1.1Вплив HPMC на придатність для друку розчинів для 3D-друку
1.1.1Вплив HPMC на здатність до екструдування розчинів для 3D-друку
Холосту групу M-H0 без ГПМЦ і досліджувані групи з вмістом ГПМЦ 0,05%, 0,10%, 0,20% і 0,30% залишали стояти протягом різних періодів часу, а потім тестували плинність.Можна побачити, що введення HPMC значно зменшить текучість будівельного розчину;при поступовому збільшенні вмісту ГПМЦ від 0% до 0,30% вихідна плинність розчину зменшується з 243 мм до 206, 191, 167 і 160 мм відповідно.HPMC є високомолекулярним полімером.Їх можна переплутати один з одним, утворюючи сітчасту структуру, а когезію цементного розчину можна підвищити шляхом інкапсуляції таких компонентів, як Ca(OH) 2. Макроскопічно когезійність розчину покращується.Зі збільшенням терміну витримки підвищується ступінь зволоження розчину.збільшується, плинність втрачається з часом.Текучість холостої групи M-H0 без ГПМЦ швидко знижувалася.В дослідній групі з 0,05 %, 0,10 %, 0,20 % і 0,30 % ГПМЦ ступінь зниження текучості з часом зменшувалася, і текучість розчину після витримки 60 хв становила 180, 177, 164 і 155 мм відповідно. .Текучість 87,3%, 92,7%, 98,2%, 96,8%.Введення HPMC може значно покращити здатність утримувати текучість будівельного розчину, що відбувається завдяки поєднанню HPMC і молекул води;з іншого боку, HPMC може утворювати подібну плівку. Вона має сітчасту структуру та огортає цемент, що ефективно зменшує випаровування води в розчині та має певну ефективність утримання води.Варто відзначити, що при вмісті ГПМЦ 0,20% здатність до утримування текучості розчину досягає найвищого рівня.
Текучість розчину для 3D-друку, змішаного з різною кількістю HPMC, становить 160~206 мм.Через різні параметри принтера рекомендовані діапазони текучості, отримані різними дослідниками, відрізняються, наприклад, 150–190 мм, 160–170 мм.На малюнку 3 це можна інтуїтивно побачити. Можна побачити, що плинність розчину для 3D-друку, змішаного з HPMC, переважно знаходиться в межах рекомендованого діапазону, особливо коли вміст HPMC становить 0,20%, плинність розчину протягом 60 хвилин знаходиться в межах рекомендований діапазон, який задовольняє відповідну плинність і здатність до штабелювання.Таким чином, хоча текучість будівельного розчину з відповідною кількістю HPMC знижується, що призводить до зниження здатності до екструзії, вона все ще має хорошу здатність до екструдування, яка знаходиться в межах рекомендованого діапазону.
1.1.2Вплив HPMC на здатність до штабелювання розчинів для 3D-друку
У разі невикористання шаблону розмір коефіцієнта збереження форми під власною вагою залежить від межі текучості матеріалу, яка пов’язана з внутрішньою когезією між суспензією та заповнювачем.Наведено збереження форми розчинів для 3D-друку з різним вмістом HPMC.Швидкість зміни з часом стояння.Після додавання HPMC швидкість збереження форми розчину покращується, особливо на початковій стадії та витримці 20 хв.Однак із збільшенням часу витримки покращувальний вплив HPMC на швидкість утримання форми будівельного розчину поступово слабшав, що було в основному через те, що швидкість утримання значно зростає.Після витримки протягом 60 хвилин тільки 0,20% і 0,30% HPMC може покращити ступінь збереження форми розчину.
Результати випробувань розчину для 3D-друку на стійкість до проникнення з різним вмістом ГПМЦ показано на малюнку 5. На малюнку 5 видно, що опір проникненню зазвичай зростає зі збільшенням часу витримки, що в основному пов’язано з потоком суспензії в процесі гідратації цементу.Він поступово перетворився на тверде тіло;у перші 80 хв введення HPMC підвищувало стійкість до проникнення, а зі збільшенням вмісту HPMC стійкість до проникнення збільшувалася.Чим більший опір проникненню, деформація матеріалу через прикладене навантаження, тим більший опір HPMC, що вказує на те, що HPMC може покращити раннє укладання розчину для 3D-друку.Оскільки гідроксильні та ефірні зв’язки на полімерному ланцюзі HPMC легко поєднуються з водою через водневі зв’язки, що призводить до поступового зменшення вільної води та збільшення зв’язку між частинками, сила тертя збільшується, тому опір ранньому проникненню стає більшим.Після витримки протягом 80 хвилин завдяки гідратації цементу стійкість до проникнення холостої групи без ГПМЦ швидко зросла, тоді як стійкість до проникнення тестової групи з ГПМЦ зросла. Швидкість не змінювалася суттєво приблизно до 160 хв стояння.За словами Чена та ін., це головним чином тому, що HPMC утворює захисну плівку навколо частинок цементу, що подовжує час схоплювання;Pourchez та ін.припустив, що це головним чином через клітковину. Прості продукти розпаду ефіру (такі як карбоксилати) або метоксильні групи можуть затримувати гідратацію цементу, сповільнюючи утворення Ca(OH)2.Варто зазначити, що для того, щоб запобігти впливу випаровування води на поверхню зразка на розвиток стійкості до проникнення, цей експеримент проводився за однакових умов температури та вологості.Загалом HPMC може ефективно покращити здатність до укладання розчину для 3D-друку на початковому етапі, затримати коагуляцію та подовжити час друку розчину для 3D-друку.
