硅酸鹽通報：氧化鐵紅顏料對白水泥基3D打印材料流變及可打印性能的影響

來源：硅酸鹽通報

隨著社會經濟的快速發(fā)展以及生活水平的日益提高，人們對現代建筑、裝飾或者景觀構件的美學設計及其藝術化提出了更高的要求。景觀裝飾構件作為裝飾領域的重要組成部分，主要價值就是其附帶的人文價值和美學價值，這依賴于藝術化的結構造型和豐富的色彩體系來表達。3D打印建筑材料技術可以實現異型構件的打印，但是對水泥基3D打印材料彩色打印相關研究報道較少。

《硅酸鹽通報》2021年第6期“3D打印無機非金屬材料”專題發(fā)表濟南大學蘆令超教授團隊研究論文“氧化鐵紅顏料對白水泥基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，研究了亞微米級粒度氧化鐵紅顏料對白水泥基3D打印材料流變性能、可打印性能及力學性能的影響。

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加深。當紅色顏料摻量超過3%，顏色變化不明顯。為了對色差變化進行定性分析，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。可以看出ΔL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值的增長幅度比Δb值大。當紅色顏料摻量超過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，當紅色顏料摻量為3%時，塑性粘度達到最低值4.3 Pa·s，對比空白組降低21%。動態(tài)屈服應力隨著氧化鐵紅顏料摻量的增加而增大，當顏料摻量達到4%時，動態(tài)屈服應力從290.89 Pa增加到460.11 Pa，相比于空白組增大58%。

圖2 氧化鐵紅顏料對白水泥基3D打印材料動態(tài)屈服性能的影響

從控制應力旋轉掃描模式下紅色顏料對靜態(tài)屈服性能的影響可以看出，在恒定剪切速率的條件下，剪切應力隨著時間的延長先呈現線性增加至最大值，然后急劇降低，最后穩(wěn)定保持在相對較低的水平下。并且在穩(wěn)定后，剪切應力隨著紅色顏料的增加先降低然后增大，這與動態(tài)屈服性能基本保持一致。圖3(b)可以看出靜態(tài)屈服應力值隨著紅色顏料的增加呈現線性增大的趨勢，當紅色顏料摻量達到4%時，靜態(tài)屈服應力從914 Pa增長至1 327 Pa，增長幅度45.2%。這是因為無機顏料在一定程度上縮短凝結時間，促進水泥絮凝結構形成。另一方面無機顏料親水的特性，不利于漿體產生流動。

圖3 氧化鐵紅顏料對白水泥基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)是顏料對白水泥基3D打印材料結構變形的影響，可以看出結構變形率隨著顏料摻量的增加呈現下降的趨勢，其趨勢正好與靜態(tài)屈服應力變化趨勢相反。隨著顏料摻量的增加，結構變形率從11.38%分別降低至8.55%、6.77%、5.04%、4.03%。圖4(b)是顏料對白水泥3D打印材料可擠出性能的影響。顏料摻量為0% ~ 2%時，最佳擠出壓力隨著顏料摻量的增加而降低。當顏料摻量為2%時，最佳擠出壓力從0.15 MPa降低至最低值0.13 MPa。當顏料摻量超過這個范圍時，最佳擠出壓力值開始快速增大�？梢钥闯霎攧討B(tài)屈服應力較低時，可擠出性能受到塑性粘度影響較大，當動態(tài)屈服應力較高時，可擠出性能受到動態(tài)屈服應力影響較大。

圖4 氧化鐵紅顏料對白水泥基3D打印材料可打印性能的影響

04力學性能

3D打印技術對制品力學性能的影響與傳統(tǒng)成型方式不同，材料的流變性能與打印狀態(tài)對最終制品的力學性能有著重要的影響。從顏料對白水泥基3D打印材料力學性能的影響可以看出，抗折強度和抗壓強度都隨著顏料的增加呈現先增大再降低的趨勢。這是可能是因為顏料摻量較低時，對流變性能的改善使得堆積結構內部缺陷減少，同時顏料平均粒徑只有0.59 μm，可以填充水化產物的空隙�？偟膩碚f，氧化鐵紅顏料的引入可以提高白水泥基3D打印材料的力學性能，這是因為顏料的細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，改善密實度。

圖5 氧化鐵紅顏料對白水泥基3D打印材料力學性能的影響

結論

（1）亞微米級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，動態(tài)屈服應力隨著顏料的摻入一直增大，說明顏料摻量較低的時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)屈服應力，靜態(tài)屈服應力從914 Pa線性增長至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打印材料的抗壓強度與抗折強度隨著顏料的摻入都呈現先增大再降低的趨勢，當顏料摻量為3%時，抗壓和抗折強度從42.16 MPa和4.09 MPa分別提高到48.56 MPa和5.07 MPa。