Pó de poliacrilonitrila, fórmula química (C3H3N) n, CAS 25014-41-9, é um composto polimérico obtido por polimerização radicalar do monômero acrilonitrila. As unidades de acrilonitrila na cadeia macromolecular estão conectadas em forma de cauda conjunta. Usado principalmente para a produção de fibras de poliacrilonitrila (PAN), a resistência não é alta e a resistência ao desgaste e à fadiga também são baixas. As vantagens da fibra de poliacrilonitrila são boa resistência às intempéries e ao sol, podendo manter 77% de sua resistência original após ser colocada ao ar livre por 18 meses. Também é resistente a reagentes químicos, especialmente ácidos inorgânicos, pó descolorante, peróxido de hidrogênio e reagentes orgânicos em geral.
A poliacrilonitrila (PAN), como material sintético de alto-desempenho, demonstrou valor de aplicação insubstituível em vários campos devido à sua estrutura molecular e propriedades químicas exclusivas. Suas principais aplicações abrangem seis direções: precursores de fibra de carbono, materiais têxteis, engenharia industrial, medicina e saúde, armazenamento de energia e tecnologia de proteção ambiental, formando uma cadeia industrial completa, desde materiais básicos até aplicações-de ponta.
Precursor da fibra de carbono: a base da fabricação-de ponta
É a principal matéria-prima para a preparação de fibras de carbono, e cerca de 90% das fibras de carbono em todo o mundo usam PAN como precursor. As fibras PAN podem ser convertidas em fibras de carbono de alto-desempenho por meio de processos como pré-oxidação e carbonização, com resistência à tração de 3,5 a 7,0 GPa e módulo de 230 a 630 GPa. Eles são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, leveza automotiva, geração de energia eólica e outros campos.
Caso típico:
Aeroespacial: Os principais componentes da aeronave C919 produzida internamente, como asas e barbatanas traseiras, são feitos de materiais compósitos de fibra de carbono à base de PAN, que reduzem o peso em 30% e melhoram a eficiência de combustível em 15% em comparação com materiais metálicos tradicionais.
Indústria Automotiva: A carroceria do Tesla Model S é feita de plástico reforçado com fibra de carbono PAN (CFRP), alcançando uma redução de peso de 10% e um aumento de 8% no alcance.
Geração de energia eólica: As pás da turbina eólica Vestas V236-15.0MW utilizam fibra de carbono PAN, com comprimento de 115,5 metros, e a eficiência de geração de energia é 20% maior que a das pás de fibra de vidro.
Avanço tecnológico: a Universidade de Shenzhen colabora com empresas para alcançar massapó de poliacrilonitrilade fibra de carbono grau T1000 no nível de mil toneladas, com resistência de 6,8GPa e módulo de 320GPa. Tem sido aplicado no sistema nacional de abastecimento de grandes aeronaves, quebrando o monopólio tecnológico estrangeiro.
Materiais têxteis: uma versão atualizada da lã sintética
A fibra de poliacrilonitrila (PAN) é conhecida como “lã sintética” devido à sua aparência e toque semelhante à lã, e sua produção representa mais de 15% do total da fibra sintética. Através da modificação da copolimerização, a fibra acrílica pode possuir propriedades anti-estáticas, retardadoras de chama-, antibacterianas e outras, e é amplamente utilizada em roupas, têxteis domésticos e industriais.
Cenário de aplicação:
Área de vestuário: Suéteres de malha confeccionados com mistura de acrílico e lã, com aumento de 30% na retenção de calor e preço de apenas 60% dos produtos de lã pura; A fibra acrílica colorida original é utilizada para barracas externas, com resistência ao sol de nível 5 (padrão internacional) e vida útil estendida de mais de 8 anos.
Decoração de casa: Os tapetes acrílicos apresentam melhor resistência a manchas do que os tapetes de lã, reduzindo os custos de limpeza em 50%; As cortinas de acrílico têm classificação retardante de chama B1 (padrão chinês), reduzindo significativamente o risco de incêndio.
