超疏水材料的应用状况和市场前景分析

武间道999

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摘 要:对近年来超疏水材料在工农业生产领域,医药卫生领域及日常生活等领域的应用现状及前景进行了系统的总结。并且根据其自身的材料特殊性进行了市场现状前景分析,提出制造工艺难,制造成本高等因素是其进入市场的最大障碍,需要通过强化其理论知识深化,并且改进加工工艺,扩大生产规模,从而降低其生产成本,拓展应用范围。伴随价格障碍的逐渐打破工农业及医药卫生领域将成为其主市场。
关键词:超疏水材料 应用现状 市场前景
中图分类号:F406.3 文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2014)10-265-03
一、引言
超疏水技术是一种具有特殊表面性质的新型技术,具有防水、防雾、防雪、防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点,在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的应用前景。超疏水技术对于建筑工业、汽车工业、金属行业等的防腐防锈及防污也很有现实意义。特别是近年来的微电子系统、光电子元器件及纳米科技等高新技术的高速发展,给超疏水涂层的研究和应用于勃勃生机。
超疏水材料的研究以诗句“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”为契机,以科学的手段向我们解释这一奇特的自然现象,荷花表面覆盖的天然超疏水薄膜,使得水滴聚集成股,顺势流下,冲刷着荷叶表面的淤泥,营造了出淤泥而不染的状态。自然界中此类的例子层出不穷,例如:壁虎可以吸附墙面垂直爬行,水黾、蚊子、蜻蜓都能在水上行走而不给水面带来丝毫的涟漪,就是因为其足上天然的超疏水材料。无论是基础研究还是在实际应用方面,浸润性都是影响固体表面性能的重要因素之一,其主要由几何结构和化学成分共同决定。接触角和滚动角的大小是衡量表面浸润性最常规的标准。所谓超疏水表面一般是指与表面稳定接触角大于150°,滚动接触角小于10°。它在工农业生产和人们的日常生活中有着极其广阔的应用前景。近年来的研究表明,基于对昆虫的水上实验观察,我们还可以使水上飞行成为可能,依据原理即是在船的底部与船身部分覆盖超疏水材料的薄膜,达到防污防腐的作用,从而减轻海水对船本身的挤压,减小前进的阻力,进而节省能源。同时,室外天线上超疏水材料的使用,也可以对防积雪防冰冻等起到至关重要的作用。
二、超疏水材料的应用
超疏水材料主要利用其自清洁、防污、防粘附等优越的特性,广泛应用于建筑业、工农业生产、管道运输、医疗卫生、国防军事等领域,下面分别作具体的应用分析。
(一)超疏水材料在建筑防污耐水等领域内的应用
建筑物表面的污染主要是由于空气中微小颗粒的粘附和雨、雪等的覆盖污染。伴随近年来城市化的发展进程逐渐加快,城市人口迅速增加,随之而来的城市污染加剧了酸雨等灾害的发生频率,大量年代久远的建筑物表面被侵蚀,例如乐山大佛面部被酸雨侵蚀的痕迹就很明显地显露出来。超疏水材料因其独特的疏水性,在建筑物内外墙、玻璃及金属框架等部位恰当的使用超疏水材料,可以起到很好的防水、防雪和耐沾污等特性,同时,可降低建筑物的清洁及维护成本,使得建筑物能长久保持亮丽的外观。综述,超疏水材料在建筑物的自清洁,防污等领域的发展拥有广阔的发展空间。目前,超疏水表面材料在建筑防污染面的产品主要是涂层及防护液等,如中科赛纳技术有限公司采用纳米合成技术制备的纳米超疏水自清洁玻璃涂层。该涂层大体具有无色透明、无毒、无污染牢固度高且具有自清洁、防结冰、抗氧化等优点。
(二)超疏水表面材料在船舶提高浮力方面的应用
据实验观察,不论是在水面的滑行、跳跃,还是快速掠过,水黾都既不会滑破水面,更不会浸湿腿部。因而也就被美誉为“池塘中的溜冰者”根据这一现象,科学家经过论证得出,水黾特殊腿部微纳米结构和水面间形成的“空气垫”,阻碍了水滴的浸润,让它们实现了自然界版的“水上漂”。据了解,利用新型超疏水材料制成的超级浮力材料,可以使船表面具有超疏水性,并因此在其表面形成具体版的“空气垫”,改变船与水的接触状态,防止船体表面被水浸湿,进而使其在水中运行的阻力更小,提高速度,节省了能源。研究人员表明,交通工具的“水上飞”,可以有效地提高交通工具的速度,节省一定的能源,有可能也会顺势引起交通、能源领域的一次革新。
