由纳米纤维素和藻类制成的水凝胶材料首次被测试为一种替代的、更环保的建筑材料。这项来自瑞典查尔姆斯理工大学和瓦伦堡木材科学中心的研究展示了如何将丰富的可持续材料3D打印到各种建筑构件中，使用比传统建筑方法少得多的能源。
该研究已发布在《材料与设计》杂志上。
如今，建筑业消耗了全球50%的化石资源，产生了全球40%的废物，并造成了全球39%的二氧化碳排放。对生物材料及其应用的研究越来越多，以便根据欧洲绿色协议等过渡到更绿色的未来。
纳米纤维素不是一种新的生物材料，其作为水凝胶的特性在生物医学领域是众所周知的，由于其生物相容性和湿性，它可以被3D打印成支架，用于组织和细胞生长。但它以前从未燥并用作建筑材料。
“我们首次探索了纳米纤维素水凝胶的结构应用。具体来说，我们提供了迄今为止缺失的有关其设计相关功能的知识，并在我们的样品和原型的帮助下，通过定制数字设计和机器人3D打印展示了这些功能的可调性，“查尔姆斯理工大学该研究的主要作者Malgorzata Zboinska说。
该团队使用纳米纤维素纤维和水，并添加了一种称为藻酸盐的藻类材料。海藻酸盐使研究人员能够生产出3D可打印的材料，因为海藻酸盐在干燥时为材料增加了额外的柔韧性。
纤维素被誉为塑料最丰富的环保替代品，因为它是世界上最大的工业的副产品之一。“本研究中使用的纳米纤维素可以从林业、农业、造纸厂和农业秸秆残留物中获得。从这个意义上说，它是一种非常丰富的材料，“Malgorzata Zboinska说。
如今，建筑行业被数字技术所包围，这允许使用更广泛的新技术，但在如何应用这些技术方面存在差距。根据欧洲绿色协议，到 2030 年，欧洲的建筑必须提高资源效率，这可以通过提高材料的再利用和回收来实现，例如纳米纤维素，这是一种工业的升级再造副产品。在建筑变得更加循环的同时，尖端的数字技术被强调为实现这些目标的重要杠杆。
“3D打印是一种非常节省资源的技术。它使我们能够在没有模具和铸造模具等其他东西的情况下制造产品，因此减少了废料。它也非常节能。我们采用的机器人3D打印系统不使用热量，只使用气压。这节省了大量能源，因为我们只在室温下工作，“Malgorzata Zboinska说。
节能工艺依赖于纳米纤维素水凝胶的剪切稀化特性。当你施加压力时，它会液化，允许它被3D打印，但当你消除压力时，它会保持其形状。这使得研究人员可以在没有建筑行业中常见的能源密集型过程的情况下工作。
Malgorzata Zboinska和她的团队设计了许多不同的工具路径，用于机器人3D打印过程，以观察纳米纤维素水凝胶在以不同形状和图案干燥时的表现。然后，这些干燥的形状可以用作设计各种建筑独立组件的基础，例如轻质房间隔板、百叶窗和墙板系统。它们还可以构成现有建筑构件涂层的基础，例如用于复合墙的瓷砖、用于阻尼声音的声学元件，以及与其他材料结合用于复合骨架墙。
“传统的建筑材料设计为可以使用数百年。通常，它们具有可预测的行为和同质特性。我们有混凝土、玻璃和各种经久耐用的硬质材料，我们知道它们会随着时间的推移而老化。与此相反，生物基材料含有有机物，即从一开始就设计用于生物降解并循环回自然界。因此，我们需要获得全新的知识，了解如何在建筑中应用它们，以及如何接受它们较短的生命周期循环和异质行为模式，更类似于自然界中发现的那些，而不是在人工和完全受控的环境中。设计研究人员和建筑师现在正在积极寻找设计由这些材料制成的产品的方法，无论是在功能上还是在美学上，“Malgorzata Zboinska说。
这项研究提供了证明环境干燥、3D打印纳米纤维素膜结构的放大潜力的第一步，以及对通过3D打印设计材料沉积途径与最终结构中的尺寸、纹理和几何效应之间的关系的新理解。这些知识是必要的垫脚石，将使Malgorzata Zboinska和她的团队能够通过进一步研究开发纳米纤维素在需要满足特定功能和美学用户要求的建筑产品中的应用。
“新型生物基材料的特性尚不完全为人所知，这促使建筑研究人员建立替代方法来设计这些新产品，不仅在功能质量方面，而且在用户接受度方面。生物基材料的美学是其中的重要组成部分。如果我们要向社会和人类提出这些生物基材料，我们也需要与设计合作。这成为接受这些材料的一个非常强大的因素。如果人们不接受它们，我们将无法实现循环经济和可持续建筑环境的目标。
