一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法，包括以下质量份原料：粉煤灰10

【技术实现步骤摘要】
一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于3D打印建筑材料
，具体涉及一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]3D打印又称增材制造，是利用粉末状、丝状、浆体状等快硬、早强型打印材料，通过逐层增材将复杂的三维加工简化成一系列二维加工来实现材料快速成型的技术，可实现结构优化、材料和能源节约，尤其适合于新产品开发、复杂形状及小批量零件制造、模具设计等。目前，3D打印技术在航空航天、军工领域、电子制造等方面均得到广泛的应用。其中，在建筑材料领域的研究，近年来已得到广泛关注并取得较多的成果。与传统建筑技术相比，3D打印建筑技术可制造出复杂多样化的建筑结构，无需模板浇注，减少了材料浪费，降低了建筑成本，同时3D打印建筑技术还具有设计自由化、自动化程度高、施工速度快、人工成本低、环境污染小等诸多优点。
[0003]高屈服应力和低粘度的触变性材料是3D打印技术应用的核心和关键。首先，打印材料必须能通过挤出头挤出，然后在打印后能够保持其形状并在后续层的荷载作用下不会发生坍塌。3D打印建筑技术中主要的打印材料分为水泥基和非水泥基胶凝材料两大类。水泥基胶凝材料是以硫铝酸盐水泥或者铝酸盐改性硅酸盐水泥为主要成分的打印材料，具有产品质量稳定，性能评价体系健全的优点，但由于水泥基胶凝材料制备能耗高、水化时间长、凝结速度慢、工作性能差、材料韧性差的特性，在3D打印大体积、高精度建筑构件过程中仍存在较多技术瓶颈。非水泥基胶凝材料一般是指碱激发胶凝材料，主要通过利用硅铝质原料在碱性条件下的地聚合反应实现胶结成型和固化硬化。碱激发胶凝材料作为打印材料因其较高的固废利用率、低碳排放、凝结速度快、早期强度高、养护周期短以及反应速率且易调节的特点受到广泛的关注和研究，目前已在3D打印建筑中取得较多的成果和技术突破。
[0004]目前，由于打印材料自身特性(成本及性能)的诸多限制，3D打印建筑构件仍主要应用在低层非民用建筑、小型建筑主体围护结构以及传统施工方式较为困难的区域环境中(如西部地区极端气候环境下)。尤其对于特殊环境领域的应用，对3D打印材料的养护过程以及硬化后建筑材料的综合性能提出了更高的要求，成为限制其大规模推广应用的重要瓶颈。
[0005]相变材料(PCM)是指利用材料在相变过程的热效应进行能量的储存和释放，具有储能密度大和热效率高的特点。将相变材料应用在建筑材料中，一方面能够调整反应过程的温度变化，减少因反应热导致的早期开裂，改善大体积结构材料的耐久性。另一方面，相变蓄能型建筑围护结构可以改善围护结构的蓄热作用，从而提高建筑结构的温度自调节能力，实现建筑结构高效节能的目的。然而，由于相变材料的相变特性与打印性能和建筑材料基体之间的匹配关系较为复杂，仍存在相变潜热低、使用周期短、成本较高、打印性能差、建筑材料力学性能及耐久性不足等一系列技术问题。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法。通过将3D打印技术、复合相变材料与碱激发无机聚合材料有机结合，克服现有3D打印建筑材料中存在的浆体打印性能差、养护条件苛刻、综合性能不足以及应用水平较低等一系列问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案如下：
[0008]一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法，包括以下质量份原料：粉煤灰10
‑
20份，矿渣微粉10
‑
20份，偏高岭土1
‑
5份，锂渣微粉1
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5份，硅灰0.5
‑
3份，硅酸盐水泥0
‑
3份，碱性激发剂1
‑
6份，细骨料40
‑
60份，复合固
‑
固相变材料0.1
‑
0.5份，高强纤维0.5
‑
3份，外加剂0.1
‑
1.5份，外加水3
‑
7份。
[0009]优选的，所述粉煤灰为低钙或高钙粉煤灰粉煤灰，比表面积400
‑
800m2/kg。
[0010]优选的，所述矿渣微粉为S75
‑
S105级，比表面积400
‑
600m2/kg。
