CN113387606A - 3d打印用水泥基玄武岩纤维粒料及其制备、使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印建筑材料技术领域，提供了3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，包括芯层和皮层，芯层为玄武岩纤维，皮层为树脂共混物。其能够应用于3D打印建筑材料，且能够增加建筑物强度和使用寿命；还提供了这种3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料的制备方法和使用方法，得到的3D打印材料力学性能好，使用寿命长。

Description

3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料及其制备、使用方法
技术领域
本发明涉及3D打印建筑材料技术领域，具体而言，涉及3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料及其制备、使用方法。
背景技术
3D打印技术是指利用3D打印机，采用迭加的增材方式制造产品，又名增材技术。采用迭加成形的方式增加材料来生成3D实体，具有打印过程高度自动化、成形速度快、材料利用率高等优点。水泥基材料是当今社会最为重要的工程材料之一，为人类社会的发展与建设做出了不可估量的贡献。
将3D打印运用于建筑是一种全新的建筑方式，相比于传统建筑技术，具有高效、节约成本、绿色环保等优势。目前，3D打印水泥基材料的基本配方为普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、河沙、增稠剂、聚羧酸减水剂、氧化石墨烯、纳米SiO2、聚丙烯纤维、改性聚氧化乙烯胶粉、缓凝剂等。
由于3D打印水泥基材料中的胶凝材料含量高，粗骨料少，因此3D打印制品的收缩程度比常规水泥基材料更为显著，较大的收缩可能会导致3D打印水泥基材料制品的层间脱粘、开裂、产生纵横向裂纹，严重影响3D打印水泥制品和建筑构件的耐久性和服役安全性。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料，其能够应用于3D打印建筑材料，且能够增加建筑物强度和使用寿命；
本发明的第二个目的在于提供一种3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料的制备方法，能够制备出具有上述优点的玄武岩纤维粒料；
本发明的第三个目的在于提供一种3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料的使用方法，将玄武岩纤维粒料应用于3D打印中，能够提高建筑材料的质量。
本发明通过以下技术方案实现：
3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，包括芯层和皮层，芯层为玄武岩纤维，皮层为树脂共混物。
芯层为玄武岩纤维，玄武岩纤维属于无机硅酸盐材料，有耐腐蚀、耐碱、耐盐雾、无毒、不燃等特点，适合用于建筑材料。
皮层为包含弹性体的树脂共混物，能够保护芯层的玄武岩纤维在受到外力冲击时，不易发生断裂、影响材料的强度。具体的，本发明提供的复合纤维粒料含有70％的玄武岩纤维和30％的塑料纤维，相比于其他纤维具有更高的强度和更低的纵横收缩偏差率。
进一步地，玄武岩纤维为非天然扁平玄武岩纤维。
非天然扁平玄武岩纤维为扁平结构，能够有效提高复合纤维的可纺性和拉伸性能，提高拉伸强度和耐热性。
由于水泥基凝固过程中会产生放热现象，圆形纤维在水泥基制品中的随机滑移很大，使其制品的纵向和横向的收缩率偏差太大，造成水泥基制品或建筑物开裂与形变，而扁平纤维表面粗糙，随机滑移较弱，能降低水泥基制品或建筑物85％的收缩率，有效地提高纤维在水泥基制品中的增韧性和抗裂性能，提高拉伸强度和耐久性，同时增强了皮层与芯层的复合性能，有较强的增韧性和抗冲击弹性，使纤维受到外力冲击时皮层不易破裂，达到保护芯层的目的。
进一步地，树脂共混物包括尼龙树脂、聚苯乙烯、环氧树脂、脲醛树脂中的至少两种。
进一步地，树脂共混物包括以下重量份组分：尼龙树脂20～30份，环氧树脂15～20份，脲醛树脂5～15份。
其中，尼龙树脂是热塑性树脂，属线型结构，具有韧性好、耐化学品和耐久性好以及良好的耐磨性、自润滑性和耐溶剂性，主要改善共混物的耐热性、力学性能、韧性及可塑性；
环氧树脂及脲醛树脂都是热固性树脂，属网状结构，具有良好的耐化学品性、耐热性及电绝缘性，主要作用是改善共混物固化性。
进一步地，树脂共混物包括以下重量份组分：尼龙树脂22～28份，环氧树脂17～19份，脲醛树脂8～12份。
进一步地，扁平玄武岩纤维的单丝宽度为20～30μm，厚度为6～11μm。
上述3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料的制备方法，包括以下制备步骤：
S1：按比例称取树脂，加入到混料机中高速混合，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料。
具体的，S1中混料机的转速为500～1500r/min，混合时间10～15min，混合温度60～90℃；S2中，双螺杆挤出机的螺杆转速为220～400r/min，挤出段温度为180～240℃。
进一步地，非天然扁平玄武岩纤维的制备方法为：
天然玄武岩矿石经分选、破碎后，进行均质化控制技术处理得到非天然玄武岩矿石原料；
非天然玄武岩矿石原料投入池窑，熔融后经扁平孔漏板拉丝得到非天然扁平玄武岩纤维。
进一步地，S3中，浸渍温度为210～270℃。
本发明选择了适宜的浸渍温度，使得玄武岩纤维与树脂共混物充分浸渍，弹性体能够更好地包覆玄武岩纤维，实现对玄武岩纤维的保护效果。
上述3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料的使用方法，按重量份数记，将32～40份权利要求1～6任一的玄武岩纤维粒料、7～10份添加剂、33～40份水泥和5～10份水混合，作为3D打印建筑材料。
本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料，由树脂热熔包覆玄武岩纤维制备得到水泥基增材，与其他粗骨料相比，具有更高的强度，纵横收缩偏差率较小；
(2)本发明提供的3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料，在静态载荷和动态载荷作用下，水泥基制品的力学性能都有很好的提升效果；