Tecido industrial: O concreto armado acrílico é utilizado na construção de pontes, com aumento de 40% na taxa de supressão de fissuras; O material filtrante de fibra acrílica reduz a concentração de emissão de poeira para menos de 10mg/m³ no tratamento de gases de combustão de fábricas de cimento (padrão nacional menor ou igual a 30mg/m³).
Dados de mercado: Em 2024, a produção de fibra acrílica da China atingirá 1,2 milhão de toneladas, representando 45% da produção total global. Entre eles, o consumo no Leste da China representará 45%, utilizado principalmente para vestuário e tecidos industriais.
Engenharia Industrial: Seleção Ideal de Materiais Resistentes à Corrosão
A resistência à corrosão química o torna um material ideal para áreas como engenharia química e energia. Por meio da modificação da copolimerização, o PAN pode ser transformado em fibras e resinas especiais resistentes a ácidos, álcalis e solventes, que são aplicadas em cenários como tubulações, tanques de armazenamento e revestimentos anti-corrosão.
Aplicações típicas:
Dutos químicos: Os dutos de fibra de vidro baseados em PAN têm uma vida útil três vezes maior que os dutos metálicos no transporte de ácido sulfúrico e ácido clorídrico, e os custos de manutenção são reduzidos em 60%.
Equipamento de armazenamento de energia: a fibra PAN é usada como material de base para separadores de bateria de íons de lítio, com porosidade de 40%, aumento na condutividade iônica de 20% e ciclo de vida da bateria superior a 3.000 vezes.
Engenharia oceânica: As estruturas de aço revestidas com PAN possuem um nível de resistência à corrosão de C5 (padrão internacional) em ambiente de água do mar, e o ciclo de manutenção foi estendido de 5 para 15 anos.
Progresso tecnológico: Zhongfu Shenying desenvolveu fibras de alta-temperatura baseadas em PAN com resistência à temperatura de 300 graus, que foram aplicadas em sistemas de proteção térmica de naves espaciais, reduzindo o custo de materiais importados em 40%.
Saúde Médica: Avanço em Biocompatibilidade
A inércia biológica dápó de poliacrilonitrilauma vantagem única na área médica. Por meio da modificação de superfície, o PAN pode ser usado para produzir produtos médicos-de alta qualidade, como vasos sanguíneos artificiais, condutos nervosos e transportadores de medicamentos, promovendo o desenvolvimento da medicina regenerativa.
Aplicações inovadoras:
Vasos sanguíneos artificiais: vasos sanguíneos artificiais de pequeno{0}}diâmetro baseados em PAN (diâmetro interno<6mm) have a patency rate of 90%, which is 20% higher than polytetrafluoroethylene (PTFE) blood vessels, and have entered the clinical trial stage.
Reparo neural: O conduto do nervo PAN guia a regeneração axonal a uma taxa de 1 mm/dia, que é 50% menor que o ciclo de reparo do transplante autólogo de nervo, e é usado para o tratamento de lesões de nervos periféricos.
Liberação controlada de medicamentos: O sistema de administração de medicamentos em nanofibras PAN atinge a liberação sustentada do medicamento por 72 horas, reduzindo as flutuações na concentração do medicamento no sangue em 60%, e é usado para terapia direcionada ao câncer.
Potencial de mercado: O mercado global de materiais médicos PAN deverá atingir US$ 500 milhões até 2025, com uma taxa composta de crescimento anual de 12%, da qual a região Ásia-Pacífico representa mais de 40%.
Armazenamento de energia: o ‘núcleo’ dos supercapacitores
Polyacrylonitrile based activated carbon has become the preferred electrode material for supercapacitors due to its high specific surface area (>2000m²/g) e excelente condutividade. O eletrodo de carvão ativado PAN tem capacidade específica de 120F/ge densidade de potência de 10kW/kg e é amplamente utilizado em áreas como veículos de energia nova e redes inteligentes.
