پلی آکریلونیتریل به چه ماده ای گفته میشود؟
پلی آکریلونیتریل یا PAN که با نام پلی وینیل سیانید و کرسلان 61 نیز شناخته میشود، نوعی رزین پلیمری ارگانیک و نیمه بلورین است و فرمول شیمیایی ان (C3H3N)n میباشد. اگر چه این ماده نوعی ترموپلاستیک است ولی در شرایط معمولی ذوب نمیشود. در واقع خواص پلی آکریلونیتریل یا PAN پیش از ذوب از بین میرود. در صورتی که نرخ حرارتی وارد شده بر این ماده در هر دقیقه بالای 50 درجه باشد، میتواند پلی آکریلونیتریل یا PAN را در دمای بالای 300 درجه سانتی گراد ذوب نماید. تقریبا تمامی انواع رزین های این ماده، هم بسپارهایی هستند که از ترکیب مونومرها ساخته شده اند (مونومر اصلی این ماده آکریلونیتریل میباشد). پلیمر یاد شده دارای مصارف متفاوتی بوده و برای تولید انواعی از محصولات مانند لایه های فیلتری، فیبر های توخالی برای اسمز معکوس، فیبر های پارچه ای و فیبر های اکسید شده ی پلی آکریلونیتریل یا PAN به کار برده میشود. فیبر های ساخته شده از این ماده یکی از بخش های تشکیل دهنده ی کربن فیبر های باکیفیت هستند. این ماده ابتدا به کمک گرما و در دمای 230 درجه سانتی گراد اکسید میشود تا فیبر های اکسید شده پلی آکریلونیتریل یا PAN را تشکیل دهد. سپس ماده یاد شده در دمای بالای 1000 درجه سانتی گراد و در محیطی بی اثر کربونیزه میشود تا در نهایت کربن فیبری تولید شود که مصارف زیادی در حوزه فناوری و محصولات پرکاربرد دارد. مصارف اولیه PANشامل هواپیماهای ارتشی و عمرانی میشود و پس از ان نیز موشکها، موتورهای موشک جامد، مخازن تحت فشار، میله های ماهیگیری، راکتهای تنیس و قابهای دوچرخه (تنه اصلی دوچرخه که چرخ ها و سایر قطعات به ان متصل میشوند) قرار میگیرند. این ماده به صورت واحدهای تکراری در چندین هم بسپار مهم وجود دارد مانند استرین آکریلونیتریل و آکریلونیتریل بوتادین استرین یا ABS.
یکی از ویژگی های اصلی پلی آکریلونیتریل یا PAN امکان ایجاد تغییرات شیمیایی بروی ان و تولید انواع مواد از جمله کربن فیبر، چسبها و پلاستیکهای مهندسی میباشد.
تاریخچه ی پلی آکریلونیتریل یا PAN
پلی آکریلونیتریل یا PAN با فرمول عمومی (C3H3N)n نوعی پلیمر است که به صورت عمده از بسپارش مونومرهای وینیل آکریلونیتریل بوجود می اید.
این ماده اولین بار توسط دکترHans Fikentscher و Claus Heucدر ازمایشگاهی واقع در Ludwigshafen آلمان و در کمپانی IG Farben تولید شد. اما از انجایی که ماده یاد شده قابلیت انحلال در بیشتر حلالها را ندارد، امکان استفاده از PAN وجود نداشت.
در سال 1931یکی از شیمی دانهای آلمانی در شرکت یاد شده پس از بازدید از کارخانه ی Ludwigshafen و مشاهده نمونه ای از PAN متوجه شد که ماده عنوان شده میتواند در مایع یونی 1- بنزیل پیریدینیوم (1- بنزیل پیریدینیوم کلراید) حل شود و به فیبر تبدیل شود.
در سال 1942این محقق کشف کرد که یکی از حلالهای بهتر برای PAN ماده ای با نام دی متیل فرمامید میباشد که امکان شکل گیری فرایندهای ریسندگی و تولید فیبر ها و فیلمها را فراهم کرد.
حمله به تجهیزات شرکت IG Farben توسط نیروهای خارجی در جنگ جهانی دوم و کاهش تولید این مجموعه باعث شد تا تحقیقات حول این موضوع متوقف شوند و فرایند یاد شده در سطح صنعتی مطرح نشود.
اغاز تولید حجمی PAN با کمپانی Du Pont در سال 1946 رقم خورد که فیبر های اورلون را تولید کردند و فرایندی با نام ترریسی را اختراع کردند.
کمی پس از ان، شرکتی با نام Dormagen Bayer، موفق شد تا نوعی دیگر از فرایندهای ریسندگی را برای PAN اختراع کند که خشک ریسی نام داشت و در همان زمان تولید فیبرهای درالون اغاز شد.
بسپارش یا پلیمریزاسیون پلی آکریلونیتریل چگونه صورت میگیرد؟
فرایند اصلی بسپارشی آکریلونیتریل برای تولید پلی آکریلونیتریل را بسپارش معلق می نامند. از انجایی که میزان انحلال این ماده در آب 7 درصد است، میتوان این خاصیت را با استفاده از کاتالیزورهای احیا مانند آمونیوم پرسولفات، سدیم بی سولفیت یا پتاسیم کلرات و سایر نمونه ها بهبود بخشید.
میتوان این ماده را به صورت جوربسپار نیز تولید کرد و این اتفاق زمانی می افتد که از آکریلونیتریل به تنهایی استفاده شود و یا به کمک هم بسپار تولید شود و یا بسپارش توسط هم مونومرهای متفاوتی صورت گیرد.
