Polyakrylonitril - Polyacrylonitrile

Polyakrylonitril
Poly (akrylonitril) .png
Jména
Název IUPAC
poly (1-akrylonitril)
Ostatní jména
Polyvinylkyanid[1]
Creslan 61
Vlastnosti
(C3H3N)n
Molární hmotnost53,0626 ± 0,0028 g / mol
C 67,91%, H 5,7%, N 26,4%
VzhledBílá pevná látka
Hustota1,184 g / cm3
Bod tání 300 ° C (572 ° F; 573 K)
Bod varuDegraduje
Nerozpustný
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
Reference Infoboxu

Polyakrylonitril (PÁNEV), také známý jako polyvinylkyanid a Creslan 61, je syntetická, semikrystalická organická látka polymer pryskyřice, s lineárním vzorcem (C3H3N)n. I když je termoplastický, za normálních podmínek se neroztaví. Před tavením se degraduje. Taje nad 300 ° C, pokud je rychlost ohřevu 50 stupňů za minutu nebo vyšší.[2] Téměř všichni PAN pryskyřice jsou kopolymery vyrobené ze směsí monomery s akrylonitril jako hlavní monomer. Jedná se o univerzální polymer používaný k výrobě široké škály produktů, včetně ultrafiltračních membrán, dutých vláken pro reverzní osmóza, vlákna pro textil, oxidovaná vlákna PAN. Vlákna PAN jsou chemickým prekurzorem velmi vysoké kvality uhlíkové vlákno. PAN se nejprve tepelně oxiduje na vzduchu při 230 ° C za vzniku oxidovaného PAN vlákna a poté karbonizuje nad 1000 ° C v inertní atmosféře, aby se vytvořila uhlíková vlákna nacházející se v různých technologicky vyspělých i běžných každodenních aplikacích, jako jsou civilní a vojenská letadla primární a sekundární konstrukce, rakety, raketové motory na tuhá paliva, tlakové nádoby, rybářské pruty, tenisové rakety a jízdní kolo rámy. Je to součást opakovat jednotku v několika důležitých kopolymery, jako styren-akrylonitril (SAN) a akrylonitrilbutadienstyren (ABS) plast.

Dějiny

Polyakrylonitril (PAN) poprvé syntetizovali v roce 1930 Hans Fikentscher a Claus Heuck v dílech německého chemického konglomerátu Ludwigshafen. IG Farben.[3] Jelikož však PAN nenítavitelný, a nerozpustil se v žádném z průmyslových rozpouštědla v té době byl další výzkum materiálu zastaven.[4] V roce 1931 Herbert Rein, vedoucí chemie polymerních vláken v bitterfeldském závodě IG Farben, získal při návštěvě Ludwigshafenových závodů vzorek PAN.[5] Zjistil, že pyridiniumbenzylchlorid, an iontová kapalina, rozpustí PAN.[6] V roce 1938 točil první vlákna na bázi PAN pomocí vodných roztoků kvartérního amonium-thiokyanátu sodného a chloristanu hlinitého pro výrobní proces a uvažoval o dalších rozpouštědlech, včetně DMF. Komerční zavedení však bylo zpožděno kvůli válečným tlakům na infrastrukturu, neschopnosti roztavit polymer bez degradace a rozpouštědla umožňující zpracování roztoku dosud nebyla známa.[7][8]První sériová výroba vlákna PAN byla v roce 1946 americkým chemickým konglomerátem DuPont. Němec duševní vlastnictví byl ukraden Provoz kancelářské sponky. Produkt označený jako Orlon, byl založen na patentu podaném přesně sedm dní po téměř identickém německém nároku.[9][ověření se nezdařilo ]

Fyzikální vlastnosti

Teplota skelného přechodu je kolem 95 ° C a teplota fúze je při 322 ° C. PAN je rozpustný v polární rozpouštědla, jako dimethylformamid, dimethylacetamid, ethylen a propylen uhličitany. thiokyanát sodný, chlorid zinečnatý a kyselina dusičná.[10] Parametry rozpustnosti: 26,09 MPa1/2 (25 ° C) jsou 25,6 až 31,5 J1/2 cm−3/2. Dielektrické konstanty: 5,5 (1 kHz, 25 ° C), 4,2 (1 MHz, 25 ° C). Může se chovat jako rozvětvený i lineární polymer.

