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前瞻、新颖、功能性的材料种类众多,包含:液态金属、量子点、超导材料、3D/4D打印材料、纳米材料、软性材料、轻量化材料、复合材料、抗腐蚀材料…等。本文参考国际研究机构报告以及本团队研究成果,挑选十项材料,分析其应用面与市场前景。 

碳纤维(Carbon Fibers)

碳纤维具有轻质、高强、高模量、耐化学腐蚀(耐有机溶剂、酸、碱,不溶胀)、热膨胀系数小,强度高等特性,具有取代金属材料的潜力,能提升运输产品超过10%以上的性能与效率。碳纤维未来最大的应用市场集中于汽车、航天、国防等重工业,主要是将碳纤维与其他聚合物形成复合材料。 

2015年碳纤维市场规模为97.1亿美元,市场增长率为9.1%,预计2019年达到130亿美元以上的市场规模。 

全球最大碳纤维制造商——东丽(Toray)占据市场33%份额,目前已开发CFRF(碳纤维强化发泡体)的新材料。该材料可制造具有厚度的零部件,强度与传统碳纤维相同,与钢铁相比,重量有望减轻约80%,与CFRP相比减轻约40%。 

台塑是全球第五大的碳纤维制造商,台塑的碳纤维产品,主要由旗下的台丽朗事业部负责,产能占全世界6.9%,其产品是PAN-based(聚丙烯腈基碳纤维)碳纤维。台塑的碳纤维除了与台湾自行车商、高尔夫球球具制造商合作之外,也跨足新能源产业。台塑与台湾叶片制造商将成立合资公司,生产热塑型碳纤材料、碳纤风电材料及轻量化车用碳纤材料为主等产品。

石墨烯(Graphene)

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;还具备导热系数高达5300 W/m·K(高于碳纳米管),常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s(比纳米碳管或硅晶体高),而电阻率只约10-6 Ω·cm,为目前世上电阻率最小的材料。石墨烯将在光电显示、半导体、电子器件、储能电池、显示器、航天、国防、复合材料、生物医药等领域有良好的发展前景。 

2015年石墨烯市场规模为1.7亿美元,市场增长率:42.8%,预计2019年达到7亿美元的市场规模。 

目前石墨烯多是由研发单位所衍生的小型新公司投入发展,美国著重于CMOS与半导体,欧洲著重于RF射频器、电池与油墨,韩国则集中于显示器应用。台湾石墨烯近年也有少数厂商开始投入,台湾最早生产石墨烯的公司是位于宜兰的安炬科技,该公司採用氧化还原法制造石墨烯,目前其产品有以浆料、喷漆、薄膜等方式销售。此外,位于台南的蓝石科技、久元电子转投资的久宏鑫公司则是发展石墨烯CVD成长技术;而台苯公司将展开新一波营运改善计划,子公司亚洲碳素股份有限公司预计投入石墨烯的量产,同时生产石墨纸与石墨负极材料,该两项产品将可望使用在智能手机和电动车锂电池市场。

智慧包装(Smart Packaging) 

氧气清除和新鲜度监测量的智慧包装产品是主导市场的关键领域,目的在防止食物变质以及避免人类吃到不新鲜的食物。个人护理和食品饮料行业也是未来智慧包装的潜在应用领域。

2015年智慧包装市场规模为49.2亿美元,市场增长率为8.0%,预计2019年达到66.9亿美元的市场规模。

台湾造纸大厂正隆公司与全球RFID领导厂商HP惠普科技,开发了RFID智慧型纸箱,透过该技术,可让货物快速精准的交货,可优化配送程序达45%,透过进出货、库存与运筹有效管理,可有效降低3~5%的供应链成本。

纳米涂料(Nanocoatings)

纳米涂料指的是Thin nano-films或是nano-scale的涂料系统,透过涂料提供材料表面所需的多功能性,如:防蚀、自洁、疏水、耐热、隔热等。涂料在航天、国防、船舶和石油工业等应用,因其长期成本效益显著,已驱使制造商在产品或服务中导入更多功能型涂料。

2015年纳米涂料市场规模为22.5亿美元,市场增长率为15.7%,预计2019年达到40.3亿美元的市场规模。 

纳米涂料在台湾已发展多年,长兴化工、永光化学、永记造漆皆有开发纳米涂料,应用层面广泛,包含了防水、防油、抗污等。此外台湾纳米自洁涂料发展相当成熟,许多卫浴公司皆已生产贩售纳米自洁马桶,并领有政府核发的纳米标章,如:隆昌窑业、电光企业、凯萨卫浴、国宝窑业等。

