纳米添加剂商业化-实验室到市场

2017年7月27日发布

通过纳米技术的应用,现有的燃料、水泥或食品等产品可以通过纳米添加剂/纳米填料在原子、分子或超分子尺度上进行操作,从而提高其物理或化学性能。

基于应用,这种操作可以增强材料的性能,例如提高其强度,使其更轻,甚至可能提高其导电性。石墨烯、碳纳米管(CNT)和量子点是一些可以用于这类目的纳米添加剂的例子。

纳米添加剂通常落入1和100纳米的尺寸范围内,并且通常由无机材料合成。由于它们的纳米尺寸和最小的负载要求,纳米添加剂在今天的行业中是常规填充剂。

使用的纳米添加剂的数量和类型根据最终应用区域而显着变化。例如,二氧化钛通常用于食品工业中,而氧化铈发现大多数应用作为燃料添加剂。碳纳米管具有各种应用,包括电子元件,体育用品,车辆,橡胶等。在纺织工业中,纳米银颗粒用于产生抗微生物织物。除此之外,纳米添加剂也可用于诸如建筑,生物医学,涂料/涂料等的其他行业中。鉴于其目前的范围和正在进行的研发,纳米技术可能会触及生命的各个方面,也许只要在这十年结束时。

以下是一些关注纳米添加剂及其可能应用的主要参与者:

  • 里德先进材料-本公司专门从事收费处理和收费包装服务,研究纳米添加剂如碳纳米管、碳纤维、炭黑、陶瓷等特种化学品,未来将在电子显示器、电池、超级电容器等领域有应用前景。
  • 阿克苏诺贝尔公司-该化学公司提供高性能添加剂,用于优化涂料/涂料材料。他们的一些基于纳米添加剂的产品包括纳米胶体二氧化硅和用二氧化硅纳米颗粒增强的树脂。
  • 杜邦公司-这家领先的化学公司为农业、生物技术和食品工业提供各种添加剂和改性剂。一些产品,如基于tio2的纳米添加剂,在包装行业也很有用。
  • 3M-作为一家跨国企业集团,该公司正在研究应用于牙科、汽车、电子、食品等多个行业的纳米添加剂。
  • 德国汉高-汉高提供纳米陶瓷作为添加剂用于金属表面处理过程。汉高最近还开发了一种使用银纳米线的导电墨水,在电子领域很有用。
  • 丰田中央研发实验室公司- 本集团正在调查汽车行业中应用的材料。丰田中央研发实验室拥有多种创新,包括具有高导热系数的新型碳纳米管以及具有小于1%CNT载荷的聚合物复合材料的电绝缘材料。
  • 纳米结构和非晶材料公司(纳米游戏)-与榜单中其他公司相比,它是一家相对年轻的纳米材料供应商,在研发和制造纳米添加剂(如碳纳米管、纳米纤维、石墨烯、氧化石墨烯等)方面处于领先地位,这些添加剂在电池、导电塑料和导电涂料中得到了应用。

纳米添加剂的类型和结构

纳米添加剂根据其物理结构进行分类。根据物理结构,纳米添加剂主要有三种类型:

  • 纳米粒子这种类型的纳米添加剂,如炭黑、二氧化硅和量子点,具有纳米尺度范围内的所有三个维度。

    对于可用于治疗癌症的药物递送系统,对金纳米颗粒产生了兴趣。这主要是由于其生物相容性和独特的物理和化学性质。
  • 棒状结构这种纳米添加剂具有至少两个尺寸范围内的尺寸。碳纳米管,金属纳米棒和晶须是一些棒状结构,其通常用于各种应用区域。

    最近,碳纳米管在研究人员中受到了极大的欢迎。碳纳米管是折叠的石墨烯薄片,通常是圆柱形结构,其边缘还附着六边形石墨分子。碳纳米管表现出强大的热和电性能,使其成为可行的电子芯片。
  • 平板状结构这种纳米添加剂只有一个维度在纳米尺度范围内,而其他维度可以在几百纳米到微米范围内。这类的一个流行的例子是蒙脱石(MMT)。石墨烯在成功合成石墨烯后,近年来开始受到重要的研究关注。

虽然所有类型的纳米添加剂都能增强目标材料,但纳米添加剂的排列会导致材料的各向异性。在加工方面,由于碳纳米管的棒状结构,更容易排列。与石墨烯相比,它们的成本效益也相对较低,这增加了CNT基复合材料取代碳纤维的可能性。


