帝人在美國的碳纖維工廠
Teijin在南卡羅來納州格林伍德擁有18.5萬平方英尺的碳纖維生產設施，占地12英畝，可以擴充占地440英畝，為增長提供了充足的空間。
2001年，南卡羅來納州的格林伍德是美國經濟最蕭條的縣之一。到2007年，該地區的六家主要紡織廠停止了運營。收入中位數暴跌近28%，格林伍德縣的貧困水平在短短3年內翻了一番。
在此期間，全球先進材料公司有限公司帝人有限公司（Teijin Ltd.）正在尋找一個新的美國碳纖維生產設施。該公司之前在田納西州洛克伍德擁有一條Tenax碳纖維生產線，該生產線最終轉換為生產該公司的Pyromex氧化聚丙烯腈（PAN）纖維，用于阻燃絕緣、碳/碳制動器和燃料電池的氣體擴散層。幾年后，日益嚴峻的出口挑戰和航運物流促使該公司投資于一家位于美國的新工廠，專門生產Tenax結構碳纖維。
最初考慮了20個潛在地點，根據公用事業、熟練勞動力、基礎設施以及州和地方政府支持等關鍵因素，重點很快縮小到六個選項。Teijin Carbon America股份有限公司（Greenwood，S.C.，U.S.）的業務開發經理亞倫·布霍克（Aaron Buchok表示：“這些地區提供給我們的服務幾乎完全相同。我們之所以選擇Greenwood，是因為我們覺得它可以對社區產生重大影響，并高效運營。”。該地區還提供了一個受過紡織培訓的人才庫，以及通往亞特蘭大、夏洛特以及查爾斯頓和薩凡納港口的鐵路通道，提供了航運和物流優勢。
增長空間
除了這些好處外，格林維爾縣占地約440英畝的場地也為未來的擴張提供了充足的空間。帝人設想了多條碳纖維生產線，包括前體材料的生產，從而確保該工廠制造過程的自給自足。
雖然格林伍德工廠的PAN前體目前是從日本靜岡縣的帝人三島工廠進口的，但該公司表示，隨著市場的充分增長，這樣的生產線可能是格林伍德未來擴張的一部分。
布霍克說：“這個地區是專門為我們擴展它的能力而選擇的。”。“我們有足夠的空間來支持這里的多條碳纖維生產線以及前體，所以我們也可以在這里制造自己的原料。”
帝人于2017年購買了該物業，在南卡羅來納州的幫助下，預計到2030年將創造220個全職職位。該公司于2018年6月在新工廠破土動工，如今占地185000平方英尺的格林伍德工廠占地12英畝多一點。其運營的碳纖維生產線已經生產材料近兩年，服務于從航空航天到汽車等行業。
布霍克說：“我們今天正在生產可銷售的材料。”。“大部分產能用于支持我們的預包裝客戶或將其編織成干紡織品的客戶。”
目前，格林伍德工廠正在生產標準和中等模量格式的工業和航空航天級12K和24K纖維。布霍克表示，該公司也已完成將高模量纖維引入工廠的初步工作。
“最初，它幾乎是100%的工業，”他說。“在我們的行業中，我們必須通過在多次生產運行中展示穩定的產量來獲得航空航天評級。一旦我們超過了這個數字，我們就可以向航空航天客戶群推廣。我們在第一年的重點是完成我們以航空航天客戶群體期望的質量和一致性生產材料的能力的展示。”
該工廠的標準模量纖維已經達到航空航天級一年多了。雖然帝人不會透露南卡羅來納州工廠的確切產量，但據說它與2008年日本三島工廠增加的2700公噸/年的生產線相似。
關注氫氣市場
帝人的增長愿景基于該公司與新興市場的戰略一致性，其中一個例子是氫能儲存。隨著對氫動力汽車和工業應用的需求激增，格林伍德工廠提供了靈活性，以滿足客戶不斷變化的需求。
