Monday, December 22, 2014

碳纖維之後是木材纖維

碳纖維之後是木材纖維

2014/12/22
目前,可以用作飛機和汽車主要材料的碳纖維備受世人關注。但可能取代碳纖維的「後碳纖維時代」的開發也在悄然進行。

  有希望成為未來主角的是被稱為纖維素奈米纖維(CNF)的「木材纖維」,生産成本只有碳纖維的六分之一。為了揭開「木材纖維」的面紗,日本經濟新聞(中文版:日經中文網)聯絡了多家開發該纖維的企業,但是大部分都選擇避而不談。

      未來主角登場

  最終,「日本製紙」接受了日本經濟新聞(中文版:日經中文網)的採訪。該公司CNF事業推進室的河崎雅行室長表示:「CNF的原料是木材,但是卻比鐵 更硬更輕」。「請看這裡,看起來只是普通的液體,但其實這是CNF」,河崎拿著燒杯説。燒杯中裝有稠糊狀的液體。實在難以相信它比鐵更硬。

工作人員向記者展示CNF
將普通的樹木切碎成相當於原來千分之一大小的木材碎片,然後將木材碎片加工成紙漿,之後進一步將紙漿分解成千分之一大小的木材纖維。到這裡的加工工程與製紙方法沒什麼區別。

  放大觀察木材纖維會發現,它由無數的奈米纖維束構成。添加名為「TEMPO」的化學試劑可將成束的奈米纖維分解成1根1根的纖維。1根奈米纖維的直徑僅為3~4奈米,相當於人類頭髮絲的兩萬分之一。

  雖然從表面上來看不會給人以強度很高的感覺,但實際上1根1根的纖維非常結實。將奈米纖維聚合在一起,強度將超過鐵。河崎室長對日本經濟新聞(中文 版:日經中文網)表示,「樹木之所以能夠長到幾米高,靠的正是纖維的支撐」。據稱纖維素奈米纖維(CNF)的強度可達到鋼鐵的5倍,與碳纖維相當。而生産 纖維素奈米纖維(CNF)的關鍵在於如何將1根1根的纖維聚合到一起,以及與什麼材料混合。

此外,纖維素奈米纖維(CNF)還能夠彎曲,而且密度只有鋼鐵的五分之一。簡直稱得上理想的新材料。日本製紙已經開始攜手樹脂和化工企業穩步推進共同開發。

      成本為碳纖維的六分之一

  碳纖維也是原發自日本的新型材料,由東麗1971年在全球首次成功實現量産。作為替代鋼鐵和鋁的材料,碳纖維被廣泛用於飛機、火箭和醫療器械等。東麗 日前從美國波音獲得了1萬億日元的飛機碳纖維複合材料訂單。但是,在汽車等其他領域的應用仍未取得重大進展,原因在於生産成本高昂。

  碳纖維的價格一般情況下為每公斤3000日元(約合人民幣160元)。纖維素奈米纖維(CNF)可以在常溫下加工,據此將減少在生産過程中使用的能 源,每公斤有可能降至500日元以下。河崎室長對日本經濟新聞(中文版:日經中文網)表示,「如果實現量産,價格將進一步下降」。如果用作飛機和汽車等各 種交通工具的零部件,能夠減輕重量、提高燃效以節約燃料。

  用於汽車保險桿和外板等的聚丙烯和尼龍樹脂的成分主要為玻璃纖維,如果將其更換為纖維素奈米纖維(CNF),每輛汽車的重量可以減輕25%。

 不僅限於此。由於其透明且耐熱,如果被用於智慧手機等,就能夠低價製造彎曲型的液晶面板。此外,還具有難以透過氧氣的性質,如果用作食品的包裝材料,裏面的食品就能長期保質。

      日本掌握主導權

  在日本之外,歐美企業紛紛致力嘗試將大學等的研究成果實用化,相繼開始打造試製品的製造設備。

     不過,作為提取纖維的方法,歐美企業的技術主要是利用機械磨碎木材纖維。纖維的寬度難以保持均一,河崎室長對日本經濟新聞(中文版:日經中文網)表示,「這很難充分發揮木材纖維的特性」。