纳米添加剂和障碍在商业化中的应用

纳米添加剂在几个工业领域的研究和实际应用方面都获得了显着的兴趣。

纳米添加剂的商业化

然而,纳米添加剂在这些行业的使用和商业化也有一些限制。


塑料

纳米颗粒在塑料工业中有两种主要的应用——增强和降低成本。

纳米颗粒有能力增强塑料的物理特性,如防水、抗冲击、导电、防止材料表面的细菌生长,以及使表面更容易清洁或视觉增强。它们还可以大大降低塑料制品的成本,通常是因为添加剂比传统制造中使用的主要粘合剂便宜。用于这些目的的纳米添加剂的一些例子是炭黑、二氧化钛、氧化锌、纳米二氧化硅、碳酸钙、氧化铝和铁。

石墨烯目前是塑料工业中一种很有前途的纳米添加剂,迄今为止在实验室测试中表现良好。例如,飞机行业正在将石墨烯作为添加剂,用于制造具有更高抗压强度、耐高温、减少吸湿的聚合物复合基体。此外,石墨烯的加入还有助于减轻雷击造成的伤害,因为石墨烯的加入可以使结构导电。

由于石油塑料会积累和降解环境,因此,公司引入生物塑料制品,而不是传统的石油塑料产品,也将是朝着环保责任迈出的极其积极的一步。随着纳米技术领域的快速发展和研究,生物塑料也结合了纳米技术,使其具有足够的成本效益,以抵御石油塑料的竞争。

然而,生物塑料在力学性能(如屏障性能)方面不如岩石塑料,目前正在研究开发纳米添加剂来克服这一挑战。目前,在各种可用的硅酸盐中,海泡石是生物塑料最合适的纳米添加剂之一,因为它提供了尺寸稳定性和机械强度,并增加了对气体的阻隔性能。美国组织Ceraplast最近利用二氧化硅和硅酸镁纳米颗粒将许多生物塑料以及生物可降解产品(吸管、盘子、杯子)商业化。

阻碍经济增长

技术在塑料中使用纳米添加剂(如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))的问题是,它们可能会聚集在一起形成大的胶囊状结构,从而使它们成为“非纳米尺寸”添加剂。这种添加剂分布的不均匀性将是进一步研究的重点,以避免对最终产品产生负面影响。

监管:由于某些纳米材料(炭黑,TiO 2)链接的健康风险,当产品堆肥时,生物塑料的处理可能是一个问题,因为在暴露于某些环境因素时可能导致有害反应。这总是,这将是一个巨大的监管障碍。例如,欧洲委员会推荐了一种逐个案例方法,用于纳米材料危害鉴定。我们认为需要更多的研究和经验,这可能会延迟整体产品商业化程序。


橡胶

为了使橡胶具有导电和导热性,需要少量的单壁碳纳米管(SWCNT)负载,这将进一步提高机械性能。然而,与多壁碳纳米管相比,swcnts的适应速度有点慢,这是一个令人担忧的问题,因为它的成本高,加工复杂。OCSiAl,俄罗斯公司开拓这一技术,开发了SWCNT添加剂,可以添加浓度从低至0.01%,价格低于75倍的最接近的类似物,因此创造惊人的可能性垫圈等一系列应用程序,轮胎、电子元件的围墙,等等。

阻碍经济增长

技术:虽然各公司都在开发用于橡胶的纳米添加剂,但在橡胶聚合物基体中添加纳米材料如碳纳米管及其附着力存在问题,主要是因为碳纳米管长径比高,橡胶粘度高。


建设

包括碳纳米管(CNT)、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛在内的各种纳米材料在建筑行业(以及油漆和涂料)的发展和结构维护方面非常有用,提供机械耐久性、防止裂缝,以及抑制细菌和污染物的生长。除了使结构更坚固之外,科学家还在寻找利用纳米技术减少水泥硬化所需时间的解决方案。

