ผลกระทบของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสต่อคุณสมบัติของปูนสำหรับงานพิมพ์ 3 มิติ

จากการศึกษาผลของปริมาณไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC) ที่แตกต่างกันต่อความสามารถในการพิมพ์ คุณสมบัติทางรีโอโลยี และคุณสมบัติเชิงกลของปูนพิมพ์ 3 มิติ ได้มีการอภิปรายถึงปริมาณ HPMC ที่เหมาะสม และวิเคราะห์กลไกการออกฤทธิ์โดยพิจารณาร่วมกับสัณฐานวิทยาในระดับจุลภาค ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า ความลื่นไหลของปูนลดลงเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น นั่นคือ ความสามารถในการอัดขึ้นรูปจะลดลงเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น แต่ความสามารถในการคงสภาพความลื่นไหลจะดีขึ้น ความสามารถในการอัดขึ้นรูป อัตราการคงรูปทรง และความต้านทานการเจาะภายใต้น้ำหนักตัวเองเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น นั่นคือ เมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น ความสามารถในการเรียงซ้อนจะดีขึ้นและเวลาในการพิมพ์จะนานขึ้น จากมุมมองทางรีโอโลยี เมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น ความหนืดปรากฏ แรงเค้นคราก และความหนืดพลาสติกของสารละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และความสามารถในการเรียงซ้อนจะดีขึ้น เมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น ค่าความหนืดจะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง ในขณะที่ความสามารถในการพิมพ์จะดีขึ้น อย่างไรก็ตาม หากปริมาณ HPMC สูงเกินไป จะทำให้ความพรุนของปูนเพิ่มขึ้นและลดความแข็งแรงลง จึงแนะนำว่าปริมาณ HPMC ไม่ควรเกิน 0.20%

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (หรือที่เรียกว่า “การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ”) ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น วิศวกรรมชีวภาพ อวกาศ และการสร้างสรรค์ทางศิลปะ กระบวนการที่ไม่ต้องใช้แม่พิมพ์ของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้ปรับปรุงวัสดุและความยืดหยุ่นในการออกแบบโครงสร้างอย่างมาก และวิธีการก่อสร้างแบบอัตโนมัติไม่เพียงแต่ช่วยประหยัดแรงงานได้อย่างมาก แต่ยังเหมาะสำหรับโครงการก่อสร้างในสภาพแวดล้อมที่ยากลำบากต่างๆ การผสมผสานเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติกับงานก่อสร้างนั้นเป็นนวัตกรรมและมีอนาคตที่สดใส ปัจจุบัน กระบวนการพิมพ์ 3 มิติของวัสดุซีเมนต์ที่เป็นตัวแทน ได้แก่ กระบวนการอัดขึ้นรูป (รวมถึงกระบวนการขึ้นรูปตามรูปทรง) และกระบวนการพิมพ์คอนกรีตและการเชื่อมผง (กระบวนการขึ้นรูปตัว D) ในบรรดากระบวนการเหล่านี้ กระบวนการอัดขึ้นรูปมีข้อดีคือมีความแตกต่างจากกระบวนการขึ้นรูปคอนกรีตแบบดั้งเดิมน้อย มีความเป็นไปได้สูงสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่ และต้นทุนการก่อสร้างต่ำ ข้อดีเหล่านี้จึงกลายเป็นประเด็นวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบันของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติของวัสดุซีเมนต์

