雖然碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，但也有一些明顯的缺點(diǎn)，在日趨強(qiáng)調(diào)二氧化碳足跡、可持續(xù)性和脫碳的世界中，這些缺點(diǎn)并不能很好地發(fā)揮作用。其中最主要的一個(gè)缺點(diǎn)是高能耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每噸碳纖維可產(chǎn)生多達(dá)30噸的二氧化碳。另外一個(gè)缺點(diǎn)是丙烯腈，它用于生產(chǎn)碳纖維前驅(qū)體纖維——聚丙烯腈（PAN）的主要原料，傳統(tǒng)上來(lái)源于石油化工。
在碳纖維制造過程中，絕大部分能耗被一系列高溫爐所消耗，PAN纖維在氧化和碳化成為碳纖維時(shí)，必須要使用到這些高溫裝置。減少能耗可以圍繞著從可再生資源（包括水力、太陽(yáng)能和風(fēng)能）中獲取能源，這是碳纖維脫碳中相對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)成果。還有一些旨在縮短工藝時(shí)間的技術(shù)，如由澳大利亞迪肯大學(xué)開發(fā)的快速氧化技術(shù)，授權(quán)給美國(guó)LeMond Carbon公司，并于2019年由法國(guó)國(guó)際檢驗(yàn)局鑒定，證明每公斤纖維所需的能量減少了70%，然而，這些技術(shù)還沒有商業(yè)化。
聚丙烯腈（PAN）是由丙烯腈（AN）生產(chǎn)的，它是碳纖維制造中最常用的前驅(qū)體。AN通常來(lái)源于石油原料，這使得碳纖維的碳足跡相對(duì)較大。發(fā)展為生物基AN將大大提高AN的可持續(xù)性
減少PAN前驅(qū)體的碳足跡更具挑戰(zhàn)性，通常有兩種途徑。第一條路徑是從非PAN生物源開發(fā)新的前驅(qū)體纖維。木質(zhì)素是造紙的一種纖維素副產(chǎn)品，一直是這項(xiàng)工作的主要重點(diǎn)，但迄今為止還無(wú)法生產(chǎn)出機(jī)械性能與PAN基碳纖維相媲美的碳纖維。
第二條途徑是從生物基來(lái)源開發(fā)PAN本身，也就是說(shuō)，生產(chǎn)一種與石油基PAN化學(xué)相同的生物基PAN，從而降低碳纖維制造過程中的替代品。從材料性能的角度來(lái)看，這條路是可取的，原因顯而易見，但挑戰(zhàn)在于成本。
2019年，美國(guó)Southern research公司公布了一項(xiàng)研究計(jì)劃，旨在開發(fā)一種利用非食品碳水化合物生產(chǎn)AN的高成本效益工藝。該項(xiàng)目圍繞使用從木質(zhì)生物質(zhì)中收獲并通過水解精制的木糖和葡萄糖（又名C5、C6糖）展開。該過程包括使糖原料通過一系列三種催化劑，每種催化劑產(chǎn)生一種中間材料，并在該過程中產(chǎn)生一種化學(xué)副產(chǎn)物：
- 加氫裂化（用H2）生產(chǎn)中間甘油；副產(chǎn)物是二醇、山梨醇、低級(jí)醇和水。
- 脫水生產(chǎn)中間丙烯醛；副產(chǎn)物是羥基丙酮和水。
- 氨氧化（用空氣、NH3）產(chǎn)生AN；副產(chǎn)物是乙腈和水。
作為生物基AN研究的一部分，Southern Research進(jìn)行了生命周期評(píng)估（LCA），對(duì)生物基AN以及石油基AN進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，生物基AN制造每磅成品的碳足跡為-1.57磅當(dāng)量CO2，而石油基AN生產(chǎn)每磅成品碳足跡為3.5磅當(dāng)量CO2。簡(jiǎn)而言之，生物基原料屬于一種節(jié)約碳排放的工藝。
三年以來(lái)發(fā)生了很多事情，但值得注意的是，美國(guó)Trillium Renewable Chemicals公司已經(jīng)獲得Southern Research公司AN生產(chǎn)工藝的許可，該公司正在將其商業(yè)化，以生產(chǎn)AN和乙腈。
Trillium首席執(zhí)行官Corey Tyree表示，該公司仍處于啟動(dòng)階段，于2021年初完成了種子基金融資（300萬(wàn)美元），然后在美國(guó)西弗吉尼亞州查爾斯頓市建造了一座甘油制乙腈中試工廠。該工廠采用了Southern Research的核心技術(shù)——脫水和氨氧化，原料主要來(lái)自從大豆油中提取的植物性甘油。Tyree指出，Trillium公司工藝也從歐洲常見的菜籽油或亞洲常見的棕櫚油中提取甘油。
