2023年2月24日，美國《復合材料世界》網(wǎng)站報道稱，碳纖維復合材料盡管具有重量輕、強度高、耐用強等優(yōu)點，但也同時包含一些明顯缺點，在一個迅速轉(zhuǎn)向強調(diào)低CO2足跡和全面脫碳發(fā)展的世界中，這些缺點并不能很好的適用于可持續(xù)發(fā)展要求。其一是生產(chǎn)碳纖維需要消耗大量能量，耗能多少取決于其原料來源，每制造1噸碳纖維最多可產(chǎn)生30噸CO2。其二是原料丙烯腈，它是用于生產(chǎn)碳纖維前驅(qū)體聚丙烯腈（PAN）的主要原料，丙烯腈?zhèn)鹘y(tǒng)意義上主要來源于石油基化學品。

碳纖維制造中使用的絕大部分能源被一系列高溫氧化（碳化、石墨化）爐等消耗，PAN基碳纖維在氧化和碳化成為碳纖維的過程中必須要經(jīng)過這些設備的處理。

正如預期，為了減少對現(xiàn)有能源的消耗，整個行業(yè)重點考慮更換能源，重點從可再生資源（包括水力、太陽能和風能）中采購能源，這種做法在碳纖維脫碳的進程中相對容易實現(xiàn)。除此之外，也有部分從業(yè)者選擇可以縮短工藝流程時間的技術，例如由澳大利亞迪肯大學開發(fā)的快速氧化技術，經(jīng)授權美國萊蒙德公司（LeMond）成果轉(zhuǎn)化，并在2019年通過法國必維國際檢驗集團（Bureau Veritas，BV）的審核，該技術可以使得生產(chǎn)的每千克碳纖維所需能量減少70%。但是，這類技術尚未實現(xiàn)商業(yè)化。

減少前驅(qū)體的碳足跡更具挑戰(zhàn)性，通常采取以下兩種途徑實現(xiàn)。其一是從非PAN的生物基來源開發(fā)一類新型前驅(qū)體，造紙行業(yè)中產(chǎn)生的一種纖維素副產(chǎn)品木質(zhì)素，一直是這項工作關注重點，但迄今為止，利用木質(zhì)素還無法生產(chǎn)出機械性能與PAN基碳纖維相當?shù)漠a(chǎn)品。

其二是從生物基來源尋找PAN——也就是說，找到一種生物基PAN，使其在化學性能方面與石油基PAN相同，一旦成功即有可能在碳纖維制造過程中實現(xiàn)原料直接替代。從材料特性的角度分析，這種技術路徑更有可行性，但面臨的挑戰(zhàn)之一就是成本問題。相比石油基PAN，生物基PAN是否具有成本競爭力？

生物基聚丙烯腈（PAN）的起源

2019年，美國南方研究公司（Southern Research）開展了一項研究，旨在開發(fā)一種具有成本效益的工藝，能夠從非食品碳水化合物中制造丙烯腈。該計劃圍繞利用從木基生物質(zhì)中提取并通過水解精制得到的木糖和葡萄糖（又名C5、C6糖）展開。制備過程的關鍵是將糖類原料經(jīng)歷三種催化劑，通過每種催化劑時產(chǎn)生一種中間材料，同時也產(chǎn)生一種化學副產(chǎn)品：

1）加氫裂化（用H2）生產(chǎn)中間體甘油；其副產(chǎn)物是乙二醇、山梨糖醇、低碳醇和水。

2）脫水生成中間體丙烯醛；副產(chǎn)品是羥基丙酮和水。

3）氨氧化（用空氣，NH3）生產(chǎn)丙烯腈；副產(chǎn)品是氰化甲烷和水。

作為生物基丙烯腈研究的一部分，南方研究公司進行了全壽命周期評估（LCA），利用基于生物質(zhì)和基于石油丙烯腈生產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品，比較了其各自碳足跡。結果表明，生物基丙烯腈制造1磅碳纖維成品的釋放相當于1.57磅CO2，而石油基丙烯腈制造1磅碳纖維成品則釋放相當于3.5磅CO2。簡而言之，生物基原料至少在生產(chǎn)碳纖維成品方面實現(xiàn)了更少的碳排放。

在成本方面，南方研究公司的工藝對糖原料的純度很敏感，原料純度質(zhì)量越高，成本越高。此前南方研究公司曾表示。計劃委托一個小規(guī)模生產(chǎn)工廠，并尋找愿意評估生物基丙烯腈質(zhì)量的碳纖維制造商。

生物基丙烯腈商業(yè)化進程

從2019年至今，3年的時間中發(fā)生了很多事情。值得注意的是，南方研究公司研發(fā)的丙烯腈生產(chǎn)工藝已獲得美國Trillium可再生化學公司的認可，該公司正在將其商業(yè)化以生產(chǎn)丙烯腈和氰化甲烷。