[0011]优选的，所述偏高岭土为高岭土在600
‑
800℃中锻烧4小时制备，细化至比表面积600
‑
8002/kg。
[0012]优选的，所述锂渣微粉无定型铝硅酸盐组分含量大于40％，比表面积不低于450m2/kg。
[0013]优选的，所述硅灰0.5
‑
1μm的颗粒含量为82.1％，SiO2含量达到95％。
[0014]优选的，所述硅酸盐水泥为早强型普通硅酸盐水泥。
[0015]一种自调温3D打印无机聚合建筑材料的制备方法，具体包括如下步骤：
[0016]S1：复合固
‑
固相变材料的制备。将不同分子量的石蜡、聚烯烃、脂肪酸以及多元醇等有机相变材料按一定的质量百分比共混，通过高温熔融、高速搅拌得到多元体系的有机复合相变材料，然后通过原位沉淀包覆、溶胶
‑
凝胶法、插层法、多孔介质吸附法等方式与无机纳米材料进行复合，制备出不同相变温度和相变潜热的无机
‑
有机复合固
‑
固相变材料。
[0017]S2：碱性激发剂的配制。将改性水玻璃和氢氧化钠溶液按质量百分比(以Na2O计)为(3
‑
7)∶(7
‑
3)进行调配，在超声仪中以频率100kHz超声分散5
‑
10min，室温下搅拌、冷却、密封后，均化24h后待用。
[0018]S3：多元耦合硅铝质混合粉料的制备。按体系率值(1＜Si/Al＜7)的设计要求，分别称取干燥至恒重的粉煤灰，矿渣微粉，偏高岭土，锂渣微粉，硅灰，硅酸盐水泥进行混合，然后加入搅拌锅中低速搅拌不低于15min。
[0019]S4：打印浆体的制备。首先将细骨料、高强纤维依次加入到S3制备的硅铝质混合粉料中混匀，然后缓慢加入S2中配制的碱性激发剂溶液，以转速120rpm搅拌30s，再以转速250rpm搅拌90s得到混合浆体。最后，将S1中制备的复合固
‑
固相变材料、外加剂以及用于调节浆体流动度的外加水配制成悬浮液，采用喷雾的方式加入混合浆体中并继续以转速180rpm搅拌60s，即得到具备良好打印性能的打印浆料。
[0020]S5：打印过程。采用口径为8
‑
20mm的圆形打印喷头，设置挤出速度为0.3
‑
1.2m3/h，打印速度为50
‑
100mm/s。将S4中得到的打印浆料泵送至3D打印机的打印喷头，控制机器臂进行逐层打印，并保证从搅拌结束至开始打印的时间不超过20min。
[0021]S6：养护制度。将S5打印完本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法，其特征在于，包括以下质量份原料：粉煤灰10
‑
20份，矿渣微粉10
‑
20份，偏高岭土1
‑
5份，锂渣微粉1
‑
5份，硅灰0.5
‑
3份，硅酸盐水泥0
‑
3份，碱性激发剂1
‑
6份，细骨料40
‑
60份，复合固
‑
固相变材料0.1
‑
0.5份，高强纤维0.5
‑
3份，外加剂0.1
‑
1.5份，外加水3
‑
7份。2.根据权利要求1所述的一种自调温3D打印无机聚合建筑材料及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：复合固
‑
固相变材料的制备。将不同分子量的石蜡、聚烯烃、脂肪酸以及多元醇等有机相变材料按一定的质量百分比共混，通过高温熔融、高速搅拌得到多元体系的有机复合相变材料，然后通过原位沉淀包覆、溶胶
‑
凝胶法、插层法、多孔介质吸附法等方式与无机纳米材料进行复合，制备出不同相变温度和相变潜热的无机
‑
有机复合固
‑
固相变材料。S2：碱性激发剂的配制。将改性水玻璃和氢氧化钠溶液按质量百分比(以Na2O计)为(3
‑
7)∶(7
‑
3)进行调配，在超声仪中以频率100kHz超声分散5
‑
10min，室温下搅拌、冷却、密封后，均化24h后待用。S3：多元耦合硅铝质混合粉料的制备。按体系率值(1＜Si/Al＜7)的设计要求，分别称取干燥至恒重的粉煤灰，矿渣微粉，偏高岭土，锂渣微粉，硅灰，硅酸盐水泥进行混合，然后加入搅拌锅中低速搅拌不低于15min。S4：打印浆体的制备。首先将细骨料、高强纤维依次加入到S3制备的硅铝质混合粉料中混匀，然后缓慢加入S2中配制的碱性激发剂溶液，以转速120rpm搅拌30s，再以转速250rpm搅拌90s得到混合浆体。最后，将S1中制备的复合固
‑
固相变材料、外加剂以及用于调节浆体流动度的外加水配制成悬浮液...

【专利技术属性】
技术研发人员：田键，申盛伟，胡攀，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：