สำหรับวัสดุซีเมนต์ที่ใช้เป็น “วัสดุหมึกพิมพ์” สำหรับการพิมพ์ 3 มิติ ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพจะแตกต่างจากวัสดุซีเมนต์ทั่วไป กล่าวคือ ในด้านหนึ่ง มีข้อกำหนดบางประการเกี่ยวกับความสามารถในการใช้งานของวัสดุซีเมนต์ที่ผสมใหม่ และกระบวนการก่อสร้างต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของการอัดขึ้นรูปที่ราบรื่น ในอีกด้านหนึ่ง วัสดุซีเมนต์ที่อัดขึ้นรูปแล้วต้องสามารถวางซ้อนกันได้ กล่าวคือ จะไม่ยุบตัวหรือเสียรูปอย่างมากภายใต้น้ำหนักของตัวเองและแรงกดของชั้นบน นอกจากนี้ กระบวนการลามิเนตของการพิมพ์ 3 มิติทำให้ชั้นระหว่างชั้น เพื่อให้แน่ใจว่าคุณสมบัติทางกลที่ดีของบริเวณส่วนต่อประสานระหว่างชั้น วัสดุก่อสร้างที่พิมพ์ 3 มิติควรมีการยึดเกาะที่ดีด้วย สรุปแล้ว การออกแบบที่คำนึงถึงความสามารถในการอัดขึ้นรูป ความสามารถในการวางซ้อน และการยึดเกาะสูงนั้น จึงได้รับการออกแบบไปพร้อมกัน วัสดุซีเมนต์เป็นหนึ่งในข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในด้านการก่อสร้าง การปรับกระบวนการไฮเดรชั่นและคุณสมบัติทางรีโอโลยีของวัสดุซีเมนต์เป็นสองวิธีสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการพิมพ์ข้างต้น การปรับกระบวนการไฮเดรชั่นของวัสดุซีเมนต์นั้นทำได้ยากและอาจก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น การอุดตันของท่อได้ง่าย และการควบคุมคุณสมบัติทางรีโอโลยีจำเป็นต้องรักษาความลื่นไหลในระหว่างกระบวนการพิมพ์และความเร็วในการขึ้นรูปหลังจากการอัดรีด ในงานวิจัยปัจจุบัน มักใช้สารปรับความหนืด สารเติมแต่งแร่ธาตุ นาโนเคลย์ ฯลฯ เพื่อปรับคุณสมบัติทางรีโอโลยีของวัสดุซีเมนต์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการพิมพ์ที่ดีขึ้น

ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC) เป็นสารเพิ่มความหนืดประเภทพอลิเมอร์ที่ใช้กันทั่วไป พันธะไฮดรอกซิลและอีเทอร์บนสายโซ่โมเลกุลสามารถรวมตัวกับน้ำอิสระผ่านพันธะไฮโดรเจน การเติม HPMC ลงในคอนกรีตสามารถปรับปรุงการยึดเกาะและการกักเก็บน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับผลของ HPMC ต่อคุณสมบัติของวัสดุซีเมนต์ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ผลต่อความลื่นไหล การกักเก็บน้ำ และคุณสมบัติทางรีโอโลยี และมีการวิจัยน้อยมากเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุซีเมนต์ที่ใช้ในการพิมพ์ 3 มิติ (เช่น ความสามารถในการอัดขึ้นรูป ความสามารถในการเรียงซ้อน ฯลฯ) นอกจากนี้ เนื่องจากขาดมาตรฐานที่เป็นเอกภาพสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ วิธีการประเมินความสามารถในการพิมพ์ของวัสดุซีเมนต์จึงยังไม่ได้รับการกำหนดขึ้น ความสามารถในการเรียงซ้อนของวัสดุจะถูกประเมินจากจำนวนชั้นที่พิมพ์ได้ที่มีการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญหรือความสูงในการพิมพ์สูงสุด วิธีการประเมินข้างต้นมีความเป็นอัตวิสัยสูง ขาดความเป็นสากล และกระบวนการที่ยุ่งยาก วิธีการประเมินประสิทธิภาพมีศักยภาพและคุณค่าอย่างมากในการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม

ในบทความนี้ ได้มีการนำ HPMC ในปริมาณที่แตกต่างกันมาผสมในวัสดุซีเมนต์เพื่อปรับปรุงความสามารถในการพิมพ์ของปูน และได้ทำการประเมินผลกระทบของปริมาณ HPMC ต่อคุณสมบัติของปูนที่พิมพ์แบบ 3 มิติอย่างครอบคลุม โดยการศึกษาความสามารถในการพิมพ์ คุณสมบัติทางรีโอโลยี และคุณสมบัติทางกล โดยพิจารณาจากคุณสมบัติ เช่น ความลื่นไหล จากผลการประเมิน ได้เลือกปูนที่ผสม HPMC ในปริมาณที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการทดสอบการพิมพ์ และทดสอบพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องของชิ้นงานที่พิมพ์ จากการศึกษาโครงสร้างจุลภาคของตัวอย่าง ได้มีการสำรวจกลไกภายในของการพัฒนาประสิทธิภาพของวัสดุการพิมพ์ ในขณะเดียวกัน ได้มีการสร้างวิธีการประเมินประสิทธิภาพการพิมพ์แบบ 3 มิติอย่างครอบคลุมสำหรับวัสดุซีเมนต์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติ เพื่อส่งเสริมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในงานก่อสร้าง