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聚丙烯腈（英文：Polyacrylonitrile，PAN），是由单体的丙烯腈经过自由基聚合反应而得到高分子材料，含聚丙烯腈的共聚物，通常用作纤维来制造袜子和毛衣等针织服装，以及帐篷和类似物品等户外产品。
概述
聚丙烯腈为白色粉末状，密度为1.14-1.15g/cm。常压下，220-300℃时会软化分解。纯聚丙烯腈性脆硬，染色性很差。聚丙烯腈纤维引入第二单体、第三单体后，会改善染色性能。在230摄氏度的空气中被热氧化形成氧化的聚丙烯腈纤维，然后在惰性气氛中在1000摄氏度以上被碳化，以在各种高科技和常见的日常应用中发现碳纤维，例如民用的和军用的飞机的一级和二级结构，飞弹，固体推进剂火箭发动机，压力容器，钓鱼竿，网球拍，羽毛球拍和高科技自行车。 它是几种重要共聚物中的组分重复单元，例如苯乙烯-丙烯腈（SAN）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料。
物理性质
聚丙烯腈玻璃化转变温度为约95°C， 熔融温度为322°C。 PAN可溶于极性溶剂 ，例如二甲基甲酰胺 ， 二甲基乙酰胺 ，碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯。 硫氰酸钠 ， 氯化锌和硝酸 。溶解度参数：26.09 MPa 1/2 （25°C）为25.6至31.5 J 1/2 cm -3/2 。介电常数：5.5（1 kHz，25°C），4.2（1 MHz，25°C）可表现出支化和线性聚合物的作用。
历史记录
聚丙烯腈（PAN）于1930年由Hans Fikentscher和Claus Heuck在德国化学集团IG Farben的路德维希港工厂中首次合成。但是，由于PAN是不可熔的 ，并且在当时所用的任何工业溶剂中均不溶解，因此停止了对该材料的进一步研究。在1931年，IG Farben的Bitterfeld工厂的聚合物纤维化学负责人Herbert Rein在参观路德维希港工厂时获得了PAN样品。他发现苄基吡啶吡啶𬭩（一种离子液体 ）会溶解PAN。他在1938年使用硫氰酸季铵钠和高氯酸铝的水溶液纺制了第一批基于PAN的纤维，并考虑了其他溶剂，包括DMF。 然而，由于战时对基础设施的压力，不能熔融聚合物而不降解，以及用于溶液加工的溶剂尚不知道，因此商业引入被延迟了。聚丙烯腈PAN纤维的第一批大规模生产是在1946年由美国化学集团杜邦公司进行的 。德国的知识产权已在“回形针行动”中被盗。该产品的商标为Orlon ，是基于德国提出几乎相同的要求后七天才提交的专利。
1942年在杜邦（DuPont）公司被制成纺丝纤维，并以腈纶(Orlon)的品牌进行销售。 丙烯腈通常被用作与苯乙烯的共聚单体，例如丙烯腈，苯乙烯和丙烯酸酯塑料。用丙烯酸标记的衣物是指聚合物由至少85％的丙烯腈作为单体组成。典型的共聚单体是乙酸乙烯酯，其可以容易地溶液纺丝以获得足够软化以允许染料渗透的纤维。
用途
热气过滤系统
聚丙烯腈主要用于制造合成纤维，如腈纶。它的均聚物已被用作热气过滤系统，户外遮阳篷，游艇帆和纤维增强混凝土中的纤维。 含有聚丙烯腈的共聚物通常用作纤维来制造袜子和毛衣等针织服装，以及帐篷和类似物品等户外产品。 如果一件衣服的标签上写著“腈纶”，那么它就是由一些聚丙烯腈共聚物制成的。它的高拉伸强度和拉伸模量是通过纤维上浆，涂层，生产工艺和聚丙烯腈的纤维化学来确定的。其机械性能在军用和商用飞机的复合结构中很重要 。
使用这些丙烯酸的优点是它们与天然纤维相比成本低，它们具有更好的耐日光性并且具有优异的抗虫蛀性。用含卤素的共聚单体改性的丙烯酸类被分类为改性聚丙烯腈，根据定义，其含有超过聚丙烯腈百分比在35-85％之间。 掺入卤素基团增加了纤维的阻燃性，这使得改性聚丙烯腈适用于睡衣，帐篷和毯子。 然而，这些产品的缺点是它们很昂贵并且在干燥后会收缩。氧化聚丙烯腈纤维性能产品及应用如下:
碳纤维
聚丙烯腈被用作碳纤维产量的90％的前体。波音和空中客车宽体飞机机身中约20-25％为碳纤维。 但是，受到聚丙烯腈的高价格约为15美元/磅限制了应用。
氧化聚丙烯腈纤维（OPF）
