CN110436869B - 一种石膏基3d打印材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石膏基3D打印材料及其制备方法，该石膏基3D打印材料，按重量份计，包括以下组分：石膏：100份，缓凝组分：0.01‑1份，氢氧化钙：0‑0.1份，减水剂：0‑1份，触变增稠改性剂：0.1‑4份。本发明的石膏基3D打印材料采用外加剂对石膏进行改性，使其具有较长的缓凝时间、较高的屈服强度、较好的堆积性能，且本发明避免了现有石膏基3D打印材料中胶结剂的使用，大大降低了生产成本，且绿色环保。

Description

一种石膏基3D打印材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种石膏基3D打印材料及其制备方法。
背景技术
挤出成型3D打印的基本原则是简单的物理学技术。由于运用挤压打印材料的方式打印，可以通过一个喷嘴作为成型部件，简单的将材料挤压喷出然后沉积，一层一层的创建三维实体对象，材料挤压动力可以以压缩空气为动力源或机械螺杆驱动。决定挤出成型3D打印成功的主要因素是：材料可以挤压而具有流动性，材料在流变性能上具有剪切稀变的特性；材料挤压后能自固化而支撑上面重量。
目前石膏基材料的3D打印主要以胶结剂作为固化剂，利用胶结剂的粘接性能来成型，因此成型强度较低，且胶结剂的使用，使得石膏基材料的3D打印成本较高，并容易污染环境。
因此，开发一种成型强度、生产成本低、绿色环保的石膏基3D打印材料是目前亟待解决的问题之一，而相关研究极少。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种石膏基3D打印材料，以解决现有石膏基3D打印材料成型强度低、生产成本高、易对环境造成污染的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种石膏基3D打印材料，按重量份计，包括以下组分：
石膏：100份，缓凝组分：0.01-1份，氢氧化钙：0.01-0.1份，减水剂：0.01-1份，触变增稠改性剂：0.1-4份。
可选地，所述石膏为生石膏、磷石膏、氟石膏、半水石膏、芒硝石膏、高强石膏中的一种或多种。
可选地，所述缓凝组分为蛋白类缓凝剂、柠檬酸钠、酒石酸钾、丙烯酸钠、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、乙二胺四乙酸二钠中的一种或多种。
可选地，所述减水剂为磷酸盐梳状聚合物、聚羧酸系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂、萘系减水剂中的一种或多种。
可选地，所述触变增稠改性剂为纤维素纳米晶体、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、有机膨润土、凹凸棒土、气相白炭黑、亲水性气相纳米二氧化硅中的一种或多种。
本发明的第二目的在于提供一种制备上述石膏基3D打印材料的方法，该制备方法包括以下步骤：
1)设计待打印物体的三维模型信息，并将三维模型信息转换为加工代码后输入到3D打印机上；
2)将所述石膏、所述缓凝组分、所述氢氧化钙、所述减水剂、所述触变增稠改性剂与水混合均匀，得到石膏基3D打印浆体；
3)采用3D打印机挤出所述石膏基3D打印浆体，得到石膏基3D打印坯体；
4)将所述石膏基3D打印坯体干燥后，打磨、抛光，得到石膏基3D打印材料。
可选地，所述步骤2)中将所述石膏、所述缓凝组分、所述氢氧化钙、所述减水剂、所述触变增稠改性剂与水混合均匀，得到石膏基3D打印浆体，包括：
将所述氢氧化钙与所述石膏混合后溶于一定份数的水，得到石膏浆体；
将所述缓凝组分、所述减水剂与所述触变增稠改性剂溶于剩余份数的水，得到外加剂溶液；
将所述石膏浆体和所述外加剂溶液混合均匀，得到石膏基3D打印浆体。
可选地，所述步骤2)中所述水的重量与所述石膏、所述缓凝组分、所述氢氧化钙、所述减水剂、所述触变增稠改性剂的总重量的比为0.25-0.5。
可选地，所述步骤2)中所述石膏基3D打印浆体的挤出方式为加压挤出、螺杆挤出中的一种。
相对于现有技术，本发明所述的石膏基3D打印材料具有以下优势：
