硅酸鹽通報(bào)：氧化鐵紅顏料對(duì)白水泥基3D打印材料流變及可打印性能的影響

來源：硅酸鹽通報(bào)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及生活水平的日益提高,，人們對(duì)現(xiàn)代建筑,、裝飾或者景觀構(gòu)件的美學(xué)設(shè)計(jì)及其藝術(shù)化提出了更高的要求,。景觀裝飾構(gòu)件作為裝飾領(lǐng)域的重要組成部分，主要價(jià)值就是其附帶的人文價(jià)值和美學(xué)價(jià)值,，這依賴于藝術(shù)化的結(jié)構(gòu)造型和豐富的色彩體系來表達(dá),。3D打印建筑材料技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)異型構(gòu)件的打印，但是對(duì)水泥基3D打印材料彩色打印相關(guān)研究報(bào)道較少,。

《硅酸鹽通報(bào)》2021年第6期“3D打印無(wú)機(jī)非金屬材料”專題發(fā)表濟(jì)南大學(xué)蘆令超教授團(tuán)隊(duì)研究論文“氧化鐵紅顏料對(duì)白水泥基3D打印材料流變及可打印性能的影響”,，選擇硅酸鹽水泥中較為特殊的白色硅酸鹽水泥作為主要膠凝材料，其色澤潔白,、易被染色,，具有較好的穩(wěn)定性，研究了亞微米級(jí)粒度氧化鐵紅顏料對(duì)白水泥基3D打印材料流變性能,、可打印性能及力學(xué)性能的影響,。

主要原材料包括纖維素醚(HPMC)、膠粉(EVA),、甲酸鈣(CF),、納米二氧化硅(NS)、減水劑(SP),、磷酸三丁酯(TP),、顏料(RP)。

表1 白水泥基3D打印材料的基本配方

01著色性能

從添加紅色顏料的白水泥基3D打印材料顏色宏觀變化,，可以看出隨著顏料摻量的增加,，白水泥基3D打印材料的顏色都會(huì)加深。當(dāng)紅色顏料摻量超過3%,，顏色變化不明顯,。為了對(duì)色差變化進(jìn)行定性分析，利用色差儀記錄添加紅色顏料的白水泥基3D打印材料ΔL,、Δa,、Δb以及ΔE值變化，如表2所示,�,？梢钥闯靓�L值隨著紅色顏料的增加而降低，Δa和Δb值隨著紅色顏料的增加而增加,，并且Δa值的增長(zhǎng)幅度比Δb值大,。當(dāng)紅色顏料摻量超過3%以后，ΔL,、Δa,、Δb和ΔE的變化幅度很小，顏色趨于飽和，說明紅色顏料的最佳摻量為3%,。

圖1 添加氧化鐵紅顏料的白水泥基3D打印材料宏觀顏色變化

表2 添加氧化鐵紅顏料的白水泥基3D打印材料Lab值變化

02流變性能

從摻加紅色顏料的水泥基3D打印材料在控制速率旋轉(zhuǎn)掃描模式下的流變曲線可以看出,，隨著紅色顏料摻量的增加，塑性粘度先降低然后增大,，當(dāng)紅色顏料摻量為3%時(shí),，塑性粘度達(dá)到最低值4.3 Pa·s，對(duì)比空白組降低21%,。動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力隨著氧化鐵紅顏料摻量的增加而增大,，當(dāng)顏料摻量達(dá)到4%時(shí)，動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力從290.89 Pa增加到460.11 Pa,，相比于空白組增大58%,。

圖2 氧化鐵紅顏料對(duì)白水泥基3D打印材料動(dòng)態(tài)屈服性能的影響

從控制應(yīng)力旋轉(zhuǎn)掃描模式下紅色顏料對(duì)靜態(tài)屈服性能的影響可以看出，在恒定剪切速率的條件下,，剪切應(yīng)力隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先呈現(xiàn)線性增加至最大值,，然后急劇降低，最后穩(wěn)定保持在相對(duì)較低的水平下,。并且在穩(wěn)定后,，剪切應(yīng)力隨著紅色顏料的增加先降低然后增大，這與動(dòng)態(tài)屈服性能基本保持一致,。圖3(b)可以看出靜態(tài)屈服應(yīng)力值隨著紅色顏料的增加呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì),，當(dāng)紅色顏料摻量達(dá)到4%時(shí)，靜態(tài)屈服應(yīng)力從914 Pa增長(zhǎng)至1 327 Pa,，增長(zhǎng)幅度45.2%,。這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)顏料在一定程度上縮短凝結(jié)時(shí)間，促進(jìn)水泥絮凝結(jié)構(gòu)形成,。另一方面無(wú)機(jī)顏料親水的特性,，不利于漿體產(chǎn)生流動(dòng)。

