Polypropylene (PAN), còn được gọi là polycyanate ethylene ester hoặc Kronospan 61, là một polyme hữu cơ bán tinh thể tổng hợp có công thức phân tử (C3H13N)n. Mặc dù là một chất dẻo nhiệt, nó không tan chảy trong điều kiện bình thường mà trải qua quá trình phân hủy trước khi tan chảy. Nếu tốc độ gia nhiệt đạt 50 độ C trở lên mỗi phút, nó sẽ tan chảy ở nhiệt độ trên 300 độ C. Hầu hết các loại nhựa PAN đều là copolyme được tạo thành từ hỗn hợp các monome với acrylonitrile là monome chính. Đây là một polyme đa năng được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm, bao gồm màng siêu lọc, sợi rỗng cho thẩm thấu ngược, sợi dệt và sợi PAN oxy hóa. Sợi PAN là tiền chất hóa học của sợi carbon chất lượng cao. Đầu tiên, quá trình oxy hóa nhiệt trong không khí ở 230 độ C tạo thành sợi polyacrylonitrile (PAN) oxy hóa, sau đó được cacbon hóa trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ trên 1000 độ C để tạo ra sợi carbon. Sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghệ cao và đời sống hàng ngày, chẳng hạn như cấu trúc chính và phụ của máy bay dân dụng và quân sự, tên lửa, động cơ tên lửa nhiên liệu rắn, bình chịu áp lực, cần câu cá, vợt tennis và khung xe đạp. PAN cũng là một đơn vị lặp lại trong nhiều chất đồng trùng hợp quan trọng, chẳng hạn như nhựa styren-acrylonitrile (SAN) và acrylonitrile-butadiene-styren (ABS).
Dựa trên nguyên liệu thô, sợi carbon có thể được phân loại thành sợi carbon gốc polyacrylonitrile, sợi carbon gốc nhựa đường, sợi carbon gốc rayon và sợi carbon được tạo ra bằng phương pháp lắng đọng hơi. Sợi carbon gốc polyacrylonitrile: Sợi carbon gốc polyacrylonitrile được sản xuất thông qua nhiều quy trình bao gồm kéo sợi, tiền oxy hóa và cacbon hóa polyacrylonitrile. Nó có đặc điểm là độ bền cao, độ cứng cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chịu nhiệt cao, chống ăn mòn, tính chất điện tuyệt vời, độ bền nén và uốn cao, và từ lâu đã giữ vị trí chủ đạo trong lĩnh vực vật liệu composite gia cường.
Sợi carbon gốc nhựa đường: Sợi carbon gốc nhựa đường được sản xuất từ nhựa đường dầu mỏ hoặc nhựa than đá thông qua các quy trình như tinh chế nhựa đường, kéo sợi, tiền oxy hóa, cacbon hóa hoặc graphit hóa. Chi phí sản xuất nguyên liệu thô của nó thấp hơn so với sợi carbon gốc polyacrylonitrile. Sợi carbon gốc rayon: Sợi carbon gốc rayon được thu प्राप्त bằng cách khử nước, nhiệt phân và cacbon hóa sợi visco gốc cellulose.
Cấu trúc hóa học và quy trình điều chế
Cấu trúc phân tử
Chuỗi phân tử PAN được cấu tạo từ các đơn vị acrylonitrile (-CH₂-CH(CN)-) và tạo thành cấu trúc tuyến tính thông qua quá trình trùng hợp gốc tự do. Việc đưa các chất đồng trùng hợp (như metyl acrylat và metyl metacrylat) vào có thể cải thiện hiệu suất kéo sợi và khả năng nhuộm. Sau quá trình cacbon hóa, chuỗi phân tử bị khử hydro và được tái cấu trúc thành cấu trúc giống graphit với hàm lượng cacbon hơn 93%.
Sự trùng hợp: Acrylonitrile và các monome đồng trùng hợp được trùng hợp trong dung môi (như DMF, natri thiocyanat) để tạo ra dung dịch gốc PAN.
Quay tròn: Phương pháp kéo sợi ướt hoặc kéo sợi khô-ướt được sử dụng để tạo ra các sợi sơ cấp. Số lượng lỗ kéo sợi có thể đạt tới 200-300 lỗ, và phạm vi mật độ tuyến tính của sợi rất rộng (1,7-5,0 dtex).
