Полиакрилонитрильные волокна

Полиакрилонитрильные волокна (ПАН-волокна) — это синтетические волокна, формуемые из растворов полиакрилонитрила (ПАН) или его сополимеров. Относятся к классу акриловых волокон. Основными свойствами являются высокая прочность, устойчивость к воздействию света, атмосферных факторов, микроорганизмов и растворителей, а также способность к термостойкости и карбонизации. ПАН-волокна широко используются в текстильной промышленности, производстве технических тканей и, что наиболее важно, являются основным сырьём для получения углеродных волокон.

История

История полиакрилонитрильных волокон начинается с открытия полиакрилонитрила. В 1893 году немецкий химик Ганс фон Пехманн впервые синтезировал полиакрилонитрил, однако практическое применение этого полимера началось значительно позже. В 1930-х годах в Германии и США были разработаны методы формования волокон из растворов ПАН. Первое промышленное производство акриловых волокон было налажено в 1942 году компанией DuPont (США) под торговой маркой «Орлон» (Orlon). В 1950-х годах началось массовое производство ПАН-волокон в СССР, где они выпускались под названиями «нитрон» и «пан». В 1960-х годах было обнаружено, что при термической обработке ПАН-волокна могут превращаться в углеродные волокна, что открыло новую эру в материаловедении.

Получение

Сырьё

Основным сырьём для производства ПАН-волокон является акрилонитрил (CH₂=CH–CN), который получают в промышленных масштабах из пропилена и аммиака (процесс аммоксидирования) или из ацетилена и синильной кислоты. Полиакрилонитрил получают радикальной полимеризацией акрилонитрила в водной эмульсии или в растворе. Для улучшения технологических свойств (растворимости, пластичности, окрашиваемости) в полимер часто вводят небольшие количества сомономеров, таких как метилакрилат, винилацетат, итаконовая кислота или стирол.

Формование

ПАН-волокна формуют из растворов полимера. Используются два основных метода:

• Мокрый метод: раствор ПАН в диметилформамиде (ДМФА) или диметилацетамиде (ДМАА) продавливается через фильеры (капилляры) в осадительную ванну, содержащую водный раствор растворителя. В ванне происходит коагуляция (затвердевание) струек раствора, образующих элементарные нити.
• Сухой метод: раствор ПАН в ДМФА формуется в горячий воздух или инертный газ, где растворитель испаряется, и нити затвердевают.

После формования волокна подвергаются вытяжке (ориентационной вытяжке) для увеличения прочности и модуля упругости, а затем — термофиксации для стабилизации структуры.

Получение углеродных волокон

ПАН-волокна являются основным прекурсором для производства углеродных волокон. Процесс включает три этапа:

1. Окисление (стабилизация): волокна нагреваются на воздухе при температуре 200–300 °C в течение нескольких часов. В результате образуется циклическая структура, устойчивая к дальнейшему нагреву.
2. Карбонизация: стабилизированные волокна нагреваются в инертной атмосфере (азот, аргон) до температуры 1000–1500 °C. В результате образуются углеродные волокна с высоким содержанием углерода (до 95%).
3. Графитизация (для высокомодульных волокон): нагрев до 2500–3000 °C приводит к образованию графитоподобной структуры, что увеличивает модуль упругости.

Свойства

Физико-механические свойства

• Плотность: 1,14–1,18 г/см³.
• Прочность на разрыв: 20–40 сН/текс (для текстильных волокон), до 200 сН/текс (для высокопрочных технических волокон).
• Относительное удлинение при разрыве: 15–40% (для текстильных), 1–2% (для углеродных прекурсоров).
• Модуль упругости: 2–5 ГПа (текстильные), до 200–400 ГПа (углеродные волокна).
• Термостойкость: температура плавления — 320–330 °C (с разложением). Длительная эксплуатация возможна до 150–200 °C.
• Светостойкость: высокая, превосходит натуральные волокна (хлопок, шерсть) и многие синтетические (полиамид, полиэстер).
• Химическая стойкость: устойчивы к действию кислот, щелочей, органических растворителей, масел, микроорганизмов. Разрушаются концентрированными серной и азотной кислотами, а также горячими щелочами.

Текстильные свойства

• Мягкость: ПАН-волокна по тактильным ощущениям близки к шерсти, поэтому их часто называют «искусственная шерсть».
• Усадка: при стирке возможна усадка до 5–10%.
• Электризуемость: высокая, склонны к накоплению статического электричества.
• Окрашиваемость: хорошо окрашиваются катионными и дисперсными красителями.

