Polipropylen (PAN), znany również jako policyjanian etylenu lub Kronospan 61, to syntetyczny, półkrystaliczny polimer organiczny o wzorze sumarycznym (C3H13N)n. Chociaż jest tworzywem termoplastycznym, nie topi się w normalnych warunkach, lecz ulega rozkładowi przed stopieniem. Jeśli szybkość nagrzewania osiągnie 50 stopni Celsjusza lub więcej na minutę, stopi się w temperaturach powyżej 300 stopni Celsjusza. Prawie wszystkie żywice PAN to kopolimery wytwarzane z mieszaniny monomerów, w których głównym monomerem jest akrylonitryl. Jest to wszechstronny polimer wykorzystywany do produkcji różnorodnych produktów, w tym membran ultrafiltracyjnych, włókien pustych do odwróconej osmozy, włókien tekstylnych i utlenionych włókien PAN. Włókna PAN są chemicznym prekursorem wysokiej jakości włókien węglowych. Najpierw, w procesie termicznego utleniania w powietrzu w temperaturze 230 stopni Celsjusza, powstają utlenione włókna poliakrylonitrylowe (PAN), które następnie są karbonizowane w atmosferze obojętnej w temperaturach powyżej 1000 stopni Celsjusza, tworząc włókna węglowe. Włókno węglowe jest szeroko stosowane w różnych zaawansowanych technologicznie i codziennych zastosowaniach, takich jak pierwotne i wtórne konstrukcje samolotów cywilnych i wojskowych, pocisków rakietowych, silników rakietowych na paliwo stałe, zbiorników ciśnieniowych, wędek, rakiet tenisowych i ram rowerowych. PAN jest również powtarzalnym elementem w wielu ważnych kopolimerach, takich jak tworzywa sztuczne styren-akrylonitryl (SAN) i akrylonitryl-butadien-styren (ABS).
Ze względu na surowce, włókno węglowe można podzielić na włókno węglowe na bazie poliakrylonitrylu, włókno węglowe na bazie smoły, włókno węglowe na bazie wiskozy oraz włókno węglowe formowane metodą parowania. Włókno węglowe na bazie poliakrylonitrylu: Włókno węglowe na bazie poliakrylonitrylu jest wytwarzane w wielu procesach, w tym przędzeniu, utlenianiu wstępnym i karbonizacji poliakrylonitrylu. Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, sztywnością, lekkością, odpornością na wysokie temperatury, odpornością na korozję, doskonałymi właściwościami elektrycznymi oraz dużą wytrzymałością na ściskanie i zginanie, i od dawna zajmuje dominującą pozycję w dziedzinie wzmocnionych materiałów kompozytowych.
Włókno węglowe na bazie paku: Włókno węglowe na bazie paku jest wytwarzane z paku naftowego lub smoły węglowej w procesach takich jak rafinacja paku, przędzenie, wstępne utlenianie, karbonizacja lub grafityzacja. Koszt produkcji surowca jest niższy niż w przypadku włókna węglowego na bazie poliakrylonitrylu. Włókno węglowe na bazie wiskozy; Włókno węglowe na bazie wiskozy jest uzyskiwane poprzez dehydratację, pirolizę i karbonizację celulozowego włókna wiskozowego.
Struktura chemiczna i proces przygotowania
Struktura molekularna
Łańcuch cząsteczkowy PAN opiera się na jednostkach akrylonitrylu (-CH₂-CH(CN)-) i tworzy strukturę liniową poprzez polimeryzację rodnikową. Wprowadzenie komonomerów (takich jak akrylan metylu i metakrylan metylu) może poprawić wydajność przędzenia i podatność na barwienie. Po karbonizacji łańcuch cząsteczkowy ulega dehydrogenacji i reorganizacji w strukturę przypominającą grafit o zawartości węgla przekraczającej 93%.
Polimeryzacja: Akrylonitryl i komonomery są polimeryzowane w rozpuszczalniku (takim jak DMF, tiocyjanian sodu) w celu wytworzenia roztworu macierzystego PAN.
Przędzenie: Do formowania włókien pierwotnych stosuje się przędzenie na mokro lub sucho-mokro. Liczba otworów w dyszy przędzalniczej może sięgać 200-300, a zakres gęstości liniowej włókien jest szeroki (1,7-5,0 dtex).
Wstępne utlenianie: Obróbka cieplna w atmosferze powietrza w temperaturze 200–300℃ w celu utworzenia cyklicznej struktury drabinowej i poprawy stabilności termicznej.
