虽然碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、耐久性好等优点，但也有一些明显的缺点，在日趋强调二氧化碳足迹、可持续性和脱碳的世界中，这些缺点并不能很好地发挥作用。其中最主要的一个缺点是高能耗，据统计，每吨碳纤维可产生多达30吨的二氧化碳。另外一个缺点是丙烯腈，它用于生产碳纤维前驱体纤维——聚丙烯腈（PAN）的主要原料，传统上来源于石油化工。
在碳纤维制造过程中，绝大部分能耗被一系列高温炉所消耗，PAN纤维在氧化和碳化成为碳纤维时，必须要使用到这些高温装置。减少能耗可以围绕着从可再生资源（包括水力、太阳能和风能）中获取能源，这是碳纤维脱碳中相对低风险成果。还有一些旨在缩短工艺时间的技术，如由澳大利亚迪肯大学开发的快速氧化技术，授权给美国LeMond Carbon公司，并于2019年由法国国际检验局鉴定，证明每公斤纤维所需的能量减少了70%，然而，这些技术还没有商业化。
聚丙烯腈（PAN）是由丙烯腈（AN）生产的，它是碳纤维制造中最常用的前驱体。AN通常来源于石油原料，这使得碳纤维的碳足迹相对较大。发展为生物基AN将大大提高AN的可持续性
减少PAN前驱体的碳足迹更具挑战性，通常有两种途径。第一条路径是从非PAN生物源开发新的前驱体纤维。木质素是造纸的一种纤维素副产品，一直是这项工作的主要重点，但迄今为止还无法生产出机械性能与PAN基碳纤维相媲美的碳纤维。
第二条途径是从生物基来源开发PAN本身，也就是说，生产一种与石油基PAN化学相同的生物基PAN，从而降低碳纤维制造过程中的替代品。从材料性能的角度来看，这条路是可取的，原因显而易见，但挑战在于成本。
2019年，美国Southern research公司公布了一项研究计划，旨在开发一种利用非食品碳水化合物生产AN的高成本效益工艺。该项目围绕使用从木质生物质中收获并通过水解精制的木糖和葡萄糖（又名C5、C6糖）展开。该过程包括使糖原料通过一系列三种催化剂，每种催化剂产生一种中间材料，并在该过程中产生一种化学副产物：
- 加氢裂化（用H2）生产中间甘油；副产物是二醇、山梨醇、低级醇和水。
- 脱水生产中间丙烯醛；副产物是羟基丙酮和水。
- 氨氧化（用空气、NH3）产生AN；副产物是乙腈和水。
作为生物基AN研究的一部分，Southern Research进行了生命周期评估（LCA），对生物基AN以及石油基AN进行了比较。结果表明，生物基AN制造每磅成品的碳足迹为-1.57磅当量CO2，而石油基AN生产每磅成品碳足迹为3.5磅当量CO2。简而言之，生物基原料属于一种节约碳排放的工艺。
三年以来发生了很多事情，但值得注意的是，美国Trillium Renewable Chemicals公司已经获得Southern Research公司AN生产工艺的许可，该公司正在将其商业化，以生产AN和乙腈。
Trillium首席执行官Corey Tyree表示，该公司仍处于启动阶段，于2021年初完成了种子基金融资（300万美元），然后在美国西弗吉尼亚州查尔斯顿市建造了一座甘油制乙腈中试工厂。该工厂采用了Southern Research的核心技术——脱水和氨氧化，原料主要来自从大豆油中提取的植物性甘油。Tyree指出，Trillium公司工艺也从欧洲常见的菜籽油或亚洲常见的棕榈油中提取甘油。
Tyree表示，该试验工厂提供了一个平台，帮助Trillium优化其AN制造工艺，以期待公司的下一步发展：在美国某处建设一个市场规模的示范工厂。该工厂可能在2023年底前破土动工，并于2024年年中开始生产，其产能将达到25公斤/周，由2022年底获得的1060万美元的A轮融资提供资金。Tyree表示，一旦其AN制造工艺风险消除，将在全球各地建造多个大规模生产工厂。
尽管Trillium公司的AN，即Bio-ACN的名称销售，它可以针对各种行业和应用，Tyree表示，客户和市场信号将决定公司的发展方向。到目前为止，最强烈的信号来自碳纤维制造业。
2022年初，Trillium和碳纤维制造商索尔维复合材料签署了一份发展Bio-ACN供应链的意向书。根据这项协议，索尔维将于2023年对Trillium的生物基AN进行分析，以验证其化学和成分。2024年，索尔维将进行生物AN的生命周期评估。Tyree表示，如果Trillium的Bio-ACN符合LOI中规定的某些标准，将触发承购协议，从而将Bio-ACN出售给Solvay。
Trillium Renewable Chemicals的员工在该公司位于美国西弗吉尼亚州查尔斯顿的试验生产线上工作，该生产线生产来自豆油原料的Bio-ACN。Trillium已获得A系列融资，并将很快在美国某处建立一个示范生产工厂。该公司正在与索尔维公司合作，评估Bio-ACN作为石油基AN的替代品。
2022年12月，作为Trillium 1060万美元A轮融资的一部分，碳纤维供应链发出了另一个强烈信号。碳纤维制造商韩国晓星先进材料公司在该轮投资中提供了300万美元。Hyosung副总裁Young Joon Lee表示，该公司之所以被Trillium的Bio-ACN所吸引，是因为该产品具有很强的可持续性。
Tyree谈到来自碳纤维行业的投资时说:“这是很多人的兴趣所在，而且是认真的。这是一个经常通过投资渠道进入战略合作伙伴关系或投资项目的细分市场。这很能说明问题。”Tyree指出，与其他行业不同，AN是用于生产PAN的唯一单体，AN产品的绿色下降对可持续性的影响不会被其他石油基产品稀释。
因此，公司技术所带来的脱碳优势在最终产品中得以保持。他说，结果是AN的碳足迹减少了70%。那碳纤维本身呢？“我们有一个总的想法，”Tyree说，“但索尔维正在进行的LCA工作将是最终的措施。然而，不难看出，AN足迹减少70%将导致碳纤维足迹的大幅减少。”
假设Trillium公司的生物基AN被证明在化学上与石油基AN完全相同，那么下一个问题将是成本。Tyree没有透露具体的成本数据，但他指出，他预计Bio-ACN在进入市场时将与传统AN具有同等的成本。鉴于Trillium已经克服了技术、市场和资金障碍，这可能很快就会实现。Tyree最终表示，Bio-ACN在市场上的地位将取决于其帮助碳纤维制造商实现可持续发展目标的能力。
来源：CompositesWorld、碳纤维及其复合材料技术
原文链接：https://www.compositesworld.com/articles/bio-based-acrylonitrile-for-carbon-fiber-manufacture
原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：使用生物基原料生产制造碳纤维用前驱体的丙烯腈（AN），可使碳足迹减少70%