Syntéza

Většina komerčních metod pro syntézu PAN je založena na polymeraci volných radikálů akrylonitril.[Citace je zapotřebí ] Ve většině případů se také používá malé množství jiných vinylových komonomerů (1–10%) spolu s AN v závislosti na konečné aplikaci.[Citace je zapotřebí ] Aniontová polymerace může být také použita pro syntézu PAN. Pro textilní aplikace se používá molekulová hmotnost v rozmezí 40 000 až 70 000.[Citace je zapotřebí ] Pro výrobu uhlíkových vláken je požadována vyšší molekulová hmotnost.[Citace je zapotřebí ]

Při výrobě uhlíkových vláken obsahujících 600 tex (6k) PAN koudel je lineární hustota vláken 0,12 tex a průměr vlákna je 11,6 μm, což vytváří uhlíkové vlákno, které má pevnost vlákna 417 kgf / mm2 a obsah pojiva 38,6 %. Tato data jsou demonstrována v tabulce Indexy experimentálních dávek prekurzoru PAN a uhlíkových vláken z něj vyrobených.[11]

Aplikace

Homopolymery polyakrylonitrilu se používají jako vlákna v systémech filtrace horkých plynů, venkovních markýz, plachet pro jachty a vláknobetonu. Kopolymery obsahující polyakrylonitril se často používají jako vlákna pro výrobu pletených oděvů, jako jsou ponožky a svetry, a také pro venkovní výrobky, jako jsou stany a podobné předměty. Pokud je uvedeno označení kusu oblečení "akryl", potom je vyroben z nějakého kopolymeru polyakrylonitrilu. Bylo vyrobeno ze spřádaného vlákna v DuPont v roce 1942 a prodáváno pod názvem Orlon. Akrylonitril se běžně používá jako komonomer s styren, např. akrylonitril, styren a akrylát plasty. Označení oděvů akrylem (viz akrylové vlákno ) znamená, že polymer sestává z alespoň 85% akrylonitrilu jako monomeru. Typickým komonomerem je vinylacetát, který lze snadno odstředit, aby se získala vlákna, která dostatečně změknou, aby umožnila penetraci barvivy. Výhody použití těchto akrylových vláken spočívají v tom, že jsou levné ve srovnání s přírodními vlákny, nabízejí lepší odolnost proti slunečnímu záření a vynikající odolnost proti napadení můry. Akryláty modifikované komonomery obsahujícími halogen jsou klasifikovány jako modakryly, které podle definice obsahují více než PAN procenta mezi 35-85%. Začlenění halogenových skupin zvyšuje odolnost vlákna proti plameni, díky čemuž jsou modakryly vhodné pro použití v oblečení na spaní, ve stanech a přikrývkách. Nevýhodou těchto produktů však je, že jsou nákladné a mohou se po vysušení zmenšit.

PAN absorbuje mnoho kovových iontů a napomáhá aplikaci absorpčních materiálů. Polymery obsahující amidoxim Skupiny mohou být použity pro zpracování kovů kvůli komplexním schopnostem polymerů s kovovými ionty.[12]

PAN má vlastnosti zahrnující nízkou hustotu, tepelnou stabilitu, vysokou pevnost a modul pružnosti. Díky těmto jedinečným vlastnostem se PAN stal základním polymerem v high-tech.

Jeho vysoká pevnost v tahu a modul v tahu jsou určeny dimenzováním vláken, povlaky, výrobními procesy a chemií vláken PAN. Jeho odvozené mechanické vlastnosti jsou důležité ve složených strukturách pro vojenská a komerční letadla.[13]

Uhlíkové vlákno

Polyakrylonitril se používá jako prekurzor pro 90% výroby uhlíkových vláken.[14] Přibližně 20–25% širokopásových draků Boeing a Airbus tvoří uhlíková vlákna. Aplikace jsou však omezeny vysokou cenou PAN kolem 15 $ / lb.[15]

Oxidované polyakrylonitrilové vlákno (OPF)

