由纳米纤维素和藻类制成的水凝胶材料首次作为替代的绿色建筑材料进行了测试。瑞典查尔姆斯理工大学和瓦伦堡木材科学中心的这项研究展示了如何将丰富的可持续材料3D打印成各种建筑构件，并且比传统建筑方法使用的能源少得多。
该研究成果发表在《材料与设计》杂志上，题为“利用常温干燥的纤维素纳米原纤维-海藻酸盐水凝胶机器人3D打印建筑膜”。
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，并排放了全球39%的二氧化碳。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向绿色未来过渡。
纳米纤维素并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润性，它可以被3D打印成用于组织和细胞生长的支架。但此前从未将其干燥并用作建筑材料。
“我们第一次探索了纳米纤维素水凝胶的建筑应用。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展示了这些功能通过定制的可调节性。查尔姆斯理工大学这项研究的主要作者MalgorzataZboinska说：“数字设计和机器人3D打印。”
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可3D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。
纤维素被认为是最丰富的塑料环保替代品，因为它是世界上最大工业的副产品之一。“这项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，”Zboinska说。
3D打印和纳米纤维素：一种资源高效利用技术
如今，建筑行业被数字技术所包围，数字技术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知识空白。
根据《欧洲绿色协议》，到2030年，欧洲的建筑必须更加节约资源，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(一种工业副产品的升级循环)。与此同时，随着建筑物变得更加圆形，尖端数字技术被强调为实现这些目标的重要杠杆。
“3D打印是一种资源效率非常高的技术。它使我们能够在不需要模具和铸模等其他东西的情况下制造产品，因此浪费的材料更少。它也非常节能。我们采用的机器人3D打印系统不使用“热量，只是气压。这可以节省大量能源，因为我们只在室温下工作，”Zboinska说。
该节能过程依赖于纳米纤维素水凝胶的剪切稀化特性。当您施加压力时，它会液化，从而可以进行3D打印，但当您消除压力时，它会保持其形状。这使得研究人员能够在没有建筑行业常见的能源密集型流程的情况下开展工作。
Zboinska和她的团队设计了许多不同的刀具路径，用于机器人3D打印过程，以了解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作为设计各种建筑独立组件的基础，例如轻型房间隔断、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，例如覆盖墙的瓷砖、用于阻尼声音的声学元件，以及与其他材料结合覆盖骨架墙。
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