2018年，帝人破土动工，据报道，这是目前存在的最大容量的碳纤维生产线。该生产线已全面投入使用近两年，并有充足的扩张空间。
Teijin在南卡罗来纳州格林伍德拥有18.5万平方英尺的碳纤维生产设施，占地12英亩，可以扩充占地440英亩，为增长提供了充足的空间。
2001年，南卡罗来纳州的格林伍德是美国经济最萧条的县之一。到2007年，该地区的六家主要纺织厂停止了运营。收入中位数暴跌近28%，格林伍德县的贫困水平在短短3年内翻了一番。
在此期间，全球先进材料公司有限公司帝人有限公司（Teijin Ltd.）正在寻找一个新的美国碳纤维生产设施。该公司之前在田纳西州洛克伍德拥有一条Tenax碳纤维生产线，该生产线最终转换为生产该公司的Pyromex氧化聚丙烯腈（PAN）纤维，用于阻燃绝缘、碳/碳制动器和燃料电池的气体扩散层。几年后，日益严峻的出口挑战和航运物流促使该公司投资于一家位于美国的新工厂，专门生产Tenax结构碳纤维。
最初考虑了20个潜在地点，根据公用事业、熟练劳动力、基础设施以及州和地方政府支持等关键因素，重点很快缩小到六个选项。Teijin Carbon America股份有限公司（Greenwood，S.C.，U.S.）的业务开发经理亚伦·布霍克（Aaron Buchok表示：“这些地区提供给我们的服务几乎完全相同。我们之所以选择Greenwood，是因为我们觉得它可以对社区产生重大影响，并高效运营。”。该地区还提供了一个受过纺织培训的人才库，以及通往亚特兰大、夏洛特以及查尔斯顿和萨凡纳港口的铁路通道，提供了航运和物流优势。
增长空间
除了这些好处外，格林维尔县占地约440英亩的场地也为未来的扩张提供了充足的空间。帝人设想了多条碳纤维生产线，包括前体材料的生产，从而确保该工厂制造过程的自给自足。
虽然格林伍德工厂的PAN前体目前是从日本静冈县的帝人三岛工厂进口的，但该公司表示，随着市场的充分增长，这样的生产线可能是格林伍德未来扩张的一部分。
布霍克说：“这个地区是专门为我们扩展它的能力而选择的。”。“我们有足够的空间来支持这里的多条碳纤维生产线以及前体，所以我们也可以在这里制造自己的原料。”
帝人于2017年购买了该物业，在南卡罗来纳州的帮助下，预计到2030年将创造220个全职职位。该公司于2018年6月在新工厂破土动工，如今占地185000平方英尺的格林伍德工厂占地12英亩多一点。其运营的碳纤维生产线已经生产材料近两年，服务于从航空航天到汽车等行业。
布霍克说：“我们今天正在生产可销售的材料。”。“大部分产能用于支持我们的预包装客户或将其编织成干纺织品的客户。”
目前，格林伍德工厂正在生产标准和中等模量格式的工业和航空航天级12K和24K纤维。布霍克表示，该公司也已完成将高模量纤维引入工厂的初步工作。
“最初，它几乎是100%的工业，”他说。“在我们的行业中，我们必须通过在多次生产运行中展示稳定的产量来获得航空航天评级。一旦我们超过了这个数字，我们就可以向航空航天客户群推广。我们在第一年的重点是完成我们以航空航天客户群体期望的质量和一致性生产材料的能力的展示。”
该工厂的标准模量纤维已经达到航空航天级一年多了。虽然帝人不会透露南卡罗来纳州工厂的确切产量，但据说它与2008年日本三岛工厂增加的2700公吨/年的生产线相似。
关注氢气市场
帝人的增长愿景基于该公司与新兴市场的战略一致性，其中一个例子是氢能储存。随着对氢动力汽车和工业应用的需求激增，格林伍德工厂提供了灵活性，以满足客户不断变化的需求。
布霍克说：“今天，我们看到汽车制造商已经将氢动力汽车投入使用。”。“我们已经在世界各地建立了用于工业应用的地面4型储氢设施。这是真实的，至少在未来十年内，它将对复合材料市场产生重大影响。”
帝人如何定位自己以服务于这个市场，影响了其格林伍德工厂的设计。用于氢气应用的压力容器制造商通常更喜欢使用更大的无捻纱—12K、24K和更高的无捻纱—这使他们能够用更少的人力和更少的机器时间更快地建造复合储罐。格林伍德工厂专门围绕更大的丝束浆料（12K及以上）建造，这有助于该公司在不久的将来成为向氢能行业提供材料的领跑者。
该设施的排气管被送回空气过滤系统进行处理。
以经验为基础
从帝人格林伍德的办公室走到工厂，物业的大小一目了然。该设施周围环绕着田野和树林，帝人在现场管理着一片注册湿地。员工经常在建筑物之间的区域遇到鹿吃草。布霍克说：“我们这里的野生动物数量非常多，我们有义务确保我们负责任地对待它们。”
