美国研究机构发展用于碳纤维制造的生物基丙烯腈原料

2023年2月24日，美国《复合材料世界》网站报道称，碳纤维复合材料尽管具有重量轻、强度高、耐用强等优点，但也同时包含一些明显缺点，在一个迅速转向强调低CO2足迹和全面脱碳发展的世界中，这些缺点并不能很好的适用于可持续发展要求。其一是生产碳纤维需要消耗大量能量，耗能多少取决于其原料来源，每制造1吨碳纤维最多可产生30吨CO2。其二是原料丙烯腈，它是用于生产碳纤维前驱体聚丙烯腈（PAN）的主要原料，丙烯腈传统意义上主要来源于石油基化学品。

碳纤维制造中使用的绝大部分能源被一系列高温氧化（碳化、石墨化）炉等消耗，PAN基碳纤维在氧化和碳化成为碳纤维的过程中必须要经过这些设备的处理。

正如预期，为了减少对现有能源的消耗，整个行业重点考虑更换能源，重点从可再生资源（包括水力、太阳能和风能）中采购能源，这种做法在碳纤维脱碳的进程中相对容易实现。除此之外，也有部分从业者选择可以缩短工艺流程时间的技术，例如由澳大利亚迪肯大学开发的快速氧化技术，经授权美国莱蒙德公司（LeMond）成果转化，并在2019年通过法国必维国际检验集团（Bureau Veritas，BV）的审核，该技术可以使得生产的每千克碳纤维所需能量减少70%。但是，这类技术尚未实现商业化。

减少前驱体的碳足迹更具挑战性，通常采取以下两种途径实现。其一是从非PAN的生物基来源开发一类新型前驱体，造纸行业中产生的一种纤维素副产品木质素，一直是这项工作关注重点，但迄今为止，利用木质素还无法生产出机械性能与PAN基碳纤维相当的产品。

其二是从生物基来源寻找PAN——也就是说，找到一种生物基PAN，使其在化学性能方面与石油基PAN相同，一旦成功即有可能在碳纤维制造过程中实现原料直接替代。从材料特性的角度分析，这种技术路径更有可行性，但面临的挑战之一就是成本问题。相比石油基PAN，生物基PAN是否具有成本竞争力？

生物基聚丙烯腈（PAN）的起源

2019年，美国南方研究公司（Southern Research）开展了一项研究，旨在开发一种具有成本效益的工艺，能够从非食品碳水化合物中制造丙烯腈。该计划围绕利用从木基生物质中提取并通过水解精制得到的木糖和葡萄糖（又名C5、C6糖）展开。制备过程的关键是将糖类原料经历三种催化剂，通过每种催化剂时产生一种中间材料，同时也产生一种化学副产品：

1）加氢裂化（用H2）生产中间体甘油；其副产物是乙二醇、山梨糖醇、低碳醇和水。

2）脱水生成中间体丙烯醛；副产品是羟基丙酮和水。

3）氨氧化（用空气，NH3）生产丙烯腈；副产品是氰化甲烷和水。

作为生物基丙烯腈研究的一部分，南方研究公司进行了全寿命周期评估（LCA），利用基于生物质和基于石油丙烯腈生产碳纤维产品，比较了其各自碳足迹。结果表明，生物基丙烯腈制造1磅碳纤维成品的释放相当于1.57磅CO2，而石油基丙烯腈制造1磅碳纤维成品则释放相当于3.5磅CO2。简而言之，生物基原料至少在生产碳纤维成品方面实现了更少的碳排放。

在成本方面，南方研究公司的工艺对糖原料的纯度很敏感，原料纯度质量越高，成本越高。此前南方研究公司曾表示。计划委托一个小规模生产工厂，并寻找愿意评估生物基丙烯腈质量的碳纤维制造商。

生物基丙烯腈商业化进程

从2019年至今，3年的时间中发生了很多事情。值得注意的是，南方研究公司研发的丙烯腈生产工艺已获得美国Trillium可再生化学公司的认可，该公司正在将其商业化以生产丙烯腈和氰化甲烷。

