השפעת הידרוקסיפרופיל מתילצלולוז על תכונות של טיט להדפסה תלת-ממדית

על ידי לימוד ההשפעה של מינונים שונים של הידרוקסיפרופיל מתילצלולוז (HPMC) על יכולת ההדפסה, התכונות הריאולוגיות והתכונות המכניות של טיט להדפסה תלת-ממדית, נדון המינון המתאים של HPMC, ונותח מנגנון השפעתו בשילוב עם המורפולוגיה המיקרוסקופית. התוצאות מראות כי נוזליות הטיט פוחתת עם עליית תכולת ה-HPMC, כלומר, יכולת האקסטרודציה פוחתת עם עליית תכולת ה-HPMC, אך יכולת שמירת הנוזלים משתפרת. יכולת האקסטרודציה; קצב שמירת הצורה ועמידות החדירה תחת משקל עצמי עולים משמעותית עם עליית תכולת ה-HPMC, כלומר, עם עליית תכולת ה-HPMC, יכולת הערימה משתפרת וזמן ההדפסה מתארך; מנקודת מבט של ריאולוגיה, עם עליית תכולת ה-HPMC, הצמיגות הנראית לעין, מאמץ הכניעה והצמיגות הפלסטית של התרחיף גדלו משמעותית, ויכולת הערימה השתפרה; התיקסוטרופיה גדלה תחילה ולאחר מכן ירדה עם עליית תכולת ה-HPMC, ויכולת ההדפסה השתפרה; תכולת ה-HPMC מוגברת. גבוה מדי יגרום לעלייה בנקבוביות המלט ולחוזק. מומלץ שתכולת ה-HPMC לא תעלה על 0.20%.

בשנים האחרונות, טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית (הידועה גם בשם "ייצור תוספי") התפתחה במהירות ונמצאת בשימוש נרחב בתחומים רבים כמו הנדסה ביו-מדעית, תעופה וחלל ויצירה אמנותית. התהליך נטול העובש של טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית שיפר מאוד את הגמישות של תכנון המבנה ושיטת הבנייה האוטומטית שלה לא רק חוסכת מאוד כוח אדם, אלא גם מתאימה לפרויקטים של בנייה בסביבות קשות שונות. השילוב של טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית ותחום הבנייה הוא חדשני ומבטיח. כיום, תהליך ההדפסה התלת-ממדית המייצג של חומרים מבוססי צמנט הוא תהליך הדפסה תלת-ממדית באמצעות שיחול (כולל תהליך יצירת קווי מתאר) והדפסה בטון ותהליך קשירת אבקה (תהליך צורת D). ביניהם, לתהליך הדפסה תלת-ממדית באמצעות שיחול יש יתרונות של הבדל קטן מתהליך יציקת בטון מסורתי, היתכנות גבוהה של רכיבים גדולים ועלויות בנייה. היתרון הנחות הפך למוקדי מחקר עדכניים בטכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית של חומרים מבוססי צמנט.

עבור חומרים מבוססי צמנט המשמשים כ"חומרי דיו" להדפסה תלת-ממדית, דרישות הביצועים שלהם שונות מאלה של חומרים מבוססי צמנט כלליים: מצד אחד, ישנן דרישות מסוימות לעבודה של חומרים מבוססי צמנט טריים, ותהליך הבנייה צריך לעמוד בדרישות של שיחול חלק. מצד שני, חומר מבוסס צמנט שיחול צריך להיות ניתן לערום, כלומר, הוא לא יקרוס או יתעוות באופן משמעותי תחת פעולת משקלו שלו ולחץ השכבה העליונה. בנוסף, תהליך הלמינציה של הדפסה תלת-ממדית יוצר את השכבות בין השכבות על מנת להבטיח את התכונות המכניות הטובות של אזור הממשק הבין-שכבתי, חומרי הבנייה להדפסה תלת-ממדית צריכים להיות בעלי הידבקות טובה. לסיכום, תכנון יכולת השחול, יכולת הערימה וההידבקות הגבוהה מתוכננים בו זמנית. חומרים מבוססי צמנט הם אחד התנאים המוקדמים ליישום טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית בתחום הבנייה. התאמת תהליך ההידרציה והתכונות הריאולוגיות של חומרים צמנטיים הן שתי דרכים חשובות לשיפור ביצועי ההדפסה הנ"ל. התאמת תהליך ההידרציה של חומרים צמנטיים קשה ליישום, וקל לגרום לבעיות כמו חסימה בצנרת; ויסות התכונות הריאולוגיות צריך לשמור על הנזילות במהלך תהליך ההדפסה ועל מהירות המבנה לאחר יציקת שיחול. במחקר הנוכחי, משנים צמיגות, תערובות מינרלים, ננו-חימר וכו' משמשים לעתים קרובות להתאמת התכונות הריאולוגיות של חומרים מבוססי צמנט כדי להשיג ביצועי הדפסה טובים יותר.

הידרוקסיפרופיל מתילצלולוז (HPMC) הוא מעבה פולימרי נפוץ. קשרי ההידרוקסיל והאתר בשרשרת המולקולרית יכולים להשתלב עם מים חופשיים באמצעות קשרי מימן. החדרתו לבטון יכולה לשפר ביעילות את הלכידות שלו ואת שימור המים. נכון לעכשיו, המחקר על השפעת HPMC על תכונותיהם של חומרים מבוססי צמנט מתמקד בעיקר בהשפעתו על נזילות, שימור מים וריולוגיה, ומעט מחקרים נערך על תכונותיהם של חומרים מבוססי צמנט להדפסה תלת-ממדית (כגון יכולת שיחול, יכולת ערימה וכו'). בנוסף, עקב היעדר סטנדרטים אחידים להדפסה תלת-ממדית, שיטת ההערכה להדפסה של חומרים מבוססי צמנט טרם נקבעה. יכולת הערימה של החומר מוערכת לפי מספר שכבות ההדפסה עם עיוות משמעותי או גובה ההדפסה המרבי. שיטות ההערכה הנ"ל כפופות לסובייקטיביות גבוהה, אוניברסליות נמוכה ותהליך מסורבל. לשיטת הערכת הביצועים יש פוטנציאל וערך גדולים ביישומים הנדסיים.

במאמר זה, מינונים שונים של HPMC הוכנסו לחומרים מבוססי צמנט כדי לשפר את יכולת ההדפסה של טיט, והשפעות מינון HPMC על תכונות טיט להדפסה תלת-ממדית הוערכו באופן מקיף על ידי לימוד יכולת ההדפסה, תכונות ריאולוגיות ותכונות מכניות. בהתבסס על תכונות כגון נזילות. בהתבסס על תוצאות ההערכה, נבחר טיט מעורבב עם הכמות האופטימלית של HPMC לאימות הדפסה, ונבדקו הפרמטרים הרלוונטיים של הישות המודפסת; בהתבסס על מחקר המורפולוגיה המיקרוסקופית של הדגימה, נחקר המנגנון הפנימי של התפתחות הביצועים של חומר ההדפסה. במקביל, נקבע חומר הדפסה תלת-ממד מבוסס צמנט. שיטת הערכה מקיפה של ביצועי הדפסה על מנת לקדם את יישום טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית בתחום הבנייה.