一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料，其制备方法包括：将植物纤维粉碎洗净，置于H3PO4溶液中浸渍活化后煅烧，再经酸浸泡处理得半碳化纤维；将蛭石粉与氯化钙溶液混合后干燥得蛭石粉混合物；将磷酸镁水泥、硼砂、复合相变微胶囊、电气石粉、蛭石粉混合物以及半碳化纤维混合，再加入引气剂、减水剂、纤维素醚、膨润土和水搅拌成砂浆即得。本发明利用磷酸镁水泥含湿量高、导热系数小等优点，结合植物纤维、蛭石粉实现孔的梯度搭配，复合相变微胶囊、纤维素醚和膨润土的加入使其具有优良的3D打印性能，该材料可以被动式地调节室内湿度，保持室内湿度在一个合适的范围内，对建筑节能和可持续发展具有重要意义。

权利要求

1.一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料，其特征在于，包括以下按重量分数计的原料：磷酸镁水泥50％～60％，硼砂1％～2％，复合相变微胶囊1％～2％，蛭石30％～40％，半碳化纤维2％～6％，电气石粉1％～3％，引气剂0.1％～0.5％，纤维素醚0.05％～0.1％，膨润土1％～2％，减水剂0.2％～0.8％。

2.如权利要求1所述的一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料，其特征在于，由以下按重量分数计的原料组成：磷酸镁水泥50％，硼砂1.5％，复合相变微胶囊2％，蛭石35％，半碳化纤维6％，电气石粉3％，引气剂0.2％，减水剂0.75％，纤维素醚0.05％，膨润土1.5％。

3.权利要求1所述的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(a)将植物纤维粉碎洗净，置于酸性溶液中浸渍活化，接着漂洗烘干；(b)将活化后的植物纤维置于马弗炉中煅烧，冷却后取出；(c)将煅烧后的植物纤维置于酸性溶液中浸泡，洗涤烘干得半碳化纤维备用；(d)将蛭石粉碎得蛭石粉，将蛭石粉与氯化钙溶液混合均匀后干燥得蛭石粉混合物；(e)将磷酸镁水泥、硼砂、复合相变微胶囊、电气石粉、蛭石粉混合物以及半碳化纤维混合，再加入引气剂、减水剂、纤维素醚、膨润土和水搅拌成砂浆即得。

4.如权利要求3所述的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，其特征在于：步骤(a)中酸性溶液为质量分数15％的H3PO4溶液，浸渍活化时间为24h，浸渍完成后漂洗至中性并烘干备用。

5.如权利要求3所述的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，其特征在于：步骤(b)中活化后的植物纤维在马弗炉中煅烧的气氛为空气，以5℃/min的升温速率从室温加热至313℃，保温20-40min。

6.如权利要求3所述的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，其特征在于：步骤(c)中所述酸性溶液为质量分数为10％的稀盐酸，浸泡时间为4h，浸泡完成后洗涤至中性并烘干。

7.如权利要求3所述的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，其特征在于：步骤(d)中蛭石粉碎后粒径为18-40目，氯化钙溶液的质量分数为10-20％，混合时蛭石粉与氯化钙溶液的质量比为1:2。

8.如权利要求3所述的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，其特征在于：步骤(e)搅拌形成的砂浆屈服应力为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

9.如权利要求3所述的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，其特征在于：所述复合相变微胶囊由两种或两种以上相变温度范围分别为12-18℃、30-35℃的相变微胶囊混合而成。

说明书

一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 作为一种新兴技术，3D打印技术的出现得到各个行业的关注。近几年，一些学者开始探索3D打印技术在传统建筑行业中的应用。建筑行业一直是高能耗、高排放行业，3D打印技术的推广，必将减少能源资源的消耗和环境负荷。磷酸盐水泥具有快硬、早强、粘结强度高和良好的生物相容性等特点十分切合3D打印技术对于打印基材的需求。

[0003] 同时，生活环境的舒适一直是人们研究的热点。在室内，温度和湿度是影响人们舒适度的两大因素，研究表明人类的最佳生活湿度为40％～70％。适当的湿度范围对保存物品也具有极大的积极意义。为了得到合适的温度和湿度，人们大量的使用空调或是加湿器等电器，消耗了大量的资源和能源，不符合我国建筑节能和可持续发展的要求。因此，研究性能良好的调湿材料具有重要的理论和实际应用意义。

[0004] 无机调湿材料的调湿性能是由孔道(或层状)结构以及水蒸气分子在孔(或层)中的扩散决定的。对于一定孔径的无机调湿材料，当空气中的水蒸气分压高于其孔内凹液面上水的饱和蒸气压时，水蒸气被吸附；反之则脱附，从而使材料具有控制和调节湿度的作用。理论计算表明,孔径在3.0-7.4nm时具有最佳吸湿性能。

