โพลีโพรพีลีน (PAN) หรือที่รู้จักกันในชื่อโพลีไซยาเนตเอทิลีนเอสเทอร์ หรือโครโนสแปน 61 เป็นพอลิเมอร์อินทรีย์สังเคราะห์กึ่งผลึกที่มีสูตรโมเลกุล (C3H13N)n แม้จะเป็นเทอร์โมพลาสติก แต่จะไม่หลอมเหลวภายใต้สภาวะปกติ แต่จะเกิดกระบวนการสลายตัวก่อนหลอมเหลว หากอัตราการให้ความร้อนถึง 50 องศาเซลเซียสหรือสูงกว่าต่อนาที จะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า 300 องศาเซลเซียส เรซิน PAN เกือบทั้งหมดเป็นโคพอลิเมอร์ที่ทำจากส่วนผสมของโมโนเมอร์ โดยมีอะคริโลไนไตรล์เป็นโมโนเมอร์หลัก เป็นพอลิเมอร์อเนกประสงค์ที่ใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์หลากหลายชนิด รวมถึงเยื่อกรองอัลตราฟิลเทรชัน เส้นใยกลวงสำหรับรีเวิร์สออสโมซิส เส้นใยสิ่งทอ และเส้นใย PAN ออกซิไดซ์ เส้นใย PAN เป็นสารตั้งต้นทางเคมีของเส้นใยคาร์บอนคุณภาพสูง ขั้นแรก การออกซิเดชันด้วยความร้อนในอากาศที่อุณหภูมิ 230 องศาเซลเซียส จะทำให้เกิดเส้นใยโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ที่ถูกออกซิไดซ์ จากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการคาร์บอนไนเซชันในบรรยากาศเฉื่อยที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000 องศาเซลเซียส เพื่อผลิตเส้นใยคาร์บอน เส้นใยคาร์บอนถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในงานไฮเทคและงานในชีวิตประจำวันต่างๆ เช่น โครงสร้างหลักและโครงสร้างรองของเครื่องบินพลเรือนและเครื่องบินทหาร ขีปนาวุธ เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง ภาชนะรับแรงดัน คันเบ็ดตกปลา ไม้เทนนิส และโครงจักรยาน นอกจากนี้ PAN ยังเป็นหน่วยซ้ำในโคพอลิเมอร์ที่สำคัญหลายชนิด เช่น พลาสติกสไตรีน-อะคริโลไนไตรล์ (SAN) และอะคริโลไนไตรล์-บิวทาไดอีน-สไตรีน (ABS)
โดยพิจารณาจากวัตถุดิบ เส้นใยคาร์บอนสามารถจำแนกได้เป็นเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ เส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจากน้ำมันดิน เส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจากเรยอน และเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจากไอระเหย เส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจากโพลีอะคริโลไนไตรล์: เส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจากโพลีอะคริโลไนไตรล์นั้น ผ่านกระบวนการหลายขั้นตอน ได้แก่ การปั่น การออกซิเดชันเบื้องต้น และการคาร์บอนไนเซชันของโพลีอะคริโลไนไตรล์ มีคุณสมบัติเด่นคือ ความแข็งแรงสูง ความแข็งแกร่งสูง น้ำหนักเบา ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน คุณสมบัติทางไฟฟ้าดีเยี่ยม และมีความแข็งแรงในการรับแรงอัดและแรงดัดสูง จึงครองตำแหน่งที่โดดเด่นในด้านวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงมาอย่างยาวนาน
เส้นใยคาร์บอนจากน้ำมันดิน: เส้นใยคาร์บอนจากน้ำมันดินผลิตจากน้ำมันดินปิโตรเลียมหรือน้ำมันดินถ่านหินผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การกลั่นน้ำมันดิน การปั่น การออกซิเดชันเบื้องต้น การคาร์บอนไนเซชัน หรือการกราไฟต์เซชัน ต้นทุนการผลิตวัตถุดิบต่ำกว่าเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ เส้นใยคาร์บอนจากเรยอน: เส้นใยคาร์บอนจากเรยอนได้จากการกำจัดน้ำ การไพโรไลซิส และการคาร์บอนไนเซชันของเส้นใยวิสโคสที่ทำจากเซลลูโลส
โครงสร้างทางเคมีและกระบวนการเตรียม
โครงสร้างโมเลกุล
สายโซ่โมเลกุลของ PAN มีพื้นฐานมาจากหน่วยอะคริโลไนไตรล์ (-CH₂-CH(CN)-) และก่อตัวเป็นโครงสร้างเชิงเส้นผ่านกระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบอนุมูลอิสระ การเติมโคโมโนเมอร์ (เช่น เมทิลอะคริเลตและเมทิลเมทาคริเลต) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการปั่นเส้นใยและความสามารถในการย้อมสีได้ หลังจากกระบวนการคาร์บอนไนเซชัน สายโซ่โมเลกุลจะถูกกำจัดไฮโดรเจนและจัดเรียงใหม่เป็นโครงสร้างคล้ายกราไฟต์ที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 93%
การเกิดพอลิเมอร์: อะคริโลไนไตรล์และโคโมโนเมอร์จะถูกทำให้เกิดพอลิเมอร์ในตัวทำละลาย (เช่น DMF, โซเดียมไทโอไซยาเนต) เพื่อสร้างสารละลายสต็อก PAN
การหมุน: การปั่นแบบเปียกหรือการปั่นแบบแห้งสลับเปียกใช้ในการผลิตเส้นใยขั้นต้น จำนวนรูของหัวฉีดอาจมีมากถึง 200-300 รู และความหนาแน่นเชิงเส้นของเส้นใยอยู่ในช่วงกว้าง (1.7-5.0 dtex)