布霍克說：“今天，我們看到汽車制造商已經將氫動力汽車投入使用。”。“我們已經在世界各地建立了用于工業應用的地面4型儲氫設施。這是真實的，至少在未來十年內，它將對復合材料市場產生重大影響。”
帝人如何定位自己以服務于這個市場，影響了其格林伍德工廠的設計。用于氫氣應用的壓力容器制造商通常更喜歡使用更大的無捻紗—12K、24K和更高的無捻紗—這使他們能夠用更少的人力和更少的機器時間更快地建造復合儲罐。格林伍德工廠專門圍繞更大的絲束漿料（12K及以上）建造，這有助于該公司在不久的將來成為向氫能行業提供材料的領跑者。
該設施的排氣管被送回空氣過濾系統進行處理。
以經驗為基礎
從帝人格林伍德的辦公室走到工廠，物業的大小一目了然。該設施周圍環繞著田野和樹林，帝人在現場管理著一片注冊濕地。員工經常在建筑物之間的區域遇到鹿吃草。布霍克說：“我們這里的野生動物數量非常多，我們有義務確保我們負責任地對待它們。”。
帝人非常重視對該物業的管理。布霍克表示，選擇該地點的目的是以可持續和負責任的方式對其進行管理。該公司在運營產出、穩健性和可持續性方面借鑒了國際上最好的設施設計。
廢水被捕獲并重新用于工業過程。不能重復使用的東西會從現場移除，以進行符合EPA標準的處置。
該設施的廢水也以同樣的方式被捕獲和處理。帝人盡可能多地從工廠回收水，以便在工業過程中重復使用。不能重復使用的東西會在現場收集，以進行符合EPA標準的處理。不會釋放到周圍環境中。
進入工廠后，布霍克重申，帝人設計格林伍德工廠的結構與其海外工廠相似，希望從德國和日本的工廠吸取經驗教訓，并將其應用于該處。一個例子是最終采用了最初在另一家工廠開發的旨在降低碳纖維轉換能耗的新技術。一個團隊已被派往該地點收集見解，并計劃在未來3-4年內在格林伍德最終實施同樣的技術。
帝人工廠之間共享的架構和流程促進了創新的快速轉化。在許多方面，格林伍德工廠代表了該公司過去努力的巔峰，希望未來的迭代將超越當前標準，從而在后續生產中不斷改進。
帝人的碳纖維制造已獲得ISCC國際可持續發展與碳認證（ISCC）的全面認證，這是一項可持續性制造認證，可確保產品制造過程的所有階段都有完全的可追溯性。帝人的每一個流程都符合ISCC認證流程的期望，從前體制造一直到交付。
布霍克說：“當我們建造這個地區時，所有這些都被整合到了這個地區中。”。“它具有全面的能源監測能力。我們可以進行高保真的生命周期分析。我們可以以高度精確的水平告訴你，我們的排放和能源消耗與我們生產的產品有關。”
布霍克說，這些工具使工廠能夠從能耗的角度確定任何工藝變化的全部影響，最終轉化為可持續性和成本。
碳纖維前體在氧化爐中多次循環。在離開氧化階段后，紗完全由碳組成。
氧化
在三層樓梯上，碳纖維的生產始于大量的聚丙烯腈前體—由于其出色的強度和耐熱性，聚丙烯腈前體是碳纖維生產中使用的主要前體。纖維通過一系列氧化爐拉制，以去除任何溶劑或雜質。
當PAN離開第一個氧化爐時，油已經被去除，并轉化為金黃色。隨著PAN通過額外的腔室，纖維不斷被氧化和純化，去除任何非碳物質。在氧化過程中，纖維股會來回多次往返——每個循環都會進一步“烹飪”纖維并逐漸變暗。纖維在完全氧化之前會通過另一組烤箱。