Oxidovaná vlákna PAN se používají k výrobě inherentně nehořlavých (FR) tkanin.[Citace je zapotřebí ] Běžně, když se používá ve FR tkaninách na ochranné oděvy, označuje se jako OPF (oxidované polyakrylonitrilové vlákno) a jedná se o vysoce výkonné a nákladově efektivní řešení odolnosti proti plameni a teplu. OPF lze považovat za jednu z nejvíce komerčně vyráběných tkanin FR, protože má LOI (Limiting Oxygen Index) v rozmezí 45–55%, což je jeden z nejvyšších dostupných rozsahů LOI ve srovnání s jinými běžnými tkaninami FR, které mají nižší LOI hodnoty (např. Nomex @ 28–30%, kevlar @ 28–30%, modakryl @ 32–34%, PBI @ 41% a FR-viskóza @ 28%);[Citace je zapotřebí ] a OPF také vykazuje nejnižší tvorbu toxického plynu při spalování ve srovnání s jinými běžnými tkaninami (např. Nomex, FR Polyester a Bavlna).[Citace je zapotřebí ]

Reference

  1. ^ J. Gordon Cook (1984). Příručka textilních vláken: Umělá vlákna. Woodhead Publishing. p. 393. ISBN  9781855734852.
  2. ^ Gupta, A. K .; Paliwal, D. K .; Bajaj, P. (1998). "Tavení akrylonitrilových polymerů". Journal of Applied Polymer Science. 70 (13): 2703–2709. doi:10.1002 / (sici) 1097-4628 (19981226) 70:13 <2703 :: aid-app15> 3.3.co; 2-u.
  3. ^ H. Finkentscher, C. Heuck, DE Patent 654989, Verfahren zur Herstellung von Polymerisationprodukten, Anmeldetag 18.2.1930 [1]
  4. ^ Walter Wetzel, Entdeckungsgeschichte der Polyfluorethylene - Zufall oder Ergebnis gezielter Forschung? N.T. M. 13 (2005) 79–91
  5. ^ „KUNSTFASERN / INDUSTRIE: Das Salz der Mode - DER SPIEGEL 20/1955“. www.spiegel.de.
  6. ^ H. Rein, patent DE 631756, Verfahren zur Lösung von polymerem Acrylsäurenitril, Anmeldetag 8. srpna 1934 [2]
  7. ^ Rein, Herbert (1948). „Polyacrylnitril-Fasern Eine neue Gruppe von synthethischen Fasern“. Angewandte Chemie. 60 (6): 159–161. doi:10,1002 / ange.19480600607.
  8. ^ Bunsell, A.R. Příručka vlastností textilních a technických vláken (2. vyd.). Woodhead Publishing. ISBN  9780081012727.
  9. ^ Patent USA C. H. Ray 2 404 713, Způsob přípravy polymerních roztoků, Datum podání: 17.06.1942 [3]
  10. ^ Internet, D4W Comunicação - Soluções em. „IGTPAN“. www.igtpan.com. Citováno 2018-05-10.
  11. ^ Serkov, A; Radishevskii, M (2008). „Stav a vyhlídky na výrobu uhlíkových vláken na bázi polyakrylonitrilu“. Chemická vlákna. 40 (1): 24–31. doi:10.1007 / s10692-008-9012-r. S2CID  137117495.
  12. ^ Delong, Liu (2011). "Syntéza polyakrolonitrilu jednoelektronovou přenosovou živou radikální polymerací s použitím Fe (0) jako katalyzátoru a jeho absorpční vlastnosti po úpravě". Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 49 (13): 2916–2923. Bibcode:2011JPoSA..49.2916L. doi:10,1002 / pola.24727.
  13. ^ „Posouzení průmyslové způsobilosti z uhlíkových vláken z polyakrylonitrilu (PAN)“ (PDF). Ministerstvo obrany Spojených států amerických. Archivovány od originál (PDF) dne 4. března 2016. Citováno 4. prosince 2013.
  14. ^ „Top 9 věcí, které jste o uhlíkových vláknech nevěděli | Ministerstvo energetiky“. Energie.gov. 2013-03-29. Citováno 2013-12-08.
  15. ^ Informační kanál John McElroy. „Pokrok ve výrobě přibližuje uhlíková vlákna hromadné výrobě“. Autoblog. Citováno 2013-12-08.

externí odkazy