研究人员创造出可与结构混凝土性能相当的3D粘合剂喷射地质聚合物

2022年5月30日，南极熊获悉，国外的一个3D打印研究团队创造出了与结构性混凝土性能相当的粘结剂喷射3D打印地质聚合物结构，未来有望应用于各种建筑。

研究团队的主要目标是在不使用水泥的情况下3D打印偏高岭土（一种脱羟基的粘土矿高岭土），他们首先创造出完全由沙子和偏高岭土构成的原料，并声称它能够在更清洁和更可持续的过程中生产出具有无缺陷粉末层的棱形地质聚合物组件。

△偏高岭土和沙子原料的形成和粘合剂喷射3D打印过程。图片来自增材制造。

地质聚合物的好处

近年来，3D打印在建筑领域内的应用越来越多，然而，长期以来，水泥制造与较高的温室气体排放和能源消耗有关，这恶化了3D打印混凝土结构的整体可持续性。水泥还受制于高自生收缩率、水化热和高成本。

相比之下，地质聚合物提供了一种快速凝固、具有成本效益和生态友好的替代品，与传统的水泥复合材料相比，它具有更强的耐火性和耐久性。因此，近年来，对能够与混凝土结构等传统材料相媲美的3D打印地质聚合物结构的研究获得了更多关注。

例如，早在2017年，新加坡南洋理工大学利用作为煤炭燃烧过程中的副产品产生的废弃粉煤灰颗粒创造了一种地质聚合物水泥。粉煤灰的使用大大减少了传统水泥生产过程中的碳足迹，同时也为材料提供了卓越的耐热性能。

最近在2020年，斯威本科技大学和法国建筑公司Bouygues Travaux Publics部署了机器学习技术，以开发更强大的3D打印地质聚合物水泥，以及随后对建筑领域使用的其他3D打印化合物的稳定性进行分类的路线图。

△新加坡南洋理工大学的电装机械臂 3D 打印地质聚合物结构。图片来自Cleaner Production杂志。

3D粘合剂喷射地质聚合物

这一领域的最新研究来自一个国际研究团队，他们是由来自石材3D打印公司Desamanera和意大利帕多瓦大学、埃及国家研究中心、美国宾夕法尼亚州立大学以及阿根廷的陶瓷和矿物资源技术中心（CETMIC）的人员组成。

该研究的主要目标是在不使用水泥的情况下打印偏高岭土。为了实现这一目标，研究人员开发了一种造粒技术，使他们能够生产出具有适当流动性的原料，这种原料是由偏高岭土覆盖的砂粒组成的。

粘结剂喷射3D打印工艺使研究人员能够利用偏高岭土与碱性溶液反应时发生的地质聚合过程。

通过将碱性溶液喷射到粉床上，造粒过程允许在粉床上有更高比例的偏高岭土，即30wt%，并确保打印出无缺陷的粉层。在打印过程中，喷射的碱性溶液与颗粒中的偏高岭土粉末反应，形成地质聚合物。

研究小组选择了一个大规模的、可在市场上买到的粘合剂喷射3D打印机来生产由两种原料组成的结构性地质聚合物组件；一种完全由偏高岭土和沙子组成，另一种在粉末混合物中包括少量的商用快速凝固水泥。

在研究过程中，所有的3D打印样品都被发现是防水的，暴露在水中7天后，强度没有明显差异。用30wt%的偏高岭土制作的3D打印地质聚合物部件表现出20MPa的抗压强度，即使有30%体积的残留孔隙。

研究人员观察到，仅含有偏高岭土的3D打印地质聚合物拥有与含有水泥的地质聚合物相同的打印精度和分辨率。据该团队称，这证实了相应的偏高岭土颗粒的高反应性，以制备地质聚合物凝胶，用于制造坚固、高分辨率的地质聚合物部件，而不需要水泥。

该团队的造粒技术使更高质量分数的精细和反应性的偏高岭土颗粒被引入粉末床，以保持原料的流动性，并允许打印出无缺陷的层。

研究小组还发现，在粉床中加入快速凝固的水泥对地质聚合物部件的印刷精度或强度没有影响。将3D打印的地质聚合物结构在水中浸泡一周后，没有观察到强度的明显变化，该团队认为其配方可用于户外和与水接触的应用。

关于这项研究的更多信息可以在发表在《Additive Manufacturing》杂志上的题为："使用地质聚合物和粘合剂喷射的无机部件增材制造/Additivemanufacturing of inorganic components using a geopolymer and binder jetting"的论文中找到。这项研究的共同作者是H. Elsayed、F. Gobbin、M. Picicco、A. Italiano和P. Colombo。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422003062