L'effet du HPMC sur le mortier d'impression 3D

1.1Influence du HPMC sur l'imprimabilité des mortiers d'impression 3D

1.1.1L'effet du HPMC sur l'extrudabilité des mortiers d'impression 3D

Le groupe blanc M-H0 sans HPMC et les groupes de test avec une teneur en HPMC de 0,05 %, 0,10 %, 0,20 % et 0,30 % ont été laissés au repos pendant différentes périodes de temps, puis la fluidité a été testée. On voit que l'incorporation de HPMC Cela réduira considérablement la fluidité du mortier ; lorsque la teneur en HPMC augmente progressivement de 0 % à 0,30 %, la fluidité initiale du mortier diminue de 243 mm à 206, 191, 167 et 160 mm, respectivement. HPMC est un polymère de haut poids moléculaire. Ils peuvent être enchevêtrés les uns avec les autres pour former une structure en réseau, et la cohésion du coulis de ciment peut être augmentée en encapsulant des composants tels que Ca(OH) 2. Macroscopiquement, la cohésion du mortier est améliorée. Avec l'allongement du temps de repos, le degré d'hydratation du mortier augmente. augmenté, la fluidité se perd avec le temps. La fluidité du groupe vierge M-H0 sans HPMC a diminué rapidement. Dans le groupe expérimental avec 0,05 %, 0,10 %, 0,20 % et 0,30 % de HPMC, le degré de diminution de la fluidité a diminué avec le temps et la fluidité du mortier après 60 minutes de repos était respectivement de 180, 177, 164 et 155 mm. . La fluidité est de 87,3%, 92,7%, 98,2%, 96,8%. L'incorporation de HPMC peut améliorer considérablement la capacité de rétention de la fluidité du mortier, qui est due à la combinaison de HPMC et de molécules d'eau ; d'autre part, le HPMC peut former un film similaire. Il a une structure en réseau et enveloppe le ciment, ce qui réduit efficacement la volatilisation de l'eau dans le mortier et présente une certaine performance de rétention d'eau. Il convient de noter que lorsque la teneur en HPMC est de 0,20 %, la capacité de rétention de la fluidité du mortier atteint le niveau le plus élevé.

La fluidité du mortier d'impression 3D mélangé à différentes quantités de HPMC est de 160 à 206 mm. En raison des différents paramètres de l'imprimante, les plages de fluidité recommandées obtenues par différents chercheurs sont différentes, par exemple 150~190 mm, 160~170 mm. De la figure 3, on peut voir intuitivement que la fluidité du mortier d'impression 3D mélangé avec du HPMC se situe principalement dans la plage recommandée, en particulier lorsque la teneur en HPMC est de 0,20 %, la fluidité du mortier dans les 60 minutes est dans les limites. la gamme recommandée, qui satisfait à la fluidité et à l’empilage appropriées. Par conséquent, bien que la fluidité du mortier avec une quantité appropriée de HPMC soit réduite, ce qui entraîne une diminution de l'extrudabilité, il présente toujours une bonne extrudabilité, qui se situe dans la plage recommandée.

1.1.2L'effet du HPMC sur l'empilabilité des mortiers d'impression 3D

En cas de non-utilisation de gabarit, l'importance du taux de rétention de forme sous poids propre dépend de la limite d'élasticité du matériau, qui est liée à la cohésion interne entre le coulis et le granulat. La rétention de forme des mortiers d’impression 3D avec différents contenus HPMC est donnée. Le taux de changement avec le temps de repos. Après ajout de HPMC, le taux de rétention de forme du mortier est amélioré, notamment au stade initial et au repos pendant 20 min. Cependant, avec l'allongement du temps de repos, l'effet d'amélioration du HPMC sur le taux de rétention de forme du mortier s'est progressivement affaibli, ce qui était principalement dû à l'augmentation significative du taux de rétention. Après 60 minutes de repos, seulement 0,20 % et 0,30 % de HPMC peuvent améliorer le taux de rétention de forme du mortier.