Tyree表示，該試驗(yàn)工廠提供了一個(gè)平臺(tái)，幫助Trillium優(yōu)化其AN制造工藝，以期待公司的下一步發(fā)展：在美國(guó)某處建設(shè)一個(gè)市場(chǎng)規(guī)模的示范工廠。該工廠可能在2023年底前破土動(dòng)工，并于2024年年中開始生產(chǎn)，其產(chǎn)能將達(dá)到25公斤/周，由2022年底獲得的1060萬(wàn)美元的A輪融資提供資金。Tyree表示，一旦其AN制造工藝風(fēng)險(xiǎn)消除，將在全球各地建造多個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)工廠。
盡管Trillium公司的AN，即Bio-ACN的名稱銷售，它可以針對(duì)各種行業(yè)和應(yīng)用，Tyree表示，客戶和市場(chǎng)信號(hào)將決定公司的發(fā)展方向。到目前為止，最強(qiáng)烈的信號(hào)來(lái)自碳纖維制造業(yè)。
2022年初，Trillium和碳纖維制造商索爾維復(fù)合材料簽署了一份發(fā)展Bio-ACN供應(yīng)鏈的意向書。根據(jù)這項(xiàng)協(xié)議，索爾維將于2023年對(duì)Trillium的生物基AN進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其化學(xué)和成分。2024年，索爾維將進(jìn)行生物AN的生命周期評(píng)估。Tyree表示，如果Trillium的Bio-ACN符合LOI中規(guī)定的某些標(biāo)準(zhǔn)，將觸發(fā)承購(gòu)協(xié)議，從而將Bio-ACN出售給Solvay。
Trillium Renewable Chemicals的員工在該公司位于美國(guó)西弗吉尼亞州查爾斯頓的試驗(yàn)生產(chǎn)線上工作，該生產(chǎn)線生產(chǎn)來(lái)自豆油原料的Bio-ACN。Trillium已獲得A系列融資，并將很快在美國(guó)某處建立一個(gè)示范生產(chǎn)工廠。該公司正在與索爾維公司合作，評(píng)估Bio-ACN作為石油基AN的替代品。
2022年12月，作為Trillium 1060萬(wàn)美元A輪融資的一部分，碳纖維供應(yīng)鏈發(fā)出了另一個(gè)強(qiáng)烈信號(hào)。碳纖維制造商韓國(guó)曉星先進(jìn)材料公司在該輪投資中提供了300萬(wàn)美元。Hyosung副總裁Young Joon Lee表示，該公司之所以被Trillium的Bio-ACN所吸引，是因?yàn)樵摦a(chǎn)品具有很強(qiáng)的可持續(xù)性。
Tyree談到來(lái)自碳纖維行業(yè)的投資時(shí)說(shuō):“這是很多人的興趣所在，而且是認(rèn)真的。這是一個(gè)經(jīng)常通過投資渠道進(jìn)入戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系或投資項(xiàng)目的細(xì)分市場(chǎng)。這很能說(shuō)明問題。”Tyree指出，與其他行業(yè)不同，AN是用于生產(chǎn)PAN的唯一單體，AN產(chǎn)品的綠色下降對(duì)可持續(xù)性的影響不會(huì)被其他石油基產(chǎn)品稀釋。
因此，公司技術(shù)所帶來(lái)的脫碳優(yōu)勢(shì)在最終產(chǎn)品中得以保持。他說(shuō)，結(jié)果是AN的碳足跡減少了70%。那碳纖維本身呢？“我們有一個(gè)總的想法，”Tyree說(shuō)，“但索爾維正在進(jìn)行的LCA工作將是最終的措施。然而，不難看出，AN足跡減少70%將導(dǎo)致碳纖維足跡的大幅減少?！?/section>
假設(shè)Trillium公司的生物基AN被證明在化學(xué)上與石油基AN完全相同，那么下一個(gè)問題將是成本。Tyree沒有透露具體的成本數(shù)據(jù)，但他指出，他預(yù)計(jì)Bio-ACN在進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)將與傳統(tǒng)AN具有同等的成本。鑒于Trillium已經(jīng)克服了技術(shù)、市場(chǎng)和資金障礙，這可能很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)。Tyree最終表示，Bio-ACN在市場(chǎng)上的地位將取決于其幫助碳纖維制造商實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的能力。
來(lái)源：CompositesWorld、碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)
原文鏈接：https://www.compositesworld.com/articles/bio-based-acrylonitrile-for-carbon-fiber-manufacture
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：使用生物基原料生產(chǎn)制造碳纖維用前驅(qū)體的丙烯腈（AN），可使碳足跡減少70%
