¿Cuáles son las perspectivas de aplicación de la nanotecnología? ! ?
Datos principales de este artículo: tamaño del mercado de nanomateriales de China; nanotubos de carbono; grafeno; datos del mercado de nanocarbonato de calcio
Resumen industrial
1 Definición: materia de partículas ultrafinas
En términos generales, los nanomateriales se basan en al menos una dimensión del espacio tridimensional dentro del rango de nanoescala o materiales dentro de este rango de escala como unidad estructural básica. Un término general para ultrafino. materiales particulados. En general, se cree que los nanomateriales deben incluir dos condiciones básicas:
2. Análisis de la cadena industrial: La cadena industrial es enorme.
La fase inicial de la cadena industrial de nanomateriales es el suministro de materias primas y equipos. El equipo incluye principalmente trituración, mezcla/dispersión, pruebas y otros equipos relacionados con la preparación y procesamiento de nanomateriales.
La etapa intermedia de la cadena industrial es la producción y preparación de nanomateriales, incluidos nanopolvos, nanopelículas, nanofibras y nanobloques, así como polvos de nanocompuestos, líquidos nanomagnéticos, materiales de nanorecubrimiento y nanocompuestos como fibras y metales modificados. /matrices cerámicas/plásticas.
El downstream de la cadena industrial incluye aplicaciones en información electrónica, nuevas energías, biomedicina, productos químicos para la construcción, prendas de vestir y textiles, conservación de energía y protección ambiental, mejora estructural y otros campos.
Historia del desarrollo industrial: La industria entra por la vía rápida
En ingeniería, la historia de la preparación y aplicación de nanomateriales se remonta al menos a hace 1.000 años. Por ejemplo, en la antigua China, el humo de las velas encendidas se utilizaba para producir negro de nanocarbono, que se utilizaba para fabricar tintas y tintes. Después del análisis, la capa antioxidante en la superficie de los espejos de cobre chinos es una película de nanodióxido de estaño. Antes de 1990, la industria de la nanotecnología se encontraba en su etapa fundacional. Después de 1990, los nanomateriales y la tecnología entraron en una etapa de rápido desarrollo. Consulte las opiniones expresadas por M.C. Roco, presidente de la Rama de Nanociencia, Ingeniería y Tecnología del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de los Estados Unidos, en el Simposio de la NSF de 2002 en los Estados Unidos. El proceso de desarrollo específico es el siguiente:
Estado actual del desarrollo industrial
1. Situación general de la industria: Impulsada por las necesidades tecnológicas, la industria se está desarrollando rápidamente.
En los últimos años, con la mejora de la tecnología de producción de nanomateriales y el aumento de la demanda posterior, la escala del mercado de nanomateriales ha mostrado una tendencia de rápido crecimiento. Según Frost; los datos de Sullivan muestran que el tamaño del mercado de la industria de nanomateriales de China ha crecido de 48,13 mil millones de yuanes en 2065, 438 2008 a 79,10 mil millones de yuanes en 2065, 438 2008, con una tasa de crecimiento anual compuesta de 13.2. Con la mayor expansión de la demanda del mercado transformador y la madurez gradual de las tecnologías relacionadas, la tasa de crecimiento del tamaño del mercado de la industria de nanomateriales de China ha aumentado desde 2019. De cara al futuro, basándose en el desarrollo del mercado de la industria de nanomateriales, inicialmente se espera que el tamaño del mercado de la industria de nanomateriales de China alcance los 124,15 mil millones de yuanes en 20216.2.
2. Segmento de mercado 1: Nanotubos de carbono: utilizados principalmente en el campo de las baterías de litio
-Rendimiento y aplicación: excelente conductividad.
Los nanotubos de carbono (CNT) son uno de los principales nanomateriales utilizados actualmente en la producción industrial en mi país. Como nuevo tipo de material estructural de carbono, su morfología microscópica es la de un tubo circular coaxial. La pared del tubo está compuesta por varias capas de átomos de carbono y tiene una estructura hexagonal regular. El tamaño radial (a lo largo del tubo) es de micras y el tamaño axial (sección transversal) es de nanómetros, por eso se les llama nanotubos de carbono.