การออกซิเดชันเบื้องต้น: การอบชุบด้วยความร้อนในบรรยากาศอากาศที่อุณหภูมิ 200-300℃ เพื่อสร้างโครงสร้างแบบบันไดวนและเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อน
การเกิดคาร์บอน: การบำบัดด้วยอุณหภูมิสูง (1000-2000℃) ในบรรยากาศเฉื่อย (เช่น อาร์กอน) เพื่อกำจัดธาตุที่ไม่ใช่คาร์บอนและสร้างผลึกขนาดเล็กของกราไฟต์
การสร้างภาพกราฟิก: การอบชุบด้วยความร้อนสูงกว่า 2500℃ สามารถเพิ่มค่าโมดูลัสได้อีก และสามารถนำไปใช้กับวัสดุเกรดอากาศยานได้
คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN)
-
โพลิเมอร์โพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN):
-
เป็นพอลิเมอร์เทอร์โมพลาสติกสังเคราะห์กึ่งผลึกที่สลายตัวก่อนหลอมเหลวภายใต้สภาวะปกติ
-
ต้องใช้ความร้อนสูงมาก (มากกว่า 50°C/นาที) เพื่อให้หลอมเหลว (มากกว่า 300°C) โดยไม่เกิดการเสื่อมสภาพก่อน
-
ในอดีต การแปรรูปสารนี้ทำได้ยาก เนื่องจากสารนี้ไม่สามารถหลอมละลายหรือละลายได้ในตัวทำละลายอุตสาหกรรมทั่วไป จึงต้องใช้ตัวทำละลายเฉพาะทาง (เช่น DMF, ของเหลวไอออนิก) สำหรับการแปรรูปด้วยสารละลาย
-
เส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจาก PAN:
-
คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพหลัก: มีความแข็งแรงสูง ความแข็งแกร่งสูง น้ำหนักเบา ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน นำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม และทนต่อแรงอัดและแรงดัดงอได้ดี
-
กระบวนการผลิต: เส้นใยตั้งต้น PAN จะผ่านกระบวนการทำให้เสถียรด้วยความร้อน (ออกซิเดชัน) ในอากาศ (~230°C) ตามด้วยกระบวนการคาร์บอนไนเซชันในบรรยากาศเฉื่อย (>1000°C)
ขอบเขตการใช้งานของโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN)
-
พอลิเมอร์ PAN (สารตั้งต้น):
-
ใช้ในการผลิตเส้นใยสิ่งทอ (เช่น เส้นใยอะคริลิกอย่างออร์ลอน)
-
ใช้ในเยื่อกรองละเอียดพิเศษและเส้นใยกลวงสำหรับกระบวนการรีเวิร์สออสโมซิส
-
ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นทางเคมีสำหรับเส้นใยคาร์บอนคุณภาพสูง
-
เป็นส่วนประกอบสำคัญในโคพอลิเมอร์ที่สำคัญ เช่น พลาสติกสไตรีน-อะคริโลไนไตรล์ (SAN) และอะคริโลไนไตรล์บิวทาไดอีนสไตรีน (ABS)
-
เส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจาก PAN:
-
การใช้งานหลัก: วัสดุคอมโพสิตเสริมแรงประสิทธิภาพสูง ยังคงครองตำแหน่งผู้นำในด้านนี้
-
-
อวกาศและการป้องกันประเทศ: โครงสร้างหลักและโครงสร้างรองในอากาศยานพลเรือนและอากาศยานทางทหาร ขีปนาวุธ เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงแข็ง และภาชนะรับแรงดัน
-
อุปกรณ์กีฬา: คันเบ็ดตกปลา, ไม้เทนนิส, โครงจักรยาน
พารามิเตอร์ทางเทคนิคของโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN)
| รายการ |
ความหนาแน่นเชิงเส้น |
ความแข็งแรงดึง |
การยืดตัว |
ปริมาณน้ำมัน |
| หน่วย |
กรัม/ม. |
ซีเอ็น/ดีเท็กซ์ |
% |
% |
| 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 |
| 12K |
1.470-1.530 |
≥6.0 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 25,000 บาท |
2.890-3.010 |
≥6.20 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 35,000 บาท |
3.945-4.105 |
≥6.20 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 50,000 บาท |
5.635-5.865 |
≥6.0 |
15±2 |
1.2±0.2 |
ขอบเขตการใช้งานของโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN)
การรักษาสิ่งแวดล้อมและต้นทุน: การผลิต PAN อาศัยอะคริโลไนไตรล์ (คิดเป็น 45% ของต้นทุน) และจำเป็นต้องมีการพัฒนาอะคริโลไนไตรล์ชีวภาพเพื่อลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ การบำบัดน้ำเสีย (เช่น การกู้คืน DMF) เป็นจุดสำคัญของการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ
ความก้าวหน้าครั้งสำคัญด้านประสิทธิภาพ: การดัดแปลงระดับนาโน: การเติมสารเจือปนลงในท่อนาโนคาร์บอนหรือกราฟีนเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของการยึดเกาะระหว่างพื้นผิว
การทอแบบ 3 มิติ: พัฒนาชิ้นส่วนขึ้นรูปหลายมิติเพื่อตอบสนองความต้องการของชิ้นส่วนที่ซับซ้อน
การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: เทคโนโลยีการเผาไหม้คาร์บอนที่อุณหภูมิต่ำ (<1000℃) ช่วยลดการใช้พลังงาน เทคโนโลยีการรีไซเคิลเส้นใยคาร์บอน (วิธีการสลายตัวทางเคมี) กำลังได้รับการพัฒนาเชิงพาณิชย์อย่างค่อยเป็นค่อยไป