Casos de aplicação:
Novos veículos energéticos: BYD e6 está equipado com supercapacitores baseados em PAN, reduzindo o tempo de carregamento rápido para 15 minutos e aumentando o alcance em 10%.
Smart Grid: O projeto de demonstração da State Grid adota sistema de armazenamento de energia com supercapacitor PAN, com velocidade de resposta de frequência de milissegundos e melhoria de 30% na estabilidade da rede.
Eletrônicos de consumo: O telefone Huawei Mate 60 usa eletrodos compostos de grafeno baseados em PAN, que aumentam a velocidade de carregamento em 50% e têm uma vida útil da bateria de mais de 2.000 vezes.
Tendência tecnológica: A pesquisa e desenvolvimento de materiais de eletrodos compostos de PAN e grafeno estão se acelerando e espera-se que a densidade de energia exceda 15Wh/kg e o custo seja reduzido em 30% até 2025.
Com seu diversificado potencial de modificação e características de aplicação interdisciplinar, tornou-se um material básico indispensável para a indústria moderna. Da produção-de alta qualidade ao domínio da subsistência das pessoas, das indústrias tradicionais às tecnologias emergentes, o PAN está a promover a modernização industrial com a atitude da "revolução material". Com a aceleração da localização da fibra de carbono, avanços na inovação de materiais médicos e atualizações iterativas na tecnologia de proteção ambiental, espera-se que o tamanho do mercado global exceda 990 milhões de dólares americanos até 2029, inaugurando uma nova era de materiais de alto-desempenho.
Pó de poliacrilonitrilaé obtido por polimerização radicalar do monômero acrilonitrila. As unidades de acrilonitrila na cadeia macromolecular estão conectadas em forma de cauda conjunta. Usadas principalmente para a produção de fibras de poliacrilonitrila, as fibras de poliacrilonitrila (comumente conhecidas como fibras acrílicas) têm baixa resistência, baixa resistência ao desgaste e resistência à fadiga. As vantagens da fibra de poliacrilonitrila são boa resistência às intempéries e ao sol. Também é resistente a reagentes químicos, especialmente ácidos inorgânicos, pó descolorante, peróxido de hidrogênio e reagentes orgânicos em geral.
Método 1: Método Laboratorial
O método de preparação laboratorial da poliacrilonitrila baseia-se principalmente na reação de polimerização por radicais livres. A seguir estão as etapas e precauções específicas:
A polimerização por radicais livres é uma reação de polimerização por adição que, através da ação de um iniciador de radical livre, faz com que a cadeia cresça e os radicais livres aumentem continuamente, conectando assim muitos monômeros para formar moléculas grandes. Nesse processo, a ligação dupla carbono-carbono do monômero acrilonitrila é aberta e sofre repetidas reações de adição com outras moléculas de monômero, obtendo, em última análise, compostos poliméricos de poliacrilonitrila.
Equipamento experimental: balão de três bocas, funil de queda de pressão constante, agitador magnético, termômetro, etc.
Reagentes experimentais: monômero de acrilonitrila, iniciador de radical livre (como peróxido de benzoíla, etc.), solvente (como dimetilformamida DMF, etc., usado para dissolver o monômero e o iniciador).
Fixe o frasco de três gargalos no agitador magnético e instale um funil de queda de pressão constante e um termômetro.
Verifique a estanqueidade do dispositivo para garantir que não há vazamentos.
Adicione uma certa quantidade de monômero e solvente de acrilonitrila, bem como uma quantidade apropriada de iniciador de radical livre, a um frasco de três bocas.
Sob a ação da agitação magnética, o monômero e o iniciador são completamente misturados.
Aqueça o sistema de reação a uma temperatura apropriada (dependendo do tipo e atividade do iniciador) para iniciar a reação de polimerização radicalar.
