行業(yè)變革性技術(shù)！納米晶纖維素注入，增強(qiáng)混凝土
普渡大學(xué)的研究人員準(zhǔn)備測(cè)試他們是否能夠通過(guò)注入微觀納米晶的混凝土來(lái)建造更牢固的橋梁。圖片由普渡大學(xué)提供
普渡大學(xué)的研究人員們正在研究混凝土是否能通過(guò)注入納米晶木材來(lái)提高其強(qiáng)度，并且正由實(shí)驗(yàn)室理論逐步走向應(yīng)用，今年春天，將在加州以此技術(shù)建造一座橋梁。
研究人員一直在研究怎樣以紙張、工業(yè)紙漿、生物能源以及農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)來(lái)產(chǎn)生的纖維素納米晶，并尋找最佳的混合物來(lái)配比使其強(qiáng)度最大，使用這些最常見(jiàn)的材料來(lái)生產(chǎn)高強(qiáng)度混凝土，經(jīng)濟(jì)效益極高。
普渡大學(xué)材料工程學(xué)教授杰弗里·楊博德說(shuō)：“在我看來(lái)，只要能稍稍突破前人所及就是一個(gè)巨大的進(jìn)步，你不能僅僅說(shuō)這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的靈感，它具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
這種增強(qiáng)混凝土還有其它的一些優(yōu)點(diǎn)，比如用這種混凝土在保持同樣的強(qiáng)度的條件下，制成的東西更薄、更輕，同時(shí)還能減少大氣中的二氧化碳排放量。水泥廠估計(jì)占全球二氧化碳排放量的8%，這是氣候變化的主要原因之一。
納米晶木材的轉(zhuǎn)變催化劑是一種纖維素納米晶，長(zhǎng)約100納米，寬5納米。宏觀角度來(lái)看，人類頭發(fā)大約都有100000納米寬，這種纖維素納米晶實(shí)在太小，無(wú)法用普通顯微鏡觀察，僅用電子顯微鏡就能看到。值得一提的是，纖維素是世界上最常見(jiàn)的聚合物，它可以從木制品、植物、細(xì)菌和藻類中獲取，非常易得。
研究人員指出，纖維素納米晶通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使混凝土更加堅(jiān)固，從而增加水泥顆粒的水合作用，使混凝土更堅(jiān)固。水化程度越高混凝土強(qiáng)度越高。因此，水越多強(qiáng)度越高。然而問(wèn)題是，水會(huì)使木質(zhì)疏松。所以纖維素納米晶通過(guò)較少的水分促進(jìn)水化，使混凝土更堅(jiān)固。
萊爾斯土木工程學(xué)院教授巴勃羅·扎瓦蒂里(Pablo Zavattieri)說(shuō)，纖維素納米晶為水提供了一條通道，可以讓水流向需要的地方。并不是所有的水泥顆粒在混凝土混合時(shí)都會(huì)被水化，這會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。
木材納米晶的透射電子顯微鏡圖，圖由普渡生命科學(xué)顯微鏡中心提供
Zavattieri說(shuō)：“纖維素納米晶的好處是它為水進(jìn)入粒子創(chuàng)造了一條軌道。”
麥爾斯·洛厄爾(Miles Lowell)和瑪格麗特·瓦特·愛(ài)德華茲(Margaret Watt Edwards)曾擔(dān)任俄勒岡州立大學(xué)工程學(xué)方面的杰出教授，他曾是普渡大學(xué)的教授。他說(shuō)，纖維素納米晶能提高混凝土的效率，因?yàn)橹圃焱瑯訄?jiān)固的東西所需的質(zhì)量較少。這樣就可以更可持續(xù)、更高效，另一個(gè)好處是注入纖維素的混凝土凝結(jié)得更快，這意味著在使用各種形式建造橋梁或進(jìn)行石油鉆探時(shí)，等待混凝土治愈的時(shí)間更短。因?yàn)槊恳惶欤瑳](méi)有抽油的船員都是賠錢的一天。”
研究人員指出，使用纖維素納米晶的成本可能會(huì)通過(guò)減少水泥用量來(lái)抵消，但確切的成本還沒(méi)有確定。纖維素納米晶的使用范圍將是一個(gè)因素。但即使所有生產(chǎn)的混凝土中只有一小部分使用纖維素納米晶，也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因?yàn)榛炷恋氖褂檬侨绱似毡椤?/p>
加州的混凝土和橋梁準(zhǔn)備工作是俄勒岡州普渡州立大學(xué)p3Nano和其他人的合作項(xiàng)目。p3Nano是一個(gè)公私合作伙伴關(guān)系，旨在支持纖維素納米材料的商業(yè)化。p3Nano一直積極參與全面的試驗(yàn)，并且是俄勒岡州立大學(xué)展示纖維素納米晶在橋梁和橋梁中的全面應(yīng)用的項(xiàng)目的發(fā)起者。在加利福尼亞，將使用纖維素注入的混凝土的確切橋梁尚未確。
這張照片展示了添加了環(huán)氧樹(shù)脂水泥樣品，用于顯微鏡分析
普渡大學(xué)的研究人員在十年前開(kāi)始研究纖維素，這位來(lái)自美國(guó)森林服務(wù)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室的研究員，當(dāng)時(shí)在普渡工作的楊博德說(shuō)：“最初的挑戰(zhàn)是確定在哪里使用水溶性纖維素納米晶，在挖洞和準(zhǔn)備混凝土的時(shí)候，我想到了將其用于混凝土的想法，這正是研究的目的所在。研究人員很快就發(fā)現(xiàn)，纖維素納米晶能使混凝土變得更堅(jiān)固，但他們不知道具體原因。
“我走到Jason Weiss的辦公室給他看了數(shù)據(jù)，他說(shuō)這些數(shù)據(jù)不應(yīng)該起作用，因?yàn)槔w維素納米晶太小了。那時(shí)我們意識(shí)到我們有了一些突破，因?yàn)槿绻诶碚摶蚱渌碚摰氖挛镎９ぷ鞯臇|西不應(yīng)該工作，那么就是你發(fā)現(xiàn)一些重要的東西， 這就是一切的開(kāi)始。”
這項(xiàng)研究是由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)部分資助的。韋斯說(shuō)，NSF的工作引導(dǎo)了漿料的測(cè)試，幫助研究人員了解到，纖維素納米晶的作用不同于傳統(tǒng)纖維，而是在改變其微觀結(jié)構(gòu)。
與普渡研究基金會(huì)技術(shù)商業(yè)化辦公室簽訂了生產(chǎn)許可協(xié)議的納米綠色生物加工公司首席執(zhí)行官布萊恩·昆克爾(Blaine Kunkel)表示，他們公司對(duì)纖維素納米晶的潛力感到興奮并認(rèn)為這是一種變革性技術(shù)。
文章摘錄于phys.org
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