Les résultats des tests de résistance à la pénétration du mortier d'impression 3D avec différents contenus HPMC sont présentés dans la figure 5. On peut voir sur la figure 5 que la résistance à la pénétration augmente généralement avec l'allongement du temps de repos, ce qui est principalement dû à l'écoulement du coulis pendant le processus d’hydratation du ciment. Il a progressivement évolué vers un solide rigide ; au cours des 80 premières minutes, l'incorporation de HPMC a augmenté la résistance à la pénétration, et avec l'augmentation de la teneur en HPMC, la résistance à la pénétration a augmenté. Plus la résistance à la pénétration, la déformation du matériau due à la charge appliquée est grande, plus la résistance du HPMC est grande, ce qui indique que le HPMC peut améliorer l'empilabilité précoce du mortier d'impression 3D. Étant donné que les liaisons hydroxyle et éther sur la chaîne polymère du HPMC se combinent facilement avec l'eau via des liaisons hydrogène, ce qui entraîne une réduction progressive de l'eau libre et une augmentation de la connexion entre les particules, la force de frottement augmente, de sorte que la résistance à la pénétration précoce devient plus grande. Après 80 minutes de repos, en raison de l'hydratation du ciment, la résistance à la pénétration du groupe vierge sans HPMC a augmenté rapidement, tandis que la résistance à la pénétration du groupe test avec HPMC a augmenté. Le taux n'a changé de manière significative qu'après environ 160 minutes de repos. Selon Chen et al., cela est principalement dû au fait que l'HPMC forme un film protecteur autour des particules de ciment, ce qui prolonge le temps de prise ; Pourchez et coll. On a supposé que cela était principalement dû aux fibres. Les produits de dégradation de l'éther simple (tels que les carboxylates) ou les groupes méthoxyle peuvent retarder l'hydratation du ciment en retardant la formation de Ca(OH)2. Il convient de noter que, afin d'éviter que le développement de la résistance à la pénétration ne soit affecté par l'évaporation de l'eau à la surface de l'éprouvette, cette expérience a été réalisée dans les mêmes conditions de température et d'humidité. Dans l'ensemble, HPMC peut améliorer efficacement l'empilabilité du mortier d'impression 3D au stade initial, retarder la coagulation et prolonger la durée d'impression du mortier d'impression 3D.

Entité de mortier d'impression 3D (longueur 200 mm × largeur 20 mm × épaisseur de couche 8 mm) : le groupe vierge sans HPMC était gravement déformé, effondré et présentait des problèmes de saignement lors de l'impression de la septième couche ; Le mortier du groupe M-H0.20 présente une bonne empilabilité. Après avoir imprimé 13 couches, la largeur du bord supérieur est de 16,58 mm, la largeur du bord inférieur est de 19,65 mm et le rapport haut/bas (le rapport entre la largeur du bord supérieur et la largeur du bord inférieur) est de 0,84. L'écart dimensionnel est faible. Par conséquent, il a été vérifié par impression que l’incorporation de HPMC peut améliorer considérablement l’imprimabilité du mortier. La fluidité du mortier a une bonne extrudabilité et une bonne empilabilité à 160~170 mm ; le taux de rétention de forme est inférieur à 70 %, est sérieusement déformé et ne peut pas répondre aux exigences d'impression.

