innovazii3

Современные технологии получения фуллеренов, оценка рынка фуллеренов и перспектив их использования

Авторы: Кузнецов В.Г., Пониматкин В.П., Процаенко С.В. Институт проблем машиноведения РАН (ИПМАШ РАН), 199178, Санкт–Петербург, В.О., Большой пр., д. 61, тел.: (812)321–47–64, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. ООО «ФАКТОРИЯ ЛС», Санкт–Петербург 3ЗАО Северо-Западная экологическая компания, Санкт–Петербург

Фуллерен наряду с алмазом, графитом и углеродными нанотрубками представляет собой аллотропную форму углерода. Основным преимущест-вом фуллеренов перед другими углеродными веществами/материалами (аллотропными формами углерода) являются их высокие электронакцеп-торные свойства, а также возможность синтезировать разнообразные хи-мические производные. Кроме того фуллерены биосовместимы, что позво-ляет использование их в медицине.
Перспективы применения фуллеренов обусловлены спецификой их физико-химических характеристик. Они являются перспективными нано-материалами для создания новых видов продукции с улучшенными свой-ствами, которые могут найти свое применение во множестве отраслей промышленности: энергетике, электронике, медицине, фармацевтике, ма-шиностроении и др.
Главным препятствием для широкомасштабного применения и про-изводства фуллеренов является несовершенство методов его синтеза. Наи-более распространенным способом получения фуллеренов является дуго-вой, который позволяет синтезировать C60 в количестве 1 грамм в час.
Несмотря на проводимые исследования в области оптимизации дуго-вой технологии, повысить объем выхода фуллерена из графита пока не удается, что негативно сказывается на дальнейших перспективах промыш-ленного использования фуллеренов. Для крупномасштабного производства фуллеренов необходимо увеличить производительность единичного реак-тора на несколько порядков. Для того чтобы это сделать, необходимо в первую очередь существенно увеличить количество паров углерода, ис-точника образования фуллеренов. То есть по сравнению с существующими технологиями надо существенно повысить площадь испарения графита. Для увеличения площади, нагрев можно производить дугой, но не контра-гированной, а распределенной по большой площади электродов.
К способам повышения экономической эффективности производства фуллеренов можно отнести использование дешевого сырья, а также непре-рывность и автоматизацию производственного процесса.
Существующие на сегодняшний день альтернативные технологии производства фуллеренов, проигрывают дуговому способу по показателям производительности, чистоты получаемого продукта и экономическим критериям.
Одним из способов, получившим дальнейшее развитие является способ получения фуллеренов сконцентрированным солнечным излучени-ем, который, по мнению авторов, является крупномасштабным. Работы по развитию данного метода проводятся на концентраторе солнечного излу-чения, максимальная мощность которого составляет 1000 кВт.
Для целей крупномасштабного промышленного производства фул-леренов помимо плазменного метода на основе дугового разряда в послед-ние годы активно развивается метод получения фуллеренов в пламени при сгорании углеводородов. Топливо вместе с кислородом и инертным газом, в газообразном состоянии подается в камеру через перфорированную во-доохлаждаемую пластину – горелку, над которой и образуется стабильное пламя. Как показали исследования, наиболее приемлемым для производст-ва фуллеренов при хорошей управляемости, является ламинарное гомоген-ное пламя, у которого все образующие его компоненты предварительно перемешаны на молекулярном уровне.
Мировой рынок фуллеренов
Рынок нанотехнологий переживает стремительное развитие, о чем свидетельствует рост инвестиций в отрасль, количества научных разрабо-ток, патентов и публикаций по данной проблематике. Достижения нано-технологий сегодня активно используются практически во всех отраслях экономики.
В 2007 году мировой рынок нанотехнологий достиг отметки в 146.4 млрд. долл., его ежегодный прирост составляет 15-17%. На полученную с использованием нанотехнологий продукцию приходится около 0.01% ми-рового ВВП. Как ожидается, данный показатель возрастет до 0.5% к 2010 году.
