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(jīng)濟的快速發(fā)展以及生活水平的日益提高，人們對現(xiàn)代建筑、裝飾或者景觀構(gòu)件的美學(xué)設(shè)計及其藝術(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，主要價值就是其附帶的人文價值和美學(xué)價值，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。3D打印建筑材料技術(shù)可以實現(xiàn)異型構(gòu)件的打印，但是對水泥基3D打印材料彩色打印相關(guān)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(xué)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(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加深。當(dāng)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�？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，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(yīng)力隨著氧化鐵紅顏料摻量的增加而增大，當(dāng)顏料摻量達到4%時，動態(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 氧化鐵紅顏料對白水泥基3D打印材料動態(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)力隨著時間的延長先呈現(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，當(dāng)紅色顏料摻量達到4%時，靜態(tài)屈服應(yīng)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(jié)時間，促進水泥絮凝結(jié)構(gòu)形成。另一方面無機顏料親水的特性，不利于漿體產(chǎn)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(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，其趨勢正好與靜態(tài)屈服應(yīng)力變化趨勢相反。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(dāng)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(dāng)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�(dāng)動態(tài)屈服應(yīng)力較低時，可擠出性能受到塑性粘度影響較大，當(dāng)動態(tài)屈服應(yīng)力較高時，可擠出性能受到動態(tài)屈服應(yīng)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(xué)性能

3D打印技術(shù)對制品力學(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)對最終制品的力學(xué)性能有著重要的影響。從顏料對白水泥基3D打印材料力學(xué)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(xiàn)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(chǎn)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(xué)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(xué)性能的影響

結(jié)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(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(xiàn)先增大再降低的趨勢，當(dāng)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。