poliacrilonitrilo

El poliacrilonitrilo ( PAN ) es una resina polimérica orgánica sintética semicristalina , con la fórmula lineal (CH₂CHCN ₎ n _. [ ^{2 ] Casi} todas las resinas de PAN son copolímeros con acrilonitrilo como monómero principal . El PAN se utiliza para producir una gran variedad de productos, incluyendo membranas de ultrafiltración, fibras huecas para ósmosis inversa , fibras para textiles y fibras de PAN oxidadas. Las fibras de PAN son el precursor químico de la fibra de carbono de muy alta calidad . El PAN se oxida primero térmicamente en aire a 230  °C para formar una fibra de PAN oxidada y luego se carboniza por encima de 1000  °C en atmósfera inerte para hacer fibras de carbono que se encuentran en una variedad de aplicaciones tanto de alta tecnología como comunes en la vida diaria, tales como estructuras primarias y secundarias de aeronaves civiles y militares, misiles, motores de cohetes de propulsión sólida, recipientes a presión, cañas de pescar, raquetas de tenis y cuadros de bicicleta . Es una unidad repetitiva que forma parte de varios copolímeros importantes , como el plástico estireno-acrilonitrilo (SAN) y el plástico acrilonitrilo butadieno estireno (ABS).

El poliacrilonitrilo (PAN) fue sintetizado por primera vez en 1930 por Hans Fikentscher y Claus Heuck en la planta de Ludwigshafen del conglomerado químico alemán IG Farben . ^{[ 3 ]} Sin embargo, dado que el PAN no es fusible y no se disolvía en ninguno de los disolventes industriales utilizados en ese momento, se detuvo la investigación posterior sobre el material. ^{[ 4 ]}

En 1931, Herbert Rein, jefe de química de fibras poliméricas en la planta de Bitterfeld de IG Farben, obtuvo una muestra de PAN durante una visita a la fábrica de Ludwigshafen. ^{[ 5 ]} Descubrió que el cloruro de bencilo de piridinio , un líquido iónico , disolvía el PAN. ^{[ 6 ]} En 1938, hiló las primeras fibras basadas en PAN, utilizando soluciones acuosas de tiocianato de sodio y amonio cuaternario y perclorato de aluminio para el proceso de producción, y consideró otros disolventes, incluido el DMF. Sin embargo, la introducción comercial se retrasó debido a las dificultades de la guerra en la infraestructura, la imposibilidad de fundir el polímero sin degradación y el desconocimiento aún de los disolventes que permitieran el procesamiento en solución. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

La primera producción en masa de fibra PAN tuvo lugar en 1946 a cargo del conglomerado químico estadounidense DuPont . La propiedad intelectual alemana había sido robada en la Operación Paperclip . El producto, comercializado como Orlon , se basaba en una patente presentada exactamente siete días después de una solicitud alemana casi idéntica. ^{[ 9 ]}

En la República Democrática Alemana (RDA), la producción industrial de fibra de poliacrilonitrilo se inició en 1956 en la planta VEB Film- und Chemiefaserwerk Agfa Wolfen gracias al trabajo preliminar del colectivo "Wolcrylon" ( de:Max Duch , Herbert Lehnert et al.). Previamente, se habían creado las condiciones necesarias para la producción de las materias primas en las fábricas Buna Werke Schkopau (poliacrilonitrilo) y Leuna ( dimetilformamida ). ^{[ 10 ]} Ese mismo año, el colectivo recibió el Premio Nacional de Ciencia y Tecnología de la RDA de segunda clase por sus logros. ^{[ 11 ]}

Aunque es termoplástico, el poliacrilonitrilo no se funde en condiciones normales. Se degrada antes de fundirse. Se funde por encima de 300  °C si la velocidad de calentamiento es de 50 grados por minuto o superior. ^{[ 12 ]}

La temperatura de transición vítrea es de alrededor de 95  °C y la temperatura de fusión es de 322  °C. El PAN es soluble en disolventes polares , como dimetilformamida , dimetilacetamida , carbonatos de etileno y propileno , y en soluciones acuosas de tiocianato de sodio , cloruro de zinc o ácido nítrico . ^{[ 13 ]} Parámetros de solubilidad: 26,09 MPa ^1/2 (25  °C) son de 25,6 a 31,5 J ^1/2 cm ^−3/2 . Constantes dieléctricas: 5,5 (1  kHz, 25  °C), 4,2 (1  MHz, 25  °C). Puede comportarse como polímero ramificado y lineal.

