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2018年化學與先進材料的重要發展
.2018/06/04
摘要 Frost & Sullivan論述影響2018年化學與先進材料的十項重要技術與重要發展趨勢。
一、 化學與材料產業正嘗試改變傳統材料的形式
(一) 化學與材料產業著重於提供多功能性的材料,正調整過去數十年所使用的傳統形式。且除了化學品與結構調整,材料亦展現高表現與持久性。材料的機械完整性與有益於最終使用者的特性變得更加重要,且材料形式的改變亦提高了擴大生產規模與將材料整合至感測器的需求。利用生物替代品取代合成材料將更為普遍,奈米形式的傳統化學品亦因為應用範圍更廣泛而被更廣為利用。
(二) 利用更高強度的金屬來替代鋼與鋁的討論越來越多。可透過利用材料設計的方式來提供結合高強度、硬度與其他特性(如能源吸收與隔絕能力)的材料。奈米與生物材料(biomaterials)在材料領域中是相當重要的新興領域,透過利用先進製造技術來增加材料功能與願景,讓材料轉換成先進材料,包含傳統聚合物被調整為超級工程聚合物(super engineered polymers)、將玻璃調整為電子玻璃(electronic glass),以及將傳統的複合材料轉換成高表現的生物複合材料(biocomposites)。
(三) 奈米混合(nanohybrids)的多功能與表面特性使這些材料能被廣為應用,如碳奈米管、石墨烯、奈米氧化鋅、奈米銀與奈米金顆粒皆為目前受重視的奈米混合物。奈米混合有其他可調頻(tunable)的特性,校易在材料生產過程中控制,如傳導性、輕型與尺寸等,使其具有被應用於各種不同領域的潛力,如生物醫學中的某些癌症治療的標靶藥物傳遞系統,且奈米混合亦被嘗試應用於新產業,如天文學與電路學(circuitry)。
(四) 超高強度金屬(ultra high strength metals)的開發,將相當有助於運輸領域的發展。因為對於安全性、輕型與能源效率表現的要求,高強度與具彈性的特性將是主要的關鍵領域,且將優先開發與應用耐腐蝕與高強度金屬。未來將以不需要額外防腐策略作為設計金屬的原則,且超高強度金屬將被廣為應用於太空與國防領域中,並具備良好的防彈性能。
二、 材料開發優先著重於延長產品使用壽命,以及在封裝過程中促進活性成分的穩定
(一) 聚醯胺(polyamides)與聚醯亞胺(polyimides)將是主要超級工程的聚合物。運輸產業對於製造輕型零件聚合物的需求將大幅提高,且輕型、耐高溫與高壓的材料將進一步推動對於超級工程聚合物的需求。利用超級工程聚合物替代傳統聚合物可擴充機械特性能力,特別是在強度與硬度方面,且超級工程聚合物能輕易達到抗高溫的要求。
(二) 需要改善活性成分(active ingredients)的化學穩定性與防止因外在環境條所導致的衰解(degradation),將是封裝(encapsulation)產業成長的關鍵因素。保護與穩定活性成分是大型、微型與奈米等各種形式封裝技術最重要的關鍵。農業、能源與建築對於封裝產業發展相當重要。食品、個人照護與健康照護將主導封裝產業的發展,但農業與能源領域將出現值得注意的新進展。
(三) 高樓層建築與住宅部門對太陽能發電材料的高需求,將推動電子玻璃的需求。透過採用綠色能源以減少能源使用(特別是在建築營造與自動化部門)的概念將驅動電子玻璃市場的發展,並提高可切換與電子呈色(electrochromic)的需求,估計未來數年內,許多傳統玻璃公司將陸續為營建與自動化產業開發電子玻璃。

三、 利害相關人在新材料開發將著重於可擴縮性(Scalability)
(一) 智慧型包裝(Intelligent Packaging)將整合了感測器、標籤與指示器至包裝過程中,以提供過去所沒有的功能,如保存期限警告或個人用藥提醒,且延長保存期限、追蹤與仿冒更進一步推動智慧包裝的發展。感測器產業的快速發展推升了智慧型包裝在食品安全方面的成長。
(二) 因塗層較陰極防蝕(cathodic protection)更有彈性,使抗腐塗層(anti-corrosive coating)需求增加並創造新的發展機會,主要將在石油與天然氣產業。在減緩腐蝕方面,嚴格的環境法規有助於科技的創意啟發與投資,陰極防腐與其他防腐保護技術將被新的抗腐技術替代,新興的超高強度金屬亦有助於抗腐技術的發展,因許多金屬將被設計為具有防腐的特性。
(三) 導電聚合物(conductive polymer)具有許多適合應用的特性,包含極佳的尺寸穩定性、結構強度、彈性與化學抗性(chemical resistance),使導電聚合物被認為在航太與汽車領域中,相當有機會能取代金屬材料。雖然聚合物將更受到感測器與電子產業的青睞,但亦會對先進製造產業產生衝擊,因為這些先進製造產業印刷機械需要應用這類聚合物。
(四) 傳統元件將被生物複合材料取代,以提供更具耐久性與更低毒物學(toxicological)性質的產品。透過運用更多種模型與填充材料以開發生物複合材料,來測試更多種應用與最終產品的重量與強度。以生物為基礎的聚合物物料與生物填充物能提高最終消費者在使用最終產品的安全性,不過生物複合材料的製造成本將會是一重要考量要素。
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資料來源 Frost & Sullivan