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现金网:寻找芬兰在森林中的未来 阿尔托大学的研

时间:2018-11-08 18:50

来源:未知作者:admin点击:

现金网  因此,纸张和其他木制品是芬兰经济的基石也就不足为奇了。令人惊讶的是,今天芬兰只有20%的出口来自其森林 - 低于20世纪初的80%。
 
世界在变化。报纸正在关门,带走了对纸张的需求。金属和复合材料正在取代建筑材料中的木材。即使网上购物的兴起以及随之而来的纸板热潮也没有停止下滑。 2000年持续增长100年的部门稳定下来。
 
这可能会给芬兰造成灾难。但是这个森林覆盖的国家已经在墙上看了很长时间。 20世纪90年代末,芬兰工业界,学术界和政府的代表多次聚集在一起制定计划。芬兰已经看到了采用新技术的价值在其最成功的故事之一:诺基亚。这家芬兰工业巨头 - 顺便说一句,它起初是一家造纸公司 - 剥离了轮胎,计算机和其他部门,全力以赴开发手机,这一决定使诺基亚在全球范围内成为家喻户晓的名字。也许,芬兰的领导人认为,木材业也可以转向。也许科学和技术可以提供帮助。
 
去年,源自这些会议的计划的一部分取得了成果。位于赫尔辛基郊外的阿尔托大学开设了生物制品和生物系统部门,这些研究人员在Bio2工作。
该大学的林产品技术部门与其生物化学和生物技术团队相结合,创建了新的单位。 Herbert Sixta主席解释说,此举将研究人员聚集在一起,以创新的方式思考木材及其化学成分。
 
Sixta说,Bio2的重点 - 寻找新的和更好的木材使用方式 - 与森林产品技术部门的工作有很大的不同,“但我们现在拥有的工具是不仅限于工程和化学。他们已经扩展到生物技术和生物化学。“
 
经过改造后,该部门远远超出了纸面。 Sixta的研究重点是用木纤维制造纺织品。他的同事正在使用木材制造纳米晶体和纳米颗粒,可以提供药物,促进反应和过滤化学品。他们试图为林产品领域注入新的活力。
 
“阿尔托是芬兰和欧洲这一领域的领先大学之一。他们的表现非常出色,“芬兰就业与经济部企业和创新部门负责人米卡·阿尔托说。 (阿尔托是芬兰的一个普通姓氏。)
 
Bio2的形成反映了芬兰发生的更大变化。阿尔托大学距离赫尔辛基理工大学,赫尔辛基经济学院和赫尔辛基艺术与设计大学于2010年成立,距离阿尔托大学不到十年,每个大学都有一个多世纪的历史。
 
这个青少年大学以芬兰最着名的儿子,建筑师阿尔瓦·阿尔托(Alvar Aalto)命名,被视为该国向高科技经济过渡的一部分。微软,诺基亚和其他公司在其校园内或附近都有孵化器,以前是1952年夏季奥运会的举办地。
 
吸引来自芬兰以外的公司,研究人员和资金是阿尔托崇高目标的一部分。像木材工业一样,该大学希望在新世纪重塑自我。
 
为了促进这一点,芬兰在其大学,企业和政府研究机构之间促进了思想和资金的协作交流。 Bio2的网站列出了数十个行业合作伙伴。一个是芬宝纤维,它用木材生产纸浆和其他生物产品。 “我认为在像芬兰这样的小国,密切合作是成功的关键,”Metsä研究副总裁Niklas von Weymarn表示,该公司严重依赖阿尔托和其他大学的研发机构来支持其产品创新。
 
看到树的分子
要了解芬兰发生的事情,首先要了解木材。它有两个主要的结构组成:纤维素和木质素。

芬兰纸浆和造纸公司斯道拉恩索公司研发副总裁蒂莫·海卡(Timo Heikka)说:“当你看到木材和树皮时,自然界已经形成了美丽的分子。”
 
纤维素是d-葡萄糖分子的线性多糖,其质量约占木材的一半。它是已知时间最长的天然聚合物,它提供了木材的拉伸强度 - 在材料破裂之前可以拉出多少材料。
 
木质素是一类分子,赋予木材抗压强度 - 材料在破碎前能承受多大的负荷。木材干质量的五分之一到三分之一是木质素。化学上,木质素是交联的酚类聚合物。
 
其余的木材质量充满了支链多糖半纤维素,迄今为止,它在工业上的用途较少。分离纤维素,木质素和半纤维素是木材加工的第一步。砍伐的树木被磨成碎片。这些可以在氢氧化钠和硫化钠的碱性溶液或亚硫酸的酸性溶液中蒸煮;两种方法都可以分解并溶解木质素和半纤维素以形成粘性物质。剩下的主要是纤维素纸浆,将其卷起并干燥以制成纸。
 
