一种三周期极小曲面结构地质聚合物及其制备方法技术

本发明专利技术属于地质聚合物技术领域，涉及一种三周期极小曲面结构地质聚合物的制备方法，包括如下步骤：S1、将硅砂、偏硅酸钠粉末和铝硅酸盐粉末球磨混合，真空干燥后，得到粉末原料；S2、将水和表面活性剂搅拌均匀，得到喷射溶液；S3、建立三周期极小曲面模型，选用三周期极小曲面为skeletal曲面；S4、3DP打印地质聚合物初胚；S5、地质聚合物初胚后处理，得到三周期极小曲面结构地质聚合物。喷射液为pH中性，不会腐蚀打印头，提高了打印头的寿命；材料中不含PVA等喷射溶液，PVA为3类致癌物质，如用于污水处理可能导致二次污染；建立了三周期极小曲面模型，使生成的地质聚合物具有宏观的孔结构，更利于吸附。利于吸附。利于吸附。

【技术实现步骤摘要】
一种三周期极小曲面结构地质聚合物及其制备方法


[0001]本专利技术属于地质聚合物
，具体涉及一种三周期极小曲面结构地质聚合物及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前去除废水中的重金属离子的方法主要包括化学沉淀、离子交换、混凝
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絮凝、膜分离、电化学处理以及吸附等方法，其中化学沉淀、离子交换、混凝
‑
絮凝、膜分离、电化学处理方法有可能带来二次污染、成本高昂以及过程复杂等问题，吸附方法常用的活性炭则存在成本高的问题，所以需要一种低成本的吸附材料以替代当前使用的活性炭等材料。
[0003]地质聚合物材料由法国教授Joseph Davidovits于1978年提出，是一种由硅氧四面体和铝氧四面体构成的三维网络聚合凝胶体，其将该材料命名为Geopolymer。地质聚合物原料为富含硅铝成分的天然矿物、工业废渣和尾矿，其来源丰富，如偏高岭土、粉煤灰、矿渣等，是一种低成本的材料。地质聚合物在常温常压下，通过碱性激发剂和含活性硅铝成分的矿物、固体废弃物或他们的混合物反应，经过短时间的养护得到。地质聚合物的制备所需能耗低，只有普通硅酸盐水泥的60％左右。同时，地质聚合物还具有耐火耐高温、耐化学腐蚀性、低导热性，高比表面积、高离子电导性和优良的力学性能。由于地质聚合物具有的上述优良性能，其用途广泛，可用于防火隔热材料、建筑材料、固核材料以及重金属离子吸附材料等等。
[0004]正是以上优点，目前有很多关于地质聚合物吸附材料的研究。但目前制作地质聚合物多孔材料的方法大多使用发泡剂与模具的组合，所制备的多孔地质聚合物由于孔隙分布不受控制，导致该吸附剂力学性能较差，在水流的冲击下容易破坏。
[0005]申请号为202010706583.5的专利文献公开了一种用于复杂岩体物理模型的3D打印地质聚合物及其使用方法，其公开了使用3DP工艺制备地质聚合物作为地质模型的先例，但其使用了PVA作为粉末材料，PVA材料为3级致癌物质，当其用于污水处理时可能会造成二次污染；同时，其使用了碱性溶液作为粘结剂以一步成型，但是使用碱性溶液会导致喷墨打印头被腐蚀，减少打印头的寿命。
[0006]因此，有必要研发一种具有良好力学性能并且吸附效率高的地质聚合物的低成本3DP制备方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种三周期极小曲面结构地质聚合物及其制备方法，解决了现有技术存在的易造成二次污染及对打印头造成腐蚀的问题。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0009]一种三周期极小曲面结构地质聚合物的制备方法，包括如下步骤：
[0010]S1、打印粉末原料的制备：
[0011]将硅砂、偏硅酸钠粉末和铝硅酸盐粉末球磨混合，真空干燥后，得到粉末原料，备
用；
[0012]S2、配置喷射溶液：
[0013]将水和表面活性剂搅拌均匀，得到喷射溶液；
[0014]S3、建立三周期极小曲面模型：
[0015]选用三周期极小曲面为skeletal曲面，设计参数生成三周期极小曲面模型；
[0016]S4、3DP打印地质聚合物初胚：
[0017]将喷射溶液加入3D打印机中，设定成型箱温度恒定，将粉末原料加入供粉箱中，随后根据输入的三周期极小曲面结构模型进行按需喷射，并逐层打印，得到地质聚合物初胚；
[0018]S5、地质聚合物初胚后处理：
[0019]清除地质聚合物初胚表面未粘结粉末，随后放入后处理溶液中养护，使地质聚合物初胚反应完全，得到三周期极小曲面结构地质聚合物。
[0020]进一步，S1中，偏硅酸钠粉末的制备为：将偏硅酸钠粉末与球磨珠按照质量比为1：3混合，球磨、过筛，得到偏硅酸钠粉末。
[0021]进一步，S1中，铝硅酸盐粉末的制备为：将S95矿粉、低钙粉煤灰、偏高岭土过筛，并混合均匀，得到铝硅酸盐粉末；
[0022]铝硅酸盐粉末以质量百分比计，包括以下组分：Al2O3：25％～50％，SiO2：35％～40％，MgO：1％～20％，CaO：1％～20％，余量为杂质。