1、本发明的石膏基3D打印材料采用外加剂对石膏进行改性，使其具有较长的缓凝时间、较高的屈服强度、较好的堆积性能，且本发明避免了现有石膏基3D打印材料中胶结剂的使用，大大降低了生产成本，且绿色环保。
2、本发明石膏基3D打印材料的制备方法简单，且采用压力脉动小、流量平稳、有自吸能力的螺杆泵输送物料，可实现连续供料打印，进而实现石膏基3D打印材料的直接挤出，免于维护，另外，在打印后自动通高压水避免了后期人工维护疏通管道，易于工业化生产。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述石膏基3D打印材料的制备方法的流程图；
图2为本发明所述石膏基3D打印材料的制备方法中物料和增压清洗用水流经示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种石膏基3D打印材料，按重量份计，包括以下组分：
半水石膏(熟石膏)：100份，蛋白类缓凝剂：0.16份，氢氧化钙：0.05份，减水型聚羧酸减水剂(武汉华轩高新技术有限公司生产的KH-5聚羧酸减水剂母液)：0.8份，羟丙基甲基纤维素：1.6份，凹凸棒土：1份
如图1、图2所示，其中，图2中虚线为粉体流经路线，实线箭头为浆体流经路线，空白箭头为浆体流经路线，上述石膏基3D打印材料具体通过以下方法制得：
1)在计算机中设计待打印物体的三维模型信息，并将三维模型信息转换为加工代码后输入到3D打印机上；
2)将上述原料配比输入3D打印机，3D打印机自动称取物料，并以0.45的水膏比和设定的加料顺序将各原料加入至搅拌机内充分混合均匀后，得到石膏基3D打印浆体，其中，设定的加料顺序具体为：先将氢氧化钙与石膏(熟石膏)混合后溶于一定份数的水(总用水量的90％)，得到石膏浆体，再将缓凝组分(蛋白类缓凝剂)、减水剂(减水型聚羧酸减水剂)与触变增稠改性剂(羟丙基甲基纤维素+凹凸棒土)溶于剩余份数的水，得到外加剂溶液，最后，将石膏浆体和外加剂溶液混合均匀，得到石膏基3D打印浆体，且在本实施例中水膏比是指水的重量与石膏、缓凝组分、氢氧化钙、减水剂、触变增稠改性剂的总重量的比，如本实施例中，石膏、缓凝组分、氢氧化钙、减水剂、触变增稠改性剂的总重量为103.61份，在0.45的水膏比下，水的重量为46.62份；
3)将石膏基3D打印浆体装在储料装置中，使用微型单螺杆泵并以1.8MPa的输出压力进行输送，以向3D打印机的挤出装置连续供料，挤出装置通过气压(加压挤出)或者螺杆的压力(螺杆挤出)直接挤出石膏基3D打印浆体，得到石膏基3D打印坯体，其中，挤出装置通过步进电机或者机械臂控制物料的空间沉积位置；
4)将石膏基3D打印坯体自然干燥后打磨、抛光，得到石膏基3D打印材料，另外，为防止石膏在3D打印机内凝结固化导致管道堵塞，打印结束后通高压水对3D打印机内部管道进行冲洗。
对自然干燥固化7d后的本实施例的石膏基3D打印材料进行力学性能测试。
经测试可知，本实施例的石膏基3D打印材料的抗压强度为12.3MPa。
实施例2
一种石膏基3D打印材料，按重量份计，包括以下组分：
半水石膏(熟石膏)：100份，蛋白类缓凝剂：0.16份，氢氧化钙：0.04份，聚羧酸减水剂粉剂(由上海化工建材添加剂有限公司生产的PCE-F10聚羧酸粉剂)：1份，羟丙基甲基纤维素：1.2份，亲水性气相纳米二氧化硅：1.6份
如图1、图2所示，其中，图2中虚线为粉体流经路线，实线箭头为浆体流经路线，空白箭头为浆体流经路线，上述石膏基3D打印材料具体通过以下方法制得：
1)在计算机中设计待打印物体的三维模型信息，并将三维模型信息转换为加工代码后输入到3D打印机上；
2)将上述原料配比输入3D打印机，3D打印机自动称取物料，并以0.45的水膏比和设定的加料顺序将各原料加入至搅拌机内充分混合均匀后，得到石膏基3D打印浆体，其中，设定的加料顺序具体为：先将氢氧化钙与石膏(熟石膏)混合后溶于一定份数的水(总用水量的90％)，得到石膏浆体，再将缓凝组分(蛋白类缓凝剂)、减水剂(聚羧酸减水剂粉剂)与触变增稠改性剂(羟丙基甲基纤维素+亲水性气相纳米二氧化硅)溶于剩余份数的水，得到外加剂溶液，最后，将石膏浆体和外加剂溶液混合均匀，得到石膏基3D打印浆体，且在本实施例中水膏比是指水的重量与石膏、缓凝组分、氢氧化钙、减水剂、触变增稠改性剂的总重量的比，如本实施例中，石膏、缓凝组分、氢氧化钙、减水剂、触变增稠改性剂的总重量为104份，在0.45的水膏比下，水的重量为46.8份；
