一种适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料制造技术

本发明专利技术涉及固废资源化利用以及地聚合物混凝土制备技术领域，特别是指一种适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料；质量份数计，原料包括骨料20

【技术实现步骤摘要】
一种适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料


[0001]本专利技术涉及固废资源化利用以及地聚合物混凝土制备
，特别是指一种适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料。

技术介绍

[0002]随着计算机技术的兴起，3D打印技术迅猛发展，已逐渐广泛应用于医疗、航空航天、建筑、电子、服装、食品等多个领域。在建筑行业方面，由于3D打印技术的无模、精细化等优点，其应用水平也推动着整个行业的进步。另外，随着大量工业固体颗粒废弃物在生产过程中产出，使用矿渣、粉煤灰等替代物作为胶凝材料为行业可持续绿色发展提供了可能。近几十年，学术界和工业界对于地聚合物复合材料的不断深入了解也为其在3D打印技术上的应用提供了可能。
[0003]文献1(周宗辉，王金邦，程新，等；一种3D打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法；公开号：CN108178567A)公布了一种3D打印的碱矿渣水泥混凝土及其制备方法。该方法制备简单，易于实施。但是，该专利技术中的骨料粒径为5～10mm，容易造成空洞空隙以及表面粗糙不均匀，限制了成品的力学性能和美观程度。
[0004]文献2(李治，钱凯，邓小芳，等；基于3D打印的混凝土及其制备方法、3D打印柱模板；公开号：CN113372075A)公布了一种基于3D打印的混凝土及其制备方法。该专利技术提出的配方通过引入碳纤维，在改善了3D打印混凝土力学性能的同时，又可以有效避免打印堵塞的发生。但是为了使专利技术具有更好的触变性和流动性，配方中加入了膨胀剂、消泡剂、引气剂和纤维素，制作过程较为繁琐，不适宜实际工程应用。
[0005]文献3(丁华明，黄明洋，聂稷珍，等；一种建筑3D打印用纳米石墨烯混凝土材料及其制备方法；公开号：CN113264744A)公布了一种可自由调控凝结时间的3D打印混凝土方案。纳米石墨烯水对泥水化产物及聚集状态具有调控作用，使得产品具有良好的流动性，并且打印过程中不会出现断料的现象。然而，纳米石墨烯造价较为昂贵，不利于工程中大量应用。
[0006]基于此，亟需一种原料来源广泛廉价且适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料。具有有效利用废弃资源、造价低廉、制备简单和性能卓越的优点，成品表面如陶瓷般光滑。
[0008]一种适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料，质量份数计，原料包括骨料20
‑
30份，胶凝材料70
‑
80份，碳纳米管，PVA纤维和碱激活剂；
[0009]其中质量分数计，胶凝材料包括：粉煤灰15
‑
30％，矿渣55
‑
65％，硅灰10
‑
25％；
[0010]所述骨料为再生机制砂。
[0011]进一步地，所述碳纳米管的加入量为骨料和胶凝材料总质量的1
‑
3％。
[0012]进一步地，PVA纤维的加入量为体积掺量的0.5
‑
4％。
[0013]进一步地，所述骨料和胶凝材料总质量和碱激活剂的加入量的比例为1kg：600
‑
700mL。
[0014]本专利技术通过使用粉煤灰、矿渣、硅灰混合物作为胶凝材料，配合添加适量的碳纳米管和PVA纤维使得本专利技术材料的凝结时间较短，可以获得早期强度，适用于3D打印；同时本专利技术材料的韧性较高，可以满足3D打印“免配筋”的需求，提高打印结构的耐久性。
[0015]进一步地，所述再生机制砂粒径为0.3
‑
2.36mm。
[0016]进一步地，所述碳纳米管为单层壁碳纳米管，室温下密度为2.1g/cm3。
[0017]进一步地，所述PVA纤维长度为5
‑
15mm，直径28
‑
32μm，伸长率6
‑
8％。
[0018]进一步地，所述碱激活剂为氢氧化钠水溶液和硅酸钠水溶液按照3:7质量比例配制而成；其中所述氢氧化钠水溶液浓度为6