Об’єкт розчину для 3D-друку (довжина 200 мм × ширина 20 мм × товщина шару 8 мм): група заготовок без HPMC була сильно деформована, зруйнована та мала проблеми з кровотечею під час друку сьомого шару;Розчин групи М-Н0,20 має хорошу штабелюваність.Після друку 13 шарів ширина верхнього краю становить 16,58 мм, ширина нижнього краю становить 19,65 мм, а співвідношення верхнього краю (відношення ширини верхнього краю до ширини нижнього краю) становить 0,84.Відхилення розмірів невелике.Таким чином, було підтверджено друком, що введення HPMC може значно покращити придатність розчину для друку.Плинність будівельного розчину має хорошу здатність до екструдування та штабелювання на 160~170 мм;коефіцієнт збереження форми становить менше 70 %, серйозно деформований і не відповідає вимогам друку.
1.2Вплив HPMC на реологічні властивості розчинів для 3D-друку
Наведено уявну в’язкість чистої целюлози за різного вмісту HPMC: із збільшенням швидкості зсуву уявна в’язкість чистої целюлози зменшується, а явище розрідження при зсуві спостерігається при високому вмісті HPMC.Це більш очевидно.Молекулярний ланцюг HPMC невпорядкований і демонструє вищу в’язкість при низькій швидкості зсуву;але при високій швидкості зсуву молекули HPMC рухаються паралельно та впорядковано вздовж напрямку зсуву, полегшуючи ковзання молекул, тому таблиця Уявна в’язкість суспензії є відносно низькою.Коли швидкість зсуву перевищує 5,0 с-1, уявна в’язкість P-H0 у холостій групі в основному стабільна в межах 5 Па с;тоді як видима в'язкість суспензії збільшується після додавання HPMC, і вона змішується з HPMC.Додавання HPMC збільшує внутрішнє тертя між частинками цементу, що збільшує видиму в’язкість пасти, а макроскопічні показники полягають у тому, що здатність розчину для 3D-друку зменшується.
Було зареєстровано співвідношення між напругою зсуву та швидкістю зсуву чистої суспензії в реологічному випробуванні, і для підгонки результатів була використана модель Бінгема.Результати показано на рисунку 8 і в таблиці 3. Коли вміст HPMC становив 0,30%, швидкість зсуву під час випробування була більшою за 32,5. Коли в’язкість суспензії перевищує діапазон приладу при с-1, відповідні дані бали не можна набрати.Як правило, для характеристики тиксотропії суспензії використовується площа, обмежена кривими зростання та спаду на стабільній стадії (10,0~50,0 с-1) [21, 33].Тиксотропія відноситься до властивості, що суспензія має велику плинність під дією зовнішньої сили зсуву та може повернутися до свого початкового стану після скасування дії зсуву.Відповідна тиксотропія дуже важлива для друку розчину.На малюнку 8 видно, що тиксотропна площа контрольної групи без HPMC становила лише 116,55 Па/с;після додавання 0,10% HPMC тиксотропна площа чистої пасти значно збільшилася до 1800,38 Па/с;Зі збільшенням площа тиксотропності пасти зменшувалася, але все ще була в 10 разів вищою, ніж у холостої групи.З точки зору тиксотропії, введення HPMC значно покращило здатність розчину друкувати.