1.2Influence du HPMC sur les propriétés rhéologiques des mortiers d'impression 3D

La viscosité apparente de la pâte pure sous différentes teneurs en HPMC est donnée : avec l'augmentation du taux de cisaillement, la viscosité apparente de la pâte pure diminue et le phénomène de fluidification par cisaillement se produit sous une teneur élevée en HPMC. C'est plus évident. La chaîne moléculaire HPMC est désordonnée et présente une viscosité plus élevée à faible taux de cisaillement ; mais à un taux de cisaillement élevé, les molécules HPMC se déplacent parallèlement et de manière ordonnée dans la direction du cisaillement, ce qui rend les molécules plus faciles à glisser, de sorte que le tableau La viscosité apparente de la suspension est relativement faible. Lorsque le taux de cisaillement est supérieur à 5,0 s-1, la viscosité apparente de P-H0 dans le groupe à blanc est fondamentalement stable à 5 Pa.s près ; tandis que la viscosité apparente de la suspension augmente après l'ajout de HPMC et son mélange avec HPMC. L'ajout de HPMC augmente la friction interne entre les particules de ciment, ce qui augmente la viscosité apparente de la pâte, et la performance macroscopique est que l'extrudabilité du mortier d'impression 3D diminue.

La relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement de la suspension pure dans le test rhéologique a été enregistrée et le modèle Bingham a été utilisé pour ajuster les résultats. Les résultats sont présentés dans la figure 8 et le tableau 3. Lorsque la teneur en HPMC était de 0,30 %, le taux de cisaillement pendant l'essai était supérieur à 32,5. Lorsque la viscosité de la suspension dépasse la plage de l'instrument à s-1, les données correspondantes les points ne peuvent pas être collectés. Généralement, la zone délimitée par les courbes ascendantes et descendantes au stade stable (10,0 ~ 50,0 s-1) est utilisée pour caractériser la thixotropie du lisier [21, 33]. La thixotropie fait référence à la propriété selon laquelle la boue a une grande fluidité sous l'action d'une force de cisaillement externe et peut revenir à son état d'origine une fois l'action de cisaillement annulée. Une thixotropie appropriée est très importante pour l'imprimabilité du mortier. Il ressort de la figure 8 que la zone thixotropique du groupe à blanc sans HPMC n'était que de 116,55 Pa/s ; après ajout de 0,10 % d'HPMC, la surface thixotropique de la pâte nette augmente significativement jusqu'à 1 800,38 Pa/s ; Avec l'augmentation de , la zone thixotrope de la pâte a diminué, mais elle était toujours 10 fois supérieure à celle du groupe vierge. Du point de vue de la thixotropie, l'incorporation de HPMC a grandement amélioré l'imprimabilité du mortier.

Pour que le mortier conserve sa forme après l'extrusion et puisse résister à la charge de la couche extrudée suivante, le mortier doit avoir une limite d'élasticité plus élevée. Il ressort du tableau 3 que la limite d'élasticité τ0 de la bouillie nette est considérablement améliorée après l'ajout de HPMC, et elle est similaire à HPMC. Le contenu de HPMC est positivement corrélé ; lorsque la teneur en HPMC est de 0,10 %, 0,20 % et 0,30 %, la limite d'élasticité de la pâte nette augmente jusqu'à 8,6, 23,7 et 31,8 fois celle du groupe vierge, respectivement ; la viscosité plastique µ augmente également avec l'augmentation de la teneur en HPMC. L'impression 3D nécessite que la viscosité plastique du mortier ne soit pas trop faible, sinon la déformation après extrusion sera importante ; en même temps, une viscosité plastique appropriée doit être maintenue pour garantir la cohérence de l'extrusion du matériau. En résumé, du point de vue de la rhéologie, l'incorporation de HPMC a un effet positif sur l'amélioration de l'empilabilité du mortier d'impression 3D. Après incorporation de HPMC, la pâte pure est toujours conforme au modèle rhéologique de Bingham et la qualité d'ajustement R2 n'est pas inférieure à 0,99.