Con la tendencia de alta densidad energética, la permeabilidad de los nanotubos de carbono aumenta año tras año debido a su mejor rendimiento. En comparación con el negro de humo, los nanotubos de carbono tienen una mejor conductividad eléctrica. Bajo el mismo efecto conductor, la dosis es solo de 1/6 a 1/2 de negro de humo.
Especialmente cuando la conductividad de los materiales catódicos ternarios con alto contenido de níquel y los materiales catódicos a base de silicio es relativamente pobre, la demanda de nanotubos de carbono está aumentando. Además, los nanotubos de carbono pueden mantener una buena conducción de electrones e iones durante el ciclo de la batería de litio, aumentar la densidad de energía y mejorar en gran medida el ciclo de vida de las baterías de litio. Por lo tanto, los nanotubos de carbono, como nuevo agente conductor, se utilizan gradualmente en el campo de las baterías de litio para mejorar la conductividad, el ciclo de vida y la densidad energética de las baterías de litio.
Estado del mercado: los nanotubos de carbono han entrado en la "edad de oro"
Con el rápido desarrollo del mercado de vehículos de nueva energía, los requisitos de velocidad, baja temperatura, carga rápida y energía La densidad de las baterías de energía está aumentando. Los requisitos aumentan constantemente. En comparación con los agentes conductores tradicionales, los agentes conductores de nanotubos de carbono pueden mejorar significativamente el rendimiento de la batería. Impulsados por la demanda de baterías de litio de alta densidad de energía, los envíos de suspensiones conductoras de nanotubos de carbono mantendrán una tendencia de alto crecimiento. Los datos de GGII muestran que los envíos de pasta conductora de nanotubos de carbono de China en 2021 serán de 78.000 toneladas, un aumento interanual de 62,5, y la tasa de crecimiento anual compuesta de los envíos de 2016 a 2021 será de 41. En 2022, el mercado de nanotubos de carbono está mejorando. Las predicciones de la industria indican que se espera que 2022 sea el primer año de industrialización de los ánodos de silicio y carbono. A medida que aumenta la demanda de ánodos de silicio y carbono, se espera que al mismo tiempo se beneficien los materiales de soporte como los nanotubos de carbono. GGII predice que los envíos de lechada conductora de nanotubos de carbono de China superarán los 6,54382 millones de toneladas en 2022 y superarán las 320.000 toneladas en 2025, convirtiéndose en el tipo de agente conductor de más rápido crecimiento en las baterías de litio y acelerando la sustitución de los agentes conductores tradicionales.
3. Segmento de mercado 2: Grafeno: entrando en un período crítico de industrialización
-Rendimiento y aplicación: amplia gama de aplicaciones potenciales.
El grafeno es un nuevo material con una estructura laminar monocapa compuesta por átomos de carbono. Es una película plana hexagonal con una red de panal compuesta de átomos de carbono en órbitas híbridas sp2. Es un nanomaterial de carbono bidimensional con un solo átomo de carbono de espesor.
Debido a su excelente conductividad térmica y propiedades mecánicas, el grafeno ha mostrado muchas perspectivas de aplicación potenciales en los campos de sensores, nanocompuestos poliméricos, materiales funcionales optoelectrónicos y liberación controlada de fármacos.
-Tamaño del mercado: avanzando progresivamente hacia un periodo crítico de industrialización.
En la actualidad, la industria del grafeno ha alcanzado un período crítico desde el laboratorio hasta la industrialización, convirtiéndose en un gran avance para que la industria de nuevos materiales de China e incluso la industria manufacturera logren adelantamientos en las curvas.
La industria del grafeno de China se encuentra en el período de introducción al mercado, con productos inmaduros y bajos márgenes de beneficio, pero la tasa de crecimiento del mercado es alta. Desde 2018, la escala de producción de películas y polvo de grafeno se ha ampliado aún más. En términos de polvo, Changzhou Sixth Element, Qingdao Haoxin, Ningbo Moxi y otras empresas ya cuentan con líneas nacionales de producción de polvo de grafeno líderes. En términos de películas, Changsha Nuanyu New Material Technology Co., Ltd. ha comenzado la construcción de una línea de producción de películas de grafeno con una producción anual de 6,5438 millones de metros cuadrados. Una vez finalizada, se espera que se convierta en la segunda línea de producción de películas de grafeno más grande del país. el país.