(三)超疏水表面材料在管道运输方面的应用
天然气的管道运输因其传输距离远,线路可控设备投入较简单等优势已经成为陆上天然气资源的主要输送方式,但由于天然气中往往含有硫化氢、二氧化碳和水等腐蚀性物质,因而管道容易发生均匀腐蚀、坑蚀、电化学腐蚀、冲刷腐蚀等现象。由于管道内壁表面粗糙等原因,天然气的传输效率也较低。针对上述问题,许多学者在这方面做了很多工作,例如在铝及其合金表面上制备超疏水薄膜,使其防腐能力明显提高,碳纳米管粘接在基材铝板表面以形成复合结构表面,然后用聚四氟乙烯修饰该复合表面上以形成一层超疏水PTFE膜(如图1所示)。
在国外,许多铝、铁、碳钢等金属以及合金表面都会用超疏水膜来修饰,以提高其防腐蚀性。该方法可有效地运用在如管道气体、液体运输减阻等多方面,对降低运输能耗,提高输送效率有很大帮助,未来有较大的开发应用空间。
(四)超疏水材料在织物及过滤材料方面的应用
采用静电纺丝法或者在材料表面进行处理可制备具有超疏水性的各种微纳米结构纤维。这类材料因具有超疏水性能,可用于制造防水薄膜、疏水滤膜以及防水透气薄膜等,或者使织物因疏水性能而具有防水、防污染、防灰尘等新功能。
德国巴斯夫(BASF)公司也将荷叶效应应用到纺织品上,开发出具有超疏水自清洁功能的聚酯雨衣、雨篷及衣物面料等。而上海名列化工科技有限公司则开发出了MLCF系列多孔薄膜(如图2所示)。
超疏水材料在超细纤维制备、现有纤维或者织物的超疏水处理及制备分子级的纤维疏水过滤材料等方面都有十分广泛的应用,对纤维及纺织领域的应用功能拓展和更新换代有积极的推动作用。通过此类技术的发展,日常生活领域将会为其提供优越的发展空间。同时,人类的生活也将更加科技化、舒适化、便捷化。 (五)超疏水材料在微流体控制方面的应用
超疏水材料表面所具有的不浸润性及低表面粘滞力,使其在微流体控制应用方面也有十分出色的表现。比如控制微液滴的运动和流动,若用其微量注射器的针尖部位,可以尽可能完全的消除昂贵的药品在针尖上的依附,而缓解医药用品的浪费和对针尖的污染。如果将这类技术运用到诸如喷涂领域,比如用超疏水材料制造喷漆喷胶等的喷头,将会使喷涂的液滴更加均匀,雾化效果更好,可以运用在对喷涂效果有特殊要求的场合,以显示其良好特性。
三、超疏水材料应用的SWOT分析
这里我们主要用SWOT分析法,通过对超疏水材料在市场和同行业的优劣势及机会威胁的分析,准确对应用市场的定位,将产品推向市场。
(一)优势分析
1.我国目前材料消费市场以新型环保为消费理念,并且超疏水材料以自然界中荷花表面附着水滴自由下落,且出淤泥而不染为研究论据,无形中给消费者带来好奇心,伴随理论研究方面对超疏水材料长达数十年的理论攻克,研究开发策略基本夯实,同时,对我们来说最大的机遇则是市场目前并没有投入使用的超疏水材料,市场份额空缺,当我们的研究材料投入市场,可以把握市场主动权。其次,超疏水材料可以分别应用于日常生活领域、医药卫生领域、工农业生产领域及国防事业领域,其涉及面广泛,可以更加优越的采取“多品牌”策略,以各种不同的产品敲开不同的市场之门,缓解竞争压力。
2.宣传推广的优势。目前电子信息时代的逐渐深入发展,网络媒体、广告报刊等宣传媒介为我们进一步宣传产品提供有效的帮助,在无形中以“软实力”赢得市场份额。
(二)弱势分析
1.超疏水材料技术是一个新名词,超疏水材料在我国还没有可以正式投入生产使用的产品,对其深入了解的人群仅限于研究人员及知识分子,并不为大多数人所知晓,因此,推广难度大。
2.目前,大多数制备方法还存在实验条件苛刻、步骤繁琐、成本高等问题,无法工程化应用。现已投入市场的超疏水材料也存在如表面微细结构强度低、易老化、易磨损、易污染、使用寿命短等缺点。因此,对超疏水表面制备技术的研究还有许多工作要做。随着理论研究的不断深入,以及制备工艺的优化和制备方法的创新,超疏水界面材料的研究必将在实际应用领域中发挥更加重要的作用。