      與此相反,日本企業有能力通過TEMPO將其分解為寬度均一的纖維,「巧妙運用技術是日本的看家本領。日本或能夠掌握主導權」。

  本文作者為日本經濟新聞(中文版:日經中文網)電子整理部 鈴木洋介




日本産業將通過化學實現復興

2014/12/09
       三個日本人獲得了今年的諾貝爾物理學獎,使日本企業的「物理」實力一下子成為人們關注的焦點。明年以後會是什麼情況呢?根據媒體上討論推測,日本的「化學」或許是下一個關注的重點。

松下科研人員證進行人工光合成技術的開發
      例如東芝和松下正在開發的「人工光合成」和「光觸媒」,現在已開始初現成效。人工光合成技術是通過空氣中的溫室氣體二氧化碳來生成可供燃料電池車等使用的能源物質(乙醇等),光觸媒技術則是生成作為燃料電池車燃料的氫,均受到專業人士的高度關注。

  日本電子廠商轉型

      據日本政府人士介紹,執政黨的自民黨內已經有不少議員對上述技術表示出強烈興趣。在減少二氧化碳的同時還能生産燃料,正設想在東日本大地震的受災地區建設人工光合成工廠。

      在技術開發的世界裏有著「多産多死」的説法。即便如此,由於這2個領域裏潛藏著對於企業來説可以轉變經營結構的商機,因此仍有很大吸引力。松下社長津賀一 宏最近在《日經産業新聞》上表示:「在氫、水、空氣這3個領域裏,我們力爭到2030年創造出1萬億日元規模的業務」。
 
 


      值得注意的是,日本電子廠商的轉向似乎正成為技術發展的新趨勢。

      日本的電子行業迄今為止一直在符合「物理」法則的世界裏奮鬥。最典型的就是半導體集成度每隔18~24個月翻一倍的「摩爾法則」。

   「去物理化」

       日本的技術實力雄厚。在上世紀90年代,日本半導體市佔率位居全球第一,時至今日,在價格劇烈波動的半導體記憶體領域,東芝仍有望登上世界第一的寶座。

       但電視機、個人電腦等數位産品的生産成本迅速而持續地下跌,可以説是另一種類型的摩爾法則。在競爭激烈的全球市場上,高成本的日本企業幾乎沒有生存的可能。近20年的殘酷現實讓人們明白了這麼個道理。

       日本電子行業從去年前後開始轉變經營思路。日立製作所、東芝、三菱電機這三大綜合電子廠商本財年的合併經營利潤加起來超過1萬億日元。取得這一成績並非依 賴於電視機、相機、手機的消費復甦,而是因為立足於基礎設施、服務等不受降價牽連,或者説與摩爾法則相距最遠的領域。

       估計日本各企業今後仍將非常鮮明提出「去物理化」。

      東芝由核電站專家擔任專職董事,統一掌管人工光合成和使用多餘電力來儲存氫的新能源業務。這並非縮小核電站業務,而是要將「化學」變大。産生氫是核電站的衍生物,在這方面積累的化學反應與電解的知識是研究人工光合成及面對氫社會所必不可缺的。

       野村證券的高級分析師山崎雅也指出:「技術突破似乎潛藏在一直以來支撐著數位領域的工藝工程(物理)與材料工程(化學)的融合裏」。

   化學的時代不易被複製

  東麗試製的碳纖維汽車(名古屋市的汽車中心)
       東芝與韓國三星電子正在進行新一代半導體記憶體的開發競爭,這種三維構造的材料有望借助「材料革新」來實現。另外東芝正在開發的白色發光二極管(LED)與新一代功率半導體也只有通過矽等的材料革命才能實現商品化。

       要想在化學領域取得成功,至少需要5年、10年的時間。電動汽車之所以遲遲無法普及,原因就在於電池的能量密度不能像摩爾法則那樣輕鬆提高,導致汽車的續航距離難以增長。化學的世界比物理進步緩慢,這是宿命。

      相應地,化學的時代就不可能每隔一年半價格下降一半。大型電子廠商的經營者正在關注的就是這一領域。這是一個無法輕易被複製、不會輕易傳播的世界。

      如此説來,汽車車體正如日本一家汽車廠家的管理人員所講的那樣,「也許會進入到大量採用鋁和碳纖維的時代」。無論是鋁還是碳纖維,都屬於化學。日本的産業似乎在全方位地開始模式轉變。

    本文作者為日本經濟新聞(中文版:日經中文網)編輯委員 中山淳史