De 2015 a 2018, la industria del grafeno de mi país estuvo en un período de rápido desarrollo. Según las estadísticas del Servicio de Información Económica de China, el tamaño del mercado del grafeno en 2015 fue de solo 600 millones de yuanes, y la industria del grafeno de China fue de 2011,1 billones de yuanes, con una tasa de crecimiento compuesta de 117.
Después de un rápido desarrollo, la industria del grafeno ha entrado en un período de desarrollo rápido y estable desde 2019, con una tasa de crecimiento disminuyendo. Según estadísticas de CGIA y CCID, la industria del grafeno en China alcanzó los 654.380 millones de yuanes en 2009. Afectada por la epidemia, la tasa de crecimiento del mercado del grafeno disminuyó en 2020. El tamaño del mercado del grafeno alcanzó los 654.380.350 millones de yuanes, con una tasa de crecimiento interanual de 6.543.802,5, que fue significativamente más lenta que en años anteriores.
En 2021, el impacto de la epidemia de COVID-19 en la industria del grafeno continuará. Además, las aplicaciones posteriores no pueden realizarse a gran escala y las empresas en producción no pueden formar un modelo de ganancias estable. Los gobiernos y empresas locales también se han vuelto más cautelosos a la hora de invertir en grafeno. El desarrollo de la industria del grafeno ha entrado en un período de estancamiento y la tasa de crecimiento a escala industrial continúa desacelerándose. Según estadísticas preliminares, el tamaño del mercado es de aproximadamente 148 mil millones de yuanes.
4. Tercer segmento de mercado: Nanomontmorillonita: Se completa progresivamente la mejora y optimización de la estructura industrial.
Aditivos para materiales poliméricos nanométricos.
La nanomontmorillonita es una arcilla en capas de silicato con un espesor nanométrico. Su unidad estructural básica es una estructura en capas 2:1, que consta de dos capas de láminas de tetraedro de sílice intercalando un octaedro de aluminio y oxígeno. El tetraedro y el octaedro están conectados por oxígeno, formando un espesor de aproximadamente 1 nm y una longitud x ancho de 100 nm x 100. Este tipo de capa de unidad estructural está relativamente suelta. Bajo la acción de una fuerza externa o moléculas de agua polares, la capa se expandirá o se desprenderá debido al movimiento relativo. Las moléculas de agua u otras moléculas orgánicas pueden ingresar a la capa, lo que hace que absorba agua y. hincharse. Está muy disperso y tiene la capacidad de absorber el sexo. Además, la capa intermedia son cationes inorgánicos intercambiables como Na y Ca2 hidratados. En el tetraedro de montmorillonita a menudo se reemplaza por A13, y Al3 en el octaedro a menudo se reemplaza por Mg2, Fe3, Fe2, Ni2, Li, etc. , generando así cargas negativas débiles entre capas.
Debido a su estructura en capas única, la montmorillonita se puede disociar en nanoplaquetas y la actividad superficial de las plaquetas de montmorillonita se puede ajustar mediante reacciones de intercambio catiónico orgánico. La montmorillonita tiene excelentes propiedades mecánicas, estabilidad térmica y estabilidad dimensional. Además, la montmorillonita tiene una buena dispersión, por lo que puede usarse ampliamente como aditivo para materiales nanopolímeros en la industria de los polímeros para mejorar la resistencia al impacto, la resistencia a la fatiga, la estabilidad dimensional y las propiedades de barrera a los gases, mejorando así las propiedades físicas integrales del polímero para mejorar el procesamiento. rendimiento de los materiales. En los últimos años, la escala de la construcción de infraestructura en la industria de nanomateriales de mi país ha seguido expandiéndose.
-Tamaño del mercado: Tendencia al alza de la volatilidad.
La aplicación de nanomontmorillonita en caucho se utiliza principalmente para la modificación de productos de caucho, incluida la mejora de la estanqueidad al aire, la resistencia a la tracción, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la intemperie y la resistencia química. Al agregar una pequeña cantidad de nanomontmorillonita (como 3-5), la resistencia y el alargamiento del caucho se pueden mejorar enormemente, y algunas propiedades se pueden mejorar varias veces. Puede reemplazar el negro de carbón blanco actual, o incluso reemplazarlo por completo. El negro de carbón tradicional y otros rellenos reducen en gran medida la contaminación. Esta es una revolución en la industria del caucho en el siglo XXI. Actualmente, el consumo de caucho en China está aumentando. Si observamos los cambios en la oferta y la demanda de caucho sintético en mi país de 2015 a 2021, combinados con la tasa de penetración de la nanomontmorillonita (calculada como 4), se predice que la demanda del mercado de nanomontmorillonita en mi país continuará aumentará de 2015 a 2021.