[0005] 目前，调湿材料主要分为特种硅胶、无机矿物、无机盐类、有机高分子材料，生物质材料以及以上几种材料的复合等，无机矿物类的调湿材料原料来源广泛，价格也较为低廉，但调湿量和效率较低，高分子类调湿材料的吸湿效果更好但放湿效率不高，生物质类的调湿材料目前成本较高，应用有限。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于解决现有建筑调湿材料存在的上述不足，提供一种磷酸镁水泥快硬调湿材料及其制备方法。该材料具有较高的吸湿量和调湿响应速率，由于其基材为磷酸镁水泥，因此可以作为3D打印原料使用，应用于墙体或地面，被动式的调节室内湿度，降低能源消耗。本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：

[0007] 一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料，包括以下按重量分数计的原料：磷酸镁水泥50％～60％，硼砂1％～2％，复合相变微胶囊1％～2％，蛭石30％～40％，半碳化纤维2％～6％，电气石粉1％～3％，引气剂0.1％～0.5％，纤维素醚0.05％～0.1％，膨润土1％～2％，减水剂0.2％～0.8％。

[0008] 优选的，所述3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料，由以下按重量分数计的原料组成：磷酸镁水泥50％，硼砂1.5％，复合相变微胶囊2％，蛭石粉35％，半碳化纤维6％，电气石粉3％，引气剂0.2％，减水剂0.75％，纤维素醚0.05％，膨润土1.5％。

[0009] 上述3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料的制备方法，具体包括以下步骤：(a)将植物纤维粉碎洗净，置于酸性溶液中浸渍活化，接着漂洗烘干；(b)将活化后的植物纤维置于马弗炉中煅烧，冷却后取出；(c)将煅烧后的植物纤维置于酸性溶液中浸泡，洗涤烘干得半碳化纤维备用；(d)将蛭石粉碎得蛭石粉，将蛭石粉与氯化钙溶液混合均匀后干燥得蛭石粉混合物；(e)将磷酸镁水泥、硼砂、复合相变微胶囊、电气石粉、蛭石粉混合物以及半碳化纤维混合，再加入引气剂、减水剂、纤维素醚、膨润土和水搅拌成砂浆即得。

[0010] 按照上述方案，步骤(a)中酸性溶液为质量分数为15％的H3PO4溶液，浸渍活化时间为24h，浸渍完成后漂洗至中性并烘干备用。

[0011] 按照上述方案，步骤(b)中活化后的植物纤维在马弗炉中煅烧的气氛为空气，以5℃/min的升温速率从室温加热至313℃，保温20-40min。

[0012] 按照上述方案，步骤(c)中所述酸性溶液为质量分数为10％的稀盐酸，浸泡时间为4h，浸泡完成后洗涤至中性并烘干。

[0013] 按照上述方案，步骤(d)中蛭石粉碎后粒径为18-40目，氯化钙溶液的质量分数为10-20％，混合时蛭石粉与氯化钙溶液的质量比为1:2。

[0014] 按照上述方案，步骤(e)搅拌形成的砂浆屈服应力为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0015] 上述方案中，所述复合相变微胶囊由两种或两种以上相变温度范围分别为12-18℃、30-35℃的相变微胶囊混合而成。

[0016] 本发明具有以下有益效果：

[0017] 第一，采用磷酸镁水泥作为胶凝材料，一方面避免了磷酸镁水泥耐水性差的问题，另一方面由于磷酸镁水泥具有含湿量高、导热系数小等优点，可以大大提升产品的功能性。

[0018] 第二，以废弃植物纤维(如农作物秸秆、核桃壳)作为原料，同时辅助添加蛭石粉，可以实现孔的梯度搭配，有利于加快水分传输和减缓热量传递，进一步提高材料的功能性。

[0019] 第三，采用复合相变微胶囊可以在使用初期吸收磷酸镁水泥释放的热量，控制磷酸镁水泥的凝结时间处于合理的范围，解决3D打印材料在初期因为凝结时间太长导致效率低、凝结时间短导致打印界面薄弱等问题。在材料硬化后，则可以在使用过程中吸收/释放热量，提高材料的抗热冲击性，降低建筑能耗。

[0020] 第四，纤维素醚和膨润土的加入可以很好的控制材料的可打印性。一方面使材料的粘度处于0.47-2.63Pa·s范围，另一方面也可以增强材料凝结时间的调控范围。

