雖然碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、強度高、耐久性好等優(yōu)點，但也有一些明顯的缺點，在日趨強調(diào)二氧化碳足跡、可持續(xù)性和脫碳的世界中，這些缺點并不能很好地發(fā)揮作用。其中最主要的一個缺點是高能耗，據(jù)統(tǒng)計，每噸碳纖維可產(chǎn)生多達30噸的二氧化碳。另外一個缺點是丙烯腈，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，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、太陽能和風(fēng)能）中獲取能源，這是碳纖維脫碳中相對低風(fēng)險成果。還有一些旨在縮短工藝時間的技術(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LeMond Carbon公司，并于2019年由法國國際檢驗局鑒定，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通常來源于石油原料，這使得碳纖維的碳足跡相對較大。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，一直是這項工作的主要重點，但迄今為止還無法生產(chǎn)出機械性能與PAN基碳纖維相媲美的碳纖維。
第二條途徑是從生物基來源開發(fā)PAN本身，也就是說，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Southern research公司公布了一項研究計劃，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進行了生命周期評估（LCA），對生物基AN以及石油基AN進行了比較。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。
三年以來發(fā)生了很多事情，但值得注意的是，美國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，該公司仍處于啟動階段，于2021年初完成了種子基金融資（300萬美元），然后在美國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，該試驗工廠提供了一個平臺，幫助Trillium優(yōu)化其AN制造工藝，以期待公司的下一步發(fā)展：在美國某處建設(shè)一個市場規(guī)模的示范工廠。該工廠可能在2023年底前破土動工，并于2024年年中開始生產(chǎn)，其產(chǎn)能將達到25公斤/周，由2022年底獲得的1060萬美元的A輪融資提供資金。Tyree表示，一旦其AN制造工藝風(fēng)險消除，將在全球各地建造多個大規(guī)模生產(chǎn)工廠。
盡管Trillium公司的AN，即Bio-ACN的名稱銷售，它可以針對各種行業(yè)和應(yīng)用，Tyree表示，客戶和市場信號將決定公司的發(fā)展方向。到目前為止，最強烈的信號來自碳纖維制造業(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)這項協(xié)議，索爾維將于2023年對Trillium的生物基AN進行分析，以驗證其化學(xué)和成分。2024年，索爾維將進行生物AN的生命周期評估。Tyree表示，如果Trillium的Bio-ACN符合LOI中規(guī)定的某些標準，將觸發(fā)承購協(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西弗吉尼亞州查爾斯頓的試驗生產(chǎn)線上工作，該生產(chǎn)線生產(chǎn)來自豆油原料的Bio-ACN。Trillium已獲得A系列融資，并將很快在美國某處建立一個示范生產(chǎn)工廠。該公司正在與索爾維公司合作，評估Bio-ACN作為石油基AN的替代品。
2022年12月，作為Trillium 1060萬美元A輪融資的一部分，碳纖維供應(yīng)鏈發(fā)出了另一個強烈信號。碳纖維制造商韓國曉星先進材料公司在該輪投資中提供了300萬美元。Hyosung副總裁Young Joon Lee表示，該公司之所以被Trillium的Bio-ACN所吸引，是因為該產(chǎn)品具有很強的可持續(xù)性。
Tyree談到來自碳纖維行業(yè)的投資時說:“這是很多人的興趣所在，而且是認真的。這是一個經(jīng)常通過投資渠道進入戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系或投資項目的細分市場。這很能說明問題。”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)品的綠色下降對可持續(xù)性的影響不會被其他石油基產(chǎn)品稀釋。
因此，公司技術(shù)所帶來的脫碳優(yōu)勢在最終產(chǎn)品中得以保持。他說，結(jié)果是AN的碳足跡減少了70%。那碳纖維本身呢？“我們有一個總的想法，”Tyree說，“但索爾維正在進行的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。”
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Bio-ACN在進入市場時將與傳統(tǒng)AN具有同等的成本。鑒于Trillium已經(jīng)克服了技術(shù)、市場和資金障礙，這可能很快就會實現(xiàn)。Tyree最終表示，Bio-ACN在市場上的地位將取決于其幫助碳纖維制造商實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的能力。
來源：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（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%
