Pour la première fois, un matériau hydrogel composé de nanocellulose et d'algues a été testé comme matériau architectural alternatif et plus écologique. L'étude, réalisée par l'Université de technologie Chalmers en Suède et le Wallenberg Wood Science Center, montre comment l'abondant matériau durable peut être imprimé en 3D dans un large éventail de composants architecturaux, en utilisant beaucoup moins d'énergie que les méthodes de construction conventionnelles.
L'industrie de la construction consomme aujourd'hui 50 pour cent des ressources fossiles mondiales, génère 40 pour cent des déchets mondiaux et est responsable de 39 pour cent des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Il existe un nombre croissant de recherches sur les biomatériaux et leurs applications, afin de passer à un avenir plus vert, conformément, par exemple, au Green Deal européen.
La nanocellulose n'est pas un nouveau biomatériau et ses propriétés en tant qu'hydrogel sont connues dans le domaine de la biomédecine, où elle peut être imprimée en 3D dans des échafaudages pour la croissance des tissus et des cellules, en raison de sa biocompatibilité et de son humidité. Mais il n’a jamais été séché ni utilisé comme matériau architectural auparavant.
« Pour la première fois, nous avons exploré une application architecturale de l'hydrogel de nanocellulose. Plus précisément, nous avons fourni les connaissances manquantes jusqu'à présent sur ses caractéristiques liées à la conception et avons présenté, à l'aide de nos échantillons et prototypes, la possibilité d'accorder ces caractéristiques grâce à des solutions personnalisées. conception numérique et impression 3D robotique », déclare Malgorzata Zboinska, auteur principal de l'étude de l'Université de technologie Chalmers.
L’équipe a utilisé des fibres de nanocellulose et de l’eau, avec l’ajout d’un matériau à base d’algues appelé alginate. L'alginate a permis aux chercheurs de produire un matériau imprimable en 3D, car l'alginate ajoute une flexibilité supplémentaire au matériau lorsqu'il sèche.
La cellulose est considérée comme l’alternative écologique la plus abondante au plastique, car elle est l’un des sous-produits des plus grandes industries mondiales. « La nanocellulose utilisée dans cette étude peut provenir de la foresterie, de l'agriculture, des usines de papier et des résidus de paille issus de l'agriculture. C'est un matériau très abondant en ce sens », explique Malgorzata Zboinska.
Impression 3D et nanocellulose/ Une technique économe en ressources
L’industrie de l’architecture est aujourd’hui entourée d’un accès aux technologies numériques qui permettent d’utiliser un plus large éventail de nouvelles techniques, mais il existe un manque de connaissances sur la manière dont ces techniques peuvent être appliquées. Selon le Green Deal européen, à partir de 2030, les bâtiments en Europe doivent être plus économes en ressources, et cela peut être réalisé grâce à une réutilisation et un recyclage accrus des matériaux, comme la nanocellulose, un sous-produit recyclé de l'industrie. Alors que les bâtiments doivent devenir plus circulaires, les techniques numériques de pointe sont mises en avant comme des leviers importants pour atteindre ces objectifs.
» L'impression 3D est une technique très économe en ressources. Elle nous permet de fabriquer des produits sans autres éléments tels que des matrices et des formes de moulage, ce qui signifie moins de déchets. Elle est également très économe en énergie. Le système d'impression 3D robotique que nous utilisons n'utilise pas de la chaleur, juste de la pression de l'air. Cela permet d'économiser beaucoup d'énergie puisque nous travaillons uniquement à température ambiante », explique Malgorzata Zboinska.
Le processus économe en énergie repose sur les propriétés de fluidification par cisaillement de l’hydrogel de nanocellulose. Lorsque vous appliquez une pression, il se liquéfie, ce qui lui permet d'être imprimé en 3D, mais lorsque vous supprimez la pression, il conserve sa forme. Cela permet aux chercheurs de travailler sans les processus énergivores courants dans le secteur de la construction.
Malgorzata Zboinska et son équipe ont conçu de nombreux parcours d'outils différents à utiliser dans le processus d'impression 3D robotique pour voir comment l'hydrogel de nanocellulose se comporterait lorsqu'il sécherait sous différentes formes et motifs. Ces formes séchées pourraient ensuite être utilisées comme base pour concevoir un large éventail de composants architecturaux autonomes, tels que des séparateurs de pièce légers, des stores et des systèmes de panneaux muraux. Ils pourraient également servir de base au revêtement d'éléments de construction existants, tels que des carreaux pour revêtir les murs, des éléments acoustiques pour amortir le son, et être combinés avec d'autres matériaux pour revêtir des murs à ossature.
L’avenir des matériaux de construction plus écologiques
« Les matériaux de construction traditionnels sont conçus pour durer des centaines d'années. Habituellement, ils ont des comportements prévisibles et des propriétés homogènes. Nous avons du béton, du verre et toutes sortes de matériaux durs qui durent et nous savons comment ils vieilliront avec le temps. Contrairement à cela, Les matériaux biosourcés contiennent de la matière organique, qui est conçue dès le départ pour se biodégrader et revenir dans la nature. Nous devons donc acquérir des connaissances complètement nouvelles sur la manière dont nous pourrions les appliquer en architecture, et comment nous pourrions adopter leurs boucles de cycle de vie plus courtes et « Des modèles de comportement hétérogènes, ressemblant davantage à ceux que l'on trouve dans la nature plutôt qu'à un environnement artificiel et entièrement contrôlé. Les chercheurs en design et les architectes recherchent désormais intensément les moyens de concevoir des produits fabriqués à partir de ces matériaux, à la fois pour la fonction et pour l'esthétique », explique Malgorzata Zboinska.
Cette étude fournit les premières étapes pour démontrer le potentiel de mise à l'échelle des constructions de membranes de nanocellulose séchées à température ambiante et imprimées en 3D, ainsi qu'une nouvelle compréhension de la relation entre la conception des voies de dépôt du matériau via l'impression 3D et les dimensions, textures, et des effets géométriques dans les constructions finales. Ces connaissances constituent un tremplin nécessaire qui permettra à Malgorzata Zboinska et à son équipe de développer, grâce à des recherches plus approfondies, des applications de la nanocellulose dans des produits architecturaux qui doivent répondre aux exigences fonctionnelles et esthétiques spécifiques des utilisateurs.
« Les propriétés encore mal connues des nouveaux matériaux biosourcés incitent les chercheurs en architecture à établir des approches alternatives pour concevoir ces nouveaux produits, non seulement en termes de qualités fonctionnelles, mais également d'acceptation par les utilisateurs. L'esthétique des matériaux biosourcés est un élément important. de cela. Si nous voulons proposer ces matériaux biosourcés à la société et aux gens, nous devons également travailler avec le design. Cela devient un élément très fort pour l'acceptation de ces matériaux. Si les gens ne les acceptent pas, nous n'atteindrons pas les objectifs d’une économie circulaire et d’un environnement bâti durable.