به طور کلی، 85 درصد از پلی آکریلونیتریل را آکریلونیتریل تشکیل میدهد و درصد باقی مانده نیز به هم مونومرها اختصاص داده میشوند.
سیستم احیای اصلی برای بسپارش پلی آکریلونیتریل بر پایه ی بازهای پرسولفات، اهن فریک و ین های بی سولفیت در PH 2 تا 3.5 صورت میگیرد. در این ترکیب یونهای بیسولفیت غالب بوده و یونهای فریک تولید شده توسط اکسیداسیون قابلیت انحلال کافی دارند. در صورت نیاز،محلولی از سولفوریک اسید اضافه خواهد شد تا PH را در حدود طبیعی خود نگه دارد. مرحله اغازین بسپارش با شکل گیری رادیکال های ازاد از طریق دو واکنش شروع خواهد شد: اکسیداسیون کاتیونهای آهنی توسط پرسولفات و کاهش کاتیونهای اهنی توسط یونهای بی سولفیت.
این واکنش ها باعث تولید سولفات و رادیکال های ازاد سولفونات میشوند که با مونومر واکنش میدهند و این در حالی است که رشد زنجیره ای با سرعت تغییر میکند. یونهای بیسولفیت علاوه بر نقش کاهنده، میتوانند به عنوان نمایندگان انتقال زنجیره ای نیز عمل کنند که با رادیکال های پلیمری افزایشی واکنش میدهد . بدین وسیله حجم مولار پلیمر کنترل میشود بدون انکه تغییری در میزان بسپارش ایجاد شود.
هم بسپارش تعلیقی آبی آکریلونیتریل با یک هم مونومر خنثی مانند متیل اکریلات یا وینیل آستات
سایر روش های بسپارشی پلی آکریلونیتریل یا PAN کدامند؟
بسپارش این ماده میتواند در محیط های همگن و با استفاده از محلول هایی مانند سدیم تیوسیانات یا زینک کلراید صورت گیرد. از این فرایند بیشتر برای تولید کربن های تشکیل دهنده ی فیبر ها استفاده میشود. نمیتوان بسپارش محلول را در حلال های ارگانیک انجام داد مانند DMF , DMAc که دارای ضریب انتقال زنجیری بالاتری در مقایسه با پلیمر میباشند. مزیت اصلی بسپارش محلول در برابر بسپارش تعلیقی این است که با شکیل گیری پلی آکریلونیتریل، همچنان این ماده در محلول حل نمیشود و پس از انکه به مقدار غلظت بیست تا سی درصد برسد، میتوان محلول بسپارشی را به صورت مستقیم تافت. این کار باعث حذف مراحل فیلترسازی ماده، خشک سازی و اماده سازی خواهد شد. (به عنوان مراحل بسپارش تعلیقی)
یکی دیگر از این انواع بسپارش امولسیونی است که در گذشته به منظور تولید فیبر های غیر مشتعل با برند Dynel استفاده می شد و دارای 60 درصد وینیل کلراید و 40 درصد اکریلونیتریل بود. مزیت این روش در ان است که در مقایسه با سایر روش های بسپارشی، امکان تولید هم بسپارهایی با وزن مولکولی بالاتر را فراهم می سازد. در این روش مقدار کمی از مونومر در محیطی پخش میشود که شامل کاتالیزورها و عاملهای امولسیون کننده میباشد مانند سدیم لاوریل سولفات. رادیکال هایی که در در محیط آبی تشکیل میشوند، توسط مایلسها (ذرات کلوییدی باردار آلی) جذب شده و در انها رشد میکنند تا زمانی که به وزن مولکولی مطلوب برسند. پس از ان از واکنش گر خارج شده و بسپارش به پایان میرسد.
یکی دیگر از روش های بسپارش این ماده، پلیمریزاسیون توده ای نام دارد که در مقابل روش های آبی میتواند مزیت هایی داشته باشد مانند تولید پلیمرهایی با وزن مولکولی خیلی بالا. اما انجام این نوع بسپارش فقط در مقیاس کوچک ممکن میباشد زیرا مقدار خیلی بالایی حرارت در طی بسپارش ازاد میشود که برابر با 320کالری بر گرم میباشد و زدودن این حرارت با سختی بسیاری همراه است. علاو بر ان، پلیمر شکل گرفته در مونومر هم غیر محلول است. زمانی که از کاتالیزورهایی مانند بنزویلپراکسید استفاده میشود، واکنش خود کاتالیزوری خواهد شد و دما میتواند به سادگی به بالای 200 تا 300درجه سانتی گراد برسد. در نهایت مونومر جوشیده شده و پلیمر بدست امده حالت حلقه ای پیدا میکند.
خواص پلی آکریلونیتریل یا PAN چیست؟
زمانی که پلی آکریلونیتریل یا PAN تحت حرارتی تا 200 درجه سانتی گراد قرار گیرد، ساختاری سخت پیدا میکند و مقدار زیادی انرژی ازاد میکند (رخدادی که با نام حلقه ای شدن شناخته میشود). اعمال حرارتی بالاتر از مقدار یاد شده به این ماده باعث میشود تا ماده اکسید شود و قابلیت اشتعال خود را از دست بدهد. اگر پلی آکریلونیتریل یا PANدر برابر دمای بالای 1000 درجه ودر جوی بی اثر قرار گیرد، محصولی تشکیل خواهد شد که بیش از 90 درصد ان را کربن تشکیل میدهد. در واقع ماده نهایی برای تولید کربن فیبر به کار برده خواهد شد.
خواصی که پلی آکریلونیتریل یا PAN را از سایر انواع پلیمر ها متمایز میکند عبارتند از:
