Precursore della fibra di carbonio in poliacrilonitrile (PAN)

Il polipropilene (PAN), noto anche come estere etilenico di policianato o Kronospan 61, è un polimero organico sintetico semicristallino con formula molecolare (C3H13N)n. Sebbene sia un termoplastico, non fonde in condizioni normali, ma subisce un processo di decomposizione prima di fondersi. Se la velocità di riscaldamento raggiunge i 50 °C o più al minuto, fonde a temperature superiori a 300 °C. Quasi tutte le resine PAN sono copolimeri ottenuti da una miscela di monomeri con acrilonitrile come monomero principale. È un polimero versatile utilizzato per produrre una varietà di prodotti, tra cui membrane per ultrafiltrazione, fibre cave per osmosi inversa, fibre tessili e fibre PAN ossidate. Le fibre PAN sono un precursore chimico delle fibre di carbonio di alta qualità. In primo luogo, l'ossidazione termica in aria a 230 gradi Celsius forma fibre di poliacrilonitrile ossidato (PAN), che vengono poi carbonizzate in atmosfera inerte a temperature superiori a 1000 gradi Celsius per produrre fibre di carbonio. La fibra di carbonio è ampiamente utilizzata in varie applicazioni high-tech e quotidiane, come strutture primarie e secondarie di aerei civili e militari, missili, motori a razzo a propellente solido, recipienti a pressione, canne da pesca, racchette da tennis e telai di biciclette. Il PAN è anche un'unità ripetitiva in molti importanti copolimeri, come le plastiche stirene-acrilonitrile (SAN) e acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS).

In base alle materie prime, la fibra di carbonio può essere classificata in fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile, fibra di carbonio a base di pece, fibra di carbonio a base di rayon e fibra di carbonio ottenuta per crescita a vapore. Fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile: la fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile viene prodotta attraverso molteplici processi, tra cui filatura, preossidazione e carbonizzazione del poliacrilonitrile. Presenta elevata resistenza, elevata rigidità, leggerezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, eccellenti proprietà elettriche e un'elevata resistenza alla compressione e alla flessione, e detiene da tempo una posizione dominante nel campo dei materiali compositi rinforzati.

Fibra di carbonio a base di pece: la fibra di carbonio a base di pece è ottenuta da pece di petrolio o pece di catrame di carbone attraverso processi come la raffinazione della pece, la filatura, la preossidazione, la carbonizzazione o la grafitizzazione. Il suo costo di produzione della materia prima è inferiore a quello della fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile. Fibra di carbonio a base di rayon; la fibra di carbonio a base di rayon si ottiene mediante disidratazione, pirolisi e carbonizzazione di fibre di viscosa a base di cellulosa.

La catena molecolare PAN è basata su unità di acrilonitrile (-CH₂-CH(CN)-) e forma una struttura lineare attraverso la polimerizzazione radicalica. L'introduzione di comonomeri (come metilacrilato e metilmetacrilato) può migliorare le prestazioni di filatura e la tingibilità. Dopo la carbonizzazione, la catena molecolare viene deidrogenata e riorganizzata in una struttura simile alla grafite con un contenuto di carbonio superiore al 93%.

Tutela ambientale e costi: La produzione di PAN si basa sull'acrilonitrile (che rappresenta il 45% del costo), e per ridurre le emissioni di carbonio è necessario sviluppare acrilonitrile di origine biologica. Il trattamento delle acque reflue (come il recupero del DMF) è al centro dell'ottimizzazione del processo.

Produzione ecologica: La tecnologia di carbonizzazione a bassa temperatura (<1000°C) riduce il consumo energetico. La tecnologia di riciclo delle fibre di carbonio riciclate (metodo di depolimerizzazione chimica) è in fase di graduale commercializzazione.