一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料及其制备方法，包括以下组分的原料：基料、石英砂、增韧剂、增稠剂、可分散乳胶粉和复合激发剂；其中，所述基料包括以下重量百分比的组分：粉煤灰80％～90％、矿粉5％～10％、硅灰5％～10％；所述复合激发剂由水玻璃和NaOH配制而成。本发明专利技术利用粉煤灰、矿粉和硅灰制备地聚合物3D打印材料，一方面不仅扩展了固体废弃物的资源化利用途径，也实现了固废减量化、资源化和高价值资源化利用，且解决了废弃物堆放占用场地的污染问题，为保护生态环境创建了新途径；另一方面，创新性地将粉煤灰基地聚合物材料与3D打印技术结合，建立用于3D打印建筑的地聚合物体系，满足国家智能高端制造与土木工程可持续发展的战略。

A kind of fly ash based polymer 3D printing material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料及其制备方法
本专利技术属于建筑材料、固体废弃物资源化利用
，具体涉及一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料及其制备方法。
技术介绍
在不到200年的时间里，硅酸盐水泥得到广泛应用，成为现代人类文明建设中不可缺少的物质基础。但是，硅酸盐水泥是一种高能耗、高资源消耗的胶凝材料。此外，在水泥生产过程中还排放出大量有害气体如NOX、SO2和粉尘等。因此，开发一种低能耗、高效益，且能代替或优于硅酸盐水泥的新型胶凝材料已是社会发展的内在需求，地聚合物就是这样一种新型的环境友好型无机胶凝材料。粉煤灰是火力发电厂、冶金、化工等行业产生的固体废弃物。中国丰富的煤炭资源使得在发电行业中仍然是以火力发电为主。电煤占我国煤炭消耗的50％以上，并且在相当长的时间内还会保持这种煤炭资源的利用形式。燃煤过程产生大量的粉煤灰，占原煤质量的15％～40％。粉煤灰已经成为我国累积堆贮量和占用耕地最多的工业废弃物之一。矿粉是在高炉炼铁过程中的副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，铁矿石中的二氧化硅、氧化铝等杂质与石灰等反应生成以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经过淬冷成质地疏松、多孔的粒状物，即为高炉矿粉，简称矿粉。硅灰也叫微硅粉或称凝聚硅灰，是铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的SiO2和Si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成，它是大工业冶炼中的副产物。信息化和数字化是当今各个行业发展的必然趋势，如今全世界正面临历史上的第三次工业革命的浪潮。3D打印技术被评为第三次工业革命最具标志性的生产工具。建筑3D打印技术，是将3D打印与建筑施工有机结合起来的一种新型建筑技术。建筑3D打印技术与传统建筑技术相比，其优势在于速度快，不需要使用模板，不需要数量庞大的建筑工人，可以节省人力成本、提高建筑效率。目前，建筑3D打印技术主要出于研发阶段和探索阶段，现在已经能够使用水泥基材料打印一些建筑构件以及一些结构与形状简单的建筑。但是，国内地聚合物3D打印材料的研究较少，粉煤灰基地聚合物3D打印材料的研究几乎空白。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术中对固废的资源化利用的局限性问题，提供一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料及其制备方法。本专利技术以拓宽固废资源化利用途径为目的，提供一种以粉煤灰、矿粉、硅灰为主要原材料，以水玻璃和氢氧化钠为复合激发剂，以石英砂为骨料，以PVA纤维为增韧材料，以羟丙基纤维素醚和可在分散乳胶粉为外加剂，制备得到的一种适用于3D打印的新型地聚合物材料。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料，包括以下组分的原料：基料、石英砂、增韧剂、增稠剂、可分散乳胶粉和复合激发剂；其中，所述基料包括以下重量百分比的组分：粉煤灰80％～90％、矿粉5％～10％、硅灰5％～10％；所述复合激发剂由水玻璃和NaOH配制而成。优选地，所述复合激发剂的模数M为1.4～1.6，其中M表示的是SiO2的摩尔数与Na2O的摩尔数的比值。优选地，所述复合激发剂水玻璃和NaOH的掺加量按公式(1)计算：式(1)中，G1为水玻璃的质量，N为Na2O占水玻璃的质量比，M1为水玻璃的初始模数；M2为复合激发剂的配制模数；P为NaOH的纯度；G2为NaOH的掺加质量。将NaOH先加入水玻璃中，再和其他材料混合，可以更充分地混合复合激发剂。所述复合激发剂的加入量，以引入的Na2O含量计，占所述基料总质量的5～8％。优选地，所述粉煤灰是电厂粉煤灰，II级灰，比表面积为300～400m2/kg；所述矿粉是选矿或冶炼后的残余物，比表面积为400～500m2/kg；所述硅灰是钢铁合金在冶炼硅铁和工业硅时的副产物，比表面积为15000～30000m2/kg。优选地，所述石英砂的颗粒级配为40-80目，添加量为基料质量的1.5倍。优选地，所述增韧剂为聚丙烯醇纤维，弹性模量为40～45Gpa，极限伸长率为6wt％～10％。加入量占基料总体积的0.1％～0.3％，聚乙烯醇纤维，也称为PVA纤维，是将聚乙烯醇原料采用湿法纺丝和干法纺丝等先进的技术手段制得丝束后，并将丝束切断即可得到长度不同的PVA纤维，如可采用日本Kuraray公司生产的Kuraray-ⅡRECS-15型聚乙烯醇纤维。优选地，所述增稠剂是羟丙甲基纤维素醚，粘度规格为20万，表面密度约为0.5g/cm3，加入量占基料质量的2.5％±0.1％。羟丙基纤维素醚是一种非离子型聚合物，羟丙基纤维素醚分子链上的羟基与醚键上的氧原子均可与水分子缔结成氢键,使游离水变成结合水,从而起到很好的保水作用，起到增稠作用。优选地，所述可分散乳胶粉的堆积密度为460～560kg/m3，颗粒尺寸为0.5～8um，加入量占基料质量的0.2％～0.3％，可分散乳胶粉为水溶性可再分散粉末，是乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物等喷雾干燥后制成的粉体粘合剂，在与水接触后可以很快再分散成乳液，具有高粘结能力、抗水性、施工性及隔热性等性能。优选地，所述地聚合物3D打印材料采用的水固比为0.28～0.32，其中：水固比中的水包括钠水玻璃溶液所含的水量和外加水量；水固比中的固体是指基料的质量。一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：将矿粉、硅灰与粉煤灰混合，加入石英砂、增稠剂、可分散乳胶粉、增韧剂，充分混合后加入复合激发剂，控制水固比为0.28～0.32，混合后，采用3D打印，经地聚合物反应、凝结、硬化可得到所述地聚合物3D打印体。本专利技术创新性地将粉煤灰基地聚合物材料与3D打印技术珠联璧合，建立用于3D打印建筑的地聚合物体系。同时，拓宽了多种固废材料的资源化再利用手段，减轻了环境的负担，降低了成本，减少了资源消耗，符合节能减排要求。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果和优点：3D打印属于无模板且无筋建造，因此提升打印体的韧性至关重要。本专利技术通过PVA纤维对地聚合物3D打印材料进行增韧，制备出新型增韧地聚合物3D打印材料。当基体受拉时，基体可以将应力传递给PVA纤维，再通过纤维将应力返递给未开裂的基体，从而起到了分散应力的作用，因此可以有效提高地聚合物3D打印材料的抗压强度与抗拉强度。在此基础上，复掺矿粉和硅灰，用矿粉取代一定量的粉煤灰后，矿粉将填充在粉煤灰颗粒之间的空隙中，释放出粉煤灰颗粒之间包裹的自由水，从而增大地聚合物中的自由水，对粉煤灰颗粒之间起到一定的润滑作用，从而增大地聚合物的流变性；而掺入硅灰后，地聚合物的表观粘度增加，这是由于硅灰的比表面积较大，需水量较高，掺入地聚合物砂浆后可提高其粘聚性，因此有效提高了地聚合物3D打印砂浆的触变性和屈服应力，有效提升了地聚合物3D打印材料在建造过程中的性能。本专利技术最大程度地接轨传统水泥材料，有效利用3D打印的建造技术，满足国家智能高端制造与土木工程可持续发展的战略；同时利用粉煤灰、矿粉等工业废弃物，拓宽其资源化再利用途径，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料，其特征在于，包括以下组分的原料：基料、石英砂、增韧剂、增稠剂、可分散乳胶粉和复合激发剂；/n其中，所述基料包括以下重量百分比的组分：粉煤灰80％～90％、矿粉5％～10％、硅灰5％～10％；所述复合激发剂由水玻璃和NaOH配制而成。/n

