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为何它能成为降解塑料产业的“破局者”?除了可降解,它在这些方面作用也不小

  日期:2022-06-29 16:24:42  浏览量:67   移动端
导读:纳米纤维素是从木材、甘蔗渣、稻壳、秸秆、棉花等可再生植物中获得的一种神奇材料。纳米纤维素纤维的直径可达2-5纳米级别,一旦

纳米纤维素是从木材、甘蔗渣、稻壳、秸秆、棉花等可再生植物中获得的一种神奇材料。纳米纤维素纤维的直径可达2-5纳米级别,一旦发生碰撞,纳米纤维会形成一体,强度是钢材的5倍。纳米纤维素与树脂等容易复合,可以大幅提升树脂的耐冲击强度和耐热性。



目前,国家大力发展生物降解塑料,需要消耗大量的化工原料。如合成生物塑料PBAT消耗原料BDO(1,4-丁二醇),而原料BDO不但价格高,而且供应量有限。另外,生物塑料PBAT的耐热性和强度较低,难以满足更广范围的使用要求。



纳米纤维素,为降解塑料产业破局



纳米纤维素引入降解塑料,破局降解塑料产业发展瓶颈。首先,纳米纤维素来源于可再生植物,具备生物降解功能,成本低,可持续供应,低碳环保;再者,纳米纤维素强度高,在降解塑料中可以显著提升降解塑料的强度和耐热性。纳米纤维素在降解塑料的潜能正在被逐步挖掘,并发挥越来越大的价值。




日本对纳米纤维素在降解塑料的应用已非常完善。如日本绿色科学联盟有限公司的Ryohei Mori博士利用纳米纤维素-聚乳制作了各种刀、叉、勺子。



纳米纤维素具有塑料的特性,同时具有木纤维的特性,可以参考木浆造纸的工艺制备纳米纤维素薄膜。纳米纤维素膜具有良好的机械性能和阻隔性能。



中国科学技术大学俞书宏院士团队研制的一种“超级材料”就利用纳米纤维素加工而成,在汽车、航空航天等领域具有很好的应用前景。这种材料在零下120摄氏度到零上150摄氏度范围内尺寸稳定,在高速撞击时能瞬时将巨大的能量吸收,优于陶瓷、塑料和铝合金。



处理纤维素的分子结晶度使纤维素具有热塑性,与淀粉结合直接加工降解塑料产品。这种降解塑料产品具有优异的生物降解性和可食性,可以在海洋中降解。



纳米纤维素适应多种方式加工,可以处理纤维素的分子结晶度使纤维素具有热塑性直接加工;可以以纤维粉末形式直接加入降解塑料。而将纳米纤维素预加工成降解母料使用更为方便。



纳米纤维素降解母料是通过对纤维素结晶度处理,与淀粉、无机粉体、载体等挤出造粒而得,在使用时可以直接与PBAT、PLA、PBS等生物塑料混合加工成各种降解塑料制品。纳米纤维素降解塑料母料对提升降解塑料强度、耐热性非常明显;而且纳米纤维素降解塑料母料成本低,原料来源稳定。



目前,纳米纤维素降解母料在国内的生产供应较少,存在较大的市场空白。而纳米纤维素降解母料的生产技术并不复杂,对于致力于进入降解塑料行业的投资者是一个不错的选择。



全球产能多集中在欧美地区



根据新思界产业研究中心发布的《2022-2026年纳米纤维素行业风险投资态势及投融资策略指引报告》显示,近年来,随着环保监管日益严格,以及相关生产技术进步,全球纳米纤维素市场规模不断扩大,发展到2020年,全球纳米纤维素市场规模已达到12.3亿元,其中纤维素纳米纤维市场占比较大。纳米纤维素市场发展潜力巨大,预计2021-2026年,全球纳米纤维素市场将保持以13.8%的年均复合增长率增长。



全球范围内,纳米纤维素产能主要集中在北美、欧洲以及亚太等地区,其中北美是全球纳米纤维素主产地,产能占比达到四成以上,该区域内代表国家为美国、加拿大等。亚太地区经济发展较快,伴随市场发展,未来亚太有望取代北美成为纳米纤维素主产区。我国是全球最大的纤维素纤维生产国,发展纳米纤维素具有原材料优势,未来我国纳米纤维素市场发展前景好。




凭借良好的机械强度、尺寸稳定性、生物可降解性以及抗冲击性,纳米纤维素在缓冲材料、水处理、医药载体、航天航空、化妆品、包装、纺织、复合材料等多个领域展现出良好应用前景。纳米纤维素广泛的适应性及独特性能推动了其市场快速扩张,但目前来看,全球纳米纤维素市场应用仍处于初步阶段,距离市场化、规模化应用仍较远。



