Полиакрилонитрил
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК поли(1-акрилонитрил) | |
| Другие имена Поливинилцианид [1] Креслан 61 | |
| Характеристики | |
| (С 3 Н 3 Н) н | |
| Молярная масса | 53.0626 ± 0.0028 g/mol С 67,91%, Н 5,7%, Н 26,4% |
| Появление | Белый твердый |
| Плотность | 1,184 г/см 3 |
| Температура плавления | 300 ° С (572 ° F; 573 К) |
| Точка кипения | деградирует |
| нерастворимый | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Полиакрилонитрил ( ПАН ) представляет собой синтетическую полукристаллическую органическую полимерную смолу с линейной формулой (CH 2 CHCN) n . [2] Почти все ПАН- смолы представляют собой сополимеры с акрилонитрилом в качестве основного мономера . ПАН используется для производства широкого спектра продуктов, включая ультрафильтрационные мембраны, полые волокна для обратного осмоса , волокна для текстиля и окисленные ПАН-волокна. ПАН-волокна являются химическим предшественником высококачественного углеродного волокна . ПАН сначала термически окисляется на воздухе при температуре 230 °C с образованием окисленного волокна ПАН, а затем карбонизуется при температуре выше 1000 °C в инертной атмосфере с получением углеродных волокон, используемых в различных высокотехнологичных и обычных повседневных применениях, таких как гражданская и военная авиация. первичные и вторичные конструкции, ракеты, твердотопливные ракетные двигатели, сосуды под давлением, удочки, теннисные ракетки и велосипедные рамы. Это повторяющаяся единица компонента в нескольких важных сополимерах , таких как стирол-акрилонитрил (SAN) и акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS) пластик.
История [ править ]
Полиакрилонитрил (ПАН) был впервые синтезирован в 1930 году Гансом Фикенчером и Клаусом Хойком на заводах в Людвигсхафене немецкого химического конгломерата IG Farben . [3] Однако, поскольку ПАН неплавкий и не растворялся ни в одном из используемых в то время промышленных растворителей , дальнейшие исследования этого материала были остановлены. [4] В 1931 году Герберт Рейн, руководитель отдела химии полимерных волокон на заводе IG Farben в Биттерфельде, получил образец ПАН во время посещения завода в Людвигсхафене. [5] Он обнаружил, что пиридиния бензилхлорид , ионная жидкость , растворяет ПАН. [6] Он прял первые волокна на основе ПАН в 1938 году, используя четвертичного аммония для производственного процесса водные растворы тиоцианата натрия и перхлората алюминия, а также рассматривал другие растворители, включая ДМФ. Однако коммерческое внедрение было отложено из-за нагрузки на инфраструктуру во время войны, невозможности расплавить полимер без разложения, а также из-за того, что растворители, позволяющие обрабатывать растворы, еще не были известны. [7] [8] Первая партия массового производства ПАН-волокна была осуществлена в 1946 году американским химическим конгломератом DuPont . Немецкая интеллектуальная собственность была украдена в ходе операции «Скрепка» . Продукт под торговой маркой Orlon был основан на патенте, поданном ровно через семь дней после почти идентичной заявки Германии. [9] [ не удалось пройти проверку ] В Германской Демократической Республике (ГДР) промышленное производство полиакрилонитрильного волокна было начато в 1956 году на предприятии VEB Film- und Chemiefaserwerk Agfa Wolfen благодаря предварительной работе коллектива «Wolcrylon» ( де:Макс Дюх , Герберт Ленерт и др.). До этого предпосылки для производства сырья были созданы на заводах Buna Werke Schkopau (Полиакрилонитрил) и Leuna ( Диметилформамид ). [10] В том же году за свои достижения коллектив был удостоен Национальной премии ГДР II степени в области науки и техники. [11]
Физические свойства [ править ]
Несмотря на то, что полиакрилонитрил является термопластичным, он не плавится при нормальных условиях. Прежде чем расплавиться, он разлагается. Он плавится при температуре выше 300 °C, если скорость нагрева составляет 50 градусов в минуту или выше. [12]
Температура стеклования составляет около 95 °C, а температура плавления — 322 °C. ПАН растворим в полярных растворителях , таких как диметилформамид , диметилацетамид , этилен и пропиленкарбонаты , а также в водных растворах тиоцианата натрия , хлорида цинка или азотной кислоты . [13] Параметры растворимости: 26,09 МПа. 1/2 (25 °C) составляют от 25,6 до 31,5 Дж. 1/2 см −3/2 . Диэлектрическая проницаемость: 5,5 (1 кГц, 25 °C), 4,2 (1 МГц, 25 °C). Может вести себя как разветвленный, так и линейный полимер.
