研究人员用虾壳纳米粒子改善水泥

将虾壳中的纳米粒子放入水泥浆中，使材料的强度显着提高——这项创新可以减少海产品浪费并降低混凝土生产中的碳排放。华盛顿州立大学和太平洋西北国家实验室的一个研究小组在《水泥和混凝土复合材料》杂志上发表了一篇报道，他们从废弃的虾壳中创造了甲壳素的纳米晶体和纳米纤维，甲壳素是自然界中第二丰富的生物聚合物。当这些微小的几丁质(大约比人类头发小1000倍)添加到水泥浆中时，所得材料的强度提高了40%。水泥的凝固时间，或硬化需要多长时间，也延迟了一个多小时，这是长途运输和炎热天气混凝土工作的理想特性。

“混凝土行业面临着减少水泥生产碳排放的压力，”加州大学戴维斯分校副教授、华盛顿州立大学领导这项研究的SomayehNassiri说。“通过开发这些提高混凝土强度的新型外加剂，我们可以帮助减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关键基础设施，如建筑、桥梁和道路。它是地球上仅次于水的最常用材料。水泥生产是碳密集型的，需要使用化石燃料才能达到所需的高温(1500°C)。其生产中使用的石灰石也会分解产生额外的二氧化碳。水泥生产占全球工业能源消耗的约15%，占全球温室气体排放总量的约5%。Nassiri说，这种材料的高消耗部分还受到耐久性挑战的影响——混凝土容易开裂，必须经常修理或更换。

与此同时，海产品废物是渔业的一个重大问题，全球每年产生600万至800万磅的废物。华盛顿州立大学复合材料与工程中心研究助理教授、该论文的通讯作者李慧说，大部分废物都被倾倒在海里。

“在当今世界，通过循环经济应对气候变化，我们希望尽可能多地利用废料。一个人的废物是另一个人的财富，”他说。

研究人员一直致力于使用类似的常见生物聚合物纤维素来改善混凝土。有时纤维素添加剂会帮助混凝土，有时则不会。研究人员对原因感到困惑。

在他们的工作中，WSU团队研究了纳米级的几丁质材料。螃蟹、虾和龙虾壳由大约20-30%的几丁质组成，其余大部分是碳酸钙，这是另一种有用的水泥添加剂。与纤维素相比，分子尺度的几丁质恰好有一组额外的原子——一个官能团——使研究人员能够控制分子表面的电荷，从而控制它们在水泥浆中的行为。

“能够控制表面上的电荷是控制它们在水泥中的功能的重要部分。我们可以非常简单地在几丁质上做到这一点，因为羧基位于几丁质聚合物中，”WSURegents教授迈克尔沃尔科特说，该论文的通讯作者。

强化水泥浆的成功归结为颗粒如何悬浮在水泥浆中以及它们如何与水泥颗粒相互作用。

“几丁质纳米颗粒足以排斥单个水泥颗粒，从而改变系统内水泥颗粒的水合特性，”他说。

当他们将加工过的几丁质纳米晶体添加到水泥中时，他们能够改善和瞄准其特性，包括其稠度、凝固时间、强度和耐久性。他们看到混凝土弯曲的强度提高了40%，压缩能力提高了12%。

“这些都是非常重要的数字，”沃尔科特说。“如果您可以减少使用量并获得相同的机械功能或结构功能并将其使用寿命延长一倍，那么您就可以显着减少建筑环境的碳排放。”

研究人员现在希望扩大工作规模，开始大规模生产添加剂。该研究还需要继续实现与混凝土规模的水泥浆规模相同的增强水平。

除了华盛顿州立大学的研究人员外，跨学科团队还包括来自太平洋西北国家实验室的研究人员。这项工作由能源部高级研究计划署能源(ARPA-E)计划资助，该计划支持可能导致颠覆性技术的创新和非常规能源技术项目。