新思界行业分析人士表示,目前全球仅有美国、日本、加拿大等少数国家具备纳米纤维素量产能力,我国对纳米纤维素的研究仍处于初期阶段。纳米纤维素综合性能优良,其在电子、医药、能源、包装、食品等多个领域均展现出良好应用前景,未来随着研究不断深入,以及相关技术进步,纳米纤维素市场发展潜力大。



微纤化纤维素帮助造出更好用的纸



俄罗斯自然科学院外籍院士、杭州市化工研究院院长姚献平指出,纳米纤维素是具有一维尺寸小于100nm的微细纤维,包括纳米纤维素晶体(CNC)、纤维素纳米纤维(CNF)、微纤化纤维素(MFC)和细菌纳米纤维素(BC)。作为生物基材料的典型代表,纳米纤维素保留了天然纤维素的性质,同时还具备高强度、高结晶性、高比表面积、高抗张强度等特性,能够有效改善材料的光、电、磁等性能,在纸基功能材料、轻质高强复合材料、精细化工、医药载体、化妆品等领域具有广阔的应用前景,被称为最具潜力的未来新材料之一,并被视为“后碳纤维时代”的新材料,未来有望取代金属和塑料。



在实际工业应用中,微纤化纤维素不仅可提高流变性和稳定性,而且还能用于制备优质的水性或极性有机体系。MFC来源于一种可再生的原材料—特种纤维素,可提高效率和性能。对于胶黏剂、密封剂和涂料制造商来说,MFC是一种突破性的新型替代产品。



根据恒州博智调研统计及预测:2022年中国微纤化纤维素(MFC)纤维市场规模达到了588.66亿元,预计2028年将达到915.15亿元,年复合增长率(CAGR)为10.6%。



目前中国主要厂商包括鲍利葛、大赛璐美华、斯道拉恩索、FiberLean Technologies和桂林奇宏科技有限公司等。其中,2022前三大厂商份额占比超过60%,预计未来几年行业竞争将更加激烈。



斯道拉恩索集团投资总计910万欧元,旨在推动芬兰 IMATra、InGErois以及瑞典Fors的三家包装纸板工厂的微纤化纤维素(MFC)商业化发展,并加速产品开发。



目前世界上有少数的企业可以生产微纤化纤维素(MFC)纤维产品,主要集中在欧洲、北美和日本。微纤化纤维素(MFC)纤维的产量从2017年的65.7吨增加到2022年185.8吨。



从产品市场应用情况来看,造纸业是目前微纤化纤维素(MFC)纤维市场中应用最广泛的。微纤化纤维素可作为造纸添加剂,生产更轻、更坚固的纸和纸板,因为它可以降低生产成本。通过这种方法呈现的纸张具有增强的特性,例如孔隙率更低、印刷质量更高和透明度更低。预计在未来也是主要市场增长点。




最活跃的复合材料填充物



纤维素纳米晶本身就是生物质组织,对复合材料具有天然的亲和力,可形成“自适应结构”,产生减弱界面局部应力的效果;在应力作用下,纤维素纳米晶粒子将沿填充物质表面进行滑移,打断的键重新连接成新键,使高聚物基体与填充材料之间仍能保持一定的黏合强度,减轻复合材料的破坏程度,因此纤维素纳米晶可作为增强相用于改善复合材料的性能。



纳米纤维素由于其良好的物化性能与生态性能,近年来作为填充物被广泛应用到复合材料领域,目前含有纳米纤维素的复合材料已经被广泛地用于包装、工程塑料、3D打印、生物医学工程等多个领域中。



(1)在食品包装领域的应用



将 CNCs 添加到高分子基体中,可以使复合薄膜的水蒸气和氧气渗透系数大大降低,有望在食品包装领域获得应用,能够作为矿物增强剂如硅酸盐纳米粒子的替代物应用在绿色生物可降解包装材料中。



(2)在生物医学中的应用



由于 CNCs 来自生物体,具有天然的生物相容性,使其在生物医学中具有巨大的应用潜力。



(3)在复合材料中的应用



由于离子相互作用对于纳米复合材料的重要性,近十年,人们又将该机理应用到纳米纤维素复合材料的制备中。



(4)新兴应用



鉴于使用的电子交换设备逐年增加,对高性能的电磁屏蔽设备的需求越来越迫切,将纳米纤维素应用于电子屏蔽材料中也有较好的应用前景。

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