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「活动回顾」低碳智能新材料技术交流

第二期的国际建筑建材低碳减碳技术交流论坛线上网络研讨会直播在上周三结束,这一期我们的专家们分别从各自的专业领域,围绕低碳智能新材料展开了讨论。感谢本次论坛活动的合作主办方:中国建筑材料联合会生态环境建材分会,以及本次论坛活动的赞助方:深圳市广田科学技术发展研究院。


第二期直播,我们邀请到了来自中国建筑材料科学研究总院环境材料科学与工程研究所研究员,解帅;英国西英格兰大学教授,Andy Adamatzky;新加坡南洋理工大学教授,龙祎;布鲁内尔大学土木与环境工程学院副教授,Seyed Ghaffar。分别介绍了相变材料,菌丝体,玻璃和3D打印技术在低碳建材的发展应用。直播的最后也与听众们进行了积极的问答互动。今天就来给大家回顾一下第二期演讲的部分精彩内容。


解帅

相变储能建材技术

随着社会发展以及人们生活水平的提高,越来越重视建筑室内环境舒适程度,但是,现阶段,能源利用效率还不是很高,存在一定浪费问题。怎样更加合理的存储和利用能源,成为未来发展的重点。相变储能建筑材料属于新型建筑材料,具有一定的应用前景。在建筑节能中应用相变储能材料,能够达到降耗节能的目的。


相变储能是热储能的一种利用相变材料储热特性, 来储存或者是释放其中的热量,从而达到一定的调节和控制该相变材料周围环境的温度, 从而改变能量使用的时空分布, 提高能源的使用效率。解帅从相变储热技术出发,介绍了目前常用的相变储热材料,有机脂肪烃类和无机水合盐类。以及团队研究的材料性能优化技术。如成核剂法:利用与相变材料具有相同晶型、晶格参数相差 15%以内的物质可有效解决过冷问题。利用纳米材料的小尺寸成核中心(晶种)作用,吸附共晶盐并使其成核结晶,降低其过冷度;


相变材料

增稠剂法:基于增稠相稳定微观机理,增稠剂可以形成网络结构增大溶液黏度,阻止结晶颗粒的密度分布不均匀,减缓相分离现象的发生,还可提供成核位点,促进结晶。并且以凹凸棒土改善相分离,研究结果表明:经上千次冷热循环试验后,六水氯化钙和三水醋酸钠相变材料的相变潜热保持率仍可达到90%以上。


增稠剂法

团队发现纳米碳材料均具有导热增强效果,片状的纳米石墨烯增强效果最佳。解帅团队开发出膨胀石墨增强导热的糖醇复合体系相变材料,使得导热系数达到2.155,相变焓仅降低5.5%。导热填料的有序结构化设计也可显著提高相变材料的导热性能,如定向排列CNT、泡沫金属等。另外在定形和封装技术上,团队也研发出了微胶囊封装法以及宏观封装法。


纳米碳材料

解帅也向大家介绍了目前相变储能技术的建材应用,比如地暖、吊顶,还研发出了出轻质水泥基相变储热板材,应用于建筑墙面和屋顶。中国建材集团旗下企业北新建材集团有限公司率先实现相变储热石膏板的工业化制备与工程应用。但是目前相变储热建材标准体系尚不完善,中国发布相关标准不足10项,所以面对目前气候变化的威胁,希望能尽快建立相关材料与测试技术标准,推动行业发展,为碳中和目标做贡献。



Seyed Ghaffar

低碳混凝土的数字化制造

建筑建造作为主要行业之一,目前是数字化和自动化程度最低的行业,因此他面临着效率低下、生产力低下、资源浪费等问题。虽然目前建筑业的革命可能还没有到来,但很多3D打印,数字化制造等研究项目、实验已经为建筑打开了一个新的可能性领域。


Seyed博士向我们介绍了两种不同的3D打印技术,一是挤压型,软管连接到泵系统,泵连接到搅拌机,输送混凝土,机器人一层层进行挤压。这种类型非常适合现场应用和大规模施工,这也是3D混凝土打印中应用最广泛的技术之一。第二种常见的3D混凝土打印方法是颗粒床,它的优势是规模小、精度高,可以实现打印非常复杂的几何图形,非常适合非现场应用,并且不用担心打印环境。如果出了问题也更容易调整,在这方面比挤压型技术更有优势。


3D混凝土
3D混凝土

Seyed博士表示,3D打印并没有什么未来感,只是不同学科的结合,比如机器人控制,打印系统,材料控制,并将这些材料挤压成预先设计的复杂的几何形状,而减碳的重点是使用低碳的材料。Seyed尝试在处理过的有机或无机废物中加入一些添加剂,纳米材料,纤维和粘度调节剂,从而制造出适合3D打印的混凝土。而这些无机废弃物主要来自于加工废弃物和建筑拆除废弃物。使用3D打印的优点还有,减少了材料浪费和劳动力,因为整个过程都通过机器人打印实现自动化生产,并且我们提高了施工速度且不需要模具。而模具材料的减少使用,帮助建筑减少了环境碳足迹。当然也会减少人工受伤率,只要你知道如何处理机器人的健康和安全问题。


混凝土的主要成分是硅酸盐水泥,而硅酸盐水泥这种材料的温室气体排放占全球总量的8%至9%。所以我们都在努力寻找用其他低碳材料取代硅酸盐水泥,Seyed提出解决这些碳排放问题的方法是使用地质聚合物胶凝,地质聚合物是由铝硅酸盐制成,例如燃煤的副产品,粉煤灰,还有钢铁制造的副产品,炉渣。我们可以利用矿业废弃的砖和粉末等,只要它们含有铝硅酸盐源,我们就能激活它们,并利用它们来代替硅酸盐水泥。由于地质聚合物具有非常高的机械性能,因此也建立了结构的稳固性,并且它们有非常低的干燥收缩率,耐久,耐热,耐冷,且防火。


