Polypropylen (PAN), auch bekannt als Polycyanatestern oder Kronospan 61, ist ein synthetisches, teilkristallines organisches Polymer mit der Summenformel (C₃H₁₃N)ₙ. Obwohl es thermoplastisch ist, schmilzt es unter normalen Bedingungen nicht, sondern zersetzt sich vor dem Schmelzen. Bei einer Aufheizrate von 50 °C pro Minute oder mehr schmilzt es bei Temperaturen über 300 °C. Fast alle PAN-Harze sind Copolymere aus Monomeren, wobei Acrylnitril das Hauptmonomer ist. Es ist ein vielseitiges Polymer, das zur Herstellung verschiedener Produkte verwendet wird, darunter Ultrafiltrationsmembranen, Hohlfasern für die Umkehrosmose, Textilfasern und oxidierte PAN-Fasern. PAN-Fasern sind ein chemischer Vorläufer für hochwertige Kohlenstofffasern. Zunächst werden durch thermische Oxidation an Luft bei 230 °C oxidierte Polyacrylnitril-(PAN)-Fasern gebildet, die anschließend in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen über 1000 °C karbonisiert werden, um Kohlenstofffasern zu erzeugen. Kohlenstofffasern finden breite Anwendung in verschiedenen Hightech- