德国纳米材料工业化生产的现状与挑战
经过大约20年的研究和工业化生产后，德国在纳米技术领域的全面突破仍尚需等待。为什么?还需要做出哪些努力?在德国Dechma协会举办的“纳米材料的工业化生产——现状和当前的挑战”研讨会上，专家们就上述问题进行了讨论，并给出了自己的答案。
着眼未来的太空电梯展现了纳米技术的无限可能——今天，它仍是纳米领域的一个技术标志。20多年来，国家和企业在纳米技术的研发中投入了大量的资金。在德国Dechma协会举办的“纳米材料的工业化生产——现状和当前的挑战”研讨会上，Nanid科技咨询公司的Rüdliger Iden博士在开幕发言中表示，自2000年以来，德国在纳米技术领域的研发费用已经超过了300亿美元。但从当前的纳米技术市场来看，德国的市场状况并不乐观。2015年全球纳米技术市场的产值大约300亿美元，相关产品的市场总值更是高达3 000亿美元。但遗憾的是，中国和美国都再次走在了德国的前面。“如此一来，要促进德国的纳米技术发展或许就要投入更加高额的资金了。”Iden先生说。
原因何在?
科研机构和企业在纳米技术领域都付出了巨大努力，为什么仍落后于人?根据近期的关于纳米技术发展的报告和相关讨论可以归纳出以下五大方面原因。
在传统材料中使用纳米材料时应有目的地对产品的性能施加影响，例如对工程塑料或者涂层材料的性能产生影响。除了纳米颗粒的多少以外，纳米颗粒的分布情况和纳米颗粒与基础材料的结合性能也都对最终产品的性能有一定的影响。若没有出现所希望的性能，拜耳技术服务公司的Matthias Voetz博士建议进行结构分析。通过结构分析可以得出如何处理纳米材料才能得到所希望的材料结构，从而获得所需的纳米材料特性以及最终产品的特性。例如，纳米颗粒的方向可能会对聚合物基所希望的特性产生负面影响。在生产碳纳米管(CNT)时会产生许多交叉点，在这些交叉点处纳米管失去了它的导电性。这使得最终的纳米产品有着较低的导电性。
巴斯夫公司在安全混料方面有着丰富的经验。在公司位于德国路德维希港工厂中的挤出机是在洁净室环境中工作的。纳米颗粒，例如CNT纳米管，由改进了的封闭式定量系统添加到挤出机中。为保证安全可靠地生产纳米产品，还需要一些必不可少的保障措施，例如只允许受过专门培训的员工操作挤出机，必须穿戴合适的防护服，配戴合适的防护装置。同时，还要根据不同的纳米产品彻底地清理生产设备和生产环境。尽管如此，巴斯夫的工程师Anne Thüman女士仍表示，开发一套安全可靠且高质量的混料工艺方案仍然是一项严峻的挑战。譬如，碳填充剂的封闭型烧结，以便于能够添加到工程塑料之中。
CNT纳米管这一神奇的材料不仅可以改变工程塑料的导电性，而且也可增强工程塑料的硬度、抗拉强度、耐磨强度以及耐高温性能。借助于银纳米颗粒可以使T恤衫和运动鞋在运动之后不再有难闻的异味，厨房表面也保持洁净无菌。加入了纳米材料的涂层可使汽车表面的漆层更加耐磨。这样的例子似乎是无穷尽的。但正如巴斯夫的纳米技术专家Thüman女士所解释的那样：许多实验表明，价格昂贵的纳米颗粒并没有带来希望的结果。有时使用普通的石墨碳会得到比价格昂贵的纳米材料更好的结果。
高价格的纳米产品最终要提供与之相配的性能。Evonik公司的Michael Hagemann博士也讲到了这一问题：“虽然用起来越来越好，但市场不愿支付这样高的价格。”
在纳米颗粒的生产中，规模化生产是最大的挑战。15年来，Evonik公司一直在模型描述的帮助下从事大型技术设备火焰反应器的研究。在过去的几年里，这家专业的精细化工生产企业在火焰反应技术方面积累了丰富的经验，加深了对纳米材料规模化生产的理解。这些都构成了生产制造标准化火焰反应器以及对现有设备进行改造的基础。在纳米生产过程中，计算机控制技术方面的进步鼓舞着Evonik公司的Jürgen Flesch博士和他的同事们继续研究下去。
位于德国维尔茨堡市的弗劳恩霍夫硅酸盐研究所的科学家们也在从事纳米颗粒生产的研究 ，但他们采用的是湿式化学合成技术，生产出具有规定化学成分、粒度大小、形状以及特定物理化学性能的多功能纳米颗粒。这一技术的另一个优点是纳米颗粒是真正的分散颗粒，绝不会出现烧结。
这项技术的一个缺点是分散的颗粒非常“稀薄”，并受到副产品的污染。在Co-Pilot项目的框架里，维尔茨堡市的科学家们正在研究一种洗涤工艺。他们与CEPA合作开发了一台半自动的离心机。可以将纳米颗粒自动地收集到容器中。洗涤后可产生粘稠的且重弥散的纳米颗粒凝胶。
在Iden教授的演讲指出了纳米技术发展的切肤之痛：“工业企业和研究机构在纳米技术领域的研发成果和生产的产品很难快速进入市场，也很难找到合适的客户。”
在讨论中，大家纷纷表示，生产纳米技术产品的企业，也包括纳米技术中间产品的生产企业都要付出很高的代价才能维持运营。一方面企业很难买到合适的生产设备，另一方面企业缺乏这些设备的专业安装人员。生产企业与最终用户之前也没有畅通的交流平台。讨论的结果是纳米技术领域的企业也应建立一个生产和用户协会。
Iden先生在会议中再次强调了纳米材料的安全性问题。“迄今为止化工企业所有投放市场的纳米产品都是安全的。” Iden先生说。尽管如此，还是有人对纳米标牌感到恐惧。
怎么办?
尽管有着种种困难，但纳米技术专家们没有理由像鸵鸟一样把头埋到沙子里。因为科学家们将纳米技术视为材料科学、催化技术、分析技术、胶体化学、以及界面和表面化学技术的重要推动力。它是能源、制药、化工以及加工工业领域可持续性材料研发的温床。例如，能源和制药工业领域都在寻找多功能的材料。化工领域也在开发新的、可持续发展的新型催化器。在完成这一艰巨任务的过程中，纳米技术将会起到关键性的作用。
本文作者Manja Wühr是《流程工业》德文版编辑，转载请注明出处。