O polipropileno (PAN), também conhecido como éster de etileno policianato ou Kronospan 61, é um polímero orgânico sintético semicristalino com a fórmula molecular (C3H13N)n. Embora seja um termoplástico, não derrete em condições normais, mas passa por um processo de decomposição antes de fundir. Se a taxa de aquecimento atingir 50 graus Celsius ou mais por minuto, ele derreterá a temperaturas acima de 300 graus Celsius. Quase todas as resinas de PAN são copolímeros feitos de uma mistura de monômeros, sendo a acrilonitrila o principal monômero. É um polímero versátil usado para produzir uma variedade de produtos, incluindo membranas de ultrafiltração, fibras ocas para osmose reversa, fibras têxteis e fibras de PAN oxidadas. As fibras de PAN são um precursor químico para fibras de carbono de alta qualidade. Primeiro, a oxidação térmica no ar a 230 graus Celsius forma fibras de poliacrilonitrila (PAN) oxidadas, que são então carbonizadas em atmosfera inerte a temperaturas acima de 1000 graus Celsius para produzir fibras de carbono. A fibra de carbono é amplamente utilizada em diversas aplicações de alta tecnologia e do dia a dia, como estruturas primárias e secundárias de aeronaves civis e militares, mísseis, motores de foguete de propelente sólido, vasos de pressão, varas de pesca, raquetes de tênis e quadros de bicicleta. O PAN também é uma unidade repetitiva em muitos copolímeros importantes, como os plásticos estireno-acrilonitrila (SAN) e acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS).
Com base nas matérias-primas, a fibra de carbono pode ser classificada em fibra de carbono à base de poliacrilonitrila, fibra de carbono à base de piche, fibra de carbono à base de rayon e fibra de carbono produzida por deposição de vapor. Fibra de carbono à base de poliacrilonitrila: A fibra de carbono à base de poliacrilonitrila é produzida por meio de múltiplos processos, incluindo fiação, pré-oxidação e carbonização da poliacrilonitrila. Ela apresenta alta resistência, alta rigidez, leveza, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, excelentes propriedades elétricas e forte resistência à compressão e flexão, e há muito tempo ocupa uma posição dominante no campo dos materiais compósitos reforçados.
Fibra de carbono à base de piche: A fibra de carbono à base de piche é produzida a partir de piche de petróleo ou piche de alcatrão de hulha por meio de processos como refino de piche, fiação, pré-oxidação, carbonização ou grafitização. Seu custo de produção de matéria-prima é menor do que o da fibra de carbono à base de poliacrilonitrila. Fibra de carbono à base de rayon: A fibra de carbono à base de rayon é obtida por desidratação, pirólise e carbonização da fibra de viscose à base de celulose.
Estrutura química e processo de preparação
Estrutura molecular
A cadeia molecular do PAN é baseada em unidades de acrilonitrila (-CH₂-CH(CN)-) e forma uma estrutura linear por meio de polimerização por radicais livres. A introdução de comonômeros (como acrilato de metila e metacrilato de metila) pode melhorar o desempenho de fiação e a capacidade de tingimento. Após a carbonização, a cadeia molecular é desidrogenada e reorganizada em uma estrutura semelhante à grafite, com um teor de carbono superior a 93%.
Polimerização: Acrilonitrila e comonômeros são polimerizados em um solvente (como DMF, tiocianato de sódio) para gerar uma solução estoque de PAN.
Girando: A fiação úmida ou a fiação úmido-seca são utilizadas para formar fibras primárias. O número de orifícios da fieira pode chegar a 200-300 orifícios, e a faixa de densidade linear da fibra é ampla (1,7-5,0 dtex).
Pré-oxidação: Tratamento térmico em atmosfera de ar a 200-300°C para formar uma estrutura em escada ciclizada e melhorar a estabilidade térmica.
Carbonização: Tratamento em alta temperatura (1000-2000℃) em atmosfera inerte (como argônio) para remover elementos não carbonáceos e formar microcristais de grafite.
Grafitização: O tratamento acima de 2500℃ pode aumentar ainda mais o módulo e ser utilizado em materiais de grau aeroespacial.
Características de desempenho do poliacrilonitrilo (PAN)
-
Polímero de poliacrilonitrila (PAN):
-
Um polímero sintético, semicristalino e termoplástico que se degrada antes de fundir em condições normais.
-
Requer aquecimento muito rápido (acima de 50°C/min) para fundir (acima de 300°C) sem degradação prévia.
-
Historicamente, seu processamento é desafiador devido à infusibilidade e à falta de solubilidade em solventes industriais comuns; requer solventes especializados (por exemplo, DMF, líquidos iônicos) para o processamento em solução.
-
Fibras de carbono à base de PAN:
-
Principais características de desempenho: Alta resistência, alta rigidez, leveza, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, excelente condutividade elétrica e forte resistência à compressão e flexão.
-
Processo de produção: As fibras precursoras de PAN passam por estabilização térmica (oxidação) no ar (~230°C) seguida de carbonização em atmosfera inerte (>1000°C).
Campos de aplicação do poliacrilonitrilo (PAN)
-
Polímero PAN (precursor):
-
Utilizado na produção de fibras têxteis (ex.: fibras acrílicas como o Orlon).
-
Utilizado em membranas de ultrafiltração e fibras ocas para osmose reversa.
-
Serve como precursor químico para fibras de carbono de alta qualidade.
-
Um componente essencial em copolímeros importantes como os plásticos de estireno-acrilonitrila (SAN) e acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS).
-
Fibras de carbono à base de PAN:
-
Aplicações principais: Materiais compósitos reforçados de alto desempenho, que mantêm uma posição dominante neste campo.
-
Casos de uso específicos:
-
Aeroespacial e Defesa: Estruturas primárias e secundárias em aeronaves civis e militares, mísseis, motores de foguete de propelente sólido e vasos de pressão.
-
Artigos esportivos: Varas de pesca, raquetes de tênis, quadros de bicicleta.
Parâmetros técnicos do poliacrilonitrilo (PAN)
| Unid |
Densidade Linear |
Resistência à tracção |
Alongamento |
Teor de óleo |
| Unidade |
g/m |
CN/dtex |
% |
% |
| 1K |
0,118-0,122 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 3 mil |
0,353-0,367 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 6 mil |
0,705-0,735 |
≥6,0 |
13±2 |
1,2±0,2 |
| 12 mil |
1,470-1,530 |
≥6,0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 25 mil |
2,890-3,010 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 35 mil |
3,945-4,105 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 50 mil |
5,635-5,865 |
≥6,0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
Campos de aplicação do poliacrilonitrilo (PAN)
Proteção ambiental e custo: A produção de PAN depende da acrilonitrila (que representa 45% do custo), e é necessário desenvolver acrilonitrila de base biológica para reduzir as emissões de carbono. O tratamento de águas residuais (como a recuperação de DMF) é o foco da otimização do processo.
Avanço significativo no desempenho: Nanomodificação: dopagem de nanotubos de carbono ou grafeno para melhorar a resistência da ligação interfacial.
Tecelagem 3D: Desenvolver pré-formas multidimensionais para atender às necessidades de componentes complexos.
Fabricação Verde: A tecnologia de carbonização a baixa temperatura (<1000℃) reduz o consumo de energia. A tecnologia de reciclagem de fibra de carbono (método de despolimerização química) está sendo gradualmente comercializada.