1.3L'effet du HPMC sur les propriétés mécaniques du mortier d'impression 3D

Résistance à la compression et à la flexion de 28 jours du mortier d'impression 3D. Avec l'augmentation de la teneur en HPMC, la résistance à la compression et à la flexion à 28 jours du mortier d'impression 3D a diminué ; lorsque la teneur en HPMC atteint 0,30 %, la résistance à la compression à 28 jours et la résistance à la flexion sont respectivement de 30,3 et 7,3 MPa. Des études ont montré que le HPMC a un certain effet entraîneur d'air, et si sa teneur est trop élevée, la porosité interne du mortier augmentera considérablement ; La résistance à la diffusion augmente et il est difficile de tout décharger. Par conséquent, l’augmentation de la porosité peut être la raison de la diminution de la résistance du mortier d’impression 3D provoquée par HPMC.

Le processus unique de moulage par stratification de l'impression 3D conduit à l'existence de zones faibles dans la structure et les propriétés mécaniques entre les couches adjacentes, et la force de liaison entre les couches a une grande influence sur la résistance globale du composant imprimé. Pour l'impression 3D, des échantillons de mortier mélangés à 0,20 % de HPMC M-H0.20 ont été découpés et la force de liaison intercouche a été testée par la méthode de division intercouche. La force de liaison intercouche des trois parties était supérieure à 1,3 MPa ; et lorsque le nombre de couches était faible, la force de liaison intercouche était légèrement supérieure. La raison peut être que, d’une part, la gravité de la couche supérieure rend les couches inférieures plus étroitement liées ; d'autre part, la surface du mortier peut avoir plus d'humidité lors de l'impression de la couche inférieure, tandis que l'humidité de surface du mortier est réduite en raison de l'évaporation et de l'hydratation lors de l'impression de la couche supérieure, de sorte que la liaison entre les couches inférieures est plus forte.

1.4Effet du HPMC sur la micromorphologie du mortier d'impression 3D

Les images SEM des spécimens M-H0 et M-H0.20 à l'âge de 3 jours montrent que les pores de surface des spécimens M-H0.20 sont considérablement augmentés après l'ajout de 0,20 % de HPMC et que la taille des pores est plus grande que celle de le groupe vide. Ceci est dû, d'une part, au fait que HPMC a un effet entraîneur d'air, qui introduit des pores uniformes et fins ; d'autre part, il se peut que l'ajout de HPMC augmente la viscosité du lisier, augmentant ainsi la résistance à l'évacuation de l'air à l'intérieur du lisier. Cette augmentation peut être la principale raison de la diminution des propriétés mécaniques du mortier. En résumé, afin de garantir la solidité du mortier d'impression 3D, la teneur en HPMC ne doit pas être trop importante (≤ 0,20%).

En conclusion

(1) L'hydroxypropylméthylcellulose HPMC améliore l'imprimabilité du mortier. Avec l'augmentation de la teneur en HPMC, l'extrudabilité du mortier diminue mais présente toujours une bonne extrudabilité, l'empilabilité est améliorée et le temps d'impression est prolongé. Il a été vérifié par impression que la déformation de la couche inférieure du mortier est réduite après ajout d'HPMC, et le rapport haut-bas est de 0,84 lorsque la teneur en HPMC est de 0,20 %.

(2) HPMC améliore les propriétés rhéologiques du mortier d’impression 3D. Avec l'augmentation de la teneur en HPMC, la viscosité apparente, la limite d'élasticité et la viscosité plastique de la suspension augmentent ; la thixotropie augmente d'abord puis diminue, et l'imprimabilité est obtenue. Amélioration. Du point de vue de la rhéologie, l'ajout de HPMC peut également améliorer l'imprimabilité du mortier. Après avoir ajouté du HPMC, la suspension est toujours conforme au modèle rhéologique de Bingham et à la qualité d'ajustement R2≥0,99.

(3) Après avoir ajouté du HPMC, la microstructure et les pores du matériau augmentent. Il est recommandé que la teneur en HPMC ne dépasse pas 0,20 %, sinon cela aura un impact important sur les propriétés mécaniques du mortier. La force de liaison entre les différentes couches du mortier d'impression 3D est légèrement différente, et le nombre de couches lorsqu'il est inférieur, la force de liaison entre les couches de mortier est plus élevée.