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聚丙烯腈（英文：Polyacrylonitrile，PAN），是由單體的丙烯腈經過自由基聚合反應而得到高分子材料，含聚丙烯腈的共聚物，通常用作纖維來製造襪子和毛衣等針織服裝，以及帳篷和類似物品等戶外產品。
概述
聚丙烯腈為白色粉末狀，密度為1.14-1.15g/cm。常壓下，220-300℃時會軟化分解。純聚丙烯腈性脆硬，染色性很差。聚丙烯腈纖維引入第二單體、第三單體後，會改善染色性能。在230攝氏度的空氣中被熱氧化形成氧化的聚丙烯腈纖維，然後在惰性氣氛中在1000攝氏度以上被碳化，以在各種高科技和常見的日常應用中發現碳纖維，例如民用的和軍用的飛機的一級和二級結構，飛彈，固體推進劑火箭發動機，壓力容器，釣魚竿，網球拍，羽毛球拍和高科技自行車。 它是幾種重要共聚物中的組分重複單元，例如苯乙烯-丙烯腈（SAN）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料。
物理性質
聚丙烯腈玻璃化轉變溫度為約95°C， 熔融溫度為322°C。 PAN可溶於極性溶劑 ，例如二甲基甲酰胺 ， 二甲基乙酰胺 ，碳酸亞乙酯和碳酸亞丙酯。 硫氰酸鈉 ， 氯化鋅和硝酸 。溶解度參數：26.09 MPa 1/2 （25°C）為25.6至31.5 J 1/2 cm -3/2 。介電常數：5.5（1 kHz，25°C），4.2（1 MHz，25°C）可表現出支化和線性聚合物的作用。
歷史記錄
聚丙烯腈（PAN）於1930年由Hans Fikentscher和Claus Heuck在德國化學集團IG Farben的路德維希港工廠中首次合成。但是，由於PAN是不可熔的 ，並且在當時所用的任何工業溶劑中均不溶解，因此停止了對該材料的進一步研究。在1931年，IG Farben的Bitterfeld工廠的聚合物纖維化學負責人Herbert Rein在參觀路德維希港工廠時獲得了PAN樣品。他發現苄基吡啶吡啶鎓（一種離子液體 ）會溶解PAN。他在1938年使用硫氰酸季銨鈉和高氯酸鋁的水溶液紡製了第一批基於PAN的纖維，並考慮了其他溶劑，包括DMF。 然而，由於戰時對基礎設施的壓力，不能熔融聚合物而不降解，以及用於溶液加工的溶劑尚不知道，因此商業引入被延遲了。聚丙烯腈PAN纖維的第一批大規模生產是在1946年由美國化學集團杜邦公司進行的 。德國的知識產權已在「回形針行動」中被盜。該產品的商標為Orlon ，是基於德國提出幾乎相同的要求後七天才提交的專利。
1942年在杜邦（DuPont）公司被製成紡絲纖維，並以腈綸(Orlon)的品牌進行銷售。 丙烯腈通常被用作與苯乙烯的共聚單體，例如丙烯腈，苯乙烯和丙烯酸酯塑料。用丙烯酸標記的衣物是指聚合物由至少85％的丙烯腈作為單體組成。典型的共聚單體是乙酸乙烯酯，其可以容易地溶液紡絲以獲得足夠軟化以允許染料滲透的纖維。
用途
熱氣過濾系統
聚丙烯腈主要用於製造合成纖維，如腈綸。它的均聚物已被用作熱氣過濾系統，戶外遮陽篷，遊艇帆和纖維增強混凝土中的纖維。 含有聚丙烯腈的共聚物通常用作纖維來製造襪子和毛衣等針織服裝，以及帳篷和類似物品等戶外產品。 如果一件衣服的標籤上寫著「腈綸」，那麼它就是由一些聚丙烯腈共聚物製成的。它的高拉伸強度和拉伸模量是通過纖維上漿，塗層，生產工藝和聚丙烯腈的纖維化學來確定的。其機械性能在軍用和商用飛機的複合結構中很重要 。
使用這些丙烯酸的優點是它們與天然纖維相比成本低，它們具有更好的耐日光性並且具有優異的抗蟲蛀性。用含鹵素的共聚單體改性的丙烯酸類被分類為改性聚丙烯腈，根據定義，其含有超過聚丙烯腈百分比在35-85％之間。 摻入鹵素基團增加了纖維的阻燃性，這使得改性聚丙烯腈適用於睡衣，帳篷和毯子。 然而，這些產品的缺點是它們很昂貴並且在乾燥後會收縮。氧化聚丙烯腈纖維性能產品及應用如下:
碳纖維
聚丙烯腈被用作碳纖維產量的90％的前體。波音和空中客車寬體飛機機身中約20-25％為碳纖維。 但是，受到聚丙烯腈的高價格約為15美元/磅限制了應用。
氧化聚丙烯腈纖維（OPF）
除了作為碳纖維的前體，氧化PAN纖維還用於生產固有的阻燃（FR）織物。 通常，將其用於防護服裝的FR織物時，稱為OPF（氧化聚丙烯腈纖維），是一種高性能且具有成本效益的阻燃和耐熱解決方案。OPF被認為是商業上生產的大多數FR織物之一，因為它的LOI（極限氧指數）在45％-55％的範圍內，這是可用的最高LOI範圍之一，而其他普通FR織物則具有較低的LOI範圍。 LOI值（例如Nomex @ 28％-30％，Kevlar @ 28％-30％，Modacrylic @ 32％-34％，PBI @ 41％和FR-粘膠@ 28％）； 與其他常見織物（例如Nomex，FR聚酯和棉）相比，OPF還顯示出燃燒時產生的有毒氣體最少。 氧化聚丙烯腈纖維的性能產品和應用氧化聚丙烯腈纖維是通過溶液紡絲，然後通過高溫烘箱在空氣中進行處理以穩定分子結構而製成的。
聚丙烯腈，也稱為聚乙烯氰化物和Creslan 61，是一種合成的半結晶有機聚合物樹脂，具有線性式（C3H3N）n 。儘管它是熱塑性的，但在正常條件下不會熔化。 它在熔化之前會降解。 如果加熱速率為每分鐘50度或更高，則熔點會高於300°C。幾乎所有的聚丙烯腈PAN 樹脂都是由以丙烯腈為主要單體的單體混合物製成的共聚物 。 它是一種多用途聚合物，可用於生產多種產品，包括超濾膜，用於反滲透的中空纖維，用於紡織的纖維，氧化PAN纖維。 PAN纖維是高質量碳纖維的化學前體。聚丙烯腈PAN首先在空氣中在230°C的溫度下熱氧化，形成氧化的PAN纖維，然後在惰性氣氛中在1000°C以上的溫度下碳化，從而製成在各種高科技和日常應用（例如民用和軍用飛機）中發現的碳纖維初級和次級結構，導彈，固體推進劑火箭發動機，壓力容器，釣魚竿，網球拍和自行車車架。它是幾種重要共聚物中的組分重複單元 ，例如苯乙烯-丙烯腈 （SAN）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料。
綜合
合成PAN的大多數商業方法都是基於丙烯腈的自由基聚合。在大多數情況下，取決於最終應用，還可以與AN一起使用少量其他乙烯基共聚單體（1-10％）。陰離子聚合也可用於合成PAN。對於紡織品應用，使用的分子量為40,000至70,000。為了生產碳纖維，需要更高的分子量。在生產包含600 tex（6k）PAN絲束的碳纖維時，細絲的線密度為0.12 tex，細絲直徑為11.6 µm，生產出的碳纖維的細絲強度為417 kgf / mm2，粘合劑含量為38.6 ％。 該數據在聚丙烯腈PAN前體和由其製成的碳纖維的實驗批次指數表中得到了證明。 [1]
應用程序
聚丙烯腈的均聚物已用作熱氣過濾系統，室外遮陽篷，遊艇帆和纖維增強混凝土中的纖維。含有聚丙烯腈的共聚物通常用作製造襪子和毛衣之類的針織服裝以及帳篷和類似物品之類的戶外產品的纖維。 如果一件衣服的標籤上寫著「丙烯酸」，那麼它是由某種聚丙烯腈共聚物製成的。 它於1942年在杜邦公司製成短纖，並以奧隆（Orlon）的名義銷售。 丙烯腈通常與苯乙烯 （例如丙烯腈 ， 苯乙烯和丙烯酸酯塑料）用作共聚單體。 用丙烯酸（見丙烯酸纖維 ）在衣物上貼標籤意味著該聚合物由至少85％的丙烯腈作為單體組成。 典型的共聚單體是乙酸乙烯酯，它可以很容易地被溶液紡絲，以獲得足夠柔軟的纖維以允許染料滲透。 使用這些丙烯酸酯的優點是，與天然纖維相比，它們的成本較低，它們具有更好的耐日光性和優異的抗蛾子侵襲性。 用含鹵素的共聚單體改性的丙烯酸被歸類為改性丙烯酸，根據定義，它們的PAN百分含量在35％至85％之間。鹵素基團的引入增加了纖維的阻燃性，這使得改性丙烯酸酯適合用於睡衣，帳篷和毯子。 然而，這些產品的缺點是它們價格昂貴並且在乾燥後會收縮。
PAN吸收許多金屬離子，並有助於吸收材料的應用。 含a 胺肟基的聚合物可用於金屬處理，因為該聚合物與金屬離子形成絡合物的能力。它具有涉及低密度，熱穩定性，高強度和彈性模量的特性。 這些獨特的性能使PAN成為高科技中必不可少的聚合物。它的高拉伸強度和拉伸模量是通過纖維上漿，塗層，生產工藝和PAN的纖維化學性質確定的。得出的機械性能在用於軍用和商用飛機的複合結構中很重要。[2]
視頻
參考資料
- ↑ 「基於聚丙烯腈的碳纖維生產的現狀和前景」纖維化學
- ↑ 「聚丙烯腈（PAN）碳纖維工業能力評估」美國國防部