В заключение
(1) Гидроксипропилметилцеллюлоза ГПМЦ улучшает печатные свойства раствора.С увеличением содержания ГПМЦ экструдируемость раствора снижается, но он все еще имеет хорошую экструдируемость, улучшается штабелируемость и продлевается время печати.Путем печати было подтверждено, что деформация нижнего слоя строительного раствора уменьшается после добавления ГПМЦ, а соотношение верх-низ составляет 0,84, когда содержание ГПМЦ составляет 0,20%.
(2) HPMC улучшает реологические свойства раствора для 3D-печати.С увеличением содержания ГПМЦ кажущаяся вязкость, предел текучести и пластическая вязкость суспензии увеличиваются;тиксотропия сначала увеличивается, а затем уменьшается, и достигается возможность печати.Улучшение.С точки зрения реологии добавление HPMC также может улучшить печатные свойства раствора.После добавления ГПМЦ суспензия по-прежнему соответствует реологической модели Бингама, и степень соответствия R2≥0,99.
(3) После добавления ГПМЦ микроструктура и поры материала увеличиваются.Рекомендуется, чтобы содержание ГПМЦ не превышало 0,20%, в противном случае это окажет сильное влияние на механические свойства раствора.Прочность сцепления между разными слоями раствора для 3D-печати немного различается, а количество слоев. Когда оно меньше, прочность сцепления между слоями раствора выше.
Время публикации: 27 сентября 2022 г.