Синтез [ править ]
Большинство коммерческих методов синтеза ПАН основаны на полимеризации акрилонитрила свободнорадикальной . [14] В большинстве случаев наряду с АН также используются 10% количества других виниловых сомономеров (1–10%) в зависимости от конечного применения. Сомономеры включают акриловую кислоту , акриламид , аллильные соединения и сульфированный стирол . [2] Анионную полимеризацию также можно использовать для синтеза ПАН. Для текстильного применения используется молекулярная масса в диапазоне от 40 000 до 70 000. [ нужна ссылка ] Для производства углеродного волокна желательна более высокая молекулярная масса. [15]
При производстве углеродных волокон, содержащих ПАН-жгут плотностью 600 текс (6к), линейная плотность нитей составляет 0,12 текс, диаметр нити 11,6 мкм, что позволяет получить углеродное волокно с прочностью нити 417 кгс/мм2 и содержанием связующего 38,6. %. Эти данные отражены в таблице «Показатели опытных партий прекурсора ПАН и углеродных волокон, изготовленных из него». [16]
Приложения [ править ]
Гомополимеры полиакрилонитрила используются в качестве волокон в системах фильтрации горячего газа, наружных навесах, парусах для яхт и фибробетоне. Сополимеры, содержащие полиакрилонитрил, часто используются в качестве волокон для изготовления трикотажной одежды, такой как носки и свитера, а также товаров для активного отдыха, таких как палатки и тому подобные предметы. Если на этикетке предмета одежды написано «акрил» , значит, он изготовлен из какого-то сополимера полиакрилонитрила. В 1942 году из него было изготовлено волокно компании DuPont, которое продавалось под названием Orlon . Акрилонитрил обычно используется в качестве сомономера со стиролом , например, акрилонитрилом , стиролом и акрилатными пластиками. Маркировка предметов одежды акрилом (см. Акриловое волокно ) означает, что полимер состоит как минимум на 85% из акрилонитрила в качестве мономера. Типичным сомономером является винилацетат, который можно легко формовать из раствора для получения волокон, которые достаточно размягчаются, чтобы обеспечить проникновение красителей. Преимущества использования этих акрилов заключаются в том, что они дешевле по сравнению с натуральным волокном, обеспечивают лучшую устойчивость к солнечному свету и превосходную устойчивость к атакам моли. Акрилы, модифицированные галогенсодержащими сомономерами, классифицируются как модакрилы, которые по определению содержат более чем процентное содержание ПАН в пределах 35-85%. Введение галогенных групп повышает огнестойкость волокна, что делает модакрил пригодным для использования в одежде для сна, палатках и одеялах. Некоторые матрасы также используют их для соответствия требованиям огнестойкости в Северной Америке. [17] Однако недостатком этих изделий является то, что они дороги и могут давать усадку после высыхания.
ПАН поглощает многие ионы металлов и облегчает применение абсорбирующих материалов. Полимеры, содержащие амидоксимные группы, можно использовать для обработки металлов из-за способности полимеров образовывать комплексы с ионами металлов. [18]
ПАН обладает свойствами низкой плотности, термической стабильности, высокой прочности и модуля упругости. Эти уникальные свойства сделали ПАН незаменимым полимером в сфере высоких технологий.
Его высокая прочность на разрыв и модуль упругости определяются размером волокна, покрытием, производственными процессами и химическим составом волокна PAN. Полученные из него механические свойства важны для композитных конструкций для военных и коммерческих самолетов. [19]
Углеродное волокно [ править ]
Полиакрилонитрил используется в качестве прекурсора для 90% производства углеродного волокна. [20] Примерно 20–25% широкофюзеляжных планеров Boeing и Airbus изготовлены из углеродного волокна. Однако возможности применения ограничены высокой ценой PAN, составляющей около 15 долларов за фунт. [21]
Стеклоуглерод [ править ]
Стеклоуглерод, распространенный электродный материал в электрохимии, создается путем термообработки блоков полиакрилонитрила под давлением при температуре от 1000 до 3000 ° C в течение нескольких дней. Этот процесс удаляет неуглеродные атомы и создает структуру сопряженных двойных связей с превосходной проводимостью. [22]
Оксидированное полиакрилонитриловое волокно (ОПФ) [ править ]
Окисленное ПАН-волокно используется для производства огнестойких (FR) тканей. [ нужна ссылка ] Обычно, когда его используют в огнестойких тканях для защитной одежды, его называют OPF (окисленное полиакрилонитриловое волокно) и представляют собой высокоэффективное, экономичное решение для огнестойкости и термостойкости. OPF можно считать одной из самых огнестойких тканей, производимых на рынке, поскольку ее LOI (предельный кислородный индекс) находится в диапазоне 45–55 %, что является одним из самых высоких доступных диапазонов LOI по сравнению с другими распространенными огнестойкими тканями, которые имеют более низкий LOI. значения (например, номекс @ 28–30 %, кевлар @ 28–30 %, модакрил @ 32–34 %, PBI @ 41 % и огнестойкая вискоза @ 28 %); [ нужна ссылка ] и OPF также демонстрирует самое низкое выделение токсичных газов при горении по сравнению с другими распространенными тканями (например, Nomex, огнестойким полиэстером и хлопком). [ нужна ссылка ]
Поддерживающий полимер [ править ]
Полиакрилонитрил, сшитый дивинилбензолом, является предшественником ионообменных смол . Гидролиз превращает нитрильные группы в карбоновые кислоты. Amberlite IRC86 — это коммерческий продукт. Эти слабокислотные смолы обладают высоким сродством к ионам двухвалентных металлов, таких как Ca. 2+ и мг 2+ . [23]
Ссылки [ править ]
- ^ Дж. Гордон Кук (1984). Справочник по текстильным волокнам: искусственные волокна . Издательство Вудхед. п. 393. ИСБН 9781855734852 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ногай, Альфред; Сулинг, Карлханс; Швейцер, Майкл (2011). «Волокна. 8. Полиакрилонитриловые волокна». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.o10_o04 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Х. Финкенчер, К. Хойк, патент DE 654989, способ производства продуктов полимеризации, дата подачи 18 февраля 1930 г. [1]
- ^ Уолтер Ветцель, История открытия полифторэтилена - совпадение или результат целенаправленных исследований? НТМ 13 (2005) 79–91.
