基于3D打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法与流程

本发明属于3d打印、建筑材料、装饰材料技术领域，更具体的说是涉及一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法。

背景技术：

2003年，匈牙利建筑师aronlosonczi率先发明透光混凝土，其采用平铺法使大量光纤贯穿混凝土块，利用光纤的传导能力使得混凝土材料有了一定的透光性能。后续国内也对掺加光纤的透光混凝土做了大量的研究和改进，开发出了原位浇注法、模具定位法、纺织法、静电分散法、机械排纤法等,虽然一定程度上提高了光纤排布的效率，但还是存在一些光纤无法有效排布，造成浪费，成本也没有明显的降低，所以急需一种新工艺或者新材料改变这种情况。

2010年，意大利水泥集团以一类特殊树脂作为导光材料制备出的一种透光混凝土，取名为i.light。透光混凝土目前在匈牙利、比利时、法国、德国、美国、日本等国家有所应用，主要应用在一些艺术作品、歌剧院、博物馆等场所。

透光混凝土目前主要面对两个问题，一是透光材料的开发；二是如何改进透光混凝土制备方法，实现机械化，提高生产效率，降低成本。

针对于透光混凝土制备方法的改进，国内一般有两种，先植法和后植法，目前大多研究倾向于先植法。但是两种方法无论从操作流程还是制备方法分析，都存在模具成本过高、操作繁琐、材料浪费等，都没有直接有效地解决树脂块制备效率低下的问题，无法大规模推广和应用。

3d打印技术是一种计算机辅助制造技术，可以按照预先设计的数字模型文件，在没有专业性工具的基础上生成实体，不受模具的限制，可打印出各种复杂形状的光导体，也可以根据需要在同一光导体上打印不同的颜色的树脂，是一种快速成型技术，具有成本低、加工周期短、劳动力投入少等特点，为透光混凝土光导体的制备提供了新的思路，在建筑行业有巨大的应用潜力。

低收缩或者无收缩的自密实无机胶凝材料具有硬化速度快，强度高，流动性好，收缩小，耐腐蚀性好等特点，作为透光砌块的基体材料，不仅强度高，而且尺寸的精确性易于控制，一定程度上的提高了施工效率，有利于降低生产成本。

技术实现要素：

针对现有存在的上述技术问题，本发明的第一个目的是提供一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块的制备方法，解决现有透光混凝土中光导体生产工艺在成型精度控制、生产效率和成本上的不足。

本发明的第二个目的是提供一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块，解决混凝土本身不能导光和透光的问题，起到了透光、装饰效果。

本发明为实现两个目的采用如下技术方案：基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：根据所要打印的透明光导体的具体要求，选择适宜的成型方式和打印材料，包括丝状线材的选择性熔覆（fdm）,光敏树脂的选择性固化（sla）,粉末材料的选择性烧结（sls）等；

s2：根据预先设计的三维空间模型打印透明光导体；

s3：界面改性，利用界面改性剂在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置一段时间；

s4：浇筑自密实无机胶凝材料，将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放入模具中，再将搅拌好的自密实无机胶凝材料浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经对透光面的打磨、抛光即得无机胶凝材料透光砌块。

作为改进，所述s1步骤中，选择的树脂为高透光率树脂，透光率≥90%，为无色透明或者彩色透明。

作为改进，所述s2步骤中所制备的透明树脂光导体可为各种形状，单根光导体导光方向截面形状可打印成圆形、方形、多边形等，单块砌块的透光视觉效果可以是图形、图案、文字、字母、数字等，单块砌块的透光效果可以是独立的图形图案，也可以作为一部分与其他砌块共同组合成一个整体的图形图案。