Производство наноматериалов является сегодня наиболее емким коммерческим сектором рынка нанотехнологий с объемом в 97 млрд. долл. Общая проблема для всего рынка наноматериалов – высокая стоимость продукции и низкие объемы производства, а ее потенциал заключается в повышении доступности наноматериалов для конечного потребителя.
Фуллерены относятся к числу наиболее изученных наноматериалов, однако широкого распространения на рынке они не получили. Прогнозная доля фуллеренов на рынке наноматериалов в 2010 году – 2%.
По оценкам Research.Techart, объем мирового рынка фуллеренов в 2008 году составил 143.5 млн. долл (119.6 млн. долл. в 2007 году). В по-следние годы он характеризуется замедлением показателей роста, в част-ности, наблюдается снижение исследовательской активности по данному направлению. За последнее время не было сделано каких-либо значимых открытий в области новых потенциальных промышленных применений данного материала, что позволяет достаточно скептично оценивать его перспективы. Уже в 2011 году фуллерены уступят лидерство на рынке уг-леродных наноматериалов нанотрубкам: на первые придется 1.3 млрд. долл., на вторые – 1.9 млрд. долл.
Отличия российского рынка фуллеренов от мирового заключаются в следующем:
исследования в области фуллеренов в мире инициируются крупным бизнесом (IBM, Xerox, DuPont, Mitsubishi, Kodak, NEC, Hoechst AG и др);
фуллерены в большинстве случаев не являются единственным про-изводственным направлением для представителей мирового рынка: ино-странные компании, как правило, осуществляют производство, как фулле-ренов, так и материалов, модифицированных фуллеренами; или химиче-скими модификациями фуллеренов, ориентированными на конкретные об-ласти применения; либо других наноматериалов.
Крупнейшим мировым производителем фуллеренов является соз-данная в 2001 году Mitsubishi Chemical Corporation (www.m-kagaku.co.jp) и Mitsubishi Corporation (www.mitsubishicorp.com) совместная компания The Frontier Carbon Corporation (www.f-carbon.com).
Основные производственные мощности по синтезу фуллеренов со-средоточены в США (30%) и Японии (48%). Значительным потенциалом по наращиванию объемов производства и потребления фуллеренов обла-дают также Южная Корея и Китай. Наибольшее число компаний располо-жено в настоящий момент в США, однако лидерство на рынке фуллеренов в натуральном выражении (с точки зрения объемов производства) принад-лежит Японии.
Наиболее развитым направлением производства является смесь фул-леренов С60/С70/высшие фуллерены. Около 15% приходится на наиболее изученную разновидность фуллеренов – С60. Высшие фуллерены и эндоэд-ральные фуллерены производятся в крайне небольших количествах: как правило опытными образцами в миллиграммах.
Стоит отметить, что в мире достаточно развитым направлением яв-ляется производство химических модификаций фуллеренов, уже адапти-рованных под те или иные области применения. В России подобная про-дукция не производится.
Широкомасштабное использование фуллеренов во многом ограни-чивается их высокой стоимостью. Положительным моментом для форми-рования спроса на фуллерены является то, что цены на данную продукцию имеют тенденцию к снижению. В сравнении с началом 90-х годов, стои-мость С60 снизилась практически в 1000 раз – с 10000 долл/грамм до прак-тически 10 долл/грамм.
В настоящее время на мировом рынке стоимость С60 составляет от 12 долл./грамм, С70 – от 240 долл./грамм.
При определении цены заказа одним из ведущих параметров, опре-деляющих их стоимость, является объем партии. Так, стоимость С60 с чис-тотой исходного материала> 99% за опытный образец (менее 10 грамм) превосходит аналогичную для крупной покупки (более 20 кг) более чем в три раза (45 долл/грамм:14 долл/грамм). Цены на фуллерены с одинаковым числом атомов углерода в молекуле отличаются также в зависимости от чистоты материала. Например, стоимость фуллерена С60 (99.0%) меньше, чем С60 (99.95%) в 2-2.5 раза. Многие производители не публикуют прайс-листы на фуллерены, стоимость определяется для каждого контракта в ин-дивидуальном порядке.
