CN116409959B - 一种光诱导生物3d打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光诱导生物3D打印建筑材料，以在水溶液质量比例计，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括1‑26g/L光合微生物、0.1‑30g/L生物培养基、15‑75g/L钙源、7‑45g/L碳源和0.001‑0.2g/L纳米沉积网架。本发明还提供了一种光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造方法和设备。本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的力学性能，及其建造方法和设备实现特殊气候环境下无人建造，免模施工。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料和土建施工技术领域，具体涉及一种光诱导生物3D打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备。
背景技术
由于3D打印可以信息化建模，机械化施工，日益广泛地应用于土建工程的数字化设计及智能建造。现有的3D打印建筑材料多以机械驱动，难以实现在某些特殊环境下，如太空建造，深海/深地等环境的低碳无人建造。
微生物在常温常压的条件下，利用环境中极其常见生物矿化材料通过一系列节能、无污染的处理实现对无机晶体的无与伦比控制合成，为现代先进材料研发制作和应用，提供了新的技术思路和发展方向。光合生物诱导碳酸钙沉积被认为是自然界中最常见的形式。
目前有以藻类为原料生产生物塑料，如公开号为CN109228323A的中国专利公开了一种用于打印藻类材料的3D打印设备及3D打印方法，该发明利用藻类聚合物来代替由石油等化石燃料制成的塑料，节能环保，减少大气的压力，且3D打印的精度和效率高，适合推广。以及将其应用于食品行业，如公开号为CN115500505A的中国专利公开了一种基于凝胶的3D打印制备藻类食品方法，通过选用天然藻类作为打印材料成分，并促进其生长繁殖，满足消费者的个性化风味、营养需求，且操作方便、安全环保、应用广泛。
如何将藻类原料与3D打印技术相结合制备增材建造建筑材料，特别是能够适用于特殊气候环境下有机无人建造，是本领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光诱导微生物3D打印建筑材料及绿色智能建造方法和设备；本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的力学性能，及其建造方法和设备实现特殊气候环境下无人建造，免模施工。
本发明提供的技术方案为：
一种光诱导生物3D打印建筑材料，以在水溶液质量比例计，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括1-26g/L光合微生物、0.1-30g/L生物培养基、15-75g/L钙源、7-45g/L碳源和0.001-0.2g/L纳米沉积网架。
优选地，所述的光合微生物为小球藻，蓝藻、硅藻、灌草等光合微生物的一种或者几种的组合。
本发明的技术构思在于：小球藻、蓝藻、硅藻、灌草等类光合微生物通过一定环境温度、湿度下新陈代谢过程中利用水中溶解的二氧化碳，打破溶液中碳酸根离子平衡，导致PH值升高，诱导溶液中钙离子沉积，通过成表面设置成核点干预形成晶体矿物，完成生物建筑材料制造过程。
其中，本发明通过光诱导生物3D打印建筑材料的原料的组成来调控钙浓度、无机碳浓度、环境pH值和成核点数，使其作为关键因素诱导机制控制光合微生物作用下的碳酸钙沉积，使光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的晶体排序和优越的力学性能。
优选地，所述的生物培养基包括但不限于葡萄糖、氨基酸、BG-11、TAP等的一种或者几种的组合。
优选地，所述的碳源包括但不限于碳酸氢钠、碳酸氢钠、碳酸乙烯酯等的一种或者几种的组合。
优选地，所述的钙源溶液包括但不限于氯化钙、硝酸钙和醋酸钙等的一种或者几种的组合。
优选地，所述的纳米沉积网架包括但不限于石墨烯、碳纳米管等可供光合微生物完成沉积聚集的微细观支架材料。
优选地，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括光合微生物11-18g/L、生物培养基7-9g/L、25-37g/L钙源、15-19g/L碳源和0.005g/L纳米沉积网架。通过调控原料配比，进一步优化钙浓度、无机碳浓度、环境pH值和成核点数这四者的协同作用，使光诱导微生物3D打印建筑材料具有更优越的力学性能。
本发明还提供了一种光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造方法，根据上述的光诱导生物3D打印建筑材料，所述方法包括：
(1)称取光合微生物和生物培养基，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
(2)称取钙源，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
(3)称取纳米沉积网架，加入剩下的水搅拌均匀后注入溶液池；
(4)称取碳源，加入部分水搅拌均匀后，分次间隔注入溶液池；
(5)按结构设计体型进行光点编程控制，定时控制温度；
(6)监测微生物种群密度、PH值，结合溶液池中的溶液浓度，优化光照机制，按照建造效率开展沉积造岩。
本发明提供的绿色建造方法能够在人力难以企及的特殊环境下，可适应恶劣环境下无人绿色智能建造；例如火星表面或者深海深地环境，利用光能导引微生物将无机物有序沉积，且可根据光诱导信号控制沉积速率和沉积层厚度，实现空间建造，具有绿色低碳、智能数控的优点，从而可以为特殊环境下的无人建造提供技术方案。
优选地，在步骤(4)中，将碳源溶液分三次，每次时间间隔3-6h注入溶液池。本发明通过分步加入碳源的方式可以避免碳集中不利于沉积效率。
优选地，根据沉积速度和沉积层厚度在建造过程中置入增强纤维或/和增强筋材。
进一步优选地，所述增强纤维选自FRP纤维，PVA纤维，所述增材筋材选自FRP筋/绳、钢筋/丝；为不影响后续沉积保持良好协作，所述增强纤维的长度不大于10mm，直径不大于40μm；所述增强筋材表面需进行预处理。
本发明还提供了一种光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备，所述设备从上至下依次包括：光源点阵、用于优化光照机制的光路控制盒和溶液池，所述溶液池的四周布设若干个液体注入口，微生物、培养基、碳源、钙源分别从不同的液体注入口注入到溶液池；所述溶液池的下部设有液体排出口，通过液体排出口控制开关进行控制。
其中，随着沉积层数和岩层厚度的增大，光源点阵和液体注入口均可随岩层抬升，保持光照机制和光诱导生物3D打印建筑材料按结构体型编程实现。
本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料，胶凝材料为光合微生物和生物培养基，通过调控原料配比可以使其利用光能将碳源、钙源在纳米沉积网架上按建造需求聚合成为建筑材料。本发明提供的建造方法以光诱导有机生物与无机复合溶液沉积成岩的方式实现建筑材料3D打印。本发明提供的建造方法通过控制光源点阵的空间分布、光照时间、光照强度，在优化的环境温度基础上以微生物菌落种类、浓度和PH值的协同实现诱导碳酸钙沉积实现建筑材料的增材制造，完成低碳智能建造建筑材料的空间成型和结构建造，具有良好的节能效率和力学性能，实现特殊气候环境下无人建造，免模施工。
附图说明
图1为本发明提供的一种诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
本实施例以重量份数计，配置复合水溶液每升含硅藻18g、TAP培养基7g、25g氯化钙、15g碳酸氢钠、0.005g石墨烯。
实施例2
本实施例以重量份数计，配置复合水溶液每升含小球藻11g、葡萄糖+氨基酸培养基9g、37g醋酸钙、19g碳酸乙烯酯、0.005g碳纳米管。
实施例3
如图1所示，本发明提供的诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备从上至下依次包括：光源点阵1、用于优化光照机制的光路控制盒7和溶液池6，溶液池6的四周布设若干个液体注入口2，微生物、培养基、碳源、钙源和纳米沉积网架分别从液体注入口2注入到溶液池6；溶液池6的下部设有液体排出口5，通过液体排出口控制开关4进行控制。
以实施例1和实施例2提供的光诱导生物3D打印建筑材料进行绿色智能建造方法，具体包括：
(1)按照质量比例和目标浓度，分别称取光合微生物、生物培养基并加入1/3质量的水搅拌均匀，从液体注入口2注入生物胶凝材料；
(2)称取钙源物质，加入1/6的水搅拌均匀，从液体注入口2注入钙源材料；