5. Segmento de mercado 4: Nanocarbonato de calcio: la demanda del mercado está aumentando gradualmente.
-Rendimiento y aplicación: nuevo material en polvo sólido ultrafino
El nanocarbonato de calcio, también conocido como carbonato de calcio ultrafino, es un nuevo tipo de polvo sólido ultrafino desarrollado En el material de la década de 1980, su tamaño de partícula está entre 0,01 y 0,1 micrones. Debido a la ultrafinura de las partículas de nanocarbonato de calcio, su estructura cristalina y su estructura electrónica de superficie han cambiado, lo que resulta en efectos de tamaño cuántico y efectos de tamaño pequeño que el calcio ordinario. El carbonato no tiene efectos superficiales ni efectos cuánticos macroscópicos.
El nanocarbonato cálcico es uno de los primeros nanomateriales en alcanzar la producción industrial. El mercado se ha formado ampliamente y los materiales se utilizan ampliamente en una amplia gama de aplicaciones. El carbonato de nanocalcio se utiliza como relleno y agente de refuerzo en la industria del plástico y el caucho, con la doble función de reducir los costos del producto y mejorar la calidad del producto. Se utiliza como relleno en la industria de tintas, la industria de fabricación de papel y la industria de recubrimientos; funciones de espesamiento, antisedimentación y mejora de la calidad del producto, múltiples efectos de reducción de los costos de producción del producto.
——Posición en el mercado: la fuerza competitiva integral de las empresas nacionales continúa mejorando.
El nanocarbonato de calcio se ha utilizado en el extranjero durante 50 años y se utiliza ampliamente en caucho, plásticos, fabricación de papel, tintas, pinturas, selladores y otras industrias.
De 2016 a 2019, la demanda del mercado de nanocarbonato de calcio aumentó de manera constante. En 2019, la demanda del mercado global de nanocarbonato de calcio fue de aproximadamente 26,45 millones de toneladas. Según la empresa estadounidense de investigación de mercado Daguan
Según el "Informe de pronóstico de perspectivas y análisis de mercado de nanocarbonato de calcio 2016-2024" publicado por Research, la demanda mundial de nanocarbonato de calcio de 2016 a 2024 tiene un compuesto Con una tasa de crecimiento anual de 8,7, el consumo de nanocarbonato de calcio en plásticos representa más del 20% del mercado total. Según este informe.
Según la tendencia prevista por View Research, la demanda mundial de nanocarbonato de calcio en 2021 será de aproximadamente 313.400 toneladas.
Análisis detallado de la situación del mercado del nanocarbonato de calcio en mi país. Las empresas extranjeras han ocupado la mayor parte del mercado nacional de alta gama con sus sólidas capacidades de investigación y desarrollo, calidad de producto estable y confiable, instrumentos sofisticados y buena calidad. reputación de marca y los precios son generalmente de 1 a 3 veces más altos que los de productos nacionales similares. En los últimos años, la fuerza competitiva integral de las empresas nacionales ha mejorado continuamente y han surgido, una tras otra, varias empresas locales fuertes. Casi todos los mercados de productos de gama baja, media-baja y media están ocupados por empresas nacionales, y la cuota de mercado de los productos de gama alta también ha aumentado significativamente. El mercado de productos de alta gama está rompiendo gradualmente el monopolio de las empresas con financiación extranjera o sus empresas en China.
Patrón de competencia industrial
1. Clústeres industriales: concentrados principalmente en Suzhou y Beijing.
Al analizar el patrón regional de la industria de nanomateriales de China, se descubrió que los principales lugares de reunión de la industria de nanomateriales de China se encuentran en Suzhou y Beijing. Entre ellas, la escala de nanoindustria de Suzhou representa más del 50% del total del país. El Parque Industrial de Suzhou es uno de los ocho principales grupos de nanoindustria reconocidos en el mundo. Ha formado cuatro áreas centrales de nanotecnología, incluidos nuevos nanomateriales, nanobiotecnología, energía y tecnología limpia, y tecnología de micronanoprocesamiento. y ha liderado el camino en cientos de campos tecnológicos nanosegmentados. El desarrollo ha impulsado empresas líderes como Sudaweige, Nanda Optoelectronics, Fangjing Semiconductor y Jinfu New Materials.
