工程师探索纤维素纳米原纤维以增强3D打印混凝土

由弗吉尼亚大学工程与应用科学学院工程师领导的研究小组首次探索新兴植物材料纤维素纳米原纤维如何放大3D打印混凝土技术的优势。

土木与环境工程系教授奥斯曼·E·奥兹布鲁特(OsmanE.Ozbulut)表示：“我们在印刷性和机械测量方面看到的改进表明，将纤维素纳米原纤维加入商业可印刷材料中可以很快带来更具弹性和更环保的建筑实践。”

他的团队的研究成果将发表在2024年9月的《水泥与混凝土复合材料》杂志上。

采用3D打印混凝土建造的建筑物是住房领域的一个令人兴奋的趋势，它们提供了一系列好处：快速、精确的施工，可能使用可回收材料，降低劳动力成本和减少浪费，同时能够实现传统建筑商难以实现的复杂设计。

该过程使用专门的打印机，逐层分配类似水泥的混合物，然后使用计算机辅助设计软件构建结构。但到目前为止，可打印材料的选择有限，而且关于其可持续性和耐用性的问题仍然存在。

“我们面临着相互矛盾的目标，”Ozbulut说道。“混合物必须流动性好才能顺利制造，但又要硬化成具有关键特性的稳定材料，例如良好的机械强度、层间粘合性和低热导率。”

纤维素纳米纤维由木浆制成，是一种可再生且低影响的材料。与其他植物纤维衍生物一样，工业上称为CNF的材料具有作为添加剂改善这些复合材料的流变性(流动特性的科学术语)和机械强度的巨大潜力。

然而，Ozbulut表示，直到UVA领导的团队在Ozbulut的弹性和先进基础设施实验室进行细致的研究之前，CNF对传统3D打印复合材料的影响尚不清楚。

“如今，设计混合物需要大量的反复试验，”他说。“我们正在解决对更多良好科学的需求，以更好地了解不同添加剂对改善3D打印结构性能的影响。”

该团队由Ozbulut和UgurKilic(现为UVA博士校友)领导，他们尝试了不同数量的CNF添加剂，发现添加至少0.3%的CNF可显著改善流动性能。对硬化样品的微观分析显示材料粘合性和结构完整性更好。

在Ozbulut实验室的进一步测试中，CNF增强的3D打印组件也经受住了拉伸、弯曲和压缩。