苏黎世联邦理工学院的科学家们用大理石废料创造了可持续的 3D打印墙，可以被动控制湿度，减少排放，提高室内区域的舒适度。
无论是在办公室会议室、博物馆展厅还是政府办公室的等候区，随着空气迅速变稠，人们聚集的空间通常会出现空气质量明显下降。这种影响部分是由于湿度增加。办公楼和行政楼的通风系统通常用于对这些空间进行除湿并保持舒适的氛围。虽然机械除湿有效，但它会消耗大量能源，并且根据电力来源的不同，可能会对环境产生负面影响。
鉴于这些挑战，苏黎世联邦理工学院的研究人员探索了一种被动式室内除湿的新方法。在这种方法中，高湿度被吸收并暂时储存在由吸湿性、防潮材料制成的墙壁和天花板中。这些材料不是依靠机械系统来去除水分，而是自然吸收水分，然后在通风过程中释放水分，提供了一种节能环保的替代方案。这种解决方案适用于已经部署的通风系统不足的高流量空间。
大理石采石产生的废料
研究团队遵循循环经济的原则来寻找合适的吸湿材料。起点是来自大理石采石场的精细研磨废料。需要一种粘合剂将这种粉末转化为保湿的墙壁和天花板组件。这项任务由地质聚合物完成，地质聚合物是一类由偏高岭土（常见于瓷器生产中）和碱性溶液（硅酸钾和水）组成的材料。
碱性溶液激活偏高岭土并提供一种地质聚合物粘合剂，该粘合剂将大理石粉末结合形成固体建筑材料。这种地质聚合物粘结剂与水泥相当，但在生产过程中排放的 CO 2更少。
粘结剂喷射打印地质聚合物复合材料横截面的 SEM 图像，显示存在明显的空隙。b 粘结剂喷射打印机原型，（c） 打印设置的示意图，（d） 打印表面的粗糙度，（e） 3D 打印的地质聚合物瓷砖的原型，以及 （f） 20 x 20 x 4 厘米陀螺仪瓷砖的几何细节。瓷砖的净暴露区域代表应用后面向室内空气的组件表面，因此不包括粘附在支架（墙壁或天花板）上的底部和与相邻瓷砖直接接触的侧面。
研究项目中，科学家们成功制作了尺寸为 20 × 20 厘米和 4 厘米厚的墙壁和天花板组件的原型。使用 3D 打印进行生产。在这个过程中，大理石粉末分层涂覆，并通过地质聚合物粘合剂（粘合剂喷射打印技术）粘合。这种工艺可以高效地生产各种形状的部件。
提高舒适度
将地质聚合物和 3D 打印相结合来生产水分储存库是可持续建筑的一种创新方法。建筑物理学家 Magda Posani 在苏黎世联邦理工学院领导了对这种材料的吸湿特性的研究，最近在芬兰埃斯波的阿尔托大学担任教授。该项目基于材料科学家 Vera Voney 的博士论文，由高级研究助理 Coralie Brumaud 和建筑师 Pietro Odaglia 指导，后者开发了这种材料和 3D 打印机。
在模拟实验中，假设葡萄牙波尔图一家公共图书馆有 15 人使用的阅览室的墙壁和天花板完全衬有吸湿性成分。研究团队计算了湿度超过舒适区的频率和程度，即这个虚拟阅览室在一年内的相对湿度为 40% 到 60%。由此，她计算出了一个不适指数，这个数字表示因湿度过高或过低而造成的舒适度损失。如果阅览室安装了防潮成分，与传统的粉刷墙相比，不适指数可以降低 75%。如果使用 5 cm 厚的组件而不是 4 cm，则不适指数会下降多达 85%。数值模拟证明，这种建筑构件可以显著降低频繁使用的室内空间的湿度。
舒适、健康和可持续性之间的权衡
地质聚合物组件的生产涉及暴露于强碱性溶液中，对施工人员的眼睛和皮肤构成碱灼伤的威胁。但问题局限于早期制造阶段：在碱性溶液与前驱体完全反应后，所得的地质聚合物复合材料可以安全地直接接触。在此框架内，3D 打印技术为建筑专业人士带来了显著的健康优势。
值得注意的是，通过允许机器处理该过程，有效地绕过了与人类直接接触强碱性材料相关的健康危害。该解决方案提供了一个环境，可以在不影响人身安全的情况下充分发挥这些材料的潜力。下图提供了施工人员的舒适度、隐含碳和健康状况的示意图。三元图表明，在迈向高科技建筑的同时，我们不能忽视传统材料的优点。低技术含量的解决方案，如土石膏，在当今的建筑领域仍然具有内在价值。它们极低的碳足迹，加上它们为建筑运营商提供的安全保障，使其免受健康危害，并为适度改善室内舒适度做出了贡献，这凸显了可持续发展不仅仅是通过未来主义材料或高科技解决方案来实现的。总体而言，在考虑舒适性、健康和可持续性时，3D 打印的地聚合物瓷砖和土石膏都已成为可行且平衡的选择。
在上图中，使用从 0 到 100 的分数对研究中考虑的四种整理解决方案（土石膏、石灰水泥石膏、地质聚合物复合材料和 3D 打印的地质聚合物瓷砖）进行了定性比较。室内舒适度是根据数值模拟中观察到的年湿度不适强度的降低来估计的（减少幅度越大，分数越高）。环境影响是根据对 1 平方米表面进行整理相关的 GWP 进行评估的（GWP 越高，环境影响评分越高）。健康状况反映了建筑工人的条件（较低的健康危害风险导致较高的分数）。绿色、浅蓝色和灰色阴影区域分别突出显示了与建筑工人的低健康危害风险、被动提高室内湿度舒适度的高潜力以及饰面解决方案中的高隐含碳相对应的范围。用虚线标记并标记为“（+） 健康 （+） 舒适 （+） 低碳”的区域表示被认为在三个方面具有正排名的解决方案范围。
比通风系统更环保
吸湿性墙面和天花板组件对气候友好，即在 30 年的生命周期内，与将空气质量除湿到相同程度的通风系统相比，它们产生的温室气体排放量显著降低。在仿真计算中，还将墙壁和天花板组件与自古以来就使用的粘土灰泥进行了比较，粘土灰泥还可以被动调节室内空间的空气湿度。事实证明，这种古老的技术比吸湿性成分更环保。然而，石膏对水蒸气的储存能力较低。
研究表明，地质聚合物和 3D 打印的组合可用于生产墙壁和天花板组件，以实现有效的水分缓冲。经过这一概念验证，该技术原则上已准备好进一步开发和扩展用于工业制造。与此同时，研究仍在继续。在与都灵理工学院和阿尔托大学合作的项目中，苏黎世联邦理工学院正在努力生产温室气体排放量更低的墙壁和天花板组件。
素材来源：
“Low-carbon indoor humidity regulation via 3D-printed superhygroscopic building components” by Magda Posani, Vera Voney, Pietro Odaglia, Yi Du, Anastasija Komkova, Coralie Brumaud, Benjamin Dillenburger and Guillaume Habert, 10 January 2025, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-024-54944-1
友绿智库编译