Стоимость фуллеренов в значительной степени дифференцирована в зависимости от региона. Самими высокими ценами характеризуется азиат-ский регион, низкими – североамериканский.
Высшие фуллерены производятся в крайне ограниченных количест-вах, что обуславливает их достаточно высокую стоимость (C76 – 35 долл/мг; C78 – 50 долл/мг). Высокая стоимость высших фуллеренов делает их малодоступными для проведения научных исследований, а также для использования в промышленных целях.
В 2008 году крупнейшим потребителем фуллеренов в мире являлась энергетика (на нее приходилось около 35%). Равнозначные доли в струк-туре потребления также принадлежат электронике и медицине – около 25%.
Если структурировать потребление фуллеренов по региональному признаку, то лидерство здесь принадлежит США и Японии. Стоит отме-тить, что региональная структура спроса на фуллерены имеет свою специ-фику. В Японии в структуре спроса преобладает сфера электроники. В США спрос формируется со стороны электроники, энергетики, медицины. В связи с динамичным развитием рынка альтернативой энергетики в Евро-пе, можно полагать, что именно эта отрасль может стать наиболее емким потребителем фуллеренов в данном регионе.
В перспективе рынок фуллеренов может развиваться по трем сцена-риям: умеренному (прогнозируемый объем рынка в 2016 году – 1.9 млрд. долл), пессимистичному (200 млн. долл.) и оптимистичному (4.7 млрд. долл). Оптимистичный сценарий развития рынка основан на возможности технологического прорыва в данной области, а именно усовершенствова-нии процесса производства фуллеренов и выхода на массовые объемы их производства. Вторым важным фактором должно стать открытие новых областей применения данного материала.
По мнению Research.Techart, наиболее вероятный сценарий развития рынка фуллеренов – умеренный, о чем свидетельствуют его настоящие тенденции (сдержанные темпы роста, низкие показатели спроса и др.).
Российский рынок
Российский рынок нанотехнологий находится на начальном этапе своего становления, на стадии НИОКР (в отличие от ведущих стран, кото-рые уже приступили к коммерциализации изобретений). Доля России в общемировом технологическом секторе составляет около 0.3%, а на рынке нанотехнологий – всего 0.04%. Это отставание во многом связано с тем, что Россия обратила свое внимание на наноразработки на 7-10 лет позже, чем зарубежные страны.
Главным фактором, который позитивно влияет на российский ры-нок, является государственная поддержка сектора, как на федеральном, так и региональном уровнях, а также значительный объем государственных инвестиций в сектор.
В настоящий момент государством выделены приоритетные направ-ления НИОКР в сфере нанотехнологий, перечень которых не является ис-черпывающим и ежегодно корректируется под влиянием мировых тенден-ций развития наноиндустрии. К этим направлениям относится: создание конструкционных наноматериалов гражданского и двойного назначения со специфическими эксплуатационными свойствами (прежде всего прочност-ными характеристиками); материалы и технологии для наноэлектроники и нанофотоники; композитные наноматериалы на основе углерода (угле-родные нанотрубки, фуллерены и др.); медицинские препараты и биома-териалы; создание научного, аналитического и технологического оборудо-вания для наноиндустрии.
Все проводимые в настоящее время исследования в области фулле-ренов можно разделить на следующие области их возможного применения: медицина, трибология, энергетика, электроника, металлургия, авиастрое-ние и космическая техника.
2008 год продемонстрировал снижение численности новых патентов в области фуллеренов в России. Скорее всего, это связано со смещением акцента в исследованиях на другой наноматериал – углеродные нанотруб-ки, число публикаций по которым ежегодно увеличивается. Подобную си-туацию можно объяснить более привлекательными для внедрения в про-мышленность свойствами последних.