3)将石膏基3D打印浆体装在储料装置中，使用微型单螺杆泵并以1.8MPa的输出压力进行输送，以向3D打印机的挤出装置连续供料，挤出装置通过气压(加压挤出)或者螺杆的压力(螺杆挤出)直接挤出石膏基3D打印浆体，得到石膏基3D打印坯体，其中，挤出装置通过步进电机或者机械臂控制物料的空间沉积位置；
4)将石膏基3D打印坯体自然干燥后打磨、抛光，得到石膏基3D打印材料，另外，为防止石膏在3D打印机内凝结固化导致管道堵塞，打印结束后通高压水对3D打印机内部管道进行冲洗。
对自然干燥固化7d后的本实施例的石膏基3D打印材料进行力学性能测试。
经测试可知，本实施例的石膏基3D打印材料的抗压强度为14.5MPa。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种石膏基3D打印材料，其特征在于，按重量份计，由以下组分按照0.25-0.5的水料比混合后，通过加压挤出或螺杆挤出的方式挤出，干燥，打磨、抛光得到：
石膏：100份，缓凝组分：0.01-1份，氢氧化钙：0.01-0.1份，减水剂：0.01-1份，触变增稠改性剂：0.1-4份；
所述触变增稠改性剂由纤维素纳米晶体、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或多种，与有机膨润土、凹凸棒土中的一种或多种组成；
所述石膏为生石膏、磷石膏、氟石膏、半水石膏、芒硝石膏、高强石膏中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的石膏基3D打印材料，其特征在于，所述缓凝组分为蛋白类缓凝剂、柠檬酸钠、酒石酸钾、丙烯酸钠、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、乙二胺四乙酸二钠中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的石膏基3D打印材料，其特征在于，所述减水剂为磷酸盐梳状聚合物、聚羧酸系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂、萘系减水剂中的一种或多种。
4.制备权利要求1至3任一项所述的石膏基3D打印材料，其特征在于，包括以下步骤：
1）设计待打印物体的三维模型信息，并将三维模型信息转换为加工代码后输入到3D打印机上；
2）将所述石膏、所述缓凝组分、所述氢氧化钙、所述减水剂、所述触变增稠改性剂与水混合均匀，得到石膏基3D打印浆体；
3）采用3D打印机挤出所述石膏基3D打印浆体，得到石膏基3D打印坯体；
4）将所述石膏基3D打印坯体干燥后，打磨、抛光，得到石膏基3D打印材料。
5.根据权利要求4所述的石膏基3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中将所述石膏、所述缓凝组分、所述氢氧化钙、所述减水剂、所述触变增稠改性剂与水混合均匀，得到石膏基3D打印浆体，包括：
将所述氢氧化钙与所述石膏混合后溶于一定份数的水，得到石膏浆体；
将所述缓凝组分、所述减水剂与所述触变增稠改性剂溶于剩余份数的水，得到外加剂溶液；
将所述石膏浆体和所述外加剂溶液混合均匀，得到石膏基3D打印浆体。
6.根据权利要求4所述的石膏基3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中所述水的重量与所述石膏、所述缓凝组分、所述氢氧化钙、所述减水剂、所述触变增稠改性剂的总重量的比为0.25-0.5。
7.根据权利要求4所述的石膏基3D打印材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中所述石膏基3D打印浆体的挤出方式为加压挤出、螺杆挤出中的一种。
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