(3)本发明提供的3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料，能够减少收缩率，实现增材建筑，不会产出新的建筑垃圾，与传统3D打印建筑相比，本发明的玄武岩纤维粒料，提高了建筑建材的质量可靠性和耐久性，还可节约建筑材料60％、缩短工期50％、减少人工35％、降低建筑成本40％以上；
(4)本发明提供的3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料的制备方法，工艺简单，制备得到的玄武岩纤维粒料具有上述优点；
(5)本发明提供的3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料的使用方法，将本发明的玄武岩纤维粒料与水泥搭配使用，制作出适用于3D打印的建筑材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
S1：称取尼龙树脂20份、环氧树脂20份、脲醛树脂15份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间15min，混合温度90℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为300r/min，挤出段温度为200℃；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为210℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将35份玄武岩纤维粒料、8份添加剂、36份水泥和8份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品1。
实施例2
S1：称取尼龙树脂30份、环氧树脂15份、脲醛树脂5份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间10min，混合温度80℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为220r/min，挤出段温度为240℃；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为270℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将32份玄武岩纤维粒料、10份添加剂、40份水泥和10份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品2。
实施例3
S1：称取尼龙树脂22份、环氧树脂19份、脲醛树脂12份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间15min，混合温度90℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为300r/min，挤出段温度为200℃；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为210℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将40份玄武岩纤维粒料、7份添加剂、33份水泥和5份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品3。
实施例4
S1：称取尼龙树脂28份、环氧树脂17份、脲醛树脂8份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间15min，混合温度90℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为300r/min，挤出段温度为200℃；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为210℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将35份玄武岩纤维粒料、8份添加剂、36份水泥和8份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品4。
对比例1
将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过整形、驱水、切粒后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将35份玄武岩纤维粒料、8份添加剂、36份水泥和8份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品5。
对比例2
S1：称取尼龙树脂5份、环氧树脂10份、脲醛树脂20份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间15min，混合温度90℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为300r/min，挤出段温度为200℃；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为210℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将35份玄武岩纤维粒料、8份添加剂、36份水泥和8份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品6。
对比例3
S1：称取尼龙树脂20份、环氧树脂20份、脲醛树脂15份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间15min，混合温度90℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为300r/min，挤出段温度为200℃；
S3：将圆形玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为210℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将35份玄武岩纤维粒料、8份添加剂、36份水泥和8份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品7。
对比例4