除了作为碳纤维的前体，氧化PAN纤维还用于生产固有的阻燃（FR）织物。 通常，将其用于防护服装的FR织物时，称为OPF（氧化聚丙烯腈纤维），是一种高性能且具有成本效益的阻燃和耐热解决方案。OPF被认为是商业上生产的大多数FR织物之一，因为它的LOI（极限氧指数）在45％-55％的范围内，这是可用的最高LOI范围之一，而其他普通FR织物则具有较低的LOI范围。 LOI值（例如Nomex @ 28％-30％，Kevlar @ 28％-30％，Modacrylic @ 32％-34％，PBI @ 41％和FR-粘胶@ 28％）； 与其他常见织物（例如Nomex，FR聚酯和棉）相比，OPF还显示出燃烧时产生的有毒气体最少。 氧化聚丙烯腈纤维的性能产品和应用氧化聚丙烯腈纤维是通过溶液纺丝，然后通过高温烘箱在空气中进行处理以稳定分子结构而制成的。
聚丙烯腈，也称为聚乙烯氰化物和Creslan 61，是一种合成的半结晶有机聚合物树脂，具有线性式（C3H3N）n 。尽管它是热塑性的，但在正常条件下不会熔化。 它在熔化之前会降解。 如果加热速率为每分钟50度或更高，则熔点会高于300°C。几乎所有的聚丙烯腈PAN 树脂都是由以丙烯腈为主要单体的单体混合物制成的共聚物 。 它是一种多用途聚合物，可用于生产多种产品，包括超滤膜，用于反渗透的中空纤维，用于纺织的纤维，氧化PAN纤维。 PAN纤维是高质量碳纤维的化学前体。聚丙烯腈PAN首先在空气中在230°C的温度下热氧化，形成氧化的PAN纤维，然后在惰性气氛中在1000°C以上的温度下碳化，从而制成在各种高科技和日常应用（例如民用和军用飞机）中发现的碳纤维初级和次级结构，导弹，固体推进剂火箭发动机，压力容器，钓鱼竿，网球拍和自行车车架。它是几种重要共聚物中的组分重复单元 ，例如苯乙烯-丙烯腈 （SAN）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料。
综合
合成PAN的大多数商业方法都是基于丙烯腈的自由基聚合。在大多数情况下，取决于最终应用，还可以与AN一起使用少量其他乙烯基共聚单体（1-10％）。阴离子聚合也可用于合成PAN。对于纺织品应用，使用的分子量为40,000至70,000。为了生产碳纤维，需要更高的分子量。在生产包含600 tex（6k）PAN丝束的碳纤维时，细丝的线密度为0.12 tex，细丝直径为11.6 µm，生产出的碳纤维的细丝强度为417 kgf / mm2，粘合剂含量为38.6 ％。 该数据在聚丙烯腈PAN前体和由其制成的碳纤维的实验批次指数表中得到了证明。 [1]
应用程序
聚丙烯腈的均聚物已用作热气过滤系统，室外遮阳篷，游艇帆和纤维增强混凝土中的纤维。含有聚丙烯腈的共聚物通常用作制造袜子和毛衣之类的针织服装以及帐篷和类似物品之类的户外产品的纤维。 如果一件衣服的标签上写著“丙烯酸”，那么它是由某种聚丙烯腈共聚物制成的。 它于1942年在杜邦公司制成短纤，并以奥隆（Orlon）的名义销售。 丙烯腈通常与苯乙烯 （例如丙烯腈 ， 苯乙烯和丙烯酸酯塑料）用作共聚单体。 用丙烯酸（见丙烯酸纤维 ）在衣物上贴标签意味著该聚合物由至少85％的丙烯腈作为单体组成。 典型的共聚单体是乙酸乙烯酯，它可以很容易地被溶液纺丝，以获得足够柔软的纤维以允许染料渗透。 使用这些丙烯酸酯的优点是，与天然纤维相比，它们的成本较低，它们具有更好的耐日光性和优异的抗蛾子侵袭性。 用含卤素的共聚单体改性的丙烯酸被归类为改性丙烯酸，根据定义，它们的PAN百分含量在35％至85％之间。卤素基团的引入增加了纤维的阻燃性，这使得改性丙烯酸酯适合用于睡衣，帐篷和毯子。 然而，这些产品的缺点是它们价格昂贵并且在干燥后会收缩。
PAN吸收许多金属离子，并有助于吸收材料的应用。 含a 胺肟基的聚合物可用于金属处理，因为该聚合物与金属离子形成络合物的能力。它具有涉及低密度，热稳定性，高强度和弹性模量的特性。 这些独特的性能使PAN成为高科技中必不可少的聚合物。它的高拉伸强度和拉伸模量是通过纤维上浆，涂层，生产工艺和PAN的纤维化学性质确定的。得出的机械性能在用于军用和商用飞机的复合结构中很重要。[2]
视频
参考资料
- ↑ “基于聚丙烯腈的碳纤维生产的现状和前景”纤维化学
- ↑ “聚丙烯腈（PAN）碳纤维工业能力评估”美国国防部