帝人非常重视对该物业的管理。布霍克表示，选择该地点的目的是以可持续和负责任的方式对其进行管理。该公司在运营产出、稳健性和可持续性方面借鉴了国际上最好的设施设计。
废水被捕获并重新用于工业过程。不能重复使用的东西会从现场移除，以进行符合EPA标准的处置。
该设施的废水也以同样的方式被捕获和处理。帝人尽可能多地从工厂回收水，以便在工业过程中重复使用。不能重复使用的东西会在现场收集，以进行符合EPA标准的处理。不会释放到周围环境中。
进入工厂后，布霍克重申，帝人设计格林伍德工厂的结构与其海外工厂相似，希望从德国和日本的工厂吸取经验教训，并将其应用于该处。一个例子是最终采用了最初在另一家工厂开发的旨在降低碳纤维转换能耗的新技术。一个团队已被派往该地点收集见解，并计划在未来3-4年内在格林伍德最终实施同样的技术。
帝人工厂之间共享的架构和流程促进了创新的快速转化。在许多方面，格林伍德工厂代表了该公司过去努力的巅峰，希望未来的迭代将超越当前标准，从而在后续生产中不断改进。
帝人的碳纤维制造已获得ISCC国际可持续发展与碳认证（ISCC）的全面认证，这是一项可持续性制造认证，可确保产品制造过程的所有阶段都有完全的可追溯性。帝人的每一个流程都符合ISCC认证流程的期望，从前体制造一直到交付。
布霍克说：“当我们建造这个地区时，所有这些都被整合到了这个地区中。”。“它具有全面的能源监测能力。我们可以进行高保真的生命周期分析。我们可以以高度精确的水平告诉你，我们的排放和能源消耗与我们生产的产品有关。”
布霍克说，这些工具使工厂能够从能耗的角度确定任何工艺变化的全部影响，最终转化为可持续性和成本。
碳纤维前体在氧化炉中多次循环。在离开氧化阶段后，纱完全由碳组成。
氧化
在三层楼梯上，碳纤维的生产始于大量的聚丙烯腈前体—由于其出色的强度和耐热性，聚丙烯腈前体是碳纤维生产中使用的主要前体。纤维通过一系列氧化炉拉制，以去除任何溶剂或杂质。
当PAN离开第一个氧化炉时，油已经被去除，并转化为金黄色。随着PAN通过额外的腔室，纤维不断被氧化和纯化，去除任何非碳物质。在氧化过程中，纤维股会来回多次往返——每个循环都会进一步“烹饪”纤维并逐渐变暗。纤维在完全氧化之前会通过另一组烤箱。
布霍克说，氧化阶段实际上是艺术和科学发挥作用的地方，氧化步骤之后的一切都是一个相当成熟的过程。他说：“这是每个人都有自己的秘诀的地方，他们在其中加入了自己的个人见解。”
他继续解释说，不同制造商的氧化程序略有不同，这导致市场上不同碳纤维的性能存在差异。帝人专门设计其前体，使其与氧化过程协同工作。
当纱线离开第五个氧化炉时，它已经完全变黑并经过化学精炼。该工艺的后续步骤使用高温炉和受控张力来构建和细化碳原子的微观结构或排列。
鉴于碳纤维生产的放热特性，布霍克很快指出了帝人已经采取的一些安全措施。他说：“当我们使用纤维时，它们释放的能量比我们投入的能量多。”。“随之而来的是合理的火灾风险。
所有这些烤箱内部都设计有火灾传感器。如果检测到纤维有问题——如果任何纤维开始像余烬一样发光——它将触发一个三级消防系统，包括防火幕、雾系统和雨淋系统。”
他还指出了用于处理较小破碎纤维的处理槽。在炉外，仍在反应的纤维可能会着火。操作员将这些断裂的纤维放入处理槽中，然后将其浸入水中，将其扑灭。然后，纤维会落入工厂地下室的收集箱中，以便稍后处理或回收。
在完成氧化阶段的参观后，布霍克解释了技术人员如何在工艺的任何给定阶段处理任何断裂的纱线。其中一根纱线断裂会触发警报，警报会从一个区域迁移到另一个区域，直到操作员找到断裂处，将其系好，重新穿线，然后在整个过程中跟踪纱线。根据帝人的零浪费目标，这些较短的纱线被收集并分类为较小的线轴、短线轴甚至切碎的产品，以获得二级收入来源。
在碳化阶段，碳纤维经受极端的热量和张力，以排列其微观结构，从而提高机械性能。
碳化
氧化后，是烤箱和炉子之间的分界点。氧化纤维现在将在受控惰性气氛（氮气或氩气，取决于所运行的产品）中，在温度超过1500°C的专用炉中通过碳化进行精炼。这种气氛可以防止燃烧，并确保碳纤维不会与外部元素结合。在这个阶段，纱线会经历一系列化学反应，从而改变它们的结构，使其具有机械性能。
在这个阶段，根据生产线上运行的产品，纤维以不同的速度、不同的温度和不同的张力进行加工。纤维在进入碳化炉时以更紧密的结构捆绑在一起，从而实现了更小的占地面积，从而节省了能源。