Trillium公司仍然处于初创模式，于2021年初完成了300万美元的种子轮融资，然后在美国西弗吉尼亚州查尔斯顿建造了一个甘油制丙烯腈的试验工厂。该工厂使用的核心技术——脱水和氨氧化，均来自于南方研究公司，使用的原料主要来自大豆油中的植物甘油。Trillium的工艺还可以接受欧洲常见的菜籽油或亚洲常见的棕榈油中的甘油。

公司将建立一个试点工厂作为研发平台，逐步验证和优化其丙烯腈制造工艺，以此进一步推进公司发展，即在美国某地建设一个具备市场规模效应的示范工厂。据公司透露，该工厂可能会在2023年底前破土动工，到2024年中开始生产，其产能将为25千克/周，建设资金将主要来自2022年底的1060万美元A轮融资。

最终，经过充分验证和发展，待制造过程完全消除风险后，Trillium公司预计将在全球建造多个全速生产工厂。

碳纤维供应链受益

尽管Trillium的产品以生物基丙烯腈（Bio-CAN）的形式销售，可针对多种行业和应用，但最终决定公司发展方向的是客户和市场释放的信号。到目前为止，需求最强烈的来自碳纤维制造业。

2022年初，Trillium与碳纤维制造商索尔维复合材料公司签署了合作意向书，共同开发生物基丙烯腈供应链。根据该协议，索尔维公司将于2023年对Trillium的生物基丙烯腈进行分析，充分验证其化学成分。随后，索尔维将在2024年对生物基丙烯腈进行全寿命周期评价。

2022年12月，作为Trillium公司总价值1060万美元A轮融资的一部分，碳纤维供应链同时还带来了另一个强烈信号。碳纤维制造商韩国晓星先进材料公司在那轮融资中提供了300万美元。晓星集团表示，公司之所以被Trillium的生物基丙烯腈所吸引，是因为该产品具有很强的可持续性特征。可持续发展是晓星公司未来战略的核心，公司坚信通过强有力的合作，将使双方在可持续化学品领域的领导地位更上一层楼。碳纤维领域的投资对于Trillium来说很重要，因为这表明这一细分市场已经有了潜在的客户群体。

Trillium公司最终通过生物基丙烯腈阐述的可持续发展内容是掷地有声的，与其他一些细分市场不同，丙烯腈是唯一用于生产聚丙烯腈（PAN）的单体，绿色滴入式生物基丙烯腈产品的可持续性影响并不会被其他石油基产品稀释。

因此，公司技术中所传达的脱碳优势在最终产品中得到体现，丙烯腈的碳足迹减少了70%。对于碳纤维产品性能的影响，索尔维公司正在进行的全寿命周期评估工作将成为最终衡量标准。

除了脱碳，Trillium公司在不同地区调研到了不同视角下人们关注生物基丙烯腈的焦点不同，因为不同的厂商需要了解产品特性并将其推销给客户使用。生物特性、低碳属性都是不同客户关注的重点。例如，欧盟的潜在客户对在原料中使用转基因生物很敏感。他们还担心棕榈油的大量使用——来自油棕树的棕榈油在一些地区取代了森林以扩大作物生产，产生环保、资源等问题。公司需要对客户的这些隐忧保持谨慎。

若Trillium公司的生物基丙烯腈被证明与石油基丙烯腈在化学上完全相同，那么下一个问题将是生产成本。Trillium尚未透露具体数字，但预计生物基丙烯腈进入市场时其成本将很快与传统丙烯腈持平。鉴于Trillium公司已经清除了技术、市场和资金障碍，成本问题可能很快得到解决。

最终，生物基丙烯腈在市场上获得的位势将取决于它帮助碳纤维制造商实现可持续发展目标的能力。影响所有客户和地区的核心事宜就是碳足迹，丙烯腈产品的升级证明了人们可以利用化学品和化学反应本身对碳足迹产生最大影响。