研究人員用蝦殼納米粒子改善水泥

將蝦殼中的納米粒子放入水泥漿中，使材料的強度顯著提高——這項創新可以減少海產品浪費并降低混凝土生產中的碳排放。華盛頓州立大學和太平洋西北國家實驗室的一個研究小組在《水泥和混凝土復合材料》雜志上發表了一篇報道，他們從廢棄的蝦殼中創造了甲殼素的納米晶體和納米纖維，甲殼素是自然界中第二豐富的生物聚合物。當這些微小的幾丁質(大約比人類頭發小1000倍)添加到水泥漿中時，所得材料的強度提高了40%。水泥的凝固時間，或硬化需要多長時間，也延遲了一個多小時，這是長途運輸和炎熱天氣混凝土工作的理想特性。

“混凝土行業面臨著減少水泥生產碳排放的壓力，”加州大學戴維斯分校副教授、華盛頓州立大學領導這項研究的SomayehNassiri說。“通過開發這些提高混凝土強度的新型外加劑，我們可以幫助減少所需的水泥用量并降低混凝土的碳排放量。”

混凝土在世界各地用于關鍵基礎設施，如建筑、橋梁和道路。它是地球上僅次于水的最常用材料。水泥生產是碳密集型的，需要使用化石燃料才能達到所需的高溫(1500°C)。其生產中使用的石灰石也會分解產生額外的二氧化碳。水泥生產占全球工業能源消耗的約15%，占全球溫室氣體排放總量的約5%。Nassiri說，這種材料的高消耗部分還受到耐久性挑戰的影響——混凝土容易開裂，必須經常修理或更換。

與此同時，海產品廢物是漁業的一個重大問題，全球每年產生600萬至800萬磅的廢物。華盛頓州立大學復合材料與工程中心研究助理教授、該論文的通訊作者李慧說，大部分廢物都被傾倒在海里。

“在當今世界，通過循環經濟應對氣候變化，我們希望盡可能多地利用廢料。一個人的廢物是另一個人的財富，”他說。

研究人員一直致力于使用類似的常見生物聚合物纖維素來改善混凝土。有時纖維素添加劑會幫助混凝土，有時則不會。研究人員對原因感到困惑。

在他們的工作中，WSU團隊研究了納米級的幾丁質材料。螃蟹、蝦和龍蝦殼由大約20-30%的幾丁質組成，其余大部分是碳酸鈣，這是另一種有用的水泥添加劑。與纖維素相比，分子尺度的幾丁質恰好有一組額外的原子——一個官能團——使研究人員能夠控制分子表面的電荷，從而控制它們在水泥漿中的行為。

“能夠控制表面上的電荷是控制它們在水泥中的功能的重要部分。我們可以非常簡單地在幾丁質上做到這一點，因為羧基位于幾丁質聚合物中，”WSURegents教授邁克爾沃爾科特說，該論文的通訊作者。

強化水泥漿的成功歸結為顆粒如何懸浮在水泥漿中以及它們如何與水泥顆粒相互作用。

“幾丁質納米顆粒足以排斥單個水泥顆粒，從而改變系統內水泥顆粒的水合特性，”他說。

當他們將加工過的幾丁質納米晶體添加到水泥中時，他們能夠改善和瞄準其特性，包括其稠度、凝固時間、強度和耐久性。他們看到混凝土彎曲的強度提高了40%，壓縮能力提高了12%。

“這些都是非常重要的數字，”沃爾科特說。“如果您可以減少使用量并獲得相同的機械功能或結構功能并將其使用壽命延長一倍，那么您就可以顯著減少建筑環境的碳排放。”

研究人員現在希望擴大工作規模，開始大規模生產添加劑。該研究還需要繼續實現與混凝土規模的水泥漿規模相同的增強水平。

除了華盛頓州立大學的研究人員外，跨學科團隊還包括來自太平洋西北國家實驗室的研究人員。這項工作由能源部高級研究計劃署能源(ARPA-E)計劃資助，該計劃支持可能導致顛覆性技術的創新和非常規能源技術項目。