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碳纳米管(CNTs)商业化:过去,现在和未来

2018-05-10  来自: 山东华企新材料科技有限公司. 浏览次数:1095

碳纳米管(CNTs)商业化:过去,现在和未来






小烯导读

碳纳米管(CNTs)已经被研究发展近三十年了。在这段时间里,他们历经这样一个发展过程,开始被大肆宣传炒作,逐渐成为学术研究领域里的热点,使其热度达到了,然后几乎消失在幻灭的低谷。在本文中,我们将回顾CNTs商业化的演变进程。



碳纳米管(CNTs)已经被研究发展近三十年了。在这段时间里,他们历经这样一个发展过程,开始被大肆宣传炒作,逐渐成为学术研究领域里的热点,使其热度达到了,然后几乎消失在幻灭的低谷。在本文中,我们将回顾CNTs商业化的演变进程。我们会通过考虑多年来累积的产能和价格变化来实现这一目的。这是一份综合性的报告,提供了阶段性市场预测,回顾生产流程及其应用,以及对商业中的主要参与者进行了深入了解。


首先来了解一些背景。在石墨烯和许多其他类似的碳添加剂材料中,没有单一类型的CNT,其他类型很多。我们呈现了CNT的多样性,根据其管的长度和直径绘制了市场上碳纳米管的形态。值得注意的是,直径范围从一纳米到数百纳米,将CNTs从单壁CNTs(SWCNTs)转变为多壁CNTs(MWCNTs)和碳纳米纤维。


同样需要注意的是,可用长度范围是从几微米到两毫米。此外,每种CNTs都是不同的材料,生产过程、方式不同,价格也不同,加工处理不同,用途也不同。如此的多样性在价格方面也得以证明,我们已经删除了确切的数字,但可以确定这个价格跨越了六个数量级,再次强调了不同碳纳米管是不等同的碳材料。


在本文中的其余部分,我们主要讨论多壁碳纳米管MWCNTs,因为它们是市场中的主要形式,在近末尾处,强调了一些关键尝试,即寻找更容易获得且价格可承受的单壁碳纳米管SWCNTs。


CNTs的商业化轨迹介绍。多壁碳纳米管MWCNTs主要使用C-CVD(催化化学气相沉积)工艺生产而来。这种方法已经以不同的方式扩大化了,例如浮动催化剂,流化床等。生产中关键因素是温度,含碳气体,反应时间(停留时间)和催化剂。后者可以由Co,Fe等制成,它对于CNTs的形貌和转化率是至关重要的。我们呈现了多壁碳纳米管MWCNTs累计的产量演变情况,该图很好地表明了CNTs商业化进程。需要注意的是,其商业化开始于2005/2006年左右,随后迅速发展,导致急于生产。这就将工业推向了产能过剩的状态,更糟糕的是,许多企业生产的碳纳米管不足以有效取代炭黑。导致的结果是,面对令人失望的前景,一些人离开了这个行业,但也会有新人加入到该行业中,导致总产能保持不变。


重要的是,CNTs的利用开始率缓慢上升。现在市场已经进入了一个CNTs数量增长时期。多壁碳纳米管MWCNTs在导电塑料上的应用已经很完善并且正在扩大。它也被添加到像弹性体这样的新聚合物中。更重要的是,它在电池中的应用越来越多。电池市场是一个自动扶梯式市场,比如电动汽车需要大型电池在高充放电状态下工作,导致其本身就应该平稳的快速增长。一般来说,与大多数碳基材料一样,CNTs具有多样化的目标市场,使其应用前景更为广泛。我们评估的增长需求将随着产能提高而显现出来。该过程已经在韩国开始,一年多以前,韩国已有400吨的设施上线,这一趋势仍将持续下去。


与石墨烯一样,CNTs通常是一种替代添加剂。因此,他们必须根据目前产品设定的参考市场价值,在价格和性能方面有所竞争力。这将会带来成本下降的压力,因此,该行业不得不削减生产成本。在这方面,它取得了很好的成功。这里也呈现了CNTs的价格变化。蓝色点表示骨过去的价格,而红色点代表我们未来预测的情况。准确数值已删除,但是我们可观察到这样一个趋势:其价格降低了2个数量级。在价格和数量方面的竞争力已经使得MWCNTs的供应业务大大商业化。其中生产成本不仅会受到工艺诀窍及技术的影响,包括催化剂技术,但是也和投入有很大关系,比如原料和能源等。当我们谈到商品化时,并不意味着材料质量上的所有差异都消失了。事实上,正如本文开始提及的那样,许多碳纳米管CNTs类型都在市场上销售,多壁碳纳米管MWCNTs也是如此。质量上的差异要取决于应用,使得表现为较小的价格差异。从这个意义上讲,尽管价格竞争激烈,市场仍保留其特有的化学特性。多壁碳纳米管MWCNTs不再是一种新奇的材料,但并不是说对它们的革新已经停止。例如,现在公司在生产长的碳纳米管CNTs(长达2毫米)上取得了良好的进展,这可以引入到宏观上的纱线中,从而有一系列应用价值。其新的功能化和分散方法也在不断地被报道。


关于其他CNTs类型。由于SWCNTs具有较高的表面积和体积比值,因此在单根管应用上具有优异的性能。然而,它们更难以生长并且昂贵,作为混合金属和半导体类型,即使重量%水平可能低得多,也很难分散开来。结合这三个特征,会使得其市场会局限于一些利基电子设备。一些公司正在通过提供一种更实惠和可利用的SWCNT来改变这种状况。特别地,俄罗斯的一家公司已成为范围内SWCNT的数量和价格者,推动SWCNT在其市场定位中更接近高性能的多壁碳纳米管MWCNT。这些SWCNT可能在某些应用中作为MWCNT的替代品,而具备一些市场竞争力。但更有趣的是,尽管它们的杂质水平中等或较高(在生长过程中),它们仍将开发出一些新应用。比如一个有趣的应用是它们可以成为彩色(相对于黑色)的导电粘合剂。该应用是有可能的,因为其负载量非常低,以至于颜料可以被混合均匀并保持其本身的效果。我们评估MWCNT和类似的SWCNT将首先找到市场,向客户提供这种额外价值,即使他们在成本上仍然无法直接竞争。

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Figure1.两种主要纳米材料(石墨烯和碳纳米管)的发展曲线,其中多壁碳纳米管(MWCNTs)现在正处于其增长阶段。

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 Figure2.左图是市场上不同CNTs的形貌特征;右图是不同类型CNT的价格情况。

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Figure3.左图是MWCNTs过去和预测的价格变化与时间的函数关系,准确数值已被删除,但可以明显观察到价格几乎降低了100倍;右图是累计产能和时间的函数关系,展现了市场演变状况。

该文章来源于IDTechEx,由Dr Khasha Ghaffarzadeh提供,原文:Carbon nanotube (CNT) commercialization:past, present and future。更多的信息请参考报道:Graphene, 2D Materials andCarbon Nanotubes: Markets, Technologies and Opportunities 2018-2028。该报道提供了CNT和石墨烯市场综合的分析,也涵盖了生产工艺,应用和超过140位的参与者,还提供了一些阶段性市场预估。


资料来源:IDTechEx,石墨烯资讯编辑整理,转载请注明出处


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