(3)称取碳源物质，加入1/6的水搅拌均匀；
(4)将称取的纳米沉积网架加入剩下的1/3质量的水进行搅拌，并超声分散30min；
(5)将静置的沉积网架溶液3从液体注入口2缓慢注入；
(6)将碳源溶液分三次，每次时间间隔3-6h，液体注入口2注入生物打印建筑材料设备注入混合溶液；
(7)按结构设计体型进行光点编程控制，定时控制温度；
(8)监测微生物种群密度、PH值，通过液体排出口控制开关4控制液体排出口5状态，结合溶液池6的复合溶液浓度，利用光路控制盒7优化光照机制，按照建造效率开展沉积造岩。
其中，随着沉积层数和岩层厚度的增大，光源点阵1和液体注入口2均可随岩层抬升，保持光照机制和光诱导生物3D打印建筑材料按结构体型编程实现。
实施例1提供的建筑材料在光诱导机制下沉积得到的生物打印建筑材料7天打印厚度13mm，切割测试7天抗压强度在13Mpa以上，28天抗压强度19Mpa，满足建筑材料的建造要求。
实施例2提供的光诱导机制下沉积得到的生物打印建筑材料7天打印厚度17mm，切割测试7天抗压强度在9Mpa以上，28天抗压强度13Mpa，满足建筑材料的建造要求。
在特殊环境下，只要温度不低于0度(溶液保持液态)、有光有二氧化碳即可实现微生物诱导碳酸钙沉淀。由于该类环境均存在失重、微重力或者浮力抵消部分重力，或者三向受压提升材料强度的承载有利工况，因此实施例1和2提供的建筑材料的强度可以适用于特殊环境下的小型结构的建造。
综上所述，本发明以优化的环境温度、微生物菌落种类、浓度为基础，通过控制光源点阵的空间分布、光照时间、光照强度和调整PH值诱导碳酸钙空间沉积实现建筑材料的增材制造，完成低碳智能建造建筑材料的空间成型和结构建造。本发明提供的光诱导微生物3D打印建筑材料具有良好的光诱导可打印性能和力学性能，适用于实现特殊环境下无人建造，免模施工。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，以在水溶液质量比例计，所述光诱导生物3D打印建筑材料的原料包括1-26g/L光合微生物、0.1-30 g/L生物培养基、15-75 g/L钙源、7-45 g/L碳源和0.001-0.2g/L纳米沉积网架；
所述的纳米沉积网架选自石墨烯或/和碳纳米管；
所述光诱导生物3D打印建筑材料的建造方法包括：
（1）称取光合微生物和生物培养基，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
（2）称取钙源，加入部分水搅拌均匀后注入溶液池；
（3）称取碳源，加入部分水搅拌均匀后，分次间隔注入溶液池；
（4）称取纳米沉积网架，加入剩下的水搅拌均匀后注入溶液池；
（5）按结构设计体型进行光点编程控制，定时控制温度；
（6）监测微生物种群密度、PH值，结合溶液池中的溶液浓度，优化光照机制，按照建造效率开展沉积造岩；
根据沉积速度和沉积层厚度在建造过程中置入增强纤维或/和增强筋材。
2.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述的光合微生物选自小球藻，蓝藻、硅藻或灌草中的一种或至少两种的组合；所述的生物培养基选自葡萄糖、氨基酸、BG-11或TAP中的一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述的碳源选自碳酸氢钠、或碳酸乙烯酯中的一种或两种的组合。
4.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述的钙源选自氯化钙、硝酸钙或醋酸钙中的一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，在步骤（3）中，将碳源溶液分三次，每次时间间隔3-6h注入溶液池。
6.根据权利要求5所述的光诱导生物3D打印建筑材料，其特征在于，所述增强纤维选自FRP纤维、PVA纤维；所述增强筋材选自FRP筋/绳、钢筋/丝；所述增强纤维的长度不大于10mm，直径不大于40μm；所述增强筋材表面需进行预处理。
7.一种权利要求1-6任一所述的光诱导生物3D打印建筑材料的绿色智能建造设备，其特征在于，所述设备从上至下依次包括：光源点阵、用于优化光照机制的光路控制盒和溶液池，所述溶液池的四周布设若干个液体注入口，微生物、培养基、碳源、钙源和纳米沉积网架分别从液体注入口注入到溶液池；所述溶液池的下部设有液体排出口，通过液体排出口控制开关进行控制。
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