圖3 氧化鐵紅顏料對(duì)白水泥基3D打印材料靜態(tài)屈服性能的影響

03可打印性能

可打印性能研究包括白水泥基3D打印材料的可堆積性能與可擠出性能,。圖4(a)是顏料對(duì)白水泥基3D打印材料結(jié)構(gòu)變形的影響，可以看出結(jié)構(gòu)變形率隨著顏料摻量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),，其趨勢(shì)正好與靜態(tài)屈服應(yīng)力變化趨勢(shì)相反,。隨著顏料摻量的增加，結(jié)構(gòu)變形率從11.38%分別降低至8.55%,、6.77%,、5.04%、4.03%,。圖4(b)是顏料對(duì)白水泥3D打印材料可擠出性能的影響,。顏料摻量為0% ~ 2%時(shí)，最佳擠出壓力隨著顏料摻量的增加而降低。當(dāng)顏料摻量為2%時(shí),，最佳擠出壓力從0.15 MPa降低至最低值0.13 MPa,。當(dāng)顏料摻量超過這個(gè)范圍時(shí)，最佳擠出壓力值開始快速增大,�,？梢钥闯霎�(dāng)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力較低時(shí)，可擠出性能受到塑性粘度影響較大,，當(dāng)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力較高時(shí),，可擠出性能受到動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力影響較大。

圖4 氧化鐵紅顏料對(duì)白水泥基3D打印材料可打印性能的影響

04力學(xué)性能

3D打印技術(shù)對(duì)制品力學(xué)性能的影響與傳統(tǒng)成型方式不同,，材料的流變性能與打印狀態(tài)對(duì)最終制品的力學(xué)性能有著重要的影響,。從顏料對(duì)白水泥基3D打印材料力學(xué)性能的影響可以看出，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都隨著顏料的增加呈現(xiàn)先增大再降低的趨勢(shì),。這是可能是因?yàn)轭伭蠐搅枯^低時(shí),，對(duì)流變性能的改善使得堆積結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷減少，同時(shí)顏料平均粒徑只有0.59 μm,，可以填充水化產(chǎn)物的空隙,。總的來說,，氧化鐵紅顏料的引入可以提高白水泥基3D打印材料的力學(xué)性能,，這是因?yàn)轭伭系募?xì)度只有水泥的二十分之一，可以很好的填充白水泥基3D打印材料的孔隙,，改善密實(shí)度,。

圖5 氧化鐵紅顏料對(duì)白水泥基3D打印材料力學(xué)性能的影響

結(jié)論

（1）亞微米級(jí)粒度鐵紅顏料在白水泥基3D打印材料中的最佳摻量為3%，當(dāng)顏料摻量超過3%以后,，顏色的變化不明顯,。

（2）白水泥基3D打印材料的塑性粘度隨著顏料的摻入先減少再增大，動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力隨著顏料的摻入一直增大,，說明顏料摻量較低的時(shí)候可以改善白水泥基3D打印材料的擠出性能,。

（3）顏料的摻入可以提高白水泥基3D打印材料靜態(tài)屈服應(yīng)力，靜態(tài)屈服應(yīng)力從914 Pa線性增長(zhǎng)至1327 Pa,，這說明顏料的摻量可以改善白水泥基3D打印材料的堆積性能,。

（4）白水泥基3D打印材料的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度隨著顏料的摻入都呈現(xiàn)先增大再降低的趨勢(shì)，當(dāng)顏料摻量為3%時(shí),，抗壓和抗折強(qiáng)度從42.16 MPa和4.09 MPa分別提高到48.56 MPa和5.07 MPa,。