Κατασκευή κελυφών από νάνο σύνθετα υλικά σε 3D εκτυπωτή για ακραίες συνθήκες περιβάλλοντος
Authors: Ζουμάκη Μαρία 
Published: January 2022

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.