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为解决地聚物 3D 打印中因材料流变性能变化导致的打印问题，研究人员开展了 NaOH 含量对偏高岭土基地聚物流变性能影响的研究。结果显示动态参数优化提升了打印质量，该研究为地聚物 3D 打印技术发展提供参考。
在建筑行业追求可持续发展的当下，传统混凝土的高能耗与大量废弃物排放成为制约其绿色转型的难题。地聚物（Geopolymers）作为一种极具潜力的低碳胶凝材料，有望取代传统混凝土。尤其是与三维（3D）打印技术相结合时，能大幅减少建筑过程中的能源消耗和废料产生。比如，澳大利亚昆士兰大学的全球变化研究所大楼，采用地聚物混凝土建造，在减少废料和能耗方面成效显著；俄罗斯伊尔库茨克的 Apis Cor 项目，利用移动 3D 打印技术获得了抗压强度达 100MPa 且固化时间短的地聚物混凝土构件；芬兰拉彭兰塔的 “城市基础设施革命” 项目，用 99.6% 可回收的地聚物复合材料 3D 打印城市基础设施，展现了循环经济的潜力。
然而，地聚物在 3D 打印过程中并非一帆风顺。地聚反应过程中材料粘度和弹性的增加，会严重影响 3D 打印进程。若控制不当，就会出现材料流动中断、喷嘴堵塞以及打印部件坍塌等问题。特别是在碱激发地聚物体系中，由于其固化速度快，这些问题更为突出。以往的研究虽然建立了材料成分与可打印性之间的基本关系，但在连续打印过程中，材料流变性能随时间的变化规律并未被完全阐明，且缺乏能动态调整打印关键参数以适应材料流变性能变化、提升打印质量的通用技术框架。
为了攻克这些难题，清华大学的研究人员开展了一项针对碱激发偏高岭土（MK）基地聚物的研究。他们旨在探究 NaOH 含量对碱激发偏高岭土基地聚物流变性能和挤出性的影响，并开发出能实时调整关键打印参数的技术，以此提升 3D 打印质量。
研究人员用到的主要关键技术方法包括：首先，通过制备不同 NaOH 含量（2.5 - 5.5g）与 15g 硅溶胶混合的碱激发偏高岭土基地聚物浆料，进行材料设计。然后，利用维卡仪和小型坍落度测试平台测试浆料的凝结时间和坍落度比；开展定性和定量挤出实验评估挤出性；将剪切速率 - 剪切应力数据拟合到 Bingham、Herschel–Bulkley 和 Carreau 三种流变模型，其中 Carreau 模型拟合效果最佳。最后，开发基于 Grasshopper 的插件生成 G 代码文件，实现关键打印参数的实时调整。
材料设计为提升可打印性奠基
研究采用碱激发偏高岭土体系制备地聚物浆料，使用的原材料丰富多样，有偏高岭土、硅溶胶、NaOH、石英砂、高岭土（KL）、羟丙基甲基纤维素（HPMC - 20）和 Triton X - 100 等。这些原材料相互配合，为后续研究不同因素对浆料性能的影响提供了基础。
凝结时间、挤出性和可建造性测试有新发现
通过测试发现，随着 NaOH 含量增加，浆料的初凝和终凝时间先上升后下降，这是由于高 NaOH 浓度下交联密度增加。同时，浆料坍落度比随静置时间延长而降低。在挤出实验中，进一步探究了不同条件下浆料的挤出性能，为后续优化打印参数提供了依据。
流变模型拟合确定最佳模型
将实验获得的剪切速率 - 剪切应力数据拟合到三种流变模型，结果表明 Carreau 模型拟合误差最小。Carreau 模型能够有效描述非牛顿流体的剪切变稀特性，即高剪切速率下粘度较低，低剪切速率下粘度较高。这一模型的确定为后续优化挤出参数提供了重要的理论支持。
研究结论
通过一系列实验和技术优化，研究人员发现基于流变性能对打印参数进行动态优化，能显著提升打印质量。以 Na3.5KL1.2HP0.5样品为例，堆叠层数增加到约 40 层，相比原始打印方法提高了约 33%；坍落度比改善了 5% - 10%，表明打印过程中的形状保持能力增强。此外，浆料在固化 24 小时后的抗压强度达到 20.58MPa。
这项研究意义重大，它成功解决了碱激发偏高岭土基地聚物 3D 打印中因流变性能变化导致的打印难题，为地聚物 3D 打印技术的发展提供了宝贵的见解，也为其他流变性能变化材料的 3D 打印提供了参考。该研究成果发表在《Applied Clay Science》上，为相关领域的研究和实践开辟了新的道路，推动了建筑材料 3D 打印技术朝着更高效、更精准的方向发展。
