Κατασκευή κελυφών από νάνο σύνθετα υλικά σε 3D εκτυπωτή για ακραίες συνθήκες περιβάλλοντος

Abstract

Global warming caused by increased amounts of greenhouse gases in the atmosphere has become an almost inevitable threat to human life, and adaptation strategies to climate change requires rapid reduction in carbon dioxide emissions. An extensive literature shows that the development and potential use of more sustainable, environmentally friendly building materials leads to a significant reduction in emissions of greenhouse gas pollutants from the construction sector. One of the most recent advances in the thermoplastic starch technology is the application of starch in the production of biodegradable plastics and construction biomaterials. This study has two main objectives: Firstly, to investigate the structure and physical and mechanical properties of natural (granular) and pregelatinized (non-granular) thermoplastic maize starch nanocomposite films and secondly to validate the feasibility and accuracy of a novel technique for the preparation of 3D – printed sandstone building materials that use gelatinized starch as a binder and sand as filler.In the present study, a simple solution method is employed for the preparation of maize starch-based films with tailor made tensile properties for various applications of biodegradable materials. The obtained intercalated nanocomposite microstructures are confirmed by the XRD technique and the tensile behaviour is investigated as a function of clay and glycerol contents. The best results are obtained with sodium montmorillonite nanocomposites (NaMMT) at glycerol concentration of about 20 wt% and clay content of about 10 wt%. Compared to other studies, the obtained nanocomposites show a higher increase in tensile strength, as it can be concluded from the above findings. Moreover, the experimental results indicated that the use of non-granular (pregel) starch enables the production of thermoplastic starch-clay biodegradable films with tailor made physical and mechanical properties depending on their glycerol as well as sodium montmorillonite (NaMMT- clay) particles content. The prepared non-granular thermoplastic starch – clay biodegradable films proved to be more uniform in texture than their counterparts prepared from granular starches, hence more reliable from the quality control point of view for future industrial applications.In the last decades there is an increasing interest in the development and potential use of biodegradable biopolymers from renewable sources and the gradual replacement of traditional building materials by low-cost natural polymeric materials used in the construction industry. One of the main objectives of this investigation was to validate the feasibility and accuracy of a preliminary method for the preparation of sand starch mortars that could possibly be an alternative technique for transition of the production process from laboratory to industrial scale. It can be concluded from the comparison with other techniques found in the literature that the presented procedure solves most of the problems associated with heating in microwave ovens. The physical and morphological characteristics of this type of solid product to a certain extent resemble the properties of a sandstone material that uses gelatinized starch as a binder and sand as filler, while exhibiting the thermoplastic mechanical behavior of polymer-matrix composite materials. The test results showed that this type of artificial starch-sandstones has a compressive strength of about 30 MPa with a ratio of tensile strength to compressive strength of approximately 0.20 and significantly low values of modulus of elasticity less than 2 GPa. Also, the effect of addition of nanoparticles on the physical and mechanical properties of this material was investigated and the behavior of the artificial starch-sandstones in extreme environmental conditions was studied. The experimental results showed a slight decrease in compressive strength with increasing temperature. However, the physical and mechanical properties of artificial sandstones are more negatively affected by moisture due to the hydrophilic nature of the starch and their extremely porous structure, as also confirmed by SEM images. Different preliminary methods of treatment were also applied using conventional and natural biodegradable coating compositions to increase the hydrophobicity of such starch-based construction materials, thereby decreasing the water adsorption capacity of the composites, gradually achieving complete waterproofing of the structures with desired durability properties for applications in the building and construction industry.The three-dimensional printing technology is a manufacturing process of creating physical 3D-objects through the successive addition of material in layers based on a computer aided design (CAD) technique. The 3D - printed artificial starch – sandstone material was found to have better mechanical and durability properties than in the 3D - printing of conventional concrete (3DPC). These findings can be easily attributed to the more uniform morphology and better 3D-printing layer to layer adhesion shown by the starch sandstones with respect to that of the conventional concrete.