- ^ «ИСКУССТВЕННЫЕ ВОЛОКНА / ПРОМЫШЛЕННОСТЬ: Соль моды – DER SPIEGEL 20/1955» . www.spiegel.de .
- ^ Х. Рейн, патент DE 631756, способ растворения полимерного акрилонитрила, дата подачи 8 августа 1934 г. [2]
- ^ Рейн, Герберт (1948). «Полиакрилонитриловые волокна. Новая группа синтетических волокон». Прикладная химия . 60 (6): 159–161. Бибкод : 1948АнгЧ..60..159Р . дои : 10.1002/anie.19480600607 .
- ^ Банселл, Арканзас (18 января 2018 г.). Справочник свойств текстильных и технических волокон (2-е изд.). Издательство Вудхед. ISBN 9780081012727 .
- ^ Патент США CH Ray № 2 404 713, Способ приготовления полимерных растворов, дата подачи: 17.06.1942 [3]
- ^ Герберт Боде История промышленности химического волокна в Германской Демократической Республике . В: Коммуникации, Общество немецких химиков / Секция истории химии (Франкфурт/Майн), Том 14 (1998) , стр. 162. Получено от 13 декабря 2021 г.
- ^ Лотар Рудольф: Свойства, вращение и возможное использование Волкрилона. Сообщение технического центра вискозной шерсти ВЭБ Кинофабрика Agfa Wolfen. Вольфен 1954.
- ^ Гупта, АК; Паливал, Дания; Баджадж, П. (1998). «Поведение акрилонитрильных полимеров при плавлении». Журнал прикладной науки о полимерах . 70 (13): 2703–2709. doi : 10.1002/(sici)1097-4628(19981226)70:13<2703::aid-app15>3.3.co;2-u .
- ^ Интернет, D4W Связь - Решения в. «ИГТПАН» . www.igtpan.com . Проверено 10 мая 2018 г.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Гайо, Ален (1986). «16 – Преципитационная полимеризация» . Комплексная наука о полимерах и добавках . Том. 4. Пергам. п. 261-273. дои : 10.1016/B978-0-08-096701-1.00131-2 . ISBN 978-0-08-096701-1 .
- ^ Каур, Джасджит; Миллингтон, Кейт; Смит, Шон (10 октября 2016 г.). «Производство высококачественного полимера-прекурсора и волокон для достижения теоретической прочности углеродных волокон: обзор: ОБЗОР» . Журнал прикладной науки о полимерах . 133 (38). дои : 10.1002/app.43963 . hdl : 10536/DRO/DU:30102165 .
- ^ Серков А; Радишевский, М (2008). «Состояние и перспективы производства углеродных волокон на основе полиакрилонитрила». Химия волокна . 40 (1): 24–31. дои : 10.1007/s10692-008-9012-y . S2CID 137117495 .
- ^ Шостех, Майкл. «Стекловолокно в матрасах» . Проверено 11 августа 2023 г.
- ^ Делонг, Лю (2011). «Синтез полиакрилонитрила путем радикальной полимеризации с одноэлектронным переносом с использованием Fe (0) в качестве катализатора и его абсорбционные свойства после модификации». Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 49 (13): 2916–2923. Бибкод : 2011JPoSA..49.2916L . дои : 10.1002/pola.24727 .
- ^ «Оценка промышленных возможностей углеродных волокон полиакрилонитрила (ПАН)» (PDF) . Министерство обороны Соединенных Штатов Америки. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года . Проверено 4 декабря 2013 г.
- ^ «9 вещей, которые вы не знали об углеродном волокне | Министерство энергетики» . Energy.gov. 29 марта 2013 г. Проверено 8 декабря 2013 г.
- ^ Джон МакЭлрой. «Прогресс в производстве приближает углеродное волокно к массовому производству» . Автоблог . Проверено 8 декабря 2013 г.
- ^ Справочник по электрохимии . Эльзевир. 2021-07-02.
- ^ Де Дардель, Франсуа; Арден, Томас В. (2008). «Ионообменники». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a14_393.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
Внешние ссылки [ править ]
- Полиакрилонитрил в Центре изучения полимеров
- Полиакрилонитриловый воздушный фильтр Инженеры из Стэнфорда разработали новый воздушный фильтр, который поможет жителям Пекина дышать легче
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