Beijing está construyendo un clúster industrial centrado en el Parque Industrial de Nanotecnología de Beijing en Huairou, comprometido con la aplicación de la nanotecnología en los cuatro campos de energía, electrónica, medio ambiente y biomedicina, e impulsando el desarrollo de nanomateriales y nanotecnología con aplicaciones posteriores: procesamiento, nanodispositivos y otros eslabones de la cadena industrial. Tiene varias empresas líderes en nanomateriales, como Beijing Capital, Antai Technology, Zhongke Naxin Company, Zhongke Natong Company, Jisheng Xingtai Company y Shouke Spray. En lo que respecta a la investigación y desarrollo, la nanoindustria china ha formado básicamente dos centros de investigación y desarrollo con características propias.
2. Competencia empresarial: hay muchos participantes en el mercado y las empresas con diseño de múltiples vías tienen una gran fortaleza integral.
En términos de competencia, actualmente existen muchas entidades de mercado en la industria nacional de nanomateriales y el mercado está fragmentado. Sin embargo, debido a las barreras financieras y técnicas en la industria de los nanomateriales, la mayoría de las empresas involucradas tienen ventajas financieras o técnicas. La mayoría de las empresas se centran en pistas específicas, como la pista de nanotubos de carbono de Tiannai Technology y la pista de grafeno de Sixth Element.
Perspectivas y tendencias del desarrollo industrial
1. Tamaño del mercado: es necesario aprovechar el mercado de la industria de nanomateriales valorado en 100 mil millones de yuanes.
Durante el período del "Décimo Plan Quinquenal", nuevos materiales de vanguardia, como materiales de impresión 3D, materiales superconductores y materiales biónicos inteligentes, tienen un gran valor comercial y una importancia estratégica en los campos de la industria, la electricidad El poder, las comunicaciones, la atención militar y médica y la atención a las inversiones seguirán aumentando. Por lo tanto, para satisfacer las necesidades urgentes de las aplicaciones del mercado, los materiales de impresión 3D, como materiales metálicos, materiales poliméricos orgánicos, materiales biológicos y materiales compuestos, se convertirán en el foco de inversión futura. Con la atención prestada a estos nuevos materiales disruptivos de vanguardia, como nanomateriales con alta frecuencia de aplicación en campos de materiales relacionados, el potencial de mercado de la industria de los nanomateriales aumentará aún más.
Según el pronóstico de State Development and Investment Group Co., Ltd., en los próximos años, la industria de nuevos materiales de mi país continuará su fuerte impulso de rápido crecimiento en el pasado para 2025. el valor de la producción superará los 10 billones de yuanes y las perspectivas de desarrollo son muy amplias. Sobre esta base, se predice además que el valor de la producción de nuevos materiales de mi país alcanzará los 11,7 billones de yuanes en 2026. Con el desarrollo del mercado de la industria de nuevos materiales, la escala del mercado de nanomateriales aumentará aún más en el futuro. Con la acumulación de tecnología de producción y una mayor promoción del mercado de aplicaciones posteriores, se espera que los nanomateriales logren avances en segmentos de mercado como los materiales industriales básicos y los componentes de visualización en el futuro, lo que hará que el tamaño total del mercado supere los 300 mil millones de yuanes en 2025, y Se espera que se acerque a los 400 mil millones de yuanes en 2027.
2. Tendencia de desarrollo de la industria de los nanomateriales: la creciente demanda en los campos de aplicaciones posteriores impulsa el desarrollo del mercado.
Basado en el análisis de los segmentos de mercado mencionados anteriormente y el panorama competitivo, combinado con la innovación tecnológica actual de la industria de nanomateriales de mi país, Qianzhan resume las tres principales tendencias de desarrollo de la industria de la siguiente manera:
Acerca de Para obtener más investigaciones y análisis sobre la industria, consulte el "Informe de pronóstico de inversión y perspectivas de desarrollo de la industria de nanomateriales de China" del Instituto de Investigación de la Industria Qianzhan.