研究人員創(chuàng)造出可與結(jié)構(gòu)混凝土性能相當(dāng)?shù)?D粘合劑噴射地質(zhì)聚合物

2022年5月30日,，南極熊獲悉,，國外的一個3D打印研究團隊創(chuàng)造出了與結(jié)構(gòu)性混凝土性能相當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑噴射3D打印地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)，未來有望應(yīng)用于各種建筑,。

研究團隊的主要目標是在不使用水泥的情況下3D打印偏高嶺土（一種脫羥基的粘土礦高嶺土）,，他們首先創(chuàng)造出完全由沙子和偏高嶺土構(gòu)成的原料，并聲稱它能夠在更清潔和更可持續(xù)的過程中生產(chǎn)出具有無缺陷粉末層的棱形地質(zhì)聚合物組件,。

△偏高嶺土和沙子原料的形成和粘合劑噴射3D打印過程,。圖片來自增材制造。

地質(zhì)聚合物的好處

近年來,，3D打印在建筑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越多,，然而，長期以來,，水泥制造與較高的溫室氣體排放和能源消耗有關(guān),，這惡化了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的整體可持續(xù)性。水泥還受制于高自生收縮率,、水化熱和高成本,。

相比之下，地質(zhì)聚合物提供了一種快速凝固,、具有成本效益和生態(tài)友好的替代品,，與傳統(tǒng)的水泥復(fù)合材料相比，它具有更強的耐火性和耐久性,。因此,，近年來，對能夠與混凝土結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)材料相媲美的3D打印地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)的研究獲得了更多關(guān)注,。

例如,，早在2017年，新加坡南洋理工大學(xué)利用作為煤炭燃燒過程中的副產(chǎn)品產(chǎn)生的廢棄粉煤灰顆粒創(chuàng)造了一種地質(zhì)聚合物水泥,。粉煤灰的使用大大減少了傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)過程中的碳足跡,，同時也為材料提供了卓越的耐熱性能。

最近在2020年,，斯威本科技大學(xué)和法國建筑公司Bouygues Travaux Publics部署了機器學(xué)習(xí)技術(shù),，以開發(fā)更強大的3D打印地質(zhì)聚合物水泥,，以及隨后對建筑領(lǐng)域使用的其他3D打印化合物的穩(wěn)定性進行分類的路線圖。

△新加坡南洋理工大學(xué)的電裝機械臂 3D 打印地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu),。圖片來自Cleaner Production雜志,。

3D粘合劑噴射地質(zhì)聚合物

這一領(lǐng)域的最新研究來自一個國際研究團隊，他們是由來自石材3D打印公司Desamanera和意大利帕多瓦大學(xué),、埃及國家研究中心,、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)以及阿根廷的陶瓷和礦物資源技術(shù)中心（CETMIC）的人員組成。

該研究的主要目標是在不使用水泥的情況下打印偏高嶺土,。為了實現(xiàn)這一目標,，研究人員開發(fā)了一種造粒技術(shù)，使他們能夠生產(chǎn)出具有適當(dāng)流動性的原料,，這種原料是由偏高嶺土覆蓋的砂粒組成的,。

粘結(jié)劑噴射3D打印工藝使研究人員能夠利用偏高嶺土與堿性溶液反應(yīng)時發(fā)生的地質(zhì)聚合過程。

通過將堿性溶液噴射到粉床上,，造粒過程允許在粉床上有更高比例的偏高嶺土,，即30wt%，并確保打印出無缺陷的粉層,。在打印過程中,，噴射的堿性溶液與顆粒中的偏高嶺土粉末反應(yīng)，形成地質(zhì)聚合物,。

研究小組選擇了一個大規(guī)模的,、可在市場上買到的粘合劑噴射3D打印機來生產(chǎn)由兩種原料組成的結(jié)構(gòu)性地質(zhì)聚合物組件；一種完全由偏高嶺土和沙子組成,，另一種在粉末混合物中包括少量的商用快速凝固水泥,。

在研究過程中，所有的3D打印樣品都被發(fā)現(xiàn)是防水的,，暴露在水中7天后,，強度沒有明顯差異。用30wt%的偏高嶺土制作的3D打印地質(zhì)聚合物部件表現(xiàn)出20MPa的抗壓強度,，即使有30%體積的殘留孔隙,。

研究人員觀察到，僅含有偏高嶺土的3D打印地質(zhì)聚合物擁有與含有水泥的地質(zhì)聚合物相同的打印精度和分辨率,。據(jù)該團隊稱,，這證實了相應(yīng)的偏高嶺土顆粒的高反應(yīng)性，以制備地質(zhì)聚合物凝膠,，用于制造堅固,、高分辨率的地質(zhì)聚合物部件，而不需要水泥,。

該團隊的造粒技術(shù)使更高質(zhì)量分數(shù)的精細和反應(yīng)性的偏高嶺土顆粒被引入粉末床,，以保持原料的流動性,，并允許打印出無缺陷的層。

研究小組還發(fā)現(xiàn),，在粉床中加入快速凝固的水泥對地質(zhì)聚合物部件的印刷精度或強度沒有影響,。將3D打印的地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)在水中浸泡一周后，沒有觀察到強度的明顯變化,，該團隊認為其配方可用于戶外和與水接觸的應(yīng)用,。

關(guān)于這項研究的更多信息可以在發(fā)表在《Additive Manufacturing》雜志上的題為："使用地質(zhì)聚合物和粘合劑噴射的無機部件增材制造/Additivemanufacturing of inorganic components using a geopolymer and binder jetting"的論文中找到。這項研究的共同作者是H. Elsayed,、F. Gobbin、M. Picicco,、A. Italiano和P. Colombo,。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422003062