[0023]进一步，步骤S1中，硅砂和硅铝酸盐粉末的质量之比为(0.5～2)：1；偏硅酸钠粉末占总粉末原料的质量百分数为5％～15％。
[0024]进一步，步骤S2中，表面活性剂采用乙醇，水与乙醇的质量之比(0.5～2)：1。
[0025]进一步，步骤S3中，生成三周期极小曲面所用isosurface中isovalue值为
‑
0.77～
‑
0.95。
[0026]进一步，步骤S3中，生成三周期极小曲面的偏移厚度值为2
‑
6mm。
[0027]进一步，步骤S4中，成型箱设定温度为30～40℃；
[0028]打印层厚为200μm
‑
400μm，铺粉辊子自转速度为60～600rpm，喷射溶液喷射饱和度为100％～200％；
[0029]初胚静置时间为6～12h。
[0030]进一步，后处理溶液为硅酸钠溶液和氢氧化钠溶液的混合溶液；
[0031]后处理溶液中硅酸钠溶液模数为3.25～3.35；
[0032]后处理溶液中氢氧化钠浓度为为6～10mol/L；
[0033]后处理溶液中Na2SiO3和NaOH质量之比为(1～5)：1；
[0034]后处理养护温度为60℃。
[0035]本专利技术还公开了所述制备方法制备得到的三周期极小曲面结构地质聚合物。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0037]本专利技术公开了一种三周期极小曲面结构地质聚合物的制备方法，将硅砂、偏硅酸钠粉末和铝硅酸盐粉末混合，作为粉末原料，采用表面活性剂作为3D打印的喷射液，当粉末中的偏硅酸钠粉末遇到水后形成碱性环境，其释放出偏硅酸钠本身的黏性性能，所用材料中不含PVA等喷射溶液，PVA为3类致癌物质，如用于污水处理可能导致二次污染；表面活性剂的作用是降低水的表面张力，保证喷射液的顺利喷射。
[0038]现有专利技术使用添加有氢氧化钠等强碱的碱性溶液作为喷射溶液，而喷墨打印头在碱性环境下易被腐蚀，从而导致打印头寿命缩短。本专利技术所用喷射液仅由水和表面活性剂组成，即喷射液为pH中性，不会腐蚀打印头，提高了打印头的寿命。
[0039]本专利技术建立了三周期极小曲面模型，使生成的地质聚合物具有宏观的孔结构，更利于吸附。且选用三周期极小曲面为skeletal曲面，使用该曲面结构的原因为：对比其他三周期极小曲面结构，Skeletal曲面结构在同深度水中受水压作用产生的变形最小，力学性能最好，且Skeletal曲面结构相比其他三周期极小曲面结构如Schwarz P曲面，Skeletal曲面存在更多的交错的连通孔，这有利于其中流体形成湍流，从而加强传质过程，考虑到孔隙大小对渗透率和打印件力学性能的影响，isovalue值应在
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三周期极小曲面结构地质聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、打印粉末原料的制备：将硅砂、偏硅酸钠粉末和铝硅酸盐粉末球磨混合，真空干燥后，得到粉末原料，备用；S2、配置喷射溶液：将水和表面活性剂搅拌均匀，得到喷射溶液；S3、建立三周期极小曲面模型：选用三周期极小曲面为skeletal曲面，设计参数生成三周期极小曲面模型；S4、3DP打印地质聚合物初胚：将喷射溶液加入3D打印机中，设定成型箱温度恒定，将粉末原料加入供粉箱中，随后根据输入的三周期极小曲面结构模型进行按需喷射，并逐层打印，得到地质聚合物初胚；S5、地质聚合物初胚后处理：清除地质聚合物初胚表面未粘结粉末，随后放入后处理溶液中养护，使地质聚合物初胚反应完全，得到三周期极小曲面结构地质聚合物。2.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面结构地质聚合物的制备方法，其特征在于，S1中，偏硅酸钠粉末的制备为：将偏硅酸钠粉末与球磨珠按照质量比为1：3混合，球磨、过筛，得到偏硅酸钠粉末。3.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面结构地质聚合物的制备方法，其特征在于，S1中，铝硅酸盐粉末的制备为：将S95矿粉、低钙粉煤灰、偏高岭土过筛，并混合均匀，得到铝硅酸盐粉末；铝硅酸盐粉末以质量百分比计，包括以下组分：Al2O3：25％～50％，SiO2：35％～40％，MgO：1％～20％，CaO：1％～20％，余量为杂质。4.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面结构地质聚合物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，硅砂和硅铝酸盐粉末的质量之比为(0.5～2)：1；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，刘正昊，张兆发，张阮志，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：