作为改进，所述s3步骤中界面改性剂采用环氧树脂ab胶，a组分为主剂，b组分为硬化剂，组分a：b重量比为2:1。

作为改进，所述s4步骤中，所用的无机胶凝材料为低收缩或无收缩的自密实砂浆，包括水泥基、石膏基、地聚物基等。

作为改进，所述s5步骤中将所述s4步骤中得到的砌块在初步硬化后脱模，再经过对透光面的打磨、抛光。

相对于现有技术，本发明的有益效果：

1.本发明采用3d打印成型技术制备透明树脂光导体，不再使用模具，一定程度上提高了生产效率、降低了成本。

2.本发明解决了复杂结构光导体的制备问题，满足了对光导体形式多样、成型精度控制的要求，大大拓宽了其在装饰、艺术等方面的应用。

3.本发明施工工艺简单，3d打印透明树脂光导体，固化成型效率快、精度高，不易发生翘曲变形，且对其进行一定的界面改性，增加了光导体与无机胶凝材料的界面粘结强度，在一定程度上提高了透光砌块的整体稳定性和强度。

附图说明

图1一种基于3d打印的透明树脂光导体示意图

图2浇筑模具示意图

图3光导体放入模具示意图

图4得到的透光砌块透光效果示意图

图5光导体实物示例照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

应用实施例1（水泥基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选用光敏树脂的选择性固化（sla）成型方式，首先制备两份透明树脂，依据透明树脂导光体的密度、体积计算、称取环氧丙烯酸酯树脂300g，自由基聚合光引发剂15g，引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦（tpo），4-（n，n-二甲氧基）苯甲酸乙酯（edab）配合使用，将树脂与引发剂混合、搅拌均匀，其中一份加入30g红色色浆，再将两份树脂抽真空，制成一份无色透明树脂和一份红色透明树脂；

s2：光导体制备，将上述两种液体透明树脂采用一种3d打印设备成型，3d打印机激光器输出波长为250-300nm，打印过程中轮流更换制得的两种透明树脂，最终得到尺寸为380×180×180mm的光导体，单根光导体导光方向上截面尺寸为0.5×0.5mm的正方体,相邻光导体中心间距为2mm,固化后即得无色透明和红色透明树脂相间隔的彩色树脂光导体；如图1所示的3d打印透明树脂光导体，1为连接部分，2为光导体，3为空隙；

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备水泥基砂浆，水泥基砂浆各原材料重量为矿渣硅酸盐水泥310份，粉煤灰20份，矿粉30份，石英砂（0.08mm-2.50mm）620份，膨胀剂20份、消泡剂0.2份，可再分散乳胶粉1份，纤维素酶0.1份，减水剂0.2份，水90份，混合干拌1分钟，加水搅拌5分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放置如图2规格为390×190×190mm的模具中，效果如图3所示，再将搅拌好的自密实水泥基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例2（水泥基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选择粉末材料的选择性烧结（sls）的打印方式，首先依据透明树脂导光体的密度、体积选取合适的粉末材料。

s2：光导体制备，将上述粉末透明树脂采用一种3d打印设备成型，光导体尺寸为380×180×180mm，光导体中单根光导体透光方向上尺寸为φ2mm的圆形,相邻光导体中心间距为5mm，固化后即得到3d打印的透明树脂光导体。

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备水泥基砂浆，水泥基砂浆重量为普通硅酸盐水泥280份，粉煤灰50份，矿粉50份，石英砂（0.08mm-2.50mm）590份，膨胀剂30份、消泡剂0.3份，可再分散乳胶粉2份，纤维素酶0.2份，减水剂0.3份，水80份，混合干拌1分钟，加水搅拌5分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放置在模具中，再将搅拌好的自密实水泥基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例3（水泥基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选择丝状线材的选择性熔覆（fdm）的成型方式，首先依据透明树脂导光体的密度、体积选取合适尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯丝状线材。

s2：光导体制备，将上述丝状线材透明树脂采用一种3d打印设备成型，热喷头处温度为140℃。光导体尺寸为380×180×180mm，单根光导体透光方向上尺寸为边长0.6mm的正六边形，,相邻光导体中心间距为3.6mm，固化后取出，即得3d打印透明树脂光导体；

