行业变革性技术！纳米晶纤维素注入，增强混凝土

普渡大学的研究人员准备测试他们是否能够通过注入微观纳米晶的混凝土来建造更牢固的桥梁。图片由普渡大学提供

普渡大学的研究人员们正在研究混凝土是否能通过注入纳米晶木材来提高其强度，并且正由实验室理论逐步走向应用，今年春天，将在加州以此技术建造一座桥梁。

研究人员一直在研究怎样以纸张、工业纸浆、生物能源以及农业为基础来产生的纤维素纳米晶，并寻找最佳的混合物来配比使其强度最大，使用这些最常见的材料来生产高强度混凝土，经济效益极高。

普渡大学材料工程学教授杰弗里·杨博德说：“在我看来，只要能稍稍突破前人所及就是一个巨大的进步，你不能仅仅说这是一个实验室的灵感，它具有重大的现实意义。

这种增强混凝土还有其它的一些优点，比如用这种混凝土在保持同样的强度的条件下，制成的东西更薄、更轻，同时还能减少大气中的二氧化碳排放量。水泥厂估计占全球二氧化碳排放量的8%，这是气候变化的主要原因之一。

纳米晶木材的转变催化剂是一种纤维素纳米晶，长约100纳米，宽5纳米。宏观角度来看，人类头发大约都有100000纳米宽，这种纤维素纳米晶实在太小，无法用普通显微镜观察，仅用电子显微镜就能看到。值得一提的是，纤维素是世界上最常见的聚合物，它可以从木制品、植物、细菌和藻类中获取，非常易得。

研究人员指出，纤维素纳米晶通过化学反应使混凝土更加坚固，从而增加水泥颗粒的水合作用，使混凝土更坚固。水化程度越高混凝土强度越高。因此，水越多强度越高。然而问题是，水会使木质疏松。所以纤维素纳米晶通过较少的水分促进水化，使混凝土更坚固。

莱尔斯土木工程学院教授巴勃罗·扎瓦蒂里(Pablo Zavattieri)说，纤维素纳米晶为水提供了一条通道，可以让水流向需要的地方。并不是所有的水泥颗粒在混凝土混合时都会被水化，这会影响混凝土的强度和耐久性。

木材纳米晶的透射电子显微镜图，图由普渡生命科学显微镜中心提供

Zavattieri说：“纤维素纳米晶的好处是它为水进入粒子创造了一条轨道。”

麦尔斯·洛厄尔(Miles Lowell)和玛格丽特·瓦特·爱德华兹(Margaret Watt Edwards)曾担任俄勒冈州立大学工程学方面的杰出教授，他曾是普渡大学的教授。他说，纤维素纳米晶能提高混凝土的效率，因为制造同样坚固的东西所需的质量较少。这样就可以更可持续、更高效，另一个好处是注入纤维素的混凝土凝结得更快，这意味着在使用各种形式建造桥梁或进行石油钻探时，等待混凝土治愈的时间更短。因为每一天，没有抽油的船员都是赔钱的一天。”

研究人员指出，使用纤维素纳米晶的成本可能会通过减少水泥用量来抵消，但确切的成本还没有确定。纤维素纳米晶的使用范围将是一个因素。但即使所有生产的混凝土中只有一小部分使用纤维素纳米晶，也会产生很大的影响，因为混凝土的使用是如此普遍。

加州的混凝土和桥梁准备工作是俄勒冈州普渡州立大学p3Nano和其他人的合作项目。p3Nano是一个公私合作伙伴关系，旨在支持纤维素纳米材料的商业化。p3Nano一直积极参与全面的试验，并且是俄勒冈州立大学展示纤维素纳米晶在桥梁和桥梁中的全面应用的项目的发起者。在加利福尼亚，将使用纤维素注入的混凝土的确切桥梁尚未确。

这张照片展示了添加了环氧树脂水泥样品，用于显微镜分析

普渡大学的研究人员在十年前开始研究纤维素，这位来自美国森林服务林产品实验室的研究员，当时在普渡工作的杨博德说：“最初的挑战是确定在哪里使用水溶性纤维素纳米晶，在挖洞和准备混凝土的时候，我想到了将其用于混凝土的想法，这正是研究的目的所在。研究人员很快就发现，纤维素纳米晶能使混凝土变得更坚固，但他们不知道具体原因。

“我走到Jason Weiss的办公室给他看了数据，他说这些数据不应该起作用，因为纤维素纳米晶太小了。那时我们意识到我们有了一些突破，因为如果基于理论或其他理论的事物正常工作的东西不应该工作，那么就是你发现一些重要的东西，这就是一切的开始。”

这项研究是由国家科学基金会部分资助的。韦斯说，NSF的工作引导了浆料的测试，帮助研究人员了解到，纤维素纳米晶的作用不同于传统纤维，而是在改变其微观结构。

与普渡研究基金会技术商业化办公室签订了生产许可协议的纳米绿色生物加工公司首席执行官布莱恩·昆克尔(Blaine Kunkel)表示，他们公司对纤维素纳米晶的潜力感到兴奋并认为这是一种变革性技术。

文章摘录于phys.org

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