Quá trình tiền oxy hóa: Xử lý nhiệt trong môi trường không khí ở nhiệt độ 200-300℃ để tạo thành cấu trúc bậc thang dạng vòng và cải thiện độ ổn định nhiệt.
Quá trình cacbon hóa: Xử lý ở nhiệt độ cao (1000-2000℃) trong môi trường khí trơ (như argon) để loại bỏ các nguyên tố phi cacbon và tạo thành các vi tinh thể graphit.
Than chì hóa: Xử lý ở nhiệt độ trên 2500℃ có thể làm tăng thêm mô đun đàn hồi và được sử dụng cho các vật liệu đạt tiêu chuẩn hàng không vũ trụ.
Đặc tính hiệu năng của Polyacrylonitrile (PAN)
-
Polyme Polyacrylonitrile (PAN):
-
Một loại polymer nhiệt dẻo tổng hợp, bán tinh thể, phân hủy trước khi tan chảy trong điều kiện bình thường.
-
Cần gia nhiệt rất nhanh (trên 50°C/phút) để tan chảy (trên 300°C) mà không bị phân hủy trước đó.
-
Trước đây, việc xử lý gặp nhiều khó khăn do tính chất khó nóng chảy và thiếu khả năng hòa tan trong các dung môi công nghiệp thông thường; cần các dung môi chuyên dụng (ví dụ: DMF, chất lỏng ion) để xử lý dung dịch.
-
-
Đặc điểm hiệu năng chính: Độ bền cao, độ cứng cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chịu nhiệt cao, chống ăn mòn, dẫn điện tuyệt vời và khả năng chịu nén và uốn mạnh mẽ.
-
Quy trình sản xuất: Các sợi tiền chất PAN trải qua quá trình ổn định nhiệt (oxy hóa) trong không khí (~230°C) tiếp theo là quá trình cacbon hóa trong môi trường khí trơ (>1000°C).
Các lĩnh vực ứng dụng của Polyacrylonitrile (PAN)
-
-
Được sử dụng để sản xuất sợi dệt (ví dụ: sợi acrylic như Orlon).
-
Được sử dụng trong màng siêu lọc và sợi rỗng cho quá trình thẩm thấu ngược.
-
Đóng vai trò là tiền chất hóa học để sản xuất sợi carbon chất lượng cao.
-
Một thành phần quan trọng trong các loại copolyme quan trọng như nhựa Styrene-Acrylonitrile (SAN) và Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS).
-
-
Ứng dụng chính: Vật liệu composite gia cường hiệu suất cao, duy trì vị thế thống lĩnh trong lĩnh vực này.
-
Các trường hợp sử dụng cụ thể:
-
Hàng không vũ trụ và quốc phòng: Các cấu trúc chính và phụ trong máy bay dân dụng và quân sự, tên lửa, động cơ tên lửa nhiên liệu rắn, bình chịu áp lực.
-
Đồ dùng thể thao: Cần câu cá, vợt tennis, khung xe đạp.
Thông số kỹ thuật của Polyacrylonitrile (PAN)
| Mặt hàng |
Mật độ tuyến tính |
Độ bền kéo |
Sự kéo dài |
Hàm lượng dầu |
| Đơn vị |
g/m |
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 nghìn |
2,890-3,010 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 35 nghìn |
3,945-4,105 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 50 nghìn |
5,635-5,865 |
≥6.0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
Các lĩnh vực ứng dụng của Polyacrylonitrile (PAN)
Bảo vệ môi trường và chi phí: Sản xuất PAN phụ thuộc vào acrylonitrile (chiếm 45% chi phí), và cần phát triển acrylonitrile sinh học để giảm lượng khí thải carbon. Xử lý nước thải (như thu hồi DMF) là trọng tâm của việc tối ưu hóa quy trình.
Bước đột phá về hiệu năng: Biến đổi nano: pha trộn ống nano carbon hoặc graphene để cải thiện độ bền liên kết giao diện.
Dệt 3D: Phát triển các phôi đa chiều để đáp ứng nhu cầu của các linh kiện phức tạp.
Sản xuất xanh: Công nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp (<1000℃) giúp giảm tiêu thụ năng lượng. Công nghệ tái chế sợi carbon (phương pháp phân hủy hóa học) đang dần được thương mại hóa.