‑
10mol/L，所述硅酸钠水溶液为Na2O
·
nSiO2，模数n为0.5
‑
3.5。
[0019]进一步地，所述粉煤灰中Al2O3和SiO2占比50wt％以上，比表面积为600～800m2/kg,45μm方孔筛筛余1％以下。
[0020]进一步地，所述矿渣含水率小于1％，比表面积400
‑
450m2/kg。
[0021]进一步地，所述硅灰粒径0.1
‑
0.3μm，所述比表面积15000
‑
25000m2/kg。
[0022]本专利技术的技术方案之二，上述适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0023](1)将粉煤灰、矿渣、硅灰、碳纳米管低速搅拌混匀后加入骨料混匀得固体粉状混合物；
[0024](2)向固体粉状混合物中加入碱激活剂搅拌混匀后分次加入PVA纤维后搅拌混匀得到全固废纤维增强地聚合物浆料；
[0025](3)全固废纤维增强地聚合物浆料转入3D打印机中，按照设定程序打印得到所述适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料。
[0026]进一步地，3D打印完成后自然养护(25℃，70％湿度)。
[0027]进一步地，所述步骤(1)中低速搅拌具体为300
‑
500r/min；所述步骤(2)中分次加入PVA纤维具体为分3
‑
5次加入PVA纤维。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0029]本专利技术提供的全固废超高性能地聚合物混凝土中，地聚合物胶凝材料生产不需要进行熟料煅烧，可以大大降低生产能耗和CO2的排放量。此外，粉煤灰、矿渣和再生机制砂均来源于工业建筑固体废料，可以有效减少固体废料的浪费，提高建筑的可持续性，对建筑拆除后的处理提出高效、环保、节能的解决途径。
[0030]由于3D打印结构快速成型的特点，故在打印上层结构时，下层材料要在短时间内具有足够的强度以维持原有的形态，不会坍塌变形，所以3D打印材料必须具备较高的早期强度，以满足结构打印高度的要求。本专利技术所述的全固废纤维增强地聚合物复合材料能在出料10～25分钟内达到初凝，性能远超同类型专利技术(30～100分钟)。
[0031]由于本专利技术中添加了一定量的PVA纤维，因此相比其他种类的地聚合物材料而言，制成的全固废纤维增强地聚合物复合材料抗拉性能是普通硅酸盐混凝土的500倍，具有可
观的延性，而且成品的表面致密光洁，耐腐蚀性好，可用于各种纤薄的壳体结构，或作为构件表面的保护层使用。
[0032]本专利技术提供的全固废超高性能地聚合物混凝土使用的碳纳米管具有良好的力学性能，抗拉强度达到50～200GPa，是钢材的100倍，至少比常规石墨纤维高一个数量级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚物复合材料，其特征在于，质量份数计，原料包括骨料20
‑
30份，胶凝材料70
‑
80份，碳纳米管，PVA纤维和碱激活剂；其中质量分数计，胶凝材料包括：粉煤灰15
‑
30％，矿渣55
‑
65％，硅灰10
‑
25％；所述骨料为再生机制砂。2.根据权利要求1所述的适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料，其特征在于，所述碳纳米管的加入量为骨料和胶凝材料总质量的1
‑
3％；PVA纤维的加入量为体积掺量的0.5
‑
4％；所述骨料和胶凝材料总质量和碱激活剂的加入量的比例为1kg：600
‑
700mL。3.根据权利要求1所述的适用于3D打印技术的全固废纤维增强地聚合物复合材料，其特征在于，所述再生机制砂粒径为0.3
‑
2.36mm；所述碳纳米管为单层壁碳纳米管，室温下密度为2.1g/cm3；所述PVA纤维长度为5
‑
15mm，直径28
‑
32μm，伸长率6
‑
8％；所述碱激活剂为氢氧化钠水溶液和硅酸钠水溶液按照3:7质量比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡景明，张聪，李吴刚，张勇，张建，鲁晓源，
申请(专利权)人：纳思同无锡科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：