Η υπερθέρμανση του πλανήτη που προκαλείται από τις αυξημένες συγκεντρώσεις των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα έχει γίνει σχεδόν αναπόφευκτη απειλή για την ανθρώπινη ζωή και οι στρατηγικές προσαρμογής στην κλιματική αλλαγή απαιτούν την ταχεία μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. Μια εκτεταμένη βιβλιογραφία δείχνει ότι η ανάπτυξη και η πιθανή χρήση πιο βιώσιμων, φιλικών προς το περιβάλλον δομικών υλικών οδηγεί σε σημαντική μείωση των εκπομπών των αερίων ρύπων του θερμοκηπίου που προέρχονται από τον κατασκευαστικό τομέα. Μια από τις πιο πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία του θερμοπλαστικού αμύλου είναι η εφαρμογή του στην παραγωγή βιοδιασπώμενων πλαστικών και κατασκευαστικών-δομικών βιοϋλικών. Αυτή η μελέτη έχει δύο βασικούς στόχους: Πρώτον να διερευνήσει τη δομή και τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των θερμοπλαστικών νανοσύνθετων μεμβρανών με βάση το φυσικό (κοκκώδες) και το προζελατινοποιημένο (άμορφο) άμυλο αραβοσίτου και δεύτερον να επικυρώσει τη σκοπιμότητα και την ακρίβεια μιας νέας τεχνικής για την παρασκευή τρισδιάστατα τυπωμένων δομικών ψαμμιτικών υλικών που σχηματίζονται από σωματίδια άμμου ενσωματωμένα στην πολυμερή μήτρα του ζελατινοποιημένου αμύλου.Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιείται μια απλή μέθοδος ανάμειξης διαλύματος για την ανάπτυξη και παρασκευή μεμβρανών (φιλμ) με βάση το άμυλο καλαμποκιού με βελτιωμένες ιδιότητες εφελκυσμού για διάφορες εφαρμογές βιοδιασπώμενων υλικών. Οι παρεμβαλλόμενες δομές των νανοσύνθετων υλικών επιβεβαιώνονται με την τεχνική XRD και η συμπεριφορά εφελκυσμού των φιλμ διερευνάται ως συνάρτηση των συγκεντρώσεων αργίλου (νανοπηλού) και γλυκερόλης. Τα καλύτερα αποτελέσματα επιτυγχάνονται με νανοσύνθετα μοντμοριλλονίτη νατρίου (NaMMT) σε συγκέντρωση γλυκερόλης περίπου 20% κ.β. και αργίλου περίπου 10% κ.β. Σε σύγκριση με άλλες μελέτες, τα λαμβανόμενα νανοσύνθετα φιλμ δείχνουν υψηλότερη αύξηση στην αντοχή εφελκυσμού, όπως προκύπτει από τις εργαστηριακές δοκιμές. Επιπλέον, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι με τη χρήση μη – κοκκώδους (προζελατινοποιημένου) αμύλου προκύπτουν βιοδιασπώμενες θερμοπλαστικές μεμβράνες με βελτιωμένες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες, που εξαρτώνται από την περιεκτικότητα σε γλυκερόλη και νανοπηλό. Τα βιοδιασπώμενα φιλμ που παρασκευάστηκαν με το προζελατινοποιημένο θερμοπλαστικό άμυλο διαπιστώθηκε ότι είναι πιο ομοιόμορφα σε υφή από τα αντίστοιχα φιλμ που παρασκευάστηκαν από κοκκώδη φυσικά άμυλα καλαμποκιού, επομένως είναι πιο αξιόπιστα από την άποψη του ποιοτικού ελέγχου για μελλοντικές βιομηχανικές εφαρμογές.