布霍克说，帝人的每个工厂都使用了类似的炉子设计，允许冗余和从其他地方采购备件。
在生产线上工作
培训一名操作员至少需要6个月的时间，培训一名班长至少需要一年的时间。即使当地有纺织方面的经验，学习如何穿线和操作碳纤维生产设备也是一项专业技能。
该工厂在所有可能出现问题的区域都配备了几个支持设备，使操作员能够及时检测到过程中的异常。这些设备还允许安全、操作和合规技术人员远程监控操作。
在整个生产过程中，实施严格的质量控制措施，以确保碳纤维符合强度、模量、密度和其他机械性能的严格规范。这包括对原材料、中间产品和最终产品进行定期测试和检查，以识别任何缺陷或与标准的偏差。
格林伍德工厂的主控制室位于生产线末端，靠近定径阶段。当生产线运行时，它100%由操作员控制。这项工作需要至少7年的经验，是工厂技术最密集的工作。该操作员负责生产线上每个人的安全，并持续监控整个生产过程，包括配方、温度、张力和生产线速度。
格林伍德工厂设有冗余控制室，所有流程都可以在任何一个位置运行，包括工厂经理办公室在内的其他几个位置都可以进行监控。
离开碳化炉后，碳纤维通过定径站，然后进行最终检查。
表面处理和上浆
当纤维离开碳化炉时，辊子引导它们脱离紧密捆绑的结构，通过水浴洗涤纤维，然后通过干燥炉。
在这个阶段，碳纤维经过表面处理，以改善复合材料制造过程中的处理，并提高粘附性、机械性能和与各种树脂体系的相容性。帝人保留了数十种不同浆料和饰面的目录，以满足客户的不同需求。
格林伍德工厂设有两个定径站，可在需要改变定径时最大限度地减少甚至消除停机时间。如果需要，运营商甚至可以在中途更改尺寸。在定径站的末端，烤箱为某些定径提供热处理。虽然这不是一个常见的要求，但它是一个重要的要求——例如，许多压力容器应用需要这种处理的尺寸。
包装前对每个线轴进行检查和称重
检查、卷绕和包装
一旦碳纤维被加工和处理，它们就会被送回一个级别进行质量检查，这是使用光学相机和目视检查进行的。通过该过程的每根纱线都可以从单个锭子追溯到其前体批次，使帝人能够将任何问题追溯到源头，并轻松识别任何其他受影响的产品。
从那里，碳纤维被送回一个水平面，准备缠绕到线轴上并包装。格林伍德工厂拥有一条全自动检测和包装生产线。帝人的绕线机设置为当线轴满时自动换成新的线轴。该工厂每个线轴的标准包装为3、6和8公斤，并可根据需要进行倒带。
机器人将碳纤维卷装入纸箱中进行运输。
然后目视检查每个线轴的包装完整性。从那里，它穿过多个工作站。首先，将带有可追溯性信息的条形码应用于卷轴——在流程的早期将相同的条形码应用到核心。接下来，它将移动到一个自动称重系统进行称重。在这里，计算机将推断并记录重量——每个线轴都会向客户提供碳纤维的实际重量。在最后一步，线轴被收缩包装并准备装运。
操作员目视检查生产运行中的碳纤维样品。
在实验室里
参观的最后一站是回到设施实验室所在的第三层。楼下的计算机系统跟踪所有生产的线轴，并随机分配要拉动的线轴进行测试。该系统被编程为根据客户要求的知识提取样品，并在每次运行的头部和尾部指定一定数量的辊子进行测试。
对生产运行中的样品进行密度测试。
使用化学和物理测试的组合进行了许多评估。测试纱的重量和密度。还通过使用溶剂去除化学成分来检查上浆化学成分。称量裸纤维，以推断在加工过程中实际添加了多少上浆剂，并与规定量进行比较。该实验室还配备了一条小型浸渍线，使试样能够用环氧树脂润湿以进行机械测试。
帝人倾向于在生产开始时进行更多的采样，以确保在投入全面生产之前，其设备已在正确状态。将结果与存储客户认证的数据库进行比较，使质量控制技术人员能够轻松评估一批产品并对其进行认证，以便运送给客户。
展望未来
随着帝人寻求扩大其在格林伍德工厂的业务，该公司在方法上非常谨慎，优先考虑尽量减少碳足迹，同时最大限度地提高运营效率。布霍克强调：“我们建造这座工厂是为了能够利用我们在全球基础设施中吸取的每一个教训。”
随着格林伍德工厂的第一阶段全面投入运营，帝人正在制定一项雄心勃勃的计划，以帮助确保为当前和新兴市场稳定供应碳纤维，减少公司的环境影响，并与日益严格的全球环境法规保持一致。
布霍克表示，该工厂能够处理六条以上的碳纤维生产线以及研究和原材料制造设施，所有这些都是帝人目标的一部分。他说：“这可能是一个需要几十年才能实施的计划。”
文章来源：复材资讯
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