技术资料碳纤维制造用生物基丙烯腈

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对碳纤维制造中使用的丙烯腈的可持续来源的追求已经从实验室跨越到市场。

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此处所示的聚丙烯腈 (PAN) 由丙烯腈 (ACN) 制成,是碳纤维制造中最常用的前体。 丙烯腈通常源自石油基原料,这使得碳纤维的碳足迹相对较大。 向生物基ACN演进将极大改善ACN的可持续发展状况。

图片来源(包括与标题匹配的图片):CW

碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、耐用等优点; 但这些材料有一些明显的缺点,与正在迅速转向强调二氧化碳足迹、可持续性和脱碳的世界格格不入。 扮演一个角色。 一个缺点是它需要大量能源,每吨碳纤维可产生高达 30 吨二氧化碳,具体取决于其来源。 第二种是丙烯腈,是生产碳纤维前驱体聚丙烯腈(PAN)的主要原料,传统上来源于石化工业。

碳纤维制造过程中使用的能源大部分被一系列的碳化炉和氧化炉消耗,PAN纤维在这些炉中经过氧化碳化后成为碳纤维。

正如预期的那样,减少能源消耗的重点是从可再生能源(包括水力、太阳能和风能)中获取能源。 这是碳纤维脱碳的风险相对较低的结果。 还有一些旨在减少处理时间的技术,例如 2019 年获得 LeMond Carbon(美国田纳西州诺克斯维尔)许可并经必维国际检验集团(BV,法国巴黎)审核的技术,已证明所需能源减少了 70 %。 然而,这些技术尚未商业化。

减少前体的碳足迹更具挑战性,通常遵循两种途径之一。 第一种方法是从非 PAN 生物来源开发一类新型前体。 木质素是造纸的纤维素副产品,一直是这项工作的主要焦点,但迄今为止还不可能生产出具有与聚丙烯腈(PAN)相同机械性能的碳纤维。

第二条路径是从生物基来源开发PAN本身——也就是说,生物基PAN具有与石油基PAN相同的化学性质,因此是碳纤维制造过程中的潜在替代品。 从材料特性的角度来看,这条路径是可取的,原因显而易见,但挑战在于成本。 生物基 PAN 是否有可能在成本上与石油基 PAN 竞争?

生物基PAN的起源

2019 年,CW 报道了南方研究公司(美国阿拉巴马州伯明翰)的一项研究计划,旨在开发一种具有成本效益的工艺,利用非食品碳水化合物制造乙腈。 该计划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(也称为 C5 和 C6 糖)进行。 该过程涉及将糖原料通过一系列三种催化剂,每种催化剂都会在此过程中产生中间物质和化学副产品。

加氢裂化(使用H2)产生中间体甘油; 副产物是乙二醇、山梨醇、低级醇和水。

脱水生成中间体丙烯醛; 副产物是羟基丙酮和水。

氨被氧化(与空气、NH3)生成ACN; 副产物是乙腈和水。

作为生物基乙腈研究的一部分,南方研究中心进行了生命周期评估 (LCA),将生物质乙腈制造与石油乙腈制造进行了比较。 结果表明,生物基乙腈制造的碳足迹为每磅成品 -1.57 磅二氧化碳当量,而石油基乙腈制造的碳足迹为每磅成品 -3.5 磅二氧化碳当量。 简而言之,生物基原料可以实现碳节约过程。

在成本方面,南方研究院的工艺对糖原料的纯度非常敏感。 原材料的品质越高,成本就越高。 当 CW 上次与 Southern Research 交谈时,该公司正准备建立一家小型生产工厂,并寻找愿意评估其 ACN 质量的碳纤维制造商。

生物基乙腈商业化

这三年里发生了很多事情。 值得注意的是,Southern Research 开发的乙腈生产工艺已授权给 Trillium Renewable Chemicals(美国田纳西州诺克斯维尔),该公司正在将其商业化以生产乙腈和乙腈。

Trillium 首席执行官 Corey Tyree 表示,该公司仍处于早期阶段,已于 2021 年初筹集了种子资金(300 万美元),然后在美国西弗吉尼亚州查尔斯顿建立了一家基于甘油的乙腈试点工厂。 Tyree 指出,Trillium 的工艺还接受来自欧洲常见的菜籽油或亚洲常见的棕榈油的甘油。

该试点工厂提供了一个平台,帮助 Trillium 优化其 ACN 制造工艺,以预测公司的下一步行动。 Tyree 表示,该工厂可能于 2023 年底破土动工,并于 2024 年中期开始生产。 其产能为25公斤/周,资金将于2022年底获得1060万美元的A轮融资。

Tyree 表示,最终,一旦 ACN 制造过程完全消除风险,Trillium 预计将在世界各地建立多个全面的生产设施。

碳纤维供应链优势

尽管 Trillium 的 ACN(称为 Bio-ACN)可以针对多种行业和应用,但 Tyree 表示,客户和市场信号将决定公司的方向。 迄今为止最强烈的信号来自碳纤维制造。

2022 年初,Trillium 与碳纤维制造商索尔维复合材料公司(美国佐治亚州阿尔法利塔)签署了一份开发 Bio-ACN 供应链的意向书 (LOI)。 根据该协议,索尔维将在 2023 年分析 Trillium 的生物乙腈,以验证其化学和成分。 2024年,索尔维将对生物乙腈进行生命周期评估。 Tyree 表示,如果 Trillium 的 Bio-ACN 符合意向书中规定的某些标准,将触发一项承购协议,将 Bio-ACN 出售给索尔维。

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Trillium Renewable Chemicals 员工在公司位于西弗吉尼亚州查尔斯顿的试验生产线上工作,该生产线用大豆油原料生产生物乙腈。 Trillium 已获得 A 系列融资,并将很快在美国某地建立示范生产设施。 该公司正在与索尔维合作评估生物乙腈作为石油基乙腈的替代品。