建设

新型相变建筑材料开启了环境温度调节

研究人员德州农工大学开发了一种新型相变材料(PCM),可用于建造具有被动内部温度调节能力的建筑。

一旦与普通建筑材料混合,该团队的独特的蜡填充树脂可以DIW 3D打印成结构,改变形状,以吸收热能。目前,这种复合材料可以添加到油漆中,用于装饰家居的热偏转,但随着进一步的迭代,它的创造者表示,它也有潜力建造能够更好地承受极端天气的房屋。

德克萨斯农工大学软物质研究所(Texas A&M 's Soft Matter Facility)的研究科学家魏佩兰(Peiran Wei)博士说:“我们对这种材料在保持建筑舒适的同时降低能耗的潜力感到兴奋。”“我们可以将多个熔化温度不同的pcm组合在一起,并精确地将它们分布到单个打印物体的不同区域,以便在四季和全球范围内发挥作用。”

德州农工大学的团队将3D打印的测试样本放在一块木头上。
德州农工大学团队的新PCM可以用于3D打印气候变化防风雨房屋。图片来自德克萨斯农工大学。

气候变化和pcm

随着气候变化开始对世界气候模式造成严重破坏,数百万人的家园比以往任何时候都更容易受到温度波动的影响。为了解决这一问题,供暖、通风和空调(HVAC)系统通常用于调节住宅室内的热量,但这类设备往往耗电量大,能源效率低。

更糟糕的是,hvac还依赖于被称为制冷剂的温室材料来产生凉爽、干燥的空气,因此,它们实际上加剧了它们所要解决的全球变暖问题。因此,人们正在进行大量的研究,以寻找更有效的热调节方法,而pcm作为一种被动手段,已显示出特殊的潜力。

实际上,pcm能够通过吸收固体转化为液体来储存热量,同时反过来释放热量,这意味着它们可以在不需要外部电源的情况下调节温度。然而,目前制造这种复合材料需要在每个单独的PCM颗粒周围添加一个“外壳”,这限制了可以添加到现有建筑材料中的数量。

根据Ciera Cipriani的说法美国国家航空航天局空间技术研究员德州农工大学毕业,这个过程就像用锅煮一个鸡蛋,但通过创新产生吸附的方式,它有可能在规模和生产操作的方式,让他们在一个更广泛的温度窗口。

“想象一下在一个罐子里装满鸡蛋和水,”奇普里亚尼解释说。“如果每个鸡蛋都必须放入单独的容器中才能煮熟,那么锅里的鸡蛋就会更少。通过移除塑料容器,也就是我们研究中真正的外壳,更多的鸡蛋,或pcm,可以通过更紧密地包裹在水/树脂中,占据更大的体积。”

Denis Barbier和Philippe Paliard展示了第一个微结构混凝土样品。
就像德州农工大学的研究人员一样,Microlight3D的一个团队正在开发一种热调节微结构混凝土。通过Microlight3D照片。

一种蜡基建筑材料

从之前类似的研究中获得灵感,德克萨斯A&M大学的团队将光敏液体树脂与相变石蜡粉末混合,创造了一种新型3D打印墨水。通过这样做,研究人员能够跳过几个现有的PCM生产步骤,包括封装,因为树脂同时充当外壳和建筑材料。

通过将PCM粒子锁定在单个“口袋”内,这种方法还允许它们经历相变并管理热能,而不会泄漏,也不会造成安全隐患。然而,该团队的混合物最初被证明是柔软的、膏状的、有延展性的,因此,为了使它可以3D打印,他们用紫外线固化它,为最终使用做好准备。

为了测试这种新型复合材料的功效,工程师们后来用它来3D打印一个微型房屋模型,并将其放入烤箱中提高其温度。与使用传统建筑材料制作的样品相比,基于pcm的模型被证明能够保持比室外测量的温度高40%或低40%的温度。

接下来,研究人员打算用石蜡以外的pcm进行实验,目的是开发可以在更宽的温度范围下工作,同时管理更多热能的增强复合材料。

研究小组在论文中总结道:“pcm是被动控制建筑供暖和制冷的一个有吸引力的选择。”“具有不同熔点的pcm可以同时集成到树脂中,并在不损害结构或完整性的情况下打印……我们的方法与广泛的光聚合物基体和pcm兼容。”

这是一张显示德州农工大学PCM测试结果的图表。
这是德州农工大学团队PCM加热实验的完整结果。图像通过物质杂志。

建筑材料的进展

德州农工大学的研究团队并不是第一个考虑使用3D打印技术来建造温度调节房屋的Microlight3D也得到了欧盟的支持来开发一个用于建造“自冷”建筑的混凝土.该公司与五所欧洲大学合作,主要目的是设计一种微结构材料,对抗所谓的“城市热岛”现象。

在一个类似的注重可持续发展的项目中斯威本理工大学河北工业大学把拆迁的垃圾变成了新型环保印刷材料.该团队的材料由再生混凝土、陶粒颗粒和沙子组成,呈现出一种自我支撑的“骨骼”效果。

从更商业的角度来看,BigRep我向前推出了一个新混凝土模板灯丝2021年5月,该项目旨在创建更复杂的预制混凝土支撑。当与大代表一起部署时STUDIO G2 3D打印机,这两家公司表示,他们的材料可以用于建造建筑,大大降低了成本和交货期。

研究人员的研究结果详细发表在题为《3D打印聚合物相变材料复合材料的热能调节这本书由魏佩兰(Peiran Wei)、Ciera E. Cipriani和Emily B. Pentzer合著。

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特色图片显示了德州农工大学团队的3D打印测试样品在一堆木头上。图片来自德克萨斯农工大学。