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纳米纤维素的应用研究及潜在市场分析
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发布时间:2017/3/22 10:12:46                                     【字号:  】                                             【打印】 
纳米纤维素是一种生物纳米材料,它取之于丰富的可再生资源,具有生物可降解性能,低的环境、健康和安全风险。近来纳米纤维素研究与开发取得了长足进展,其低成本、低密度、优良的物理和力学性能受到业内的注意。简要介绍了纳米纤维素技术状况,应用研究进展及业已十分清晰的潜在市场。 

纳米纤维素; 纳米原纤化纤维素; 纳米晶纤维素; 生物纳米材料;

2 纳米纤维素的市场潜力评估

纳米纤维素优良的使用特性使其在包装材料、
乘用车体复合材料、造纸填料、涂层产品以及混凝
土增强材料等领域已显示出巨大的应用潜力。瑞典
Chalmers大学能源环境部的LCA分析认为:2013年
全球纳米纤维素的试验性产能仅有600 t/a,但其需
求潜力有千万吨。预计2012—2017年间纳米纤维
素的市场将增长500%。
近来纳米纤维素在一些新的高端技术领域亦表
现出良好的使用前景,诸如水与空气过滤介质、保
健与化妆品、临床药液控释、骨骼和组织支架、柔
性可穿戴电子产品、个人防护制品和3D打印材料等。

2.1 纳米纤维素在乘用车体材料上的应用[5]
车体质量大约占汽车质量的1/3,一般情况下
其一半的质量使用结构性的钢材,而以复合材料替
代钢材早已是汽车工业的共识。
美国目前的汽车年产量在1580万辆,其中一半
轻卡,一半轿车。以纳米纤维素复合材料替代汽车车
体钢材,每年乘用车钢材的使用量可节省480万t。
目前开发中的纳米晶纤维素和纳米原纤化纤维素的
密度在1.5~1.6 g/cm3,粗略估算利用纳米纤维素复
合材料可减少乘用车体质量50%。
目前,世界汽车的年产量在8 400万辆,使用
纳米纤维素复合材料替代汽车车体钢材,悲观估计
的替代份额在15%,约270万t;乐观估计替代份
额为50%,达900万t;而以现实的20%市场占有率
计,纳米纤维素复合材料的市场需求也有360万t。

汽车市场上乘用车的质量极少超过2 t/辆,按
美国和中国目前的实际汽车产量,都存在着可替代
的空间,即纳米纤维素复合材料的可替代量在900万
~1 200万t/a上下。
预计2025年乘用车的燃油效率要达到每100 km
432 L的水平,面对高昂的碳纤维成本、艰难的低
成本碳纤维开发以及严苛的碳纤维制造工艺,在汽
车轻量化中使用碳纤维增强材料还需付出巨大的努
力。而纳米纤维素取材于木材,具有成本上的优
势,纳米晶纤维素的成本4~10$/kg,碳纤维的成本
>20$/kg。纳米纤维素的密度仅有1.5 g/cm3,比碳
纤维的1.8 g/cm3、玻璃纤维的2.5 g/cm3低,而纳米纤
维素的强力与密度比是钢材的8倍,碳纤维的2倍,
更具使用上的优势[6]。纳米纤维素技术特征比较见
表2。按美国国家能源局的规划要求,2050年乘用
车的质量要降低50%,因此纳米纤维素复合材料受
到美国汽车业的青睐当属正常的选择。

2.2 纳米纤维素在混凝土增强纤维材料上的应用
近来纳米纤维素添加于混凝土施工的测试中,
显示出其可提高混凝土的强力,改善制品的韧性。
添加质量分数0.5%的纳米纤维素就可提高混凝土
强力20%,水泥消耗量亦可下降17%。
目前全球的水泥产量在33亿t/a左右,每生产
1 t水泥要产生CO2 4.8 t,水泥生产每年产生的废气
占全球的5%。纳米纤维素在混凝土施工中使用,
其综合生态效益相当于全球每年减少5亿t CO2排

放。
根据美国林业产品实验室的研究报告,如果全
球25%的混凝土施工中使用纳米纤维素增强材料,
即可耗用431万t/a纳米纤维素。
2.3 纳米纤维素在卫生保健品和高端吸附材料中的
应用
全球每年一次性尿裤和成人失禁尿片的市场在
980亿片,需要280万t高吸附材料。
纳米纤维素是高性能的吸附材料,用其制作的
尿裤具有生物可降解性能,受到消费者的普遍青
睐。以美国一次性产品市场规模25%的有效使用率
计算,一年可消耗掉纳米纤维素高吸附材料70万t。
中国的婴儿尿裤每年的产量在200亿片[7],每年也
要消耗50万~60万t高吸附材料。

2.4 纳米纤维素在纸浆造纸工业上的使用

纸制品广泛用作包装材料,研究人员成功制得
纳米原纤化纤维素涂层3 g/m2的包装纸制品。该产
品在不降低强度的条件下,可有效减少纸的质量。
美国涂层包装纸市场规模在8 200万t/a,按市场的
需求每年可耗用纳米原纤化纤维素570万t,鉴于
消费者的接受过程,以市场需求的15%~25%份额
计,需要纳米原纤化纤维素85万~140万t。同样的
评估方法,美国涂层纸市场每年纳米原纤化纤维素
的耗用量在35万~60万t。
纳米原纤化纤维素用作造纸填料,可降低成
本,通常的添加量在2%~10%,纸张的强度和韧性
可提高50%~90%。从生态环境角度考量,纳米原
纤化纤维素做纸张填料可减少温室气体排放量的
15%,降低烘干过程的能耗30%。以目前美国纸填
料和包装纸填料市场需求的15%~35%估算,每年
可用于造纸填料的纳米原纤化纤维素80万~150万t。
表3为全球纳米纤维素潜在的大容量市场的需求估
计,表4为全球纳米纤维素潜在的低容量市场的需
求估计。

 

 

 

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