Для того, щоб розчин зберіг свою форму після екструзії та витримував навантаження наступного екструдованого шару, він повинен мати більш високу межу текучості.З таблиці 3 видно, що межа текучості τ0 чистої суспензії значно покращується після додавання HPMC, і вона подібна до HPMC.Вміст ГПМЦ позитивно корелює;коли вміст ГПМЦ становить 0,10%, 0,20% і 0,30%, межа текучості чистої пасти збільшується до 8,6, 23,7 і 31,8 разів відповідно, ніж у холостої групи;пластична в'язкість μ також зростає зі збільшенням вмісту ГПМЦ.3D-друк вимагає, щоб пластична в'язкість розчину не була занадто малою, інакше деформація після екструзії буде великою;в той же час слід підтримувати відповідну пластичну в'язкість, щоб забезпечити консистенцію екструзії матеріалу.Підводячи підсумок, з точки зору реології, інкорпорація HPMC позитивно впливає на покращення здатності до штабелювання розчину для 3D-друку.Після включення HPMC чиста паста все ще відповідає реологічній моделі Бінгема, а ступінь відповідності R2 не нижче 0,99.
1.3Вплив HPMC на механічні властивості розчину для 3D-друку
28 d міцність на стиск і міцність на згин розчину для 3D-друку.Зі збільшенням вмісту HPMC міцність розчину для 3D-друку на стиск і вигин протягом 28 днів зменшилася;коли вміст HPMC досягає 0,30%, міцність на стиск за 28 днів і міцність на вигин становлять 30,3 і 7,3 МПа відповідно.Дослідження показали, що ГПМЦ має певний повітровтягуючий ефект, і якщо його вміст занадто високий, внутрішня пористість розчину значно збільшиться;Дифузійний опір зростає, і його важко розрядити.Таким чином, збільшення пористості може бути причиною зниження міцності розчину для 3D-друку, спричиненого HPMC.
Унікальний процес ламінування під час 3D-друку призводить до наявності слабких зон у структурі та механічних властивостях між сусідніми шарами, а міцність з’єднання між шарами має великий вплив на загальну міцність надрукованого компонента.Для 3D-друку зразки розчину, змішаного з 0,20% HPMC M-H0.20, розрізали, а міцність міжшарового зв’язку перевіряли методом розщеплення між шарами.Міцність міжшарового з’єднання трьох частин була вищою за 1,3 МПа;і коли кількість шарів була невеликою, міцність міжшарового зв'язку була трохи вищою.Причина може полягати в тому, що, з одного боку, сила тяжіння верхнього шару робить нижні шари більш щільними;з іншого боку, поверхня розчину може мати більше вологи під час друку нижнього шару, тоді як поверхнева вологість розчину зменшується через випаровування та гідратацію під час друкування верхнього шару, тому зв’язок між нижніми шарами є сильнішим.
1.4Вплив HPMC на мікроморфологію розчину для 3D-друку
SEM-зображення зразків M-H0 і M-H0.20 у віці 3 днів показують, що поверхневі пори зразків M-H0.20 значно збільшуються після додавання 0,20% HPMC, а розмір пор більший, ніж у порожня група.Це, з одного боку, тому, що HPMC має повітротягнучу дію, яка вводить рівномірні та тонкі пори;з іншого боку, може бути так, що додавання HPMC збільшує в'язкість суспензії, тим самим збільшуючи опір розряду повітря всередині суспензії.Збільшення може бути основною причиною зниження механічних властивостей розчину.Підсумовуючи, щоб забезпечити міцність розчину для 3D-друку, вміст HPMC не повинен бути занадто великим (≤ 0,20%).
На закінчення
(1) Гідроксипропілметилцелюлоза HPMC покращує придатність розчину для друку.Зі збільшенням вмісту HPMC здатність розчину до екструдування зменшується, але все ще має хорошу здатність до екструдування, покращується здатність до штабелювання, а час друку подовжується.Було підтверджено друком, що деформація нижнього шару розчину зменшується після додавання HPMC, а співвідношення верхнього та нижнього шарів становить 0,84, коли вміст HPMC становить 0,20%.
(2) HPMC покращує реологічні властивості суміші для 3D-друку.Зі збільшенням вмісту HPMC уявна в'язкість, межа текучості та пластична в'язкість суспензії збільшуються;тиксотропія спочатку зростає, а потім зменшується, і досягається друкованість.Поліпшення.З точки зору реології, додавання HPMC також може покращити придатність будівельного розчину для друку.Після додавання HPMC суспензія все ще відповідає реологічній моделі Бінгема, а ступінь відповідності R2≥0,99.
(3) Після додавання HPMC мікроструктура та пори матеріалу збільшуються.Рекомендується, щоб вміст HPMC не перевищував 0,20%, інакше це матиме великий вплив на механічні властивості будівельного розчину.Міцність з’єднання між різними шарами розчину для 3D-друку дещо відрізняється, і кількість шарів, коли вона нижча, міцність з’єднання між шарами розчину вища.
Час публікації: 27 вересня 2022 р