就纳米让世界更美

纳米, 让世界更美

———碳纳米管料(CNTs ) 加工的塑料制品市场潜力巨大, 预计纳米复合制品将部分地替代传统的加强型塑料制品, 应用于建筑业、汽车部件、生活用具和体育用品、包装材料、电子组件及应用于诸如太空飞船和军工设备之类高性能的产品。但因健康和安全问题备受质疑

快速浏览一眼纳米复合材料的世界, 给人的印象就是: 说的多,干的少。使用已公开的纳米材料进行商业化运作的厂商的数量可以说是屈指可数。

因此, 本文可能给人带来一个惊喜: 世界多壁碳纳米管料(MWNTs) 的头号供应商HyperionCatalysis 公司(马萨诸塞州, 坎布里奇)称, 当前美国生产的汽车大约有60%把该公司的产品配套使用于燃油管线之中以阻止静电的积聚。该公司说, 之所以取得了这一令人印象深刻的市场地位, 是因为含有复合物质的纳米管料简化了燃油管线的生产流程( 省去了复杂的复合挤压加工) , 其成本比用其他方式进行生产更具竞争力。

这些纳米管料( Hyperion 公司的品牌名称叫Fibrils) 在用于车身外部部件的某些复合材料之中也有所见, 它能够使这些部件在进行静电喷涂处理时不会影响热塑性塑料的韧性。这些纳米管料还被广泛使用于电子产品( 如硬盘的驱动盘和晶片托架产品) 之中。在这些产品中,纳米管料的抗表皮脱落性能胜过像炭黑之类的其他导体填充材料。

Hyperion 公司没有说明哪些特定的汽车产品含有Fibrils 品牌材料,销售和营销经理帕特- 科林斯只是说, 公司正在与防护板用途的工程热合塑料的所有主要的供应商进行洽谈。GE 塑料公司过去曾使用过Fibrils 品牌材料, 但不清楚现在是否还在使用; 在汽车应用方面, 成本是关键, 尽管增加的水平才有2%之低, 但多壁碳纳米管料并不便宜( 据说每公斤超过750 美元) 。同时,Hyperion 公司正在努力扩大它的业务( 它把纳米管料预先分散为复合材料和浓缩材料出售, 并不把它们作为纯纳米管料出售) 。它也寻求进入更多的细分市场销售。

“我们从未见过无需代价的纳米管料”

科林斯说, 该行业的复合加工需要克服两个难题。第一, 纳米添加剂很难分散, 原因在于高强度的范德华力使得纳米添加剂聚集在一起。但Hyperion 公司已经开发出进行纳米材料复合加工的特殊的设备。其次, 顾客担心健康和安全的争论在纳米技术界里正在变得愈来愈明显。“ 但一旦纳米管料被模塑加工成塑料制品, 健康和安全就无问题了。” 科林斯说, “ 你可以对构件制品进行磨砂抛光处理, 并且你会对个性化的纳米管料爱不释手。”

那么Hyperion 公司本身对健康和安全采取了什么措施呢? “ 我们竭尽全力确保整个加工流程是全封闭的。我们从未见过无需代价的纳米管料。”

科林斯说, Hyperion 公司还和许多其他公司一道研制开发单壁碳纳米管料。单壁碳纳米管料( SWNTs) 不但比多壁碳纳米管料具有更好的导电性能, 而且还具有更好的机械性能。尽管回报将是巨大的, 但要耐心等待。目前, 所有的生产过程实质上都是在实验室范围内进行, 产品成本高达每克500 美元, 而且在进行工业化生产之前,还有许多技术障碍需要克服。

尽管如此, 进展还是有的。碳纳米技术有限公司( 德克萨斯州, 休斯顿) 目前正在建造一间实验工厂,日产能力约为100 磅( 45 公斤) 。该公司的总裁兼首席执行官波卜·高维期望实验厂“ 在第三季度做些早期试验性生产。我们的计划是在2005年建造一座更大的工厂。”

据高维称, “ 碳纳米技术有限公司( CNI) 在全球大约400 个场所有我们的产品。我们有些客户表示他们已接近商业化应用, 包括和他们的顾客一起对产品做试验。”“我们和我们的许多客户签有保密协议, 因此无法谈及具体的内容。”高维说。

“但是, 应用范围包括平面仪表显示板、电子产品、静电驱散、电磁防护、但是依然需要注意高强度复合材料和纤维,以及燃料箱。”

单壁纳米管料实现生产

英国首例商业化生产加工高纯度的单壁纳米管料, 是本年度早些时候由实力雄厚的化工公司托马斯- 斯万有限公司( 孔塞特, 英国) 委托的。“ 商业化生产质量稳定和价格适宜的碳纳米管料, 其初衷是为广阔的工业应用释放出这些材料的潜力。” 该公司说。该公司将以每克350 美元的价格销售Elicarb 品牌的纳米管料。“本公司现在有能力动用库存供应以公斤计量的订单。但是在工厂开工不足一个月或者收集到准确和可靠数据之前, 公司对生产能力持保留的态度。”公司的一位代表说。2004 年2 月份, 碳纳米技术有限公司公告称取得一项专利, 称之为“纳米技术在现实世界应用发展的心脏中枢”。它描述了碳纳米管料与其他品种基料的关系: “ 极大地提高了碳该结构保证机架有足够的刚度纳米管料的潜力并扩展了它们的终端使用范围”。理查德·斯莫尔西把获得诺贝尔奖的技术独家许可给了碳纳米技术有限公司( CNI) 。该公司引用理查德·斯莫尔西的话说: “ 获得此项专利技术而又无法提高碳纳米技术的应用, 这是难以想象的。”该专利能够“戏剧性地改进”一种新等级的纳米复合产品和纤维的物理性能。