低碳混凝土

经过测试,通过3D技术打印这些聚合物材料,可以看到打印的质量之高,分辨率之高,因此可以看到这种聚合物的潜力。他们也考察了不同的粘结剂、粉煤灰、矿渣和硅尘,还有一些添加剂,比如PVA纤维和一些纳米粘土,并在在期刊上公开报道了所有这些聚合物的配方。我们能看到它们在低碳水泥中的潜力,但是我们仍需要进行大量的研究。Seyed也在PVC和橡胶是否有取代天然沙子的潜力上进行不断地深入研究。


混凝土自然资源

目前的研究表明,对于非结构性负荷应用,我们可以使用70%的PVC或橡胶来取代天然聚合物。这些研究成果都是非常鼓舞人心的,也表明我们需要创造性的想法来减少建筑部门的浪费,大力发展循环经济,才能拯救更多的地球自然资源,并且让建筑建造行业实现净零的目标。



龙祎

智能节能玻璃

建筑物约占世界电力的51%,约占碳排放的33%。如何减少建筑物的能源消耗是科学家们迫切需要思考的问题。窗户是建筑中能源效率最低和最复杂的部分,在美国它消耗了一次能源消耗总量的4%。智能窗是减少能源消耗的可能途径之一。我国未来也会注重全面提升门窗质量和节能水平,淘汰低性能窗,重点发展高性能窗和推广优质中性能窗,坚定走保温、隔热、遮阳一体化道路,大力发展三者合一的新型门窗体系,满足更高效率建筑节能和绿色建筑的需求。


龙教授和她的团队研究出来的解决方案是,液体智能窗。既在两层玻璃中间,替代气体,倒入智能的液相变化材料,通过对阳光透过率进行智能的调节,如果温度低于29度,它就会变得非常透明,这意味着光可以穿过,从而给室内提供热量。但如果外部温度超过30度,它就会变成不透明的或半透明的,从而减少阳光的摄入,防止室内吸收过多的热量。


节能玻璃

为什么选择了液体?首先,由于液体是可以任意流动的,所以它对玻璃的大小和形状没有限制,也能做到均匀分布,这样就大大减少了对工艺的要求,你只需要混合一下液体,然后倒进去就可以了,这样更容易扩大生产规模。其次,水本身就是具有很高的比热容和热能储存能力的材料之一,龙教授研发的液相变化材料是特殊液体材料和98%以上的水混合。还有就是,液体可以提供很好的隔音效果,与使用空气的双层玻璃相比,带有液体的双层玻璃的隔音效果提高了15%。


液相变化材料

龙教授的第二个项目是辐射冷却调节被动窗。对人类来说理想的情况是我们在夏天能够尽可能少地从太阳收到热量,并且尽可能地把热量反射回外太空,相反在冬天,你需要尽可能多的接收热量,与此同时,抑制外太空带来的冷却。


辐射冷却调节被动窗

龙祎提出的概念是,窗户需要保持一定的可见性,否则就失去了它的意义,在夏天,我们在室内需要让视野可见,还要阻挡近红外辐射,因为近红外辐射是让房间温度上升的原因,同时加强辐射冷却,把多余的热量送回外太空。而在冬天,我们则尽可能多的吸收近红外辐射来加热房间,同时抑制辐射冷却,从而减少被送回外太空的热量,让热量得以保留。由于这是一种被动控制,所以不需要任何外部电路来控制它,它会自动对温度做出调节反应。这个概念的提出被德国科技部选为2022年世界十大突破。这是一个非常值得骄傲的例子。我们期待龙教授和她的团队在辐射冷却调节被动窗上的研究能够有更多的突破,并在不久的将来得到广泛的应用。



Andy Adamatzky

菌丝体建材技术

真菌在建筑建材中的应用案例已经有一些,科学家们根据不同的菌种和基质,最终可以生产成保温板、家具、配件、织物、包装材料,甚至砖块,它们具有良好的热、声特性和较强的防火性能。但目前菌丝结合的复合材料都是干燥的,也就是说里面的菌丝体是死的,它没有感觉,对外界信息也没有反应。


作为Fungal Architectures真菌建筑项目的负责人。Andy教授再次突破我们的认知局限,他向我们展示了真菌的感知能力,它能够区分不同类型的刺激,通过对菌丝体的电阻尖峰的实验与记录,我们能看到菌丝对重量的反应是开关式的,对光线的刺激则能够持续做出反应。在实验中,Andy准备了一个真菌块,并在侧面插入电极,然后用不同重量的哑铃来进行实验,结果发现,真菌块能够通过改变电活动模式来适应重量的施加。Andy也正在试图通过实验来验证是否有可能从活的真菌基质中提取逻辑电路,甚至从真菌中实现记忆系统并破解真菌的语言。


菌丝体建材
菌丝体建材

这些令人意想不到的发现,旨在利用真菌菌丝体开发一个完全集成的结构和计算生活基质,从而能够在未来运用到建筑中,以促进建筑的生长。为期三年的项目标志着智能生物物质首次被用作建筑材料,也能看到生物体和计算功能集成到设计和建筑中。如果我们在建筑结构上留下一些活的菌丝体,那么我们就可以利用这些菌丝体,去感知信息,传递信息,决策和实现计算,利用菌丝制造一个大脑,从而让建筑体本身变得更智能。



你也可以通过查看Arcas建筑建材视频号回顾研讨会的专家演讲内容。


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