Полипропилен (ПАН), также известный как полицианат этиленовый эфир или Кроноспан 61, представляет собой синтетический полукристаллический органический полимер с молекулярной формулой (C3H13N)n. Хотя он является термопластом, в нормальных условиях он не плавится, а подвергается процессу разложения перед плавлением. Если скорость нагрева достигает 50 градусов Цельсия или выше в минуту, он плавится при температурах выше 300 градусов Цельсия. Почти все ПАН-смолы представляют собой сополимеры, полученные из смеси мономеров, где акрилонитрил является основным мономером. Это универсальный полимер, используемый для производства различных продуктов, включая ультрафильтрационные мембраны, полые волокна для обратного осмоса, текстильные волокна и окисленные ПАН-волокна. ПАН-волокна являются химическим прекурсором высококачественных углеродных волокон. Сначала термическое окисление на воздухе при температуре 230 градусов Цельсия приводит к образованию окисленных волокон полиакрилонитрила (ПАН), которые затем карбонизируются в инертной атмосфере при температурах выше 1000 градусов Цельсия для получения углеродных волокон. Углеродное волокно широко используется в различных высокотехнологичных и повседневных областях применения, таких как основные и вспомогательные конструкции гражданских и военных самолетов, ракеты, твердотопливные ракетные двигатели, сосуды высокого давления, рыболовные удочки, теннисные ракетки и велосипедные рамы. ПАН также является повторяющимся звеном во многих важных сополимерах, таких как стирол-акрилонитрил (САН) и акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС).
В зависимости от используемого сырья углеродное волокно можно классифицировать на углеродное волокно на основе полиакрилонитрила, углеродное волокно на основе смолы, углеродное волокно на основе вискозы и углеродное волокно, выращенное в паровой фазе. Углеродное волокно на основе полиакрилонитрила: Углеродное волокно на основе полиакрилонитрила производится с помощью нескольких процессов, включая прядение, предварительное окисление и карбонизацию полиакрилонитрила. Оно отличается высокой прочностью, высокой жесткостью, малым весом, термостойкостью, коррозионной стойкостью, превосходными электрическими свойствами, а также высокой прочностью на сжатие и изгиб, и уже давно занимает доминирующее положение в области армированных композитных материалов.
Углеродное волокно на основе пека: Углеродное волокно на основе пека изготавливается из нефтяного пека или каменноугольной смолы с помощью таких процессов, как рафинирование пека, прядение, предварительное окисление, карбонизация или графитизация. Стоимость его производства из сырья ниже, чем у углеродного волокна на основе полиакрилонитрила. Углеродное волокно на основе вискозы: Углеродное волокно на основе вискозы получают путем дегидратации, пиролиза и карбонизации вискозного волокна на основе целлюлозы.
Химическая структура и процесс получения
Молекулярная структура
Молекулярная цепь ПАН основана на акрилонитрильных звеньях (-CH₂-CH(CN)-) и образует линейную структуру посредством свободнорадикальной полимеризации. Введение сомономеров (таких как метилакрилат и метилметакрилат) может улучшить прядильные свойства и способность к окрашиванию. После карбонизации молекулярная цепь дегидрируется и реорганизуется в графитоподобную структуру с содержанием углерода более 93%.
Полимеризация: Акрилонитрил и сомономеры полимеризуются в растворителе (например, ДМФ, тиоцианате натрия) для получения исходного раствора ПАН.
Вращение: Для получения первичных волокон используется мокрое или сухо-мокрое прядение. Количество отверстий в фильере может достигать 200-300, а диапазон линейной плотности волокна широк (1,7-5,0 дтекс).
Предварительное окисление: Термическая обработка в воздушной атмосфере при температуре 200-300℃ способствует формированию циклической лестничной структуры и повышению термической стабильности.
Карбонизация: Высокотемпературная обработка (1000-2000℃) в инертной атмосфере (например, аргоне) для удаления не содержащих углерода элементов и образования микрокристаллов графита.
Графитизация: Обработка при температуре выше 2500℃ может дополнительно повысить модуль упругости и использоваться для материалов аэрокосмического класса.
Характеристики полиакрилонитрила (ПАН)
-
Полиакрилонитрил (ПАН) полимер:
-
Синтетический полукристаллический термопластичный полимер, который разлагается до плавления в нормальных условиях.
-
Для плавления (при температуре выше 300 °C) без предварительной деградации требуется очень быстрый нагрев (выше 50 °C/мин).
-
Исторически сложилось так, что этот процесс затруднен из-за неплавкости и низкой растворимости в обычных промышленных растворителях; для обработки растворов требуются специализированные растворители (например, ДМФ, ионные жидкости).
-
Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила:
-
Основные эксплуатационные характеристики: Высокая прочность, высокая жесткость, малый вес, термостойкость, коррозионная стойкость, отличная электропроводность, а также высокая устойчивость к сжатию и изгибу.
-
Производственный процесс: Волокна-прекурсоры ПАН подвергаются термической стабилизации (окислению) на воздухе (~230°C) с последующей карбонизацией в инертной атмосфере (>1000°C).
Области применения полиакрилонитрила (ПАН)
-
-
Используется для производства текстильных волокон (например, акриловых волокон, таких как орлон).
-
Используется в ультрафильтрационных мембранах и полых волокнах для обратного осмоса.
-
Служит химическим прекурсором для получения высококачественных углеродных волокон.
-
Ключевой компонент важных сополимеров, таких как стирол-акрилонитрил (SAN) и акрилонитрилбутадиенстирол (ABS).
-
Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила:
-
Основные области применения: Высокоэффективные армированные композитные материалы, сохраняющие доминирующее положение в этой области.
-
Конкретные варианты использования:
-
Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Первичные и вторичные конструкции гражданских и военных самолетов, ракет, твердотопливных ракетных двигателей, сосудов высокого давления.
-
Спортивные товары: Рыболовные удочки, теннисные ракетки, велосипедные рамы.
Технические параметры полиакрилонитрила (ПАН).
| Предметы |
Линейная плотность |
Предел прочности |
Удлинение |
Содержание масла |
| Единица |
г/м |
CN/dtex |
% |
% |
| 1K |
0.118-0.122 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 3K |
0,353-0,367 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 6K |
0,705-0,735 |
≥6,0 |
13±2 |
1,2±0,2 |
| 12K |
1.470-1.530 |
≥6,0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 25 тыс. |
2.890-3.010 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 35 тыс. |
3.945-4.105 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 50 тыс. |
5.635-5.865 |
≥6,0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
Области применения полиакрилонитрила (ПАН)
Охрана окружающей среды и затраты: Производство полиакрилонитрила основано на использовании акрилонитрила (на который приходится 45% стоимости), и для снижения выбросов углекислого газа необходимо разработать акрилонитрил на биологической основе. Очистка сточных вод (например, регенерация ДМФ) является предметом оптимизации процесса.
Прорыв в производительности: Наномодификация: легирование углеродными нанотрубками или графеном для повышения прочности межфазного сцепления.
3D-плетение: Разработка многомерных заготовок для удовлетворения потребностей в сложных компонентах.
Экологичное производство: Технология низкотемпературной карбонизации (<1000℃) снижает энергопотребление. Технология переработки углеродного волокна (метод химической деполимеризации) постепенно внедряется в коммерческую практику.