传统上,制浆厂将锅炉(一种称为黑液的碳氢化合物混合物)作为锅炉或发电机中的燃料燃烧。
 
现在芬兰正在发生的事情的哲学是,鉴于构成木材的分子的结构复杂性和特性,科学家们可以比黑液和木浆做得更好。
 
以Sixta的纺织品实验室为例。用木材制造纤维并不是一个新想法。法国科学家Hilaire de Chardonnet制造了一种“人造丝” - 我们现在称之为人造丝 - 在19世纪80年代挤出纤维素混合物。
 
来自木纤维素的人造纤维长期以来一直是芬兰木制品行业的特色,但最后一家生产它的传统工厂在20世纪90年代关闭。它陈旧,低效,对环境不友好。 “但需求仍在增长,因为人口仍在增长,平均生活质量正在提高,”von Weymarn说。 “那么我们在哪里获得纤维呢?这是森林工业看到新机遇的地方。“
 
Sixta提出了一种更节能的方法:使用离子液体溶解纤维素,然后将其纺成人造丝纤维。他在赫尔辛基大学与IlkkaKilpeläinen一起开发了1,5-二氮杂双环[4.3.0]非5-乙酸乙酯。
 
离子液体可以在低于90℃的温度下从木浆中溶解纤维素。研究人员将所得溶液旋转成纤维。根据公布的结果,这种所谓的Ioncell工艺生产的纤维具有比其他纤维素衍生纤维更好的物理性能(Textile Res.J。2015,DOI:
 
10.1177 / 0040517515591774)。 Sixta正致力于完善离子液体的回收过程,从而提升Ioncell的绿色信誉。
 
阿尔托研究人员在2014年时装秀上展示了他们的新纤维,由芬兰设计公司Marimekko首次亮相。现在像MetsäFibre这样的公司正在与Sixta合作,以找出如何将Ioncell工艺商业化。
“这是一个非常好的例子,研究团体标志着机会和公司[资本化],”von Weymarn说。

使用纤维素制造纤维是一种自然的选择,但它不是唯一的选择。阿尔托大学的化学工程师Orlando Rojas使用不同形式的纤维素:纳米晶体和纳米纤维。
 
在木材和其他植物中,纤维素聚合物结合在一起形成原纤维,原纤维又组装成较大的纤维束纤维。这些原纤维具有紧密堆积的结晶区域以及较少有序的无定形部分。
 
酸可以穿透无序区段并水解聚合物,切割出被称为纤维素纳米晶体的细小,坚硬的棒状区段。 Rojas已经发现了许多使用这些纤维素纳米晶体的方法,这些方法只是纳米纤维素这类材料中的一种。在水中,它们形成网状以形成粘性水凝胶。 Rojas与石油公司Halliburton共同申请了一项专利,该专利使用这些晶体来增加钻井液的粘度,从而实现更好的隔热,润滑或水力压裂。
 
对于丰富的木质分子来说,这可能是最不优雅的应用。因为纤维素完全由d-葡萄糖组成,所以纳米晶体本身是手性的。这使得它们可以用于过滤或检测对映体化合物。 Rojas的同事不列颠哥伦比亚大学的Mark MacLachlan证明,纤维素纳米晶体可以作为制造这种过滤器的模板,产生具有手性孔的二氧化硅薄膜(Nature 2010,DOI:10.1038 / nature09540)。
它们也可用于赋予材料颜色。像甲虫和蝴蝶这样的昆虫以在壳和翅膀中使用纳米结构来产生闪烁的色彩而闻名。这些结构依赖于几丁质来折射光并产生新的色调,但纤维素纳米晶体可以做同样的事情。
 
它们的手性使得细小的棒状颗粒呈螺旋状扭曲;调整它们的长度可以调整它们产生的不同颜色。 Rojas发现,源纤维素水解得越多,纳米晶体越小越结晶,反射光的波长越短,产生从蓝色到白色的颜色(小2017,DOI:10.1002 / smll.201702084)。
 
纤维素并不是将Rojas和Sixta联系在一起的全部。两人都是芬兰的局外人。 Rojas来自委内瑞拉,通过北卡罗来纳州立大学来到Bio2,Sixta来自奥地利。这是他们在阿尔托的部门的一个主题,Dean Janne Laine说原始森林产品技术部门只剩下两名成员。
 
推动芬兰木制品行业现代化的同时,阿尔托正在努力使自己更加符合其他西方大学。 Sixta自豪地说,该部门约65%的资金 - 约780万美元 - 来自外部竞争性拨款,其中许多来自欧盟。


木质素通常是纤维素的第二小提琴。 从树木和植物中提取的木质素的百分之九十五被燃烧以发电。 木质素可以是化学上的疼痛; 而纤维素是有序的和均质的,木质素是化学上不同的混乱。
 
Bio2的化学家MonikaÖsterberg谈到了木质素的复杂性,“它的结构可能永远都不会被人知道。”
 
但是这种混乱让Österberg有了很多工作要做。 她找到了制造木质素纳米粒子并改变其特性的方法,因此它们可用于各种应用。
 

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