(三)机会分析
1.国家政策的支持。(1)从我国国情和科技、产业基础出发,现阶段选择节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车七个产业,在重点领域集中力量,加快推进。(2)科学技术发展迅猛,国家提倡强化科技创新,提升产业核心竞争力。加强产业关键核心技术和前沿技术研究,强化企业技术创新能力建设,加强高技能人才队伍建设和知识产权的创造、运用、保护、管理,实施重大产业创新发展工程,建设产业创新支撑体系,推进重大科技成果产业化和产业集聚发展。因而给超疏水材料的发展营造良好的国内发展环境。(3)国家支持发展小微企业及新兴企业,同时,加大财税金融等政策扶持力度,引导和鼓励社会资金投入。设立战略性新兴产业发展专项资金,建立稳定的财政投入增长机制。制定完善促进战略性新兴产业发展的税收支持政策。鼓励金融机构加大信贷支持,发挥多层次资本市场的融资功能,大力发展创业投资和股权投资基金。
(四)威胁分析
1.超疏水材料的研究成本费用主要是生产上的制造费用,由于其制造需要很多结构精密的仪器和大批量的化学药剂,从而使其成本偏高,限制于实验室和研究价值。其次,由于制造成本高昂,只有在实现大规模生产的条件下,发挥规模经济才能使生产厂商有利可图,所以在投入生产时就需要有资金实力强的大厂商,从而使其生产受到限制,普通小型厂商不能加入竞争,出现进入门槛高的现象。最后,为实现超疏水材料的质量、性能等方面的优良,就需要具有相关专业知识和理论基础的技术人员,这也加大了其成本费用。因此,要实现市场上的流通就必须研究其制造方法,使其趋向自动化和易操作,更好的应用于各个领域,便捷人们生活。
2.打破高价格障碍是超疏水材料进入市场的关键,价格的挑战促使超疏水材料研究者致力于开发低成本的新型材料,以推动其产品的市场化进程。
3.超疏水材料虽然具有清洁环保等优良的性能,但是价格过于昂贵,很难找到商业应用的市场,所以一直未能大规模地投入市场,近年来研究人员在努力降低其生产成本等方面进行大量的实验,努力打破其价格障碍。然而,超疏水材料在保持其高价格的同时也要看到其优良的性能和使用寿命带来的经济效益。与此同时,要努力改进加工技术,扩大生产规模,走商品化的生产化道路,只有在生产规模达到一定水平后,超疏水材料才能达到企业所接受的水平。
4.由于材料市场的可替代品多,且价格的层次不齐,产品收益会大打折扣。
四、超疏水材料的市场前景分析
虽然国内外的专家学者相继通过研究得出大量关于超疏水材料的理论成果,但基本仍处于实验室阶段,市场的使用率基本接近无,且民众的认知率也极为有限,这些都是各企业唯恐不及的困难,若把握好这一局面,将会有巨大的市场主动性。首先,依赖简单经济,环保友好的制备方法,顺应“绿色环保科技”的发展理念,率先给民众树立良好的产品形象,潜移默化地赢得顾客青睐。其次,从实际应用的角度出发,制作的产品贴合群众生活,从日常生活领域拓展产品的深入步伐,其拓展领域之大可想而知。最终,在工农业等领域逐渐打开市场,进行市场的全方位经营。总之,超疏水材料的优良性能是其深入市场的利剑,只要把握好其对象,定会迅速抢占市场先机。
五、结论
伴随着商品经济的日益发展,越来越多的消费者在追求商品质量的完美性及使用的可操作性的同时,更加注重产品的绿色环保等性能,超疏水材料以其独特的表面特征,如清洁、防腐、生物相容性及超疏水性等,可以广泛应用于日常生活领域、医药卫生领域、工农业生产领域及国防领域等,进而引起了人们对其研究探索的极大兴趣,致力于开发出新型环保的超疏水材料来贡献于人类生活。它的广泛发展将促进清洁环保材料的更新换代,加快工业化的发展进程。 [本文为国家级创业训练项目:“超疏水材料在日常生活领域的应用推广”,项目编号:20130731010]
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(作者单位:兰州理工大学经济管理学院 甘肃兰州 730050;通讯作者:余江龙)
(责编:贾伟)
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