据统计，当前聚丙烯腈（PAN）基碳纤维约占碳纤维总产量的90%以上，沥青基约占7%，粘胶长丝基约占1%。为了降低碳纤维生产成本及对化石原料的依赖，基于生物质的碳纤维原丝研究日益受到关注，例如木质素、甘油（丙三醇）和木质纤维素糖等原料的开发利用。

几种不同原料生产碳纤维的简要工艺流程

木质素

木质素是自然界中最为丰富的、携有芳烃环的生物质资源之一。针叶树种一般含有25%～30%的木质素，阔叶树的木质素含量为20%～25%。木质素是天然聚合物，亦是制浆和造纸工业的副产品，以其为原料生产碳纤维具有较好的商业潜力。硫酸盐法制浆工艺为广泛使用的工艺技术，采用高温和碱性化学品，从纤维素中分离木质素。有机溶解浆是利用有机溶剂脱出木质素，可生产无硫木质素，但成本较高昂。旋转制浆工艺是高温下的浓缩过程，木质素纯度较高，适宜转化为产品。木质素市场价格较石油基ACN要低得多，成本优势明显。

木质纤维素糖

使用非粮生物质原料，采用催化工艺转换为生物基ACN，或采用生物途径制得ACN。美国能源部生物能源技术办公室（BETO）欲降低碳纤维生产成本，使原丝成本降至1美元/磅，碳纤维总成本降至5美元/磅。研究中，其采用C5、C6混合糖为原料，通过移去不纯物，加氢裂解、脱水，得到丙烯醛，再经过氨氧化反应生成生物基ACN。据测算，1kg糖原料约产出0.63kg产品，生物基ACN的生产成本应该不低于0.72美元/kg。产业化后可大幅降低生产成本。据了解，其意欲建设5000t/a生产工厂，催化剂寿命3年。生物基ACN成本最低0.60美元/kg，最高成本0.98美元/kg。

甘油

以甘油为原料的ACN合成技术是甘油的有效利用途径之一。可通过气相或液相直接合成ACN，或以催化转换方式，甘油直接脱水和气相转化为烯丙醇，并直接氧化成生物基ACN。

目前，国内碳纤维产量不高，生产能力和实际产量相差很大，设备利用率低，研发能力不足。新能源、储能材料等相关行业的快速发展为碳纤维行业带来新的机遇。行业本身也面临绿色化和数字化转型压力，需进一步提高非化石原料的比重，加快生物基碳纤维的研究开发。生物基碳纤维目前多选用木质素为原料生产原丝，其加工成本约占碳纤维总生产成本的51%。

根据研究，木质素基碳纤维的价格有望降至4美元/kg，从成本角度考虑，其在未来将有较好的开发前景。以木质素为原料加工碳纤维，如能获取高纯度、窄分子量分布的原丝，同时安装并调试造粒设备，将更便于熔融纺丝，此外还要强化原丝卷绕技术，提供足够的卷绕批次试验，加强原丝表面处理，提高相容性。此外，鉴于木质素基碳纤维机械性能不高，目前多应用于隔音、隔热、绝缘等领域，如要拓展在高性能领域的应用，需进一步提升原丝物理性能。

更多内容，请关注《纺织导报》2021年第10期“生物基碳纤维的研究与开发”一文。