En la producción de fibras de carbono que contienen 600  tex (6k) de fibra de PAN, la densidad lineal de filamentos es de 0,12  tex y el diámetro del filamento es de 11,6  μm, lo que produce una fibra de carbono que tiene una resistencia del filamento de 417  kgf/mm2 y un contenido de aglutinante del 38,6 %. ^{[ 14 ]}

La mayoría de los métodos comerciales para la síntesis de PAN se basan en la polimerización por radicales libres de acrilonitrilo . ^{[ 15 ]} En la mayoría de los casos, también se utilizan cantidades del 10 % de otros comonómeros vinílicos (1-10 % ) junto con AN, dependiendo de la aplicación final. Los comonómeros incluyen ácido acrílico , acrilamida , compuestos alílicos y estireno sulfonado . ^{[ 2 ]} La polimerización aniónica también puede utilizarse para sintetizar PAN. Para aplicaciones textiles, se utiliza un peso molecular en el rango de 40 000 a 70 000. Para la producción de fibra de carbono se desea un peso molecular mayor. ^{[ 16 ]}

Los homopolímeros de poliacrilonitrilo se han utilizado como fibras en sistemas de filtración de gases calientes, toldos exteriores, velas para yates y hormigón reforzado con fibras. Los copolímeros que contienen poliacrilonitrilo se utilizan a menudo como fibras para fabricar prendas de punto como calcetines y suéteres, así como productos para exteriores como tiendas de campaña y artículos similares. Si la etiqueta de una prenda dice "acrílico" , entonces está hecha de algún copolímero de poliacrilonitrilo. Se convirtió en fibra hilada en DuPont en 1942 y se comercializó con el nombre de Orlon . El acrilonitrilo se emplea comúnmente como comonómero con estireno , por ejemplo, en plásticos de acrilonitrilo , estireno y acrilato . El etiquetado de prendas con acrílico (véase fibra acrílica ) significa que el polímero consta de al menos un 85 % de acrilonitrilo como monómero. Un comonómero típico es el acetato de vinilo, que se puede hilar fácilmente en solución para obtener fibras lo suficientemente suaves como para permitir la penetración de tintes. Las ventajas del uso de estos acrílicos son que son de bajo costo en comparación con la fibra natural, ofrecen una mejor resistencia a la luz solar y tienen una resistencia superior al ataque de polillas. Los acrílicos modificados con comonómeros que contienen halógenos se clasifican como modacrílicos, que por definición contienen más de porcentajes de PAN entre 35-85%. La incorporación de grupos halógenos aumenta la resistencia a la llama de la fibra, lo que hace que los modacrílicos sean adecuados para su uso en ropa de dormir, tiendas de campaña y mantas. Algunos colchones también los utilizan para cumplir con los requisitos de resistencia a la llama en Norteamérica. ^{[ 17 ]} Sin embargo, la desventaja de estos productos es que son costosos y pueden encoger después del secado.

El PAN absorbe muchos iones metálicos y facilita la aplicación de materiales absorbentes. Los polímeros que contienen grupos amidoxima pueden utilizarse para el tratamiento de metales debido a su capacidad de formar complejos con iones metálicos. ^{[ 18 ]}

El PAN posee propiedades como baja densidad, estabilidad térmica, alta resistencia y módulo de elasticidad. Estas propiedades únicas han convertido al PAN en un polímero esencial en la alta tecnología.

Su elevada resistencia a la tracción y módulo de Young se deben al encolado de las fibras, los recubrimientos, los procesos de producción y la química de las fibras de PAN. Sus propiedades mecánicas son importantes en estructuras compuestas para aeronaves militares y comerciales. ^{[ 19 ]}

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