Karbonizacja: Obróbka w wysokiej temperaturze (1000–2000℃) w atmosferze obojętnej (np. argonu) w celu usunięcia pierwiastków niewęglowych i utworzenia mikrokryształów grafitu.
Grafityzacja: Obróbka w temperaturze powyżej 2500°C może dodatkowo zwiększyć moduł sprężystości i umożliwić zastosowanie w materiałach klasy lotniczej.
Charakterystyka działania poliakrylonitrylu (PAN)
-
Polimer poliakrylonitrylowy (PAN):
-
Syntetyczny, półkrystaliczny polimer termoplastyczny, który w normalnych warunkach ulega degradacji przed stopieniem.
-
Wymaga bardzo szybkiego podgrzania (powyżej 50°C/min) do stopienia (powyżej 300°C) bez wcześniejszej degradacji.
-
Historycznie trudne do przetworzenia ze względu na trudnotopliwość i brak rozpuszczalności w powszechnie stosowanych rozpuszczalnikach przemysłowych; do przetwarzania w roztworze wymagane są specjalistyczne rozpuszczalniki (np. DMF, ciecze jonowe).
-
Włókna węglowe na bazie PAN:
-
Podstawowe cechy wydajnościowe: Wysoka wytrzymałość, wysoka sztywność, lekkość, odporność na wysoką temperaturę, odporność na korozję, doskonała przewodność elektryczna oraz duża odporność na ściskanie i zginanie.
-
Proces produkcji: Włókna prekursorowe PAN poddawane są stabilizacji termicznej (utlenianiu) w powietrzu (~230°C), a następnie karbonizacji w atmosferze obojętnej (>1000°C).
Obszary zastosowań poliakrylonitrylu (PAN)
-
-
Stosowany do produkcji włókien tekstylnych (np. włókien akrylowych, takich jak Orlon).
-
Stosowany w membranach ultrafiltracyjnych i włóknach pustych w procesie odwróconej osmozy.
-
Służy jako chemiczny prekursor wysokiej jakości włókien węglowych.
-
Kluczowy składnik ważnych kopolimerów, takich jak tworzywa sztuczne styren-akrylonitryl (SAN) i akrylonitryl-butadien-styren (ABS).
-
Włókna węglowe na bazie PAN:
-
Główne zastosowania: Wysokowydajne, wzmocnione materiały kompozytowe, utrzymujące dominującą pozycję w tej dziedzinie.
-
Konkretne przypadki użycia:
-
Lotnictwo i obronność: Konstrukcje pierwotne i wtórne w samolotach cywilnych i wojskowych, pociskach, silnikach rakietowych na paliwo stałe, zbiornikach ciśnieniowych.
-
Artykuły sportowe: Wędki, rakiety tenisowe, ramy rowerowe.
Parametry techniczne poliakrylonitrylu (PAN)
| Rzeczy |
Gęstość liniowa |
Wytrzymałość na rozciąganie |
Wydłużenie |
Zawartość oleju |
| Jednostka |
g/m |
CN/dtex |
% |
% |
| 1 tys. |
0,118-0,122 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 3 tys. |
0,353-0,367 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 6 tys. |
0,705-0,735 |
≥6,0 |
13±2 |
1,2±0,2 |
| 12 tys. |
1,470-1,530 |
≥6,0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 25 tys. |
2,890-3,010 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 35 tys. |
3,945-4,105 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 50 tys. |
5,635-5,865 |
≥6,0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
Obszary zastosowań poliakrylonitrylu (PAN)
Ochrona środowiska i koszty: Produkcja PAN opiera się na akrylonitrylu (stanowiącym 45% kosztów), a w celu zmniejszenia emisji dwutlenku węgla konieczne jest opracowanie bioakrylonitrylu. Oczyszczanie ścieków (np. odzysk DMF) jest priorytetem optymalizacji procesów.
Przełom w wydajności: Nanomodyfikacja: domieszkowanie nanorurek węglowych lub grafenu w celu zwiększenia wytrzymałości wiązania międzyfazowego.
Tkactwo 3D: opracowywanie wielowymiarowych preform w celu spełnienia wymagań złożonych komponentów.
Zielona produkcja: Technologia karbonizacji niskotemperaturowej (<1000°C) zmniejsza zużycie energii. Technologia recyklingu włókien węglowych z recyklingu (metoda chemicznej depolimeryzacji) jest stopniowo komercjalizowana.