阻碍经济增长

技术纳米材料的尺寸不仅是生物医学应用的一个问题,也是建筑领域的一个问题。这些纳米材料通过空气和水传播,在过度接触时对人类健康构成风险。


食物

在食品工业中,纳米技术有助于控制食物的外表,口味,甚至持续多久。二氧化钛(TiO2)是食品领域的主要纳米添加剂。食品的包装还涉及使用纳米技术。Phyllosilicates,基于聚烯烃的纳米添加剂目前用于制造氧气清除食物包装。一些更多的技术/应用还包括使用聚丙烯和聚乙烯屏障来抑制包装中的水分,用纳米银颗粒涂覆食物包装,以使它们抗微生物,并将硅基纳米颗粒嵌入包装中以检测病原体。

阻碍经济增长

技术:在食品部门使用纳米技术的一个重大问题是,包装中使用的纳米材料可能会传播到食品中,影响食品质量和保质期。目前在食品中使用纳米材料的风险也很难量化,因为这一领域的研究还不够广泛。虽然一些初步研究发现了健康风险,但并非所有被调查的纳米材料都是如此。

监管根据最近的一项更新,二氧化钛,最常用的添加剂,由于它与癌症风险升高有关,正在接受审查。由于各种监管机构的严格规定,预计它的使用将受到限制。


生物医学

在生物医学领域,纳米材料被用于两个领域,诊断以及治疗方法。例如,莱斯大学和纳米光谱生物科学公司正在共同开发一种新的治疗方法,使用金纳米壳和激光的结合,用热量摧毁癌症肿瘤,同时保持对邻近健康组织的伤害最小。随着纳米设备的使用,诊断技术也在迅速发展,这种设备可以在人体中穿行并收集数据。除了这些设备,量子点和碳纳米管也被研究作为将诊断数据传送到中央处理系统的载体。

阻碍经济增长

技术虽然纳米添加剂的尺寸是一个优势,但同样的特性使这些材料具有细胞毒性。

监管从监管的角度来看,纳米技术提出了一些巨大的挑战,仅仅是因为目前的监管模式并不是为管理此类革命性技术而设计的。


石油行业

纳米添加剂被添加到燃料中是为了减少发动机排放,抑制摩擦,以及汽车零部件的一般磨损。用于改善燃料和石油性能的主要纳米添加剂包括氧化铈、氧化锌、碳、钴、钛和石墨烯。在生物柴油和柴油的混合物中添加氧化铈是该领域的一个关键研究领域,这一应用有助于显著改善燃料的燃烧,从而减少排放。

阻碍经济增长

技术纳米添加剂对发动机摩擦、润滑和磨损的影响目前尚不清楚,因为这些影响难以长期量化,这给产品开发和商业化带来了挑战。


其他应用程序

在电子行业,3D打印和喷墨打印等增材制造技术正在获得制造传感器和其他部件的吸引力,因为它们减少了材料的浪费。导电油墨是在这种情况下使用的,它们主要是用银纳米添加剂形成的。除此之外,碳纳米管和石墨烯也可以用于半导体芯片,因为它们有更好的导电性和电子流动速率,以及芯片的小型化,硅已经达到了最小尺寸限制,从而取代硅。

在纺织工业中,在织物材料中添加CNT、二氧化硅纳米颗粒、TiO2、ZnO、银,以增强抗菌性能、气味控制、紫外线防护、拒水拒油、抗皱和增强强度

纳米添加剂在金属表面处理涂料、轻型汽车零部件和个人护理产品(如防晒霜)中也有大量应用。

除了特定于应用程序的问题外,还有其他一些障碍。可扩展生产对纳米材料的商业化也是一个挑战,因为它们是由稀缺资源制成的,通过缓慢或复杂的过程制造,所有这些都显著影响成本。鉴于纳米技术产品的研究、完成和商业化之间的平均差距在3至5年之间,企业在获得足够的研发资金方面面临挑战。另一个问题是在生产这些纳米材料产品时减少碳排放,从而使它们达到气候中和和可回收。


结论

基于尺寸和相容性,所有三种类型的纳米添加剂具有不同且宽的应用。研究人员还在调查创新应用领域,可以使用纳米添加剂,让我们对未来可能会看到这一部门的巨大增长的墨水。然而,有些障碍需要通过领先的研究公司,监管和财务来解决。在监管间隙和纳米技术的成功适应之后,确保资金以进一步的研究和开发不应该是一个问题,甚至可能削减了后代的生产成本。未来十年,纳米添加剂市场可能是一个多亿个行业。




这篇文章最早出现在SpecialChem.com上。