【技术特征摘要】
1.一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料，其特征在于，包括以下组分的原料：基料、石英砂、增韧剂、增稠剂、可分散乳胶粉和复合激发剂；
其中，所述基料包括以下重量百分比的组分：粉煤灰80％～90％、矿粉5％～10％、硅灰5％～10％；所述复合激发剂由水玻璃和NaOH配制而成。


2.根据权利要求1所述的一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料，其特征在于，所述复合激发剂的模数M为1.4～1.6，其中M表示的是SiO2的摩尔数与Na2O的摩尔数的比值。


3.根据权利要求2所述的一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料，其特征在于，所述复合激发剂水玻璃和NaOH的掺加量按公式(1)计算：



式(1)中，G1为水玻璃的质量，N为Na2O占水玻璃的质量比，M1为水玻璃的初始模数；M2为复合激发剂的配制模数；P为NaOH的纯度；G2为NaOH的掺加质量；
所述复合激发剂的加入量，以引入的Na2O含量计，占所述基料总质量的5～8％。


4.根据权利要求1所述的一种粉煤灰基地聚合物3D打印材料，其特征在于，所述粉煤灰是电厂粉煤灰，II级灰，比表面积为300～400m2/kg；
所述矿粉是选矿或冶炼后的残余物，比表面积为400～500m2/kg；
所述硅灰是钢铁合金在冶炼硅铁和工业硅时的副产物，比表面积为15000～30000m2/kg。


5.根据权利要求1所述的一种粉煤灰基地聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓潞，杨君奕，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31