البولي بروبيلين (PAN)، المعروف أيضًا باسم بولي سيانات إيثيلين إستر أو كرونوسبان 61، هو بوليمر عضوي اصطناعي شبه بلوري ذو صيغة جزيئية (C3H13N)n. على الرغم من كونه مادة لدنة بالحرارة، إلا أنه لا ينصهر في الظروف العادية، بل يخضع لعملية تحلل قبل الانصهار. إذا بلغ معدل التسخين 50 درجة مئوية أو أكثر في الدقيقة، فإنه ينصهر عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية. جميع راتنجات PAN تقريبًا عبارة عن بوليمرات مشتركة مصنوعة من خليط من المونومرات، حيث يُعد الأكريلونيتريل المونومر الرئيسي. وهو بوليمر متعدد الاستخدامات يُستخدم في إنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات، بما في ذلك أغشية الترشيح الفائق، والألياف المجوفة للتناضح العكسي، والألياف النسيجية، وألياف PAN المؤكسدة. تُعد ألياف PAN مادة كيميائية أولية لألياف الكربون عالية الجودة. أولًا، تُؤدي الأكسدة الحرارية في الهواء عند درجة حرارة 230 درجة مئوية إلى تكوين ألياف بولي أكريلونيتريل (PAN) المؤكسدة، والتي تُكربن بعد ذلك في جو خامل عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية لإنتاج ألياف الكربون. تُستخدم ألياف الكربون على نطاق واسع في العديد من التطبيقات التقنية المتقدمة والتطبيقات اليومية، مثل الهياكل الأساسية والثانوية للطائرات المدنية والعسكرية، والصواريخ، ومحركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب، وأوعية الضغط، وقصبات الصيد، ومضارب التنس، وهياكل الدراجات. كما يُعد البولي أكريلونيتريل (PAN) وحدة متكررة في العديد من البوليمرات المشتركة المهمة، مثل بلاستيك ستايرين-أكريلونيتريل (SAN) وبلاستيك أكريلونيتريل-بوتادين-ستايرين (ABS).
استنادًا إلى المواد الخام، يمكن تصنيف ألياف الكربون إلى ألياف كربونية مصنوعة من البولي أكريلونيتريل، وألياف كربونية مصنوعة من القار، وألياف كربونية مصنوعة من الرايون، وألياف كربونية مُنمّاة بالتبخير. ألياف الكربون المصنوعة من البولي أكريلونيتريل: تُنتج هذه الألياف من خلال عمليات متعددة تشمل الغزل، والأكسدة المسبقة، والكربنة. وتتميز بقوة وصلابة عاليتين، ووزن خفيف، ومقاومة عالية للحرارة، ومقاومة للتآكل، وخصائص كهربائية ممتازة، وقوة ضغط وانحناء عالية، ولطالما احتلت مكانة رائدة في مجال المواد المركبة المُقوّاة.
ألياف الكربون المصنوعة من القطران: تُصنع ألياف الكربون المصنوعة من القطران من قطران البترول أو قطران الفحم من خلال عمليات مثل تكرير القطران، والغزل، والأكسدة المسبقة، والتفحيم، أو التغرافيت. وتُعدّ تكلفة إنتاج المواد الخام أقل من تكلفة ألياف الكربون المصنوعة من البولي أكريلونيتريل. ألياف الكربون المصنوعة من الرايون: تُستخلص ألياف الكربون المصنوعة من الرايون عن طريق التجفيف، والتحلل الحراري، والتفحيم لألياف الفسكوز المصنوعة من السليلوز.
التركيب الكيميائي وعملية التحضير
التركيب الجزيئي
تعتمد السلسلة الجزيئية لبولي أكريلونيتريل (PAN) على وحدات الأكريلونيتريل (-CH₂-CH(CN)-)، وتشكل بنية خطية من خلال بلمرة الجذور الحرة. ويمكن أن يؤدي إدخال المونومرات المشتركة (مثل أكريلات الميثيل وميثاكريلات الميثيل) إلى تحسين أداء الغزل وقابلية الصباغة. بعد عملية التفحيم، تُنزع ذرات الهيدروجين من السلسلة الجزيئية، ويُعاد تنظيمها لتشكل بنية شبيهة بالجرافيت بنسبة كربون تزيد عن 93%.
البلمرة: يتم بلمرة الأكريلونيتريل والمونومرات المشتركة في مذيب (مثل DMF، ثيوسيانات الصوديوم) لتوليد محلول مخزون PAN.
الدوران: تُستخدم عملية الغزل الرطب أو الغزل الرطب الجاف لتشكيل الألياف الأولية. يمكن أن يصل عدد ثقوب المغزل إلى 200-300 ثقب، ويتراوح نطاق الكثافة الخطية للألياف على نطاق واسع (1.7-5.0 ديتكس).
الأكسدة المسبقة: المعالجة الحرارية في جو هوائي عند درجة حرارة 200-300 درجة مئوية لتشكيل بنية سلمية حلقية وتحسين الاستقرار الحراري.