布霍克說，氧化階段實際上是藝術和科學發揮作用的地方，氧化步驟之后的一切都是一個相當成熟的過程。他說：“這是每個人都有自己的秘訣的地方，他們在其中加入了自己的個人見解。”。
他繼續解釋說，不同制造商的氧化程序略有不同，這導致市場上不同碳纖維的性能存在差異。帝人專門設計其前體，使其與氧化過程協同工作。
當紗線離開第五個氧化爐時，它已經完全變黑并經過化學精煉。該工藝的后續步驟使用高溫爐和受控張力來構建和細化碳原子的微觀結構或排列。
鑒于碳纖維生產的放熱特性，布霍克很快指出了帝人已經采取的一些安全措施。他說：“當我們使用纖維時，它們釋放的能量比我們投入的能量多。”。“隨之而來的是合理的火災風險。
所有這些烤箱內部都設計有火災傳感器。如果檢測到纖維有問題——如果任何纖維開始像余燼一樣發光——它將觸發一個三級消防系統，包括防火幕、霧系統和雨淋系統。”
他還指出了用于處理較小破碎纖維的處理槽。在爐外，仍在反應的纖維可能會著火。操作員將這些斷裂的纖維放入處理槽中，然后將其浸入水中，將其撲滅。然后，纖維會落入工廠地下室的收集箱中，以便稍后處理或回收。
在完成氧化階段的參觀后，布霍克解釋了技術人員如何在工藝的任何給定階段處理任何斷裂的紗線。其中一根紗線斷裂會觸發警報，警報會從一個區域遷移到另一個區域，直到操作員找到斷裂處，將其系好，重新穿線，然后在整個過程中跟蹤紗線。根據帝人的零浪費目標，這些較短的紗線被收集并分類為較小的線軸、短線軸甚至切碎的產品，以獲得二級收入來源。
在碳化階段，碳纖維經受極端的熱量和張力，以排列其微觀結構，從而提高機械性能。
碳化
氧化后，是烤箱和爐子之間的分界點。氧化纖維現在將在受控惰性氣氛（氮氣或氬氣，取決于所運行的產品）中，在溫度超過1500°C的專用爐中通過碳化進行精煉。這種氣氛可以防止燃燒，并確保碳纖維不會與外部元素結合。在這個階段，紗線會經歷一系列化學反應，從而改變它們的結構，使其具有機械性能。
在這個階段，根據生產線上運行的產品，纖維以不同的速度、不同的溫度和不同的張力進行加工。纖維在進入碳化爐時以更緊密的結構捆綁在一起，從而實現了更小的占地面積，從而節省了能源。
布霍克說，帝人的每個工廠都使用了類似的爐子設計，允許冗余和從其他地方采購備件。
在生產線上工作
培訓一名操作員至少需要6個月的時間，培訓一名班長至少需要一年的時間。即使當地有紡織方面的經驗，學習如何穿線和操作碳纖維生產設備也是一項專業技能。
該工廠在所有可能出現問題的區域都配備了幾個支持設備，使操作員能夠及時檢測到過程中的異常。這些設備還允許安全、操作和合規技術人員遠程監控操作。
在整個生產過程中，實施嚴格的質量控制措施，以確保碳纖維符合強度、模量、密度和其他機械性能的嚴格規范。這包括對原材料、中間產品和最終產品進行定期測試和檢查，以識別任何缺陷或與標準的偏差。
格林伍德工廠的主控制室位于生產線末端，靠近定徑階段。當生產線運行時，它100%由操作員控制。這項工作需要至少7年的經驗，是工廠技術最密集的工作。該操作員負責生產線上每個人的安全，并持續監控整個生產過程，包括配方、溫度、張力和生產線速度。
格林伍德工廠設有冗余控制室，所有流程都可以在任何一個位置運行，包括工廠經理辦公室在內的其他幾個位置都可以進行監控。
離開碳化爐后，碳纖維通過定徑站，然后進行最終檢查。
表面處理和上漿