抗腐蚀涂料(Anti- Corrosive Coatings)

抗腐蚀涂料是一个关键的表面处理材料,广泛的使用在各个领域,特别是钢材与其他基底材料,防止基底材料受到腐蚀损害。抗腐蚀涂料被认为是“第一线防御”,以保护基材表面防止由于水分、盐份、氧化或暴露于各种环境或工业化学品而引起的腐蚀、损坏,并延长基材的整体寿命。 

2015年抗腐蚀涂料市场规模为223亿美元,市场增长率为4.5%,预计2019年达到266亿美元的市场规模。 

挪威北海地区因为其海域腐蚀环境与其他区域相比更为严重,也因此发展出具全球抗腐蚀涂料领先地位的厂商AkzoNobel(总部位于荷兰),生产高性能抗腐蚀涂料。 

轻量化材料(Lightweight materials)

轻量化材料是包含软钢(mild steel)、高强度(high-strength, HS)和先进高强度(advanced high-strength, AHS)之钢、铝与镁,也包含各种高强度纤维与树脂之复合材料(fiber-reinforced plastics ,FRP),应用在车体、电子产品外壳、航天、建材等领域。

2015年轻量化材料市场规模为1,166亿美元,市场增长率为13%,预计2019年超过两千亿美元的市场规模。 

为了达到轻量化的效果,BMW i3是全球第一台以碳纤维轻量化复合材料作为车体结构之汽车。台湾中钢公司生产的HS前已陆续导入至各车厂,并持续往更高强度钢材来进行研发,且同步在汽车钢板成形、结构设计等应用领域投入研发。

生物质材料(Bio-based Materials) 

生物质材料系指以农作物、农业废弃物或者海藻等生物资源作为最上游原物料所合成之化学材料。相较于传统以化石原料作为上游之化学材料,生物质材料被认为是可再生(renewable)的材料,此类物质在环境中较容易被回收再重新组造。目前在包装、农业、衣物织品乃至于医疗器材都是生物质材料的应用领域。

2015年生物质材料市场规模为282亿美元,预估市场增长率为4.1%,预计2019年达到336亿美元的市场规模。台湾有许多业者开发生物质材料,包括:远东新(bio-EG、bio-PET)、中纤(bio-EG)、允友成(PLA)、瑞兴(PLA)、汉达(PLA,神基科技之子公司)等。 

自我修复材料(Self Healing Materials) 

自修复材料是一类拥有结构上自癒合能力的智能材料,这种能力能修复由于长期的使用所造成的损害。发明这种材料的灵感源于在受伤后能自我修复的生物系统。自我修复材料可广泛的应用于各项产品表面、汽车烤漆与内装等各个领域。未来更有机会使用在建筑、军事与能源应用上。 

自修复材料预估市场增长率为88.0%,预计2019年达到125亿美元的市场规模。

量子点材料(Quantum Dot)

量子点材料指的是三维空间尺寸均为纳米级的微小颗粒,由于尺寸极小其特性与其为大块材状态时的性质不同。调整粒径的大小即可调整输出光波的波长,量子点材料可以用于LCD中以提高色彩饱和度,也可以取代现有各式LED照明的萤光粉,其光谱品质优于一般的萤光材料。 

目前量子点材料已制作薄膜应用在LCD领域以提高色彩。市场增长率为13%,预估到2019年,薄膜需求量达到8.2K 平方公里。台湾有台湾奈晶、优美特创新材料在做量子点材料,皆为新创公司属于刚起步募资阶段;华宏、迎辉在做QD Film。 

量子点材料可广泛的应用于生医、化工、照明及显示技术等各个领域,近年来相关的研究非常蓬勃。目前最热切且预估最庞大的市场应用在于液晶显示器产业。

水处理膜(Water Treatment Films)

RO膜(逆渗透膜)主要应用在海水淡化及工业处理,UF(Ultra Filtration)膜对于饮用水及都市化淨水与废水处理工程应用上。 

新兴的正渗透(Forward Osmosis, FO)技术是由以含有特定溶质作为高浓度的提取液(Draw Solution),直利用溶液相对之渗透压(由低至高)来驱动水的传输,稀释高浓度的提取液,再将提取液进行分离就可以获得清水。FO不仅可用于海水淡化,也可以用在急难救助、废水处理与发电。

水处理膜以UF与RO为主,自来水净化、工厂用纯水与废水处理等都需要水处理膜。气候变迁下,海水淡化成为另一水源;所使用的RO与FO膜将成为另一具发展空间的项目。2015年水处理膜市场为45.2亿美元,市场增长率为10.7%,预估2019年市场规模达到68.0亿美元。