Trillium公司仍然處于初創(chuàng)模式，于2021年初完成了300萬美元的種子輪融資，然后在美國西弗吉尼亞州查爾斯頓建造了一個甘油制丙烯腈的試驗工廠。該工廠使用的核心技術——脫水和氨氧化，均來自于南方研究公司，使用的原料主要來自大豆油中的植物甘油。Trillium的工藝還可以接受歐洲常見的菜籽油或亞洲常見的棕櫚油中的甘油。

公司將建立一個試點工廠作為研發(fā)平臺，逐步驗證和優(yōu)化其丙烯腈制造工藝，以此進一步推進公司發(fā)展，即在美國某地建設一個具備市場規(guī)模效應的示范工廠。據(jù)公司透露，該工廠可能會在2023年底前破土動工，到2024年中開始生產(chǎn)，其產(chǎn)能將為25千克/周，建設資金將主要來自2022年底的1060萬美元A輪融資。

最終，經(jīng)過充分驗證和發(fā)展，待制造過程完全消除風險后，Trillium公司預計將在全球建造多個全速生產(chǎn)工廠。

碳纖維供應鏈受益

盡管Trillium的產(chǎn)品以生物基丙烯腈（Bio-CAN）的形式銷售，可針對多種行業(yè)和應用，但最終決定公司發(fā)展方向的是客戶和市場釋放的信號。到目前為止，需求最強烈的來自碳纖維制造業(yè)。

2022年初，Trillium與碳纖維制造商索爾維復合材料公司簽署了合作意向書，共同開發(fā)生物基丙烯腈供應鏈。根據(jù)該協(xié)議，索爾維公司將于2023年對Trillium的生物基丙烯腈進行分析，充分驗證其化學成分。隨后，索爾維將在2024年對生物基丙烯腈進行全壽命周期評價。

2022年12月，作為Trillium公司總價值1060萬美元A輪融資的一部分，碳纖維供應鏈同時還帶來了另一個強烈信號。碳纖維制造商韓國曉星先進材料公司在那輪融資中提供了300萬美元。曉星集團表示，公司之所以被Trillium的生物基丙烯腈所吸引，是因為該產(chǎn)品具有很強的可持續(xù)性特征?？沙掷m(xù)發(fā)展是曉星公司未來戰(zhàn)略的核心，公司堅信通過強有力的合作，將使雙方在可持續(xù)化學品領域的領導地位更上一層樓。碳纖維領域的投資對于Trillium來說很重要，因為這表明這一細分市場已經(jīng)有了潛在的客戶群體。

Trillium公司最終通過生物基丙烯腈闡述的可持續(xù)發(fā)展內(nèi)容是擲地有聲的，與其他一些細分市場不同，丙烯腈是唯一用于生產(chǎn)聚丙烯腈（PAN）的單體，綠色滴入式生物基丙烯腈產(chǎn)品的可持續(xù)性影響并不會被其他石油基產(chǎn)品稀釋。

因此，公司技術中所傳達的脫碳優(yōu)勢在最終產(chǎn)品中得到體現(xiàn)，丙烯腈的碳足跡減少了70%。對于碳纖維產(chǎn)品性能的影響，索爾維公司正在進行的全壽命周期評估工作將成為最終衡量標準。

除了脫碳，Trillium公司在不同地區(qū)調(diào)研到了不同視角下人們關注生物基丙烯腈的焦點不同，因為不同的廠商需要了解產(chǎn)品特性并將其推銷給客戶使用。生物特性、低碳屬性都是不同客戶關注的重點。例如，歐盟的潛在客戶對在原料中使用轉(zhuǎn)基因生物很敏感。他們還擔心棕櫚油的大量使用——來自油棕樹的棕櫚油在一些地區(qū)取代了森林以擴大作物生產(chǎn)，產(chǎn)生環(huán)保、資源等問題。公司需要對客戶的這些隱憂保持謹慎。

若Trillium公司的生物基丙烯腈被證明與石油基丙烯腈在化學上完全相同，那么下一個問題將是生產(chǎn)成本。Trillium尚未透露具體數(shù)字，但預計生物基丙烯腈進入市場時其成本將很快與傳統(tǒng)丙烯腈持平。鑒于Trillium公司已經(jīng)清除了技術、市場和資金障礙，成本問題可能很快得到解決。

最終，生物基丙烯腈在市場上獲得的位勢將取決于它幫助碳纖維制造商實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的能力。影響所有客戶和地區(qū)的核心事宜就是碳足跡，丙烯腈產(chǎn)品的升級證明了人們可以利用化學品和化學反應本身對碳足跡產(chǎn)生最大影響。