В структуре выданных патентов самым значительным блоком явля-ется изучение возможностей повышения эффективности технологий син-теза фуллеренов, что объясняется стремлением обеспечить более техноло-гически совершенный и экономичный процесс производства. Доля патен-тов, посвященных разработкам потенциальных областей применения в промышленности значительно меньше. Все патенты можно разделить на следующие группы: биомедицинская, исследования оптических свойств фуллеренов и в области конечной потребительской продукции.
В отличие от мировой практики, где исследования в области нанома-териалов инициируются как со стороны научных учреждений, так и со стороны частных компаний, в России разработки технологий получения фуллеренов, а также их практических применений проводятся по большей части в академических кругах. Преобладающее число патентообладателей из сферы фуллеренов в России – НИИ, вузы и физические лица, что нега-тивно сказывается на темпах коммерциализации изобретений.
Объем производства фуллеренов С60 и С70 в 2008 году составил око-ло 30 кг, экстракта фуллеренов – 70-100 кг. Российский рынок фуллеренов характеризуется стабильными показателями развития, объемы производст-ва находятся на уровне 25-30 кг на протяжении нескольких последних лет. Высшие фуллерены пока изготавливаются только опытными партиями в объеме 1-2 граммов в год.
Объемы производства фуллереновой сажи значительно выше и еже-годно составляют около 1-1.5 тонны. Практически вся произведенная про-дукция поступает на внутренний рынок, доля экспорта – менее 10%.
Импортные поставки фуллеренов в 2008 году не зафиксированы.
В денежном выражении объем рынка фуллеренов и фуллереновой сажи в 2008 году оценивался Research.Techart в 31.6-35 млн. руб.
Эксперты полагают, что при условии сохранения существующей го-сударственной и инвестиционной поддержки сектора нанотехнологий, ры-нок наноматериалов в России способен развиваться опережающими тем-пами в сравнении с мировым.
В то же время рынок фуллеренов сталкивается с целым рядом нега-тивных факторов, сдерживающих его динамику: экономические (высокая стоимость фуллеренов; негативное состояние отраслей- потребителей, в частности, стагнация электронной индустрии и неразвитость альтернатив-ной энергетики – наиболее емких секторов с точки зрения объема спроса в мире; свойственная российскому бизнесу инерционность и слабая воспри-имчивость к инновациям; ограниченный объем частных вложений в осу-ществление собственных научных исследований со стороны российских компаний), технологические (недостатки технологического процесса про-изводства фуллеренов, уникальность и дороговизна необходимого обору-дования для производства фуллеренов) и информационно-организационные (низкая информированность среди предприятий о пре-имуществах использования фуллеренов, разработки в области наномате-риалов зачастую ведутся без учета практических потребностей в них).
Ввиду ограниченности спроса на фуллерены на внутреннем рынке, была зафиксирована только одна импортная поставка данного материала в период с 2005-2008 годы в количестве 0.011 кг производства бельгийской компании Acros Organics (www.acros.com).
Крупнейшим экспортером фуллереновой сажи и различных разно-видностей фуллеренов является компания НПК "НеоТекПродакт" (Санкт-Петербург, www.neotechproduct.ru). Объем экспорта фуллеренов в 2008 го-ду около 7 кг.
В структуре экспорта фуллеренов в 2005-2008 годах преобладают США – на них приходится 3/4 от всего объема вывезенной продукции. Крупнейшие импортеры российской продукции: американские компании SES Research (www.sesres.com) – 10 кг и MER Corp.(www.mercorp.com) – 12 кг. На втором месте с 13% долей экспорта находятся страны ЕС.
На фуллереновую сажу приходится половина от всех внешних по-ставок российской продукции (16 кг). Экспортная стоимость фуллереновой сажи в 2008 году – 25.5 руб/грамм. Далее следует фуллерен С60 с чистотой исходного материала 99.5% – 8.41 кг.
