El poliacrilonitrilo ( PAN ) es una resina polimérica orgánica semicristalina sintética , con la fórmula lineal (CH 2 CHCN) n . [2] Casi todas las resinas PAN son copolímeros con acrilonitrilo como monómero principal . El PAN se utiliza para producir una gran variedad de productos, incluidas membranas de ultrafiltración, fibras huecas para ósmosis inversa , fibras para textiles y fibras de PAN oxidadas. Las fibras PAN son el precursor químico de la fibra de carbono de muy alta calidad . El PAN primero se oxida térmicamente en aire a 230 °C para formar una fibra de PAN oxidada y luego se carboniza por encima de 1000 °C en una atmósfera inerte para producir fibras de carbono que se encuentran en una variedad de aplicaciones diarias comunes y de alta tecnología, como aviones civiles y militares. estructuras primarias y secundarias, misiles, motores de cohetes de propulsor sólido, recipientes a presión, cañas de pescar, raquetas de tenis y cuadros de bicicletas . Es una unidad de repetición de componentes en varios copolímeros importantes , como el plástico de estireno-acrilonitrilo (SAN) y acrilonitrilo butadieno estireno (ABS).
El poliacrilonitrilo (PAN) fue sintetizado por primera vez en 1930 por Hans Fikentscher y Claus Heuck en las plantas de Ludwigshafen del conglomerado químico alemán IG Farben . [3] Sin embargo, como el PAN no es fusible y no se disuelve en ninguno de los solventes industriales que se usaban en ese momento, se detuvo la investigación adicional sobre el material. [4] En 1931, Herbert Rein, jefe de química de fibras poliméricas en la planta de IG Farben en Bitterfeld, obtuvo una muestra de PAN durante una visita a las fábricas de Ludwigshafen. [5] Descubrió que el cloruro de bencilo de piridinio , un líquido iónico , disolvería el PAN. [6] Hiló las primeras fibras basadas en PAN en 1938, utilizando soluciones acuosas de tiocianato de sodio y amonio cuaternario y perclorato de aluminio para el proceso de producción y consideró otros solventes, incluido el DMF. Sin embargo, la introducción comercial se retrasó debido a las tensiones de la guerra en la infraestructura, la incapacidad de fundir el polímero sin degradación y aún no se conocían los disolventes que permitieran el procesamiento de la solución. [7] [8] La primera producción en masa de fibra PAN fue en 1946 por el conglomerado químico estadounidense DuPont . La propiedad intelectual alemana había sido robada en la Operación Paperclip . El producto, con la marca Orlon , se basó en una patente presentada exactamente siete días después de una reivindicación alemana casi idéntica. [9] [ verificación fallida ] En la República Democrática Alemana (RDA), la producción industrial de fibras de poliacrilonitrilo se inició en 1956 en la VEB Film- und Chemiefaserwerk Agfa Wolfen gracias a los trabajos preliminares del colectivo "Wolcrylon" ( de:Max Duch , Herbert Lehnert y otros). Anteriormente, las condiciones previas para la producción de las materias primas se habían creado en las fábricas Buna Werke Schkopau (poliacrilonitrilo) y Leuna ( dimetilformamida ). [10] Ese mismo año, el colectivo recibió por sus logros el II Premio Nacional de Ciencia y Tecnología de la RDA. [11]
Aunque es termoplástico, el poliacrilonitrilo no se funde en condiciones normales. Se degrada antes de fundirse. Se derrite por encima de los 300 °C si las velocidades de calentamiento son de 50 grados por minuto o más. [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 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 tanto como polímero ramificado como lineal.
La mayoría de los métodos comerciales para la síntesis de PAN se basan en la polimerización por radicales libres del acrilonitrilo . [14] 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 se puede utilizar para sintetizar PAN. Para aplicaciones textiles, se utiliza un peso molecular en el intervalo de 40.000 a 70.000. [ cita necesaria ] Para producir fibra de carbono se desea un peso molecular más alto. [15]
En la producción de fibras de carbono que contienen estopa PAN de 600 tex (6k), la densidad lineal de los 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 de 38,6. %. Estos datos se demuestran en la tabla de índices para lotes experimentales de precursor de PAN y fibras de carbono elaboradas a partir de él. [dieciséis]
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 de vestir 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, plásticos de acrilonitrilo , estireno y acrilato . El etiquetado de prendas de vestir con acrílico (ver 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 que se ablandan lo suficiente como para permitir la penetración de los tintes. Las ventajas del uso de estos acrílicos son que son de bajo costo en comparación con la fibra natural, ofrecen mejor resistencia a la luz solar y tienen una resistencia superior al ataque de las 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 las llamas 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 al fuego en América del Norte. [17] Sin embargo, la desventaja de estos productos es que son costosos y pueden encogerse después del secado.
PAN absorbe muchos iones metálicos y ayuda a la aplicación de materiales de absorción. Los polímeros que contienen grupos amidoxima se pueden utilizar para el tratamiento de metales debido a la capacidad de los polímeros de formar complejos con iones metálicos. [18]
El PAN tiene propiedades que implican 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 alta resistencia a la tracción y su módulo de tracción se establecen mediante el tamaño de la fibra, los recubrimientos, los procesos de producción y la química de la fibra de PAN. Sus propiedades mecánicas derivadas son importantes en estructuras compuestas para aviones militares y comerciales. [19]
El poliacrilonitrilo se utiliza como precursor del 90% de la producción de fibra de carbono. [20] Aproximadamente entre el 20% y el 25% de las estructuras de aviones de fuselaje ancho de Boeing y Airbus son fibras de carbono. Sin embargo, las aplicaciones están limitadas por el alto precio del PAN de alrededor de 15 dólares por libra. [21]
El carbono vítreo, un material de electrodo común en electroquímica, se crea tratando térmicamente bloques de poliacrilonitrilo bajo presión de 1.000 a 3.000 °C durante un período de varios días. El proceso elimina átomos que no son de carbono y crea una estructura de doble enlace conjugado con excelente conductividad. [22]
La fibra PAN oxidada se utiliza para producir telas inherentemente resistentes al fuego (FR). [ cita necesaria ] Comúnmente, cuando se usa en telas FR para prendas de protección, se le conoce como OPF (fibra de poliacrilonitrilo oxidado) y es una solución rentable y de alto rendimiento resistente al fuego y al calor. OPF puede considerarse una de las telas más FR producidas comercialmente ya que tiene un LOI (índice limitante de oxígeno) en el rango de 45 a 55%, que es uno de los rangos de LOI más altos disponibles en comparación con otros tejidos FR comunes que tienen un LOI más bajo. valores (por ejemplo, Nomex @ 28–30 %, Kevlar @ 28–30 %, Modacrylic @ 32–34 %, PBI @ 41 % y FR-Viscose @ 28 %); [ cita necesaria ] y OPF también demuestra la menor generación de gases tóxicos al quemarse en comparación con otras telas comunes (por ejemplo, Nomex, poliéster FR y algodón). [ cita necesaria ]
El poliacrilonitrilo reticulado con divinilbenceno es un precursor de las resinas de intercambio iónico . La hidrólisis convierte los grupos nitrilo en ácidos carboxílicos. Amberlite IRC86 es un producto comercial. Estas resinas débilmente ácidas tienen altas afinidades por iones metálicos divalentes como Ca 2+ y Mg 2+ . [23]
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