För första gången har ett material, gjort av nanocellulosa och alger, testats som byggmaterial. Det kan 3D-printas för att tillverka många olika produkter, enligt en studie.
Byggindustrin står för en stor miljöpåverkan, men det finns ett växande intresse för nya hållbara material. Här kan biomaterial med nanocellulosa bli ett miljövänligt alternativ framöver, menar forskare vid Chalmers tekniska högskola.
Nanocellulosa har tidigare främst använts i gelform inom biomedicin, där det kan 3D-printas som ett stödmaterial för vävnads- och celltillväxt.
Bioprinting med nanocellulosa utvecklades på Chalmers tekniska högskola under 2015. Genom att torka nanocellulosan har nu tekniken för första gången skalats upp för att användas som ett hållbart material i byggnader.
Nanocellulosa, vatten och alger
Forskarna har använt nanocellulosafibrer, vatten och det algbaserade materialet alginat för att skapa en så kallad hydrogel.
Alginatet gjorde det möjligt att 3D-printa materialet, som även fick ökad flexibilitet när det torkade.
− Rent konkret har vi tillfört ny och hittills saknad kunskap om materialets designmässiga egenskaper. Med hjälp av våra prover och prototyper har vi visat hur anpassningsbart materialet är, och hur det kan användas inom skräddarsydd digital design och 3D-printing med hjälp av robotar, säger forskaren Malgorzata Zboinska vid Chalmers.
Byggindustrin behöver bli miljövänligare
Byggindustrin använder idag 50 procent av världens fossila resurser. Den orsakar 40 procent av det globala avfallet och ger upphov till 39 procent av de globala koldioxidutsläppen. Källa: Chalmers
Cellulosa är det mest hållbara och miljövänliga alternativet till plast eftersom det är en biprodukt från några av världens största industrier, menar forskarna.
− Nanocellulosan som användes i denna studie kan hämtas från skogsbruk, jordbruk, och pappersbrukens restprodukter. Det är alltså ett material som finns i riklig mängd, säger Malgorzata Zboinska.
Mindre restmaterial med 3D-printing
Arkitekturbranschen har idag god tillgång till nya tekniker, men det finns en lucka i kunskapen om hur dessa kan användas i praktiken.
Enligt initiativet EU:s gröna giv ska byggnader i Europa från och med 2030 vara mer resurseffektiva, något som kan uppnås genom ökad återanvändning och återvinning av material. Samtidigt lyfts behovet av nya digitala tekniker fram för att kunna nå målen.
− 3D-printing är en mycket resurseffektiv teknik. Den gör det möjligt för oss att tillverka produkter utan att använda exempelvis gjutformar, vilket innebär mindre restmaterial. Det är också mycket energieffektivt – det robotiserade 3D-skrivarsystem vi använder drivs inte med värme utan enbart med lufttryck. Det sparar mycket energi eftersom vi arbetar i rumstemperatur, säger Malgorzata Zboinska.
Den energieffektiva processen bygger på att nanocellulosa-hydrogelen har egenskaper som gör att den kan förtunnas. När hydrogelen utsätts för tryck blir den flytande och kan 3D-printas. När trycket tas bort återgår materialet till sin ursprungliga fasta form.
Persienner och kakel
Forskarna har prövat många olika alternativ för 3D-utskrifter för att se hur nanocellulosa-hydrogelen beter sig när den torkar i olika former och mönster.
Resultaten av experimenten blir en utgångspunkt för framtida design av produkter från nanocellulosa. Det kan till exempel användas till rumsavdelare, persienner och väggpanelsystem. Materialet kommer också att kunna användas som beläggning på väggkakelplattor och akustiska ljuddämpande plattor.
Materialet bryts ner snabbare
Traditionella byggmaterial som betong och glas är utformade för att hålla i hundratals år. Biobaserade material är däremot organiska. De bryts ned och återupptas i naturens kretslopp.
− Vi behöver därför ny kunskap om hur vi kan använda dem inom arkitektur och hur vi kan förhålla oss till deras kortare livscykler, som mer liknar det man hittar i naturen än i en konstgjord och kontrollerad miljö. Designforskare och arkitekter letar nu efter metoder för att designa produkter av dessa material som är både funktionella och estetiskt tilltalande, säger Malgorzata Zboinska.
Vetenskaplig studie
Robotically 3D printed architectural membranes from ambient dried cellulose nanofibril-alginate hydrogel, Materials and Design.
Kontakt:
Malgorzata Zboinska, docent vid institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Chalmers tekniska högskola, malgorzata.zboinska@chalmers.se