[0021] 最后，本发明制备的快硬调湿材料可以作为内墙建筑材料或地面材料，能够被动式地调节室内湿度，使其保持在一个合适的范围内，可明显减少空调和加湿器等电器的使用，对实现我国建筑节能和可持续发展的要求具有重要意义。

具体实施方式

[0022] 为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步进行说明。

[0023] 一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料，包括以下按重量份数计的原料：：磷酸镁水泥50％～60％，硼砂1％～2％，复合相变微胶囊1％～2％，蛭石30％～40％，半碳化纤维2％～6％，电气石粉1％～3％，引气剂0.1％～0.5％，纤维素醚0.05％～0.1％；膨润土1％～2％；减水剂0.2％～0.8％。该快硬调湿材料的制备方法如下：

[0024] 将植物纤维(如农作物秸秆、核桃壳等)粉碎洗净，置于质量分数为15％的H3PO4溶液中浸渍活化24h，接着漂洗至中性并烘干。将活化后的植物纤维置于马弗炉中以5℃/min的升温速率从室温升至313℃，保温煅烧20-40min，冷却后取出。将煅烧后的植物纤维置于质量分数为10％的盐酸溶液中浸泡4h，洗涤烘干得半碳化纤维。将蛭石粉碎至18-40目得蛭石粉，将蛭石粉与质量分数为10-20％的氯化钙溶液按照1:2的质量比混合均匀呈湿润状态，接着干燥得蛭石粉混合物。将磷酸镁水泥、硼砂、复合相变微胶囊、电气石粉、蛭石粉混合物以及半碳化纤维混合，再加入引气剂、减水剂、纤维素醚、膨润土和水搅拌成砂浆，控制砂浆的屈服应力范围为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0025] 本发明的植物纤维来自废弃的农作物秸秆、核桃壳等，复合相变微胶囊由两种或两种以上相变温度范围分别为12-18℃、30-35℃的相变微胶囊(如硬脂酸丁脂等有机高分子微胶囊)混合而成，其他材料皆为普通市售。

[0026] 实施例1

[0027] a)将核桃壳粉碎洗净，在质量分数为15％的H3PO4溶液中浸渍活化24h，然后漂洗至中性，在85℃烘干。将活化后的植物纤维放入马弗炉内煅烧，气氛为空气，加热速率为5℃/min，从室温升至313℃，保温30min后取出，冷却。再将其放入质量分数为10％的稀盐酸中浸泡4h，将其多次洗涤至中性，在85℃烘干得半碳化纤维。

[0028] b)将粒径为18-40目的蛭石粉与质量分数为20％的氯化钙溶液按照1:2的质量比混合，混合物呈湿润状态，接着在85℃干燥。

[0029] c)取磷酸镁水泥500g、硼砂15g、复合相变微胶囊20g、电气石粉30g、处理后的蛭石粉350g、半碳化纤维60g进行混合，并添加2g引气剂、7.5g减水剂、0.5g纤维素醚、15g膨润土并加水320g搅拌成型，制得一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料。该材料的屈服应力范围为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0030] 制得的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料在常温下分别在相对湿度95％的环境中测定吸湿效果，在相对湿度为33％的环境中测定放湿效果，其调湿能力如下表：

[0031]性能表征 吸湿量 放湿量
数值 14.3％ 11.3％

[0032] 实施例2：

[0033] a)将核桃壳粉碎洗净，在质量分数为15％的H3PO4溶液中浸渍活化24h，然后漂洗至中性，在85℃烘干。将活化后的植物纤维放入马弗炉内，气氛为空气，加热速率为5℃/min，从室温升至313℃，保温30min后取出，冷却。再将其放入质量分数为10％的稀盐酸中浸泡4h，将其多次洗涤至中性，在85℃烘干。

[0034] b)将粒径为18-40目的蛭石粉与质量分数为20％的氯化钙溶液按照1:2的质量比混合，混合物呈湿润状态，接着在85℃干燥。

[0035] c)取磷酸镁水泥550g、硼砂15g、复合相变微胶囊20g、电气石粉30g、处理后的蛭石粉300g、半碳化纤维60g进行混合，并添加2g引气剂、7.5g减水剂、0.5g纤维素醚、15g膨润土并加水320g搅拌成型，制得一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料。该材料的屈服应力范围为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0036] 制得的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料在上述条件下测定吸湿、放湿效果，其调湿能力如下表：

[0037]性能表征 吸湿量 放湿量
数值 12.6％ 9.8％

[0038] 实施例3：

[0039] a)将核桃壳粉碎洗净，在质量分数为15％的H3PO4溶液中浸渍活化24h，然后漂洗至中性，在85℃烘干。将活化后的植物纤维放入马弗炉内，气氛为空气，加热速率为5℃/min，从室温升至313℃，保温30min后取出，冷却。再将其放入质量分数为10％的稀盐酸中浸泡4h，将其多次洗涤至中性，在85℃烘干。