الكربنة: المعالجة بدرجة حرارة عالية (1000-2000 درجة مئوية) في جو خامل (مثل الأرجون) لإزالة العناصر غير الكربونية وتشكيل بلورات الجرافيت الدقيقة.
التغرافيت: يمكن أن تؤدي المعالجة عند درجة حرارة أعلى من 2500 درجة مئوية إلى زيادة معامل المرونة واستخدامها في المواد المستخدمة في صناعة الطيران والفضاء.
خصائص أداء بولي أكريلونيتريل (PAN)
-
بوليمر بولي أكريلونيتريل (PAN):
-
بوليمر اصطناعي شبه بلوري حراري يتحلل قبل أن ينصهر في الظروف العادية.
-
يتطلب تسخينًا سريعًا جدًا (أكثر من 50 درجة مئوية/دقيقة) للانصهار (أكثر من 300 درجة مئوية) دون تدهور مسبق.
-
تاريخياً، كان من الصعب معالجتها بسبب عدم قابليتها للانصهار وعدم ذوبانها في المذيبات الصناعية الشائعة؛ تتطلب مذيبات متخصصة (مثل DMF، السوائل الأيونية) لمعالجة المحلول.
-
ألياف الكربون المصنوعة من البولي أكريلونيتريل:
-
الخصائص الأساسية للأداء: قوة عالية، صلابة عالية، وزن خفيف، مقاومة عالية للحرارة، مقاومة للتآكل، موصلية كهربائية ممتازة، ومقاومة قوية للضغط والانحناء.
-
عملية الإنتاج: تخضع ألياف PAN الأولية للتثبيت الحراري (الأكسدة) في الهواء (~230 درجة مئوية) متبوعًا بالتفحيم في جو خامل (>1000 درجة مئوية).
مجالات تطبيق بولي أكريلونيتريل (PAN)
-
بوليمر PAN (المادة الأولية):
-
تُستخدم لإنتاج الألياف النسيجية (مثل الألياف الأكريليكية مثل أورلون).
-
يستخدم في أغشية الترشيح الفائق والألياف المجوفة للتناضح العكسي.
-
يُستخدم كمادة كيميائية أولية لألياف الكربون عالية الجودة.
-
مكون رئيسي في البوليمرات المشتركة المهمة مثل بلاستيك ستايرين-أكريلونيتريل (SAN) وبلاستيك أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS).
-
ألياف الكربون المصنوعة من البولي أكريلونيتريل:
-
التطبيقات الأساسية: المواد المركبة المقواة عالية الأداء، تحافظ على مكانتها المهيمنة في هذا المجال.
-
-
الفضاء والدفاع: الهياكل الأساسية والثانوية في الطائرات المدنية والعسكرية، والصواريخ، ومحركات الصواريخ ذات الوقود الصلب، وأوعية الضغط.
-
السلع الرياضية: صنارات صيد، مضارب تنس، هياكل دراجات هوائية.
المعايير الفنية لمادة البولي أكريلونيتريل (PAN)
| أغراض |
الكثافة الخطية |
قوة الشد |
استطالة |
محتوى الزيت |
| وحدة |
جم/م |
CN/dtex |
% |
% |
| 1K |
0.118-0.122 |
≥6.20 |
11±2 |
1.5±0.3 |
| 3K |
0.353-0.367 |
≥6.20 |
11±2 |
1.5±0.3 |
| 6K |
0.705-0.735 |
≥6.0 |
13±2 |
1.2±0.2 |
| 12 ألف |
1.470-1.530 |
≥6.0 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 25 ألف |
2.890-3.010 |
≥6.20 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 35 ألف |
3.945-4.105 |
≥6.20 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 50 ألف |
5.635-5.865 |
≥6.0 |
15±2 |
1.2±0.2 |
مجالات تطبيق بولي أكريلونيتريل (PAN)
حماية البيئة والتكلفة: يعتمد إنتاج البولي أكريلونيتريل على الأكريلونيتريل (الذي يمثل 45% من التكلفة)، ولذا يلزم تطوير أكريلونيتريل حيوي المصدر للحد من انبعاثات الكربون. وتُعد معالجة مياه الصرف الصحي (مثل استخلاص ثنائي ميثيل فورماميد) محورًا أساسيًا لتحسين العملية.
تحقيق إنجاز في الأداء: التعديل النانوي: تطعيم أنابيب الكربون النانوية أو الجرافين لتحسين قوة الترابط البيني.
النسيج ثلاثي الأبعاد: تطوير قوالب أولية متعددة الأبعاد لتلبية احتياجات المكونات المعقدة.
التصنيع الأخضر: تُساهم تقنية الكربنة في درجات حرارة منخفضة (أقل من 1000 درجة مئوية) في خفض استهلاك الطاقة. وتشهد تقنية إعادة تدوير ألياف الكربون (طريقة التحلل الكيميائي) انتشاراً تجارياً تدريجياً.