Durante o processo de reação, o monômero de acrilonitrila restante é adicionado lentamente, gota a gota, ao sistema de reação através de um funil de queda de pressão constante para manter a estabilidade do sistema de reação.
Após a reacção estar completa, arrefecer o sistema reaccional até à temperatura ambiente.
Filtre, lave e seque o produto de poliacrilonitrila obtido para remover monômeros e solventes que não reagiram.
(1) Segurança experimental:
Durante o experimento, devem ser usados equipamentos de proteção adequados, como óculos e luvas.
O laboratório deve manter uma boa ventilação para evitar a acumulação de gases nocivos.
(2) Condições experimentais:
A temperatura da reação, o tempo e o tipo e quantidade de iniciador têm um impacto significativo na taxa da reação de polimerização e nas propriedades dos produtos. Portanto, antes de conduzir o experimento, é necessário revisar cuidadosamente a literatura relevante e determinar as condições experimentais apropriadas.
(3) Pureza do produto:
Durante o processo de pós{0}}processamento, o produto deve ser completamente lavado e seco para remover monômeros e solventes que não reagiram e melhorar a pureza do produto.
(4) Ambiente experimental:
O experimento deve ser conduzido em um ambiente seco e-livre de poeira para evitar a influência de impurezas nos resultados experimentais.
Método 2: Métodos de Produção Industrial
Existem vários métodos de produção de fibras de poliacrilonitrila, formando rotas de processo únicas.
O ponto comum dessas rotas de processo é o uso de métodos de fiação em solução (úmida e seca), com tratamentos correspondentes de recuperação de solvente.
As diferenças entre essas rotas de processo são:
(1) Diferentes composições de copolímeros;(2) Diferentes métodos de polimerização (polimerização por precipitação heterogênea ou polimerização homogênea);(3) Diferentes solventes de fiação (incluindo dimetilformamida, dimetilacetamida, dimetilsulfóxido, carbonato de vinil, tiocianato de sódio, ácido nítrico, cloreto de zinco, etc.):(4) Diferentes métodos de fiação (fiação úmida ou seca, utilizando diferentes banhos de coagulação na fiação úmida);(5) Diferentes técnicas de alongamento e pós{1}}processamento;(6) Diferentes processos de recuperação de solventes.O fator mais importante em vários processos é o solvente, que determina uma série de características do processo, como as condições de preparação da solução de fiação, condições de fiação, métodos de recuperação de solvente e métodos de tratamento de águas residuais. Também afeta muitos aspectos, como prevenção de incêndio, prevenção de gases e seleção de equipamentos.
O pó sólido branco obtido pelo método de polimerização em suspensão é solúvel em solventes orgânicos como dimetilformamida ou soluções como tiocianato; A solução de poliacrilonitrila é obtida pelo método de polimerização em solução.
Método 3: Preparação de fibras PAN retardadoras de-chamas livres de halogênio-
Adicione 1g de fibra P (AN co VAc) seca a vácuo em um frasco de gargalo único de 500mL, ajuste o pH do sistema adicionando solução aquosa de KOH, mexa à temperatura ambiente por 12 horas, remova a fibra, lave-a com água deionizada até neutro e finalmente seque em um forno a vácuo a 60 graus por 24 horas para obter fibras de copolímero P (AN co VAc) hidrolisadas com valores de pH correspondentes de 10, 12 e 14.
A um balão de três bocas de 500mL equipado com um funil de queda de pressão constante, 0,5g do produto de hidrólise da fibra de copolímero P (AN co VAc) seca preparada sob condições de pH=12 e hidrólise por 12 horas e 20mL de dimetilformamida (DMF) foram adicionados sequencialmente. Após imersão por 1 hora, 5mL de cloreto de O, O-dietilfosforil foram lentamente colocados no funil de queda de pressão constante à temperatura ambiente sob agitação magnética e depois aquecidos a 60 graus por 5 horas. Após a retirada da fibra, esta foi lavada duas vezes com etanol anidro e três vezes com água destilada. Após a secagem, retardador de-chama livre-de halogêniopó de poliacrilonitrilafibra foi obtida.