當纖維離開碳化爐時，輥子引導它們脫離緊密捆綁的結構，通過水浴洗滌纖維，然后通過干燥爐。
在這個階段，碳纖維經過表面處理，以改善復合材料制造過程中的處理，并提高粘附性、機械性能和與各種樹脂體系的相容性。帝人保留了數十種不同漿料和飾面的目錄，以滿足客戶的不同需求。
格林伍德工廠設有兩個定徑站，可在需要改變定徑時最大限度地減少甚至消除停機時間。如果需要，運營商甚至可以在中途更改尺寸。在定徑站的末端，烤箱為某些定徑提供熱處理。雖然這不是一個常見的要求，但它是一個重要的要求——例如，許多壓力容器應用需要這種處理的尺寸。
包裝前對每個線軸進行檢查和稱重
檢查、卷繞和包裝
一旦碳纖維被加工和處理，它們就會被送回一個級別進行質量檢查，這是使用光學相機和目視檢查進行的。通過該過程的每根紗線都可以從單個錠子追溯到其前體批次，使帝人能夠將任何問題追溯到源頭，并輕松識別任何其他受影響的產品。
從那里，碳纖維被送回一個水平面，準備纏繞到線軸上并包裝。格林伍德工廠擁有一條全自動檢測和包裝生產線。帝人的繞線機設置為當線軸滿時自動換成新的線軸。該工廠每個線軸的標準包裝為3、6和8公斤，并可根據需要進行倒帶。
機器人將碳纖維卷裝入紙箱中進行運輸。
然后目視檢查每個線軸的包裝完整性。從那里，它穿過多個工作站。首先，將帶有可追溯性信息的條形碼應用于卷軸——在流程的早期將相同的條形碼應用到核心。接下來，它將移動到一個自動稱重系統進行稱重。在這里，計算機將推斷并記錄重量——每個線軸都會向客戶提供碳纖維的實際重量。在最后一步，線軸被收縮包裝并準備裝運。
操作員目視檢查生產運行中的碳纖維樣品。
在實驗室里
參觀的最后一站是回到設施實驗室所在的第三層。樓下的計算機系統跟蹤所有生產的線軸，并隨機分配要拉動的線軸進行測試。該系統被編程為根據客戶要求的知識提取樣品，并在每次運行的頭部和尾部指定一定數量的輥子進行測試。
對生產運行中的樣品進行密度測試。
使用化學和物理測試的組合進行了許多評估。測試紗的重量和密度。還通過使用溶劑去除化學成分來檢查上漿化學成分。稱量裸纖維，以推斷在加工過程中實際添加了多少上漿劑，并與規定量進行比較。該實驗室還配備了一條小型浸漬線，使試樣能夠用環氧樹脂潤濕以進行機械測試。
帝人傾向于在生產開始時進行更多的采樣，以確保在投入全面生產之前，其設備已在正確狀態。將結果與存儲客戶認證的數據庫進行比較，使質量控制技術人員能夠輕松評估一批產品并對其進行認證，以便運送給客戶。
展望未來
隨著帝人尋求擴大其在格林伍德工廠的業務，該公司在方法上非常謹慎，優先考慮盡量減少碳足跡，同時最大限度地提高運營效率。布霍克強調：“我們建造這座工廠是為了能夠利用我們在全球基礎設施中吸取的每一個教訓。”。
隨著格林伍德工廠的第一階段全面投入運營，帝人正在制定一項雄心勃勃的計劃，以幫助確保為當前和新興市場穩定供應碳纖維，減少公司的環境影響，并與日益嚴格的全球環境法規保持一致。
布霍克表示，該工廠能夠處理六條以上的碳纖維生產線以及研究和原材料制造設施，所有這些都是帝人目標的一部分。他說：“這可能是一個需要幾十年才能實施的計劃，”
原文，《Plant tour: Teijin Carbon America Inc., Greenwood, S.C., U.S.》2024.5.27
楊超凡 2024.11.17