В отличие от мирового рынка, крупный бизнес в России не проявля-ет интерес к углеродным наноматериалам. Доминирующий профиль рос-сийских производителей фуллеренов – небольшие наукоемкие компании, созданные академическими или отраслевыми учеными. Осуществить изго-товление фуллеренов в небольших количествах могут также научно-исследовательские центры и вузы. К числу реализуемой российскими ком-паниями продукции относится фуллереновая сажа, экстракт фуллеренов и фуллерены С60 и С70. Другие разновидности материала практически не представлены. Исключением является продукция компаний NanoCarbLab (Москва, www.nanocarblab.com) – пирролидинофуллереновые соединения, ЗАО "Фуллерен-Центр" (Нижний Новгород, www.fullerene-c.com) – водо-растворимые фуллерены.
В России, также как и во всем мире, наиболее распространенной технологией производства фуллеренов является дуговой метод.
В структуре спроса на фуллерены государственный сектор одно-значно превалирует. Что касается структуры спроса на фуллерены в зави-симости от принадлежности к той или иной отрасли, то на сегодняшний день здесь преобладает фармацевтика (более половины от общего объема). На втором месте – обрабатывающая промышленность (14%) и машино-строение (14%). Как полагают эксперты, сфера медицины и фармацевтики будет наиболее емким потребителем фуллеренов и в перспективе.
На сегодняшний день наиболее развито потребление фуллереновой сажи, что определяется низкой стоимостью данной продукции (15-20 руб/грамм) и делает ее доступной для проведения научных исследований или для использования в качестве наномодификатора.
Массовый спрос на фуллерены сегодня отсутствует. В связи с этим современные области использования фуллеренов ориентированы на нише-вой спрос (вакцины, катализаторы и др.) и на удовлетворение специально-го и эксклюзивного спроса (использование как добавки к ракетному топ-ливу, защитные покрытия в авиастроении, использование при реставрации уникальных зданий).
Цены на фуллерены на российском рынке, также как и на мировом, определяются объемом поставок и чистотой исходного материала. Стои-мость фуллерена С60 (99.9%) при крупных заказах (от 0.5 кг до 20 кг) де-шевле, чем при заказах менее 1 гр. практически в два раза (950 руб./гр. / 1800 руб./кг).
Стоимость фуллереновой сажи составляет: от 30 руб./грамм до 80 руб./грамм. Цена смеси фуллеренов (С60/С70/смеси фуллеренов) – от 200 до 500 руб./грамм.
В настоящее время российский рынок фуллеренов сталкивается с двумя влияющими на него факторами: с одной стороны низкие количест-венные показатели спроса не могут способствовать увеличению объемов производства, а, следовательно, снижению стоимости фуллеренов (дости-жение ими конкурентоспособной цены возможно при условии непрерыв-ного производства); с другой – высокая стоимость фуллеренов является одним из факторов, ограничивающих спрос на них.
Во многом перспективы развития рынка будут связаны с нахождени-ем потенциально емких сфер их использования, что может привести к рос-ту объемов их производства, а, следовательно, и снижению стоимости. В этом случае темпы роста рынка могут составить до 30% в год. При опти-мистичном сценарии развития рынка объем производства фуллеренов С60/С70 к 2015 году будет находиться на уровне 250-300 кг.
При сохранении существующих тенденций развития рынка объем производства фуллеренов будет находиться на стабильном уровне и к 2015 году может составлять 30-35 кг/год. Данный сценарий развития рынка представляется наиболее вероятным.
Наибольшие перспективы будет иметь использование фуллеренов в области фармакологии. В среднесрочной перспективе другие отрасли не обладают значительным потенциалом по наращиванию объемов потребле-ния фуллеренов. Рынок альтернативной энергетики практически не развит и пока не обладает значительными предпосылками для роста ввиду огра-ниченной государственной поддержки. Отрасль электроники также в на-стоящее время характеризуется негативными показателями развития.

banner2footer3IRIS Blau iris2

Адрес:

Россия, 195213, Санкт-Петербург,
ул. Латышских Стрелков, дом 25
Телефон/факс: +7 (812) 327-24-02