Τις τελευταίες δεκαετίες υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη και χρήση βιοδιασπώμενων βιοπολυμερών από ανανεώσιμες πηγές και τη σταδιακή αντικατάσταση παραδοσιακών δομικών υλικών από χαμηλού κόστους φυσικά πολυμερή υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευαστική βιομηχανία. Ένας από τους κύριους στόχους αυτής της έρευνας ήταν να επικυρώσει τη σκοπιμότητα και την ακρίβεια μιας προκαταρκτικής μεθόδου για την παρασκευή κονιαμάτων από άμμο και άμυλο, που θα μπορούσαν ενδεχομένως να είναι μια εναλλακτική τεχνική για τη μετάβαση της παραγωγικής διαδικασίας από εργαστηριακή σε βιομηχανική κλίμακα. Από τη σύγκριση με άλλες τεχνικές που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η διαδικασία που παρουσιάζεται επιλύει τα περισσότερα από τα προβλήματα που σχετίζονται με τη θέρμανση (του υλικού) στους φούρνους μικροκυμάτων. Τα φυσικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά αυτού του τύπου στερεού προϊόντος μοιάζουν σε κάποιο βαθμό με τις ιδιότητες ενός ψαμμιτικού υλικού, που χρησιμοποιεί ζελατινοποιημένο άμυλο ως συνδετικό και άμμο ως πληρωτικό, ενώ παρουσιάζει τη θερμοπλαστική μηχανική συμπεριφορά των σύνθετων υλικών πολυμερούς μήτρας. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι αυτός ο τύπος τεχνητού ψαμμίτη (με βάση το άμυλο) έχει αντοχή σε θλίψη περίπου 30 MPa με αναλογία αντοχής σε εφελκυσμό προς αντοχή σε θλίψη περίπου 0,20 και σημαντικά χαμηλές τιμές συντελεστή (μέτρου) ελαστικότητας μικρότερες από 2 GPa. Επίσης, διερευνήθηκε η επίδραση της προσθήκης νανοσωματιδίων στις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες του υπό μελέτη υλικού και μελετήθηκε η συμπεριφορά του τεχνητού ψαμμίτη (με βάση το άμυλο) σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν μια μικρή μείωση της αντοχής σε θλίψη με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ωστόσο, οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των τεχνητών ψαμμιτών επηρεάστηκαν περισσότερο αρνητικά από την υγρασία, λόγω της υδρόφιλης φύσης του αμύλου και της εξαιρετικά πορώδους δομής τους, όπως επιβεβαιώνεται και από την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Εφαρμόστηκαν διάφορες προκαταρκτικές μέθοδοι επεξεργασίας χρησιμοποιώντας συμβατικές και φυσικές βιοδιασπώμενες συνθέσεις επικάλυψης για την αύξηση της υδροφοβικότητας τέτοιων δομικών υλικών με άμυλο, μειώνοντας έτσι την ικανότητα απορρόφησης νερού των σύνθετων υλικών, επιτυγχάνοντας σταδιακά πλήρη στεγανοποίηση των δομών με επιθυμητές ιδιότητες αντοχής για εφαρμογές στον οικοδομικό και κατασκευαστικό κλάδο.Η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι μια διαδικασία δημιουργίας (κατασκευής) φυσικών 3D-αντικειμένων μέσω της διαδοχικής πρόσθεσης επάλληλων στρώσεων υλικού βάσει ενός σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD). Τα 3D - εκτυπωμένα δοκίμια του τεχνητού ψαμμίτη με βάση το άμυλο διαπιστώθηκε ότι έχουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα και καλύτερες μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με αντίστοιχα εκτυπωμένα δοκίμια συμβατικού σκυροδέματος, Αυτά τα ευρήματα μπορούν εύκολα να αποδοθούν στην πιο ομοιόμορφη μορφολογία και την καλύτερη πρόσφυση που υπάρχει μεταξύ των στρώσεων της 3D-εκτύπωσης του τεχνητού ψαμμίτη σε σύγκριση με την εκτύπωση του σκυροδέματος.