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备水泥基砂浆，水泥基砂浆重量为硫铝酸盐水泥250份，粉煤灰70份，矿粉90份，石英砂（0.08mm-2.50mm）550份，膨胀剂40份、消泡剂0.4份，可再分散乳胶粉3份，纤维素酶0.3份，减水剂0.4份，水60份，混合干拌1分钟，加水搅拌5分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放置在模具中，再将搅拌好的自密实水泥基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例4（石膏基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选用光敏树脂的选择性固化（sla）成型方式，首先制备两份透明树脂，依据透明树脂导光体的密度、体积计算、称取环氧丙烯酸酯树脂300g，自由基聚合光引发剂15g，引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦（tpo），4-（n，n-二甲氧基）苯甲酸乙酯（edab）配合使用，将树脂与引发剂混合、搅拌均匀，其中一份加入30g红色色浆，再将两份树脂抽真空，制成一份无色透明树脂和一份红色透明树脂；

s2：光导体制备，将上述两种液体透明树脂采用一种3d打印设备成型，3d打印机激光器输出波长为250-300nm，打印过程中轮流更换制打印过程中轮流更换制得的两种透明树脂，最终得到尺寸为380×180×180mm的光导体，单根光导体导光方向上截面尺寸为5×5mm的正方体,相邻光导体中心间距为10mm,固化后即得无色透明和红色透明树脂相间隔的彩色树脂光导体；如图1所示的3d打印透明树脂光导体，1为连接部分，2为光导体，3为空隙；

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备石膏基砂浆，石膏基砂浆重量为ⅱ型硬石膏150份，α型半水石,100份，白水泥80份，石英砂（0.08mm-2.50mm）658份，纤维素酶0.2份，防水剂10份，减水剂0.2份，消泡剂0.2份，可再分散乳胶粉2份，水90份。混合干拌1分钟，加水搅拌5分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放入如图2规格为390×190×190mm模具中，效果如图3所示，再将搅拌好的自密实石膏基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例5（石膏基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选择粉末材料的选择性烧结（sls）的成型方式，首先依据透明树脂导光体的密度、体积选取适量的聚甲基丙烯酸甲酯粉末材料。

s2：光导体制备，将上述粉末透明树脂采用一种3d打印设备成型，光导体尺寸为380×180×180mm，光导体中单根光导体透光方向上尺寸为φ10mm的圆形,相邻光导体中心间距为15mm，固化后即得到3d打印的透明树脂光导体。

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备石膏基砂浆，石膏基砂浆重量为ⅱ型硬石膏300份，白水泥60份，石英砂（0.08mm-2.50mm）619份，纤维素酶0.3份，防水剂18份，减水剂0.3份，消泡剂0.3份，可再分散乳胶粉3份，水70份。混合干拌1分钟，加水搅拌5分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放置在模具中，再将搅拌好的自密实石膏基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例6（石膏基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选择丝状线材的选择性熔覆（fdm）的成型方式，首先依据透明树脂导光体的密度、体积选取合适尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯丝状线材。

s2：光导体制备，将上述丝状线材透明树脂采用一种3d打印设备成型，热喷头处温度为140℃。光导体尺寸为380×180×180mm，单根光导体透光方向上尺寸为边长2mm的正六边形，,相邻光导体中心间距为7mm，固化后取出，即得3d打印透明树脂光导体；