Em 1931, Rain na Alemanha produziu pela primeira vez poliacrilonitrila (PAN), mas devido à sua insolubilidade na maioria dos solventes orgânicos e inorgânicos e à temperatura de fusão superior à temperatura de decomposição, não era possível usar os métodos conhecidos de fiação em solução e fiação por fusão naquela época, e o PAN não podia ser transformado em fibras.
As fibras PAN foram industrializadas pela primeira vez pela DuPont.
Fibra de poliacrilonitrila refere-se a fibras fiadas de poliacrilonitrila ou copolímeros com um teor de acrilonitrila superior a 85%.
a produção mundial de fibra de poliacrilonitrila foi de 2,6685Mt, e a produção de fibra de poliacrilonitrila da China foi de 473,7kt.
As tendências de pesquisa e desenvolvimento de fibras de poliacrilonitrila podem ser resumidas em dois aspectos;
Primeiramente
Pesquisa sobre novos processos de formação de fibras, como o uso do método plastificante para sintetizar copolímeros de poliacrilonitrila, a fim de reduzir a interação entre macromoléculas de poliacrilonitrila e diminuir o ponto de fusão do polímero, e usar o processo de fiação por fusão ou aumentar a concentração de pasta de fiação no processo de fiação úmida por pulverização seca para melhorar as propriedades mecânicas das fibras brutas após a formação da fibra.
Em segundo lugar
O objetivo é estudar novas variedades de fibras de poliacrilonitrila, como fibras de poliacrilonitrila retardadoras de chama, fibras de poliacrilonitrila de alto encolhimento, tecnologia de coloração on-line durante a fiação de fibras de poliacrilonitrila, fibras de poliacrilonitrila anti-estáticas, fibras de poliacrilonitrila de alta absorção de água, fibras de fios finos, fibras compostas de poliacrilonitrila, fibras de poliacrilonitrila antibacterianas e à prova de odor, fibras de poliacrilonitrila-infravermelho distante, fibras de poliacrilonitrila de alta-resistência e alto módulo, etc.
Perguntas frequentes
Para que é usada a poliacrilonitrila?
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PAN é usado para produzir uma grande variedade de produtos, incluindomembranas de ultrafiltração, fibras ocas para osmose reversa, fibras para têxteis e fibras PAN oxidadas. As fibras PAN são o precursor químico da fibra de carbono-de altíssima qualidade.
Quais são as matérias-primas da poliacrilonitrila?
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O principal monômero para preparação da poliacrilonitrila é a acrilonitrila (AN), que pode ser produzida a partir depetróleo, gás natural, carvão, carboneto de cálcio, etc., e possui uma variedade de rotas de processo. Atualmente o método de amoxidação do propileno é amplamente utilizado. Clique no nome do produto para ver os detalhes do produto.
A poliacrilonitrila é segura?
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Embora a poliacrilonitrila sejanão é considerado particularmente perigoso, os processos de fabricação e processamento podem representar riscos. Por exemplo, a inalação de partículas de poeira ou vapores produzidos durante a fabricação de poliacrilonitrila pode ser perigosa.
A poliacrilonitrila é um plástico?
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Poliacrilonitrila (PAN),uma resina sintéticapreparado pela polimerização de acrilonitrila. Membro da importante família das resinas acrílicas, é um material termoplástico duro e rígido, resistente à maioria dos solventes e produtos químicos, de queima lenta e de baixa permeabilidade a gases.
Quais são os 4 tipos de estruturas poliméricas?
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As quatro estruturas poliméricas básicas sãolinear, ramificado, reticulado e em rede. Diagramas de estruturas poliméricas lineares, ramificadas, reticuladas e em rede.
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