- 100%生物基碳纖維獲突破
- 發(fā)布日期：2025-04-29
4月21日，HS曉星先進(jìn)材料宣布，其自2022年起投資的美國(guó)化學(xué)技術(shù)初創(chuàng)公司Trillium，已成功進(jìn)行將植物基原料制成的100%生物丙烯腈(ACN)聚合成聚丙烯腈(PAN)的實(shí)驗(yàn)。
PAN是將丙烯腈連接在一起得到的聚合物，90%以上的碳纖維都是由PAN制成的。此次實(shí)驗(yàn)的意義在于開發(fā)出100%生物基碳纖維原料，從而避免了傳統(tǒng)石油基丙烯原料的使用。
HS曉星表示，“如果以這種環(huán)保原料為基礎(chǔ)生產(chǎn)高性能碳纖維，經(jīng)計(jì)算，與現(xiàn)有的PAN碳纖維相比，可以減少約15%～25%的碳足跡。”
生物基碳纖維是一種以生物質(zhì)為原料制備的碳纖維，具有高強(qiáng)度、高剛性、高耐久性等特點(diǎn)，是一種綠色、環(huán)保的材料，可用于車輛、航空航天、體育器材等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)金屬材料相比，生物基碳纖維具有更高的強(qiáng)度、剛性和耐久性，同時(shí)重量也大大減輕，可以提高汽車的燃油效率和性能、目前，寶馬、奧迪等知名汽車品牌已經(jīng)將生物基碳纖維應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中，波音、空客等航空公司已經(jīng)也在使用生物基碳纖維材料。
大多碳纖維都以丙烯腈通過聚合工藝得到的聚丙烯腈為前體,再經(jīng)過紡絲后形成原絲，不同原料生產(chǎn)碳纖維的簡(jiǎn)要工藝流程如下圖。為了降低碳纖維生產(chǎn)成本及對(duì)化石原料的依賴，基于木質(zhì)素、甘油（丙三醇）和木質(zhì)纖維素糖等原料碳纖維原絲研究日益受到關(guān)注。
木質(zhì)素是自然界中最為豐富的、攜有芳烴環(huán)的生物質(zhì)資源之一。硫酸鹽法制漿工藝為廣泛使用的工藝技術(shù)，采用高溫和堿性化學(xué)品，從纖維素中分離木質(zhì)素，木質(zhì)素市場(chǎng)價(jià)格較石油基丙烯腈要低得多，成本優(yōu)勢(shì)明顯，從成本角度考慮，其在未來將有較好的開發(fā)前景。
使用非糧生物質(zhì)原料，采用催化工藝轉(zhuǎn)換為生物基丙烯腈，或采用生物途徑制得ACN。美國(guó)能源部生物能源技術(shù)辦公室（BETO）欲降低碳纖維生產(chǎn)成本，其采用C5、C6混合糖為原料，通過移去不純物，加氫裂解、脫水，得到丙烯醛，再經(jīng)過氨氧化反應(yīng)生成生物基丙烯腈。
以甘油為原料的丙烯腈合成技術(shù)是甘油的有效利用途徑之一。可通過氣相或液相直接合成丙烯腈，或以催化轉(zhuǎn)換方式，甘油直接脫水和氣相轉(zhuǎn)化為烯丙醇，并直接氧化成生物基丙烯腈。
據(jù)市場(chǎng)研究公司Markets and Markets預(yù)測(cè)，全球生物基碳纖維市場(chǎng)規(guī)模將從2019年的1.28億美元增長(zhǎng)到2025年的3.76億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為18.1%。生物基碳纖維產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，全球生物基碳纖維市場(chǎng)主要由日本東麗、日本東邦化學(xué)、美國(guó)亨斯曼等少數(shù)幾家公司壟斷。日本東麗是全球最大的碳纖維生產(chǎn)商，其生物基碳纖維產(chǎn)品“Toyobo-100”已應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。斯道拉恩索集團(tuán)2020年與Cordenka公司共同推進(jìn)生物基碳纖維的前體開發(fā)，以將碳纖維前體開發(fā)升級(jí)到中試規(guī)模。英力士開建全球首個(gè)生物基丙烯腈示范工廠，且已確認(rèn)Invireo（新型生物基丙烯腈）的首批銷售。