2004 年4 月份, 兹维克斯公司( Zyvex Corp. ) 引进了以纳米管料为基础的头两个添加剂产品, 用于纳米制品( NanoSolve) 生产线, 生产聚氨酯。其中一种添加剂以单壁纳米管料为基础, 另一种以多壁碳纳米管料为基础, 它们都来源于外厂。该公司说, 这些添加剂提高了主料的传导性能和机械强度。传导性能可提高10 个级别。兹维克斯公司考虑在印刷品、汽车部件、热合管、地板铺设和其他领域里进行应用。工厂里有生产其他塑料制品的添加剂, 包括环氧树脂制品、聚碳酸酯制品、聚苯乙烯和一种为美国军方生产的机密材料。

兹维克斯公司已经开发出表面处理技术工艺, 据说能在多种溶剂( 包括水) 中出色地分散碳纳米管料( CNTs) , 同时可提高碳纳米管料和主要基料之间的相互作用。一道架在碳纳米管料侧壁和主料之间的多功能的“桥梁” 包括两个主要的向量: 一个向量趋向纳米管料粘附,另一个具有趋向主料粘附的性能。纳米材料方面的高级工程师马克·巴纳什说, 用兹维克斯公司的“Kentera”工艺技术加工, 得到的聚合物和纳米管料之间的粘合水平, 远远高于纳米管料自身之间的粘合力。他还说, 粘合具有很强的抗热循环的性能。

兹维克斯公司还与美国国家航空和宇航局( NASA) 签订有两年的工作合同, 和位于达拉斯市的德克萨斯大学纳米技术学院合作, 研制一种据称是世界上最坚韧的材料。美国国家航空和宇航局需要新的材料改良航天飞机、发射运载工具并改进太空站的性能。

优势及挑战

巴纳什估计市场能够承受纳米管料居高不下的价格。“ 我们在塑料制品市场上已经干净利落地扳倒了煤炭完成38%那些大玩家, 因为他们以为这是炭黑的一种替代品。其实它不是一种大宗的化工原料。在某些情况下, 单壁纳米管料卖到每克500 美元。不过, 我们正在瞄准那些在汽车行业里采用此项技术的人, 他们需要一种竞争优势, 而且现在就需要。我们正在洽谈一些使用很低量填充物的东西, 以重量计在某些情况下只用一个百分比的四分之一的量。如果你有每磅20 美元的树脂,你说加价2 美元就会得到性能大大提高的树脂, 人们对此是能够认同的。”

首先, 佛里多尼亚集团( FreedoniaGroup) 的执行官提供了好消息, 该集团对纳米复合制品市场做了一份新的详细报告, 摘要如下:美国市场对纳米复合制品的需求, 预计2008 年增加到34500 万磅(158, 000 吨), 2020 年接近110 亿磅( 500 万吨) , 价值达370 亿美元。

那时候, 预计纳米复合制品将部分地替代传统的加强型塑料制品,应用于建筑长链份子的接触会产生相互缠结的份子刚性丛业、汽车部件、诸如生活用具和体育用品之类的消费品、包装材料、电子组件和其他设备,以及应用于诸如太空飞船和军工设备之类高性能的产品。

现在, 我们来看看坏消息, 这是《华盛顿邮报》最新的一份报告提供的:

“研究已经表明, 纳米粒子在环境中能够扮演有毒物质的角色, 并且能够在动物的肌体内积聚。在1月份发表的有关工程纳米粒子对健康影响的头两项研究已经证明: 它对肺的损害比常规的有毒灰尘更为严重 在加利福尼亚州, 有些人正在试图阻止一个纳米技术工厂的建造, 因为他们注意到政府机构没有制订纳米产品的安全法规。另外的一些人则希望在风险弄清楚之前,应该全面叫停。”

然而, 也不要以为纳米技术工业如同孟山都和其他人所做的基因改良作物一样走进了死胡同。不用多久, 纳米世界就会重现生机。正如《纳米工艺技术: 下一个能成大器者》一书的作者马克·拉特内所坚信的, 人们已经从基因改良的灾难中吸取了教训。纳米粒子的生产商辩称, 他们的产品一旦变成复合制品就是安全的。况且, 全世界的政府机构正在为纳米技术注入成百上千万的资金。但出于对“ 万一是又怎么样” 这种说法政治上的敏感,不能排除至少在纳米技术发展的某些领域可能会有所限制。

碳纳米技术有限公司( CNI) 的总裁兼首席执行官波卜·高维引用美国政府机构全国职业安全和健康协会( NIOSH, 该协会参观了该公司的设施) 的一项研究结果: “他们的结论是, 在正常搬运的条件下, 有很微量的经过加工处理的浓缩物的气味。他们得出这样的结论: 之所以如此,是因为在正常的条件下单壁纳米管料不是作为单个结构的分子存在, 而是作为含有上百万或者更多的各种系列的个性化的纳米管料而存在。”

托马斯- 斯万有限公司的总经理戴·海华德说:

“我们正在竭尽全力地研制开发使用碳纳米