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备石膏基砂浆，重量为α型半水石膏350份，白水泥40份，石英砂（0.08mm-2.50mm）580份，纤维素酶0.4份，防水剂25份，减水剂0.4份，消泡剂0.4份，可再分散乳胶粉4份，水60份，混合干拌1分钟，加水搅拌5分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放入模具中，再将搅拌好的自密实石膏基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例7（地聚物基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选用光敏树脂的选择性固化（sla）成型方式，首先制备两份透明树脂，依据透明树脂导光体的密度、体积计算、称取环氧丙烯酸酯树脂300g，自由基聚合光引发剂15g，引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦（tpo），4-（n，n-二甲氧基）苯甲酸乙酯（edab）配合使用，将树脂与引发剂混合、搅拌均匀，其中一份加入30g红色色浆，再将两份树脂抽真空，制成一份无色透明树脂和一份红色透明树脂；

s2：光导体制备，将上述两种液体透明树脂采用一种3d打印设备成型，3d打印机激光器输出波长为250-300nm，打印过程中轮流更换制备的两种透明树脂，最终得到尺寸为380×180×180mm的光导体，单根光导体导光方向上截面尺寸为2×2mm的正方体,相邻光导体中心间距为3.6mm,固化后即得无色透明和红色透明树脂相间隔的彩色树脂光导体；如图1所示的3d打印透明树脂光导体，1为连接部分，2为光导体，3为空隙；

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备地聚物基砂浆，地聚物基砂浆重量为高活性粉煤灰150份，偏高岭土200份，氢氧化钠和硅酸钠激发剂150份，石英砂（0.08mm-2.50mm）514份，外加剂6份，水30份。混合搅拌10分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放置在如图2规格为390×190×190mm的模具中，效果如图3所示，再将搅拌好的自密实地聚物基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例8（地聚物基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选择粉末材料的选择性烧结（sls）的成型方式，首先依据透明树脂导光体的密度、体积选取适量的聚甲基丙烯酸甲酯粉末材料。

s2：光导体制备，将上述粉末透明树脂采用一种3d打印设备成型，光导体尺寸为380×180×180mm，光导体中单根光导体透光方向上尺寸为φ15mm的圆形,相邻光导体中心间距为25mm，固化后即得到3d打印的透明树脂光导体。

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备地聚物基砂浆，地聚物基砂浆重量为高活性粉煤灰350份，氢氧化钠与硅酸钠基激发剂180份，石英砂（0.08mm-2.50mm）443份，外加剂7份，水20份。混合搅拌10分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放置在模具中，再将搅拌好的自密实地聚物基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

应用实施例9（地聚物基胶凝材料）

一种基于3d打印透明树脂的无机胶凝材料透光砌块及制备方法，包括如下步骤：

s1：选择丝状线材的选择性熔覆（fdm）的成型方式，首先依据透明树脂导光体的密度、体积选取合适尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯丝状线材。

s2：光导体制备，将上述丝状线材透明树脂采用一种3d打印设备成型，热喷头处温度为140℃。光导体尺寸为380×180×180mm，单根光导体透光方向上尺寸为边长0.6mm的正六边形，,相邻光导体中心间距为5mm，固化后取出，即得3d打印透明树脂光导体；

s3：界面改性，利用环氧树脂ab胶在3d打印透明树脂光导体表面均匀涂裹一层界面改性剂，静置20-30min，a组分为普通双份a环氧树脂，b组分为胺类固化剂，组分a：b重量比为2:1；

s4：浇筑无机胶凝材料，按照重量制备地聚物基砂浆，地聚物基砂浆重量为高活性粉煤灰100份，高活性矿粉150份，氢氧化钾和硅酸钾激发剂120份，石英砂（0.08mm-2.50mm）585份，外加剂5份，水40份。混合搅拌10分钟，后将所述步骤s3处理的3d打印透明树脂光导体放入模具中，再将搅拌好的自密实地聚物基砂浆浆体浇筑到模具中，充分密实空隙，静置养护，浆体硬化；

s5：砌块处理，将经过步骤s4所得硬化后的砌块脱模，再经过对透光面的打磨、抛光即得到如图4所示的砌块，2为光导体，4为基体材料。

最后说明的是，以上结合附图、实施例对本发明进行了详细说明，但实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定。本领域中普通技术人员应当理解，可根据上述说明对本发明做出的技术方案修改或者等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。