Классификация

ПАН-волокна классифицируются по нескольким признакам:

По составу

• Гомополимерные (из чистого полиакрилонитрила) — редко используются из-за сложности переработки.
• Сополимерные (содержат 5–15% сомономеров) — наиболее распространены, так как обладают лучшей растворимостью и пластичностью.
• Модифицированные — с добавками, улучшающими огнестойкость, антистатичность, биоцидные свойства.

По назначению

• Текстильные — для производства трикотажа, одежды, ковров, искусственного меха.
• Технические — для фильтров, канатов, армирующих материалов, геотекстиля.
• Прекурсорные — для получения углеродных волокон.

По форме

• Штапельные волокна — короткие отрезки (30–150 мм), используются в смеси с другими волокнами.
• Филаментные нити — непрерывные нити, используются в технических тканях.
• Жгут — пучок нитей, используется для производства углеродных волокон.

Применение

Текстильная промышленность

ПАН-волокна широко используются в производстве:

• Трикотажных изделий: свитеры, джемперы, носки, перчатки. Благодаря мягкости и теплоте они часто заменяют шерсть.
• Искусственного меха: ворс из ПАН-волокон имитирует натуральный мех.
• Ковров и ковровых покрытий: ПАН-волокна обеспечивают износостойкость и устойчивость к выцветанию.
• Одежды для активного отдыха: куртки, спортивные костюмы, термобельё.

Технические изделия

• Фильтровальные материалы: для очистки воздуха, воды, агрессивных сред.
• Канаты и шнуры: благодаря высокой прочности и устойчивости к гниению.
• Армирующие ткани: для композитных материалов, в том числе в строительстве.
• Геотекстиль: для укрепления грунтов, дренажа.

Производство углеродных волокон

Это наиболее важное применение ПАН-волокон. Углеродные волокна, полученные из ПАН-прекурсора, используются в:

• Авиа- и ракетостроении: корпуса самолётов, ракет, спутников.
• Автомобилестроении: кузовные детали, тормозные диски.
• Спортивном инвентаре: теннисные ракетки, велосипеды, удочки.
• Ветроэнергетике: лопасти ветрогенераторов.
• Медицине: протезы, имплантаты.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая светостойкость и атмосферостойкость.
• Мягкость и теплота, сходные с шерстью.
• Устойчивость к микроорганизмам, плесени, моли.
• Хорошая химическая стойкость.
• Возможность получения углеродных волокон с уникальными свойствами.

Недостатки

• Высокая электризуемость.
• Усадка при стирке.
• Низкая гигроскопичность (впитывает влагу хуже, чем хлопок или шерсть).
• Склонность к пиллингу (образованию катышков) на поверхности.
• Сложность окрашивания в тёмные тона.

Экологические аспекты

Производство ПАН-волокон связано с использованием токсичных растворителей (диметилформамид, диметилацетамид) и выделением вредных веществ. В настоящее время разрабатываются более экологичные методы формования, в том числе с использованием ионных жидкостей. Сами волокна не биоразлагаемы, что создаёт проблемы с утилизацией. Однако их можно перерабатывать механически (измельчение и повторное формование) или химически (деполимеризация). Углеродные волокна из ПАН-прекурсора, в свою очередь, являются экологически выгодными, так как позволяют снижать вес конструкций и, следовательно, расход топлива в транспорте.

Интересные факты

• ПАН-волокна составляют около 5% мирового производства синтетических волокон (после полиэстера, полиамида и полипропилена).
• В СССР и России ПАН-волокна выпускались под торговыми марками «нитрон», «пан», «акрилан».
• Углеродные волокна из ПАН-прекурсора составляют более 90% мирового рынка углеродных волокон.
• ПАН-волокна используются в производстве бронежилетов и других средств индивидуальной защиты.

Источники

• Энциклопедия полимеров. — М.: Химия, 1972–1977.
• Перепелкин К. Е. «Строение и свойства волокон». — М.: Химия, 1985.
• Бокштейн Б. С. и др. «Термостойкие волокна и полимеры». — М.: Химия, 1980.
• ГОСТ 28000-2004 «Волокна полиакрилонитрильные. Технические условия».
• Кричевский Г. Е. «Химическая технология текстильных материалов». — М.: Легкая промышленность, 1980.
• Химическая энциклопедия. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.