[0040] b)将粒径为18～40目的蛭石粉与质量分数为20％的氯化钙溶液按照1:2的质量比混合，混合物呈湿润状态，接着在85℃干燥。

[0041] c)取磷酸镁水泥530g、硼砂15g、复合相变微胶囊20g、电气石粉15g、处理后的蛭石粉350g、半碳化纤维45g进行混合，并添加2g引气剂、7.5g减水剂、0.5g纤维素醚、15g膨润土并加水320g搅拌成型，制得一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料。该材料的屈服应力范围为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0042] 制得的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料在上述条件下测定吸湿、放湿效果，其调湿能力如下表：

[0043]性能表征 吸湿量 放湿量
数值 13.0％ 9.6％

[0044] 实施例4：

[0045] a)将核桃壳粉碎洗净，在质量分数为15％的H3PO4溶液中浸渍活化24h，然后漂洗至中性，在85℃烘干。将活化后的植物纤维放入马弗炉内，气氛为空气，加热速率为再将其放入质量分数为10％的稀盐酸中浸泡4h，将其多次洗涤至中性，在85℃烘干。

[0046] b)将粒径为18～40目的蛭石粉与质量分数为20％的氯化钙溶液按照1:2的质量比混合，混合物呈湿润状态，接着在85℃干燥。

[0047] c)取磷酸镁水泥600g、硼砂15g、复合相变微胶囊20g、电气石粉20g、处理后的蛭石粉300g、半碳化纤维20g进行混合，并添加2g引气剂、7.5g减水剂、0.5g纤维素醚、15g膨润土并加水320g搅拌成型，制得一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料。该材料的屈服应力范围为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0048] 制得的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料在上述条件下测定吸湿、放湿效果，其调湿能力如下表：

[0049]性能表征 吸湿量 放湿量
数值 10.9％ 8.4％

[0050] 实施例5：

[0051] a)将核桃壳粉碎洗净，在质量分数为15％的H3PO4溶液中浸渍活化24h，然后漂洗至中性，在85℃烘干。将活化后的植物纤维放入马弗炉内，气氛为空气，加热速率为5℃/min，从室温升至313℃，保温30min后取出，冷却。再将其放入质量分数为10％的稀盐酸中浸泡4h，将其多次洗涤至中性，在85℃烘干。

[0052] b)将粒径为18～40目的蛭石粉与质量分数为20％的氯化钙溶液按照1:2的质量比混合，混合物呈湿润状态，接着在85℃干燥。

[0053] c)取磷酸镁水泥550g、硼砂15g、复合相变微胶囊10g、电气石粉20g、处理后的蛭石粉335g、半碳化纤维45g进行混合，并添加2g引气剂、7.5g减水剂、0.5g纤维素醚、15g膨润土并加水320g搅拌成型，制得一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料。该材料的屈服应力范围为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0054] 制得的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料在上述条件下测定吸湿、放湿效果，其调湿能力如下表：

[0055]性能表征 吸湿量 放湿量
数值 13.5％ 11.2％

[0056] 实施例6：

[0057] a)将核桃壳粉碎洗净，在质量分数为15％的H3PO4溶液中浸渍活化24h，然后漂洗至中性，在85℃烘干。将活化后的植物纤维放入马弗炉内，气氛为空气，加热速率为5℃/min，从常温升至313℃，保温30min后取出，冷却。再将其放入质量分数为10％的稀盐酸中浸泡4h，将其多次洗涤至中性，在85℃烘干。

[0058] b)将粒径为18～40目的蛭石粉与质量分数为20％的氯化钙溶液按照1:2的质量比混合，混合物呈湿润状态，接着在85℃干燥。

[0059] c)取磷酸镁水泥500g、硼砂20g、复合相变微胶囊20g、电气石粉20g、处理后的蛭石粉355g、半碳化纤维60g进行混合，并添加2g引气剂、7.5g减水剂、0.5g纤维素醚、15g膨润土并加水320g搅拌成型，制得一种3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料。该材料的屈服应力范围为16.58-368Pa，塑性粘度为0.47-2.63Pa·s。

[0060] 制得的3D打印用磷酸镁水泥快硬调湿材料在上述条件下测定吸湿、放湿效果，其调湿能力如下表：

[0061]性能表征 吸湿量 放湿量
数值 13.7％ 11.4％

[0062] 本发明所述的具体实施例可以在上述公开技术方案的基础上，对相应的数值范围进行任意组合并选定构成，本发明的保护范围并不限于上述的几个具体数值所限定的范围，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等都在保护范围内。