Poliacrilonitrile: sintesi, proprietà
Il poliacrilonitrile è un polimero usato per ottenere fibre di aspetto simile alla seta ma che hanno caratteristiche di isolamento termico simile alla lana. Fu sintetizzato per la prima volta nel 1930 dal Dr. Hans Fikentscher e dal Dr. Claus Heuck, nei laboratori di Ludwigshafen presso la società tedesca IG Farben.
Gli omopolimeri di poliacrilonitrile sono usati come:
- fibre nei sistemi di filtrazione dei gas
- tende da esterni
- vele per imbarcazioni
- fibre di cemento armato.
Spesso è utilizzato in copolimeri per realizzare tessuti costituiti dai monomeri acrilonitrile e metacrilato o metilmetacrilato.
Il monomero di partenza è l’acrilonitrile avente formula C3H3N costituito da un gruppo vinilico legato a un nitrile – C≡N.
L’acrilonitrile è ottenuto per ammonossidazione catalitica del propene secondo il processo noto come processo Sohio secondo la reazione:
2 CH3-CH=CH2 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 CH2=CH-CN + 6 H2O
Sintesi del poliacrilonitrile
Il polimero è ottenuto per polimerizzazione radicalica usando come iniziatore un perossido o una miscela di perossidisolfato di potassio K2S2O8 e un agente riducente come l’idrogenosolfito di potassio KHSO3.
La reazione di polimerizzazione può essere schematizzata come segue:
Proprietà
Le fibre di poliacrilonitrile presentano una densità di 1.17 g/cm3 e sono più leggere della lana che ha una densità di 1.32 g/cm3
Hanno un potere isolante, rispetto alla lana di circa il 20% e presentano un allungamento a rottura del 15%.
Mostrano una buona stabilità termica e si decolorano solo per esposizione a temperature superiori a 175 °C per tempi prolungati.
Le fibre di poliacrilonitrile si restringono di circa l’1.5% se trattate con acqua bollente per 30 minuti
Hanno una buona resistenza agli acidi minerali e alle soluzioni alcaline diluite mentre sono attaccate da alcali forti a caldo. Tali fibre non sono attaccate da muffe e tarme e mostrano stabilità eccezionali verso agenti sbiancanti.
Sono state realizzate fibre in poliacrilonitrile agglomerate in fiocchi con uno speciale appretto idrosolubile caratterizzate da elevata superficie specifica per la prevenzione del ritiro plastico di calcestruzzi e malte. Il poliacrilonitrile (ìè un polimero che offre proprietà necessarie per un’ampia gamma di applicazioni, consentendo la formazione di fibre con elevata resistenza meccanica e buona resistenza all’abrasione.
Ulteriori funzionalità derivano dai gruppi ciano, che possono essere convertiti in altri gruppi funzionali idrofili, producendo nuovi materiali polimerici con interessanti proprietà chimiche e biologiche. Inoltre, il PAN è un polimero adatto per l’adsorbimento di coloranti. La sua superficie può essere modificata utilizzando dietilentriammina, polietilenimmina ed etilendiammina per l’adsorbimento di coloranti
Il poliacrilonitrile è riconosciuto come precursore per la produzione di nanofibre di carbonio e ha recentemente attirato molta attenzione per le sue eccellenti proprietà termiche, stabilità meccanica, filabilità, lavorabilità, durezza, rigidità , resistenza alla maggior parte delle sostanze chimiche, solventi, luce solare, calore e microrganismi, natura ecologicamente benigna e redditività commerciale, che trovano ampio utilizzo nelle membrane di ultrafiltrazione ed emodialisi , fibre per tessuti intelligenti e fibre ignifughe
A fine aprile 2013 ricercatori dell’Università di Nebraska-Lincoln hanno pubblicato che sono riusciti ad ottenere una nanofibra. Essa si presenta sia forte ovvero capace di sopportare un carico che dura, caratteristiche che nei comuni materiali, in genere, si escludono a vicenda.
Si pensi ad esempio ad un oggetto di ceramica che riesce a sopportare un certo carico ma si frantuma in caso di caduta o a una palla di gomma che non si rompe cadendo, ma se sottoposta a un certo carico si deforma.
La nanofibra ottenuta con una tecnica denominata electrospinning è eccezionalmente sottile ed è costituita da poliacrilonitrile.
Hanno scoperto che rendendo più sottile le nanofibre il materiale è diventa non solo più forte ma anche più duro e ciò sarebbe imputabile al basso grado di cristallinità delle nanofibre che pertanto hanno molte aree che sono strutturalmente disorganizzate. Queste regioni amorfe permettono alle catene molecolari di scivolare di più dando loro la possibilità di assorbire più energia.
Applicazioni
Il poliacrilonitrile trova impiego in numerosi settori industriali grazie alla sua elevata resistenza meccanica, stabilità chimica e buona lavorabilità. Il suo utilizzo più noto è nella produzione di fibre acriliche, ampiamente impiegate nell’industria tessile per la realizzazione di filati e tessuti destinati ad abbigliamento, arredamento e tappeti, come alternativa alla lana naturale per leggerezza, isolamento termico e resistenza agli agenti atmosferici.
Un’altra applicazione strategica riguarda il ruolo del PAN come precursore delle fibre di carbonio: attraverso processi di ossidazione e carbonizzazione, il polimero viene trasformato in materiali ad altissime prestazioni, fondamentali nei settori aerospaziale, automobilistico, energetico e sportivo. Il poliacrilonitrile è inoltre utilizzato nella produzione di membrane polimeriche per la filtrazione e l’ultrafiltrazione di acqua e fluidi industriali, grazie alla sua resistenza chimica e alla possibilità di modulare la porosità. In ambito elettrochimico trova applicazione come materiale di supporto per elettrodi e separatori, mentre in campo industriale è impiegato anche in rivestimenti protettivi, adesivi e resine speciali, dove contribuisce a migliorare la resistenza termica e la durabilità dei materiali.
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il 5 Aprile 2014