S1：称取尼龙树脂20份、环氧树脂20份、脲醛树脂15份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间15min，混合温度90℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为300r/min，挤出段温度为200℃；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为210℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将5份玄武岩纤维粒料、8份添加剂、36份水泥和10份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品8。
对比例5
S1：称取尼龙树脂20份、环氧树脂20份、脲醛树脂15份，加入到混料机中高速混合，转速为500r/min，混合时间15min，混合温度90℃，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，转速为300r/min，挤出段温度为200℃；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍，浸渍温度为100℃；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料；
再将35份玄武岩纤维粒料、8份添加剂、36份水泥和8份水混合，制备得到的建筑材料，命名为样品9。
实验例1
使用样品1～9进行3D打印，观察打印过程以及测试打印得到的材料的强度和性能，得到结果如下：
表1测试结果表
Figure BDA0003144079310000111
实验结果表明：本发明提供的玄武岩纤维粒料制作得到的建筑材料，混凝土抗冲击性能b/％：≥210，砂浆抗压强度比/％：≥100，混凝土抗压强度比/％：≥100，混凝土和砂浆裂缝降低系数/％：≥60，具有良好的性能。
样品1～4打印过程顺畅，得到的材料整体性好、稳定性好，具有较高的抗压强度；说明本发明提供的3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料与水泥混合后均匀性好，流动性佳，进行3D打印得到的材料稳定性好，能够提高材料的强度。
样品5和样品1～4相比，打印材料不均匀，容易出现打印喷头堵塞、断料的现象，打印出的材料不平整，抗压强度较低；说明不使用树脂共混物对玄武岩纤维进行包裹，得到材料的均匀性降低，对材料强度的提升不明显。
样品6打印材料比较均匀，打印过程顺畅，但是打印出材料的抗压强度比样品1～4低；说明了不同的皮层树脂的配方对打印材料力学性能的提升不同，本发明提供的树脂共混物的配方能够更好地保护芯层的玄武岩纤维，实现对打印材料力学性能的改善。
样品7打印过程顺畅，打印过程稳定，但是稳定性差，抗压强度低；说明了本发明选择的扁平玄武岩纤维相比于圆形玄武岩纤维对材料力学性能的提高更明显。
样品8打印流畅，但是打印出的材料不稳定，容易发生坍塌，抗压强度低；说明了本发明提供的使用方法进行打印得到的材料稳定性更好。
样品9打印材料容易出现抱团现象，打印不流畅，打印喷头容易堵塞，抗压强度较低。说明了不同浸渍温度玄武岩纤维和树脂共混物的浸渍效果不同，本发明选择的浸渍温度能够保证两者浸渍效果更好，对材料力学性能的提升更明显。
综上所述，本发明提供的3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料能够提高3D打印建筑材料的力学性能，增强材料的稳固性，选择的制备方法和使用方法能够发挥材料的上述优点。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，其特征在于，包括芯层和皮层，所述芯层为玄武岩纤维，所述皮层为树脂共混物。
2.根据权利要求1所述的3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，其特征在于，所述玄武岩纤维为非天然扁平玄武岩纤维。
3.根据权利要求1所述的3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，其特征在于，所述树脂共混物包括尼龙树脂、聚苯乙烯、环氧树脂、脲醛树脂中的至少两种。
4.根据权利要求1所述的3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，其特征在于，所述树脂共混物包括以下重量份组分：尼龙树脂20～30份，环氧树脂15～20份，脲醛树脂5～15份。
5.根据权利要求4所述的3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，其特征在于，所述树脂共混物包括以下重量份组分：尼龙树脂22～28份，环氧树脂17～19份，脲醛树脂8～12份。
6.根据权利要求2所述的3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料，其特征在于，所述扁平玄武岩纤维的单丝宽度为20～30μm，厚度为6～11μm。
7.权利要求1～6任一所述3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
S1：按比例称取树脂，加入到混料机中高速混合，制得共混物；
S2：将制得的共混物加入到双螺杆挤出机中挤出；
S3：将非天然扁平玄武岩纤维由牵引机组牵引，经过预热后与S2中挤出的混合料充分浸渍；
S4：浸渍后的复合材料经水冷、整形、驱水、切粒操作后得到3D打印用水泥基玄武岩纤维粒料。
8.根据权利要求7所述的3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料的制备方法，其特征在于，所述非天然扁平玄武岩纤维的制备方法为：
天然玄武岩矿石经分选、破碎后，进行均质化控制技术处理得到非天然玄武岩矿石原料；
非天然玄武岩矿石原料投入池窑，熔融后经扁平孔漏板拉丝得到非天然扁平玄武岩纤维。
9.根据权利要求7所述的3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料的制备方法，其特征在于，S3中，浸渍温度为210～270℃。
10.权利要求1～6任一所述3D打印用的水泥基玄武岩纤维粒料的使用方法，其特征在于，按重量份数记，将32～40份权利要求1～6任一所述的玄武岩纤维粒料、7～10份添加剂、33～40份水泥和5～10份水混合，作为3D打印建筑材料。
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