[发明专利]一种石膏基3D打印高压均化喷射快速成型材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于3D打印材料技术领域，涉及一种石膏基3D打印高压均化喷射快速成型材料及其制备方法。

背景技术

3D打印技术，又称为“增材制造”，是快速成型技术中的一种。早在20世纪90年代，3D打印技术已经得到发展。3D打印技术是依据个性化三维模型，基于三维打印设备，通过逐层或逐点积分累加原理，实现产品形状复杂但要求精度较高的一种快速成型技术。3D打印技术融合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学技术等多学科领域的前沿技术。

3D建筑打印材料主要是以水泥混凝土材料为主。然而，3D建筑打印混凝土材料与普通的水泥混凝土材料存在较大差异。与聚合物3D打印不同，3D建筑材料所使用的无机胶凝材料不能依靠温度的变化实现材料的凝结固化，需要利用一定的外加剂对材料的宏观性能进行调节。3D建筑打印材料凝结之前需要具有较好的流动性能，成型过程中需要具有较高的塑性粘度、较低的极限剪切应力、较好的可塑性、瞬时固化性能以及较高的早期强度。

随着3D建筑打印技术的不断完善，3D建筑打印技术所使用的胶凝材料除了水泥混凝土外，石膏、树脂等均可作为主要原材料之一，其中石膏由于具有凝结速度快、早期强度高，是建筑物建造及装饰装修一体化较为合适的3D建筑打印材料。目前，还未见有公开授权的相关专利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有工艺而提供一种石膏基3D打印高压均化喷射快速成型材料及其制备方法，通过固液高速均化，精确控制喷射成型浆体的瞬时固化时间，解决了无机材料难以用于3D打印成型，石膏材料粘度低、强度低、成型过程难以控制的问题。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案如下：一种石膏基3D打印高压均化喷射快速成型材料，包括有以下组分：

粉体材料1份、液体材料0.3～0.5份、雾化材料0.1～0.2份，按质量份计；

所述粉体材料各组分按质量份计为：α半水石膏50～90份、填充材料5～35份、增韧材料5～20份；

所述液体材料各组分按质量份计为：水95～98份、增稠剂0.1～2份、减水剂0.1～2份；

所述雾化材料各组分按质量份计为：固化剂0.5～1份。

按上述方案，所述的α半水石膏为以天然二水石膏、磷基二水石膏和脱硫二水石膏的任意一种为原材料，采用常压水热法合成。

按上述方案，所述的α半水石膏长径比为1:1～1:3，晶体成短柱状六方体，粒径为10～20μm，2h抗折强度≥7MPa，2h抗压强度≥15MPa，24h绝干强度≥40MPa。

按上述方案，所述的填充材料为粒径为10μm～100μm的球状无机惰性材料。

按上述方案，所述的增韧材料为碳酸钙晶须、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维中的一种或几种复合，纤维直径≤10μm，纤维长度为300μm～1mm。

按上述方案，所述的增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚、甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚和聚乙烯醇中的任意一种或几种的复合。

按上述方案，所述的固化剂为可溶性硫酸盐、硝酸盐和氯化盐中的任意一种或几种复合。

所述的石膏基3D打印高压均化喷射快速成型材料的制备方法，包括有以下步骤：

按质量份计，将1份粉体材料与0.3～0.5份液体材料通过均化，搅拌，制备出初始流动度≥180mm，凝结时间≤30min的浆体；再将0.1～0.2份雾化材料与浆体高速对冲混合，制备出固化时间在0～5min精确可控的石膏基3D打印高压喷射快速成型材料。

本发明基于α半水石膏自身具有较高的强度和一定的粘结性，使用增稠组分和减水组分对其流变性能进行调控。在高压均化阶段初期，利用增稠组分改善其流动性与粘度，在一定程度上保证喷料时材料成型的精度和浆体与基体的粘结强度；同时加入减水组分，一方面可以减少体系内不参与反应的水量，另一方面可以改善其触变性能，在有机械力的作用下，保证浆体的流动性能在一定时间内维持恒定。在喷射快速成型阶段，采用雾化材料对其进行喷雾混合，实现固化剂对浆体的瞬时固化效应，促进石膏水化速率，实现浆体从高流态向塑性态的瞬时转变，保证成型体的精度。

同时，本发明在体系中采用无机惰性材料填充，一方面节约生产成本，另一方面，球状惰性材料在体系中形成滚珠效应，保证浆体的高流态。纤维的加入，增加了后期硬化体的粘结强度。增稠组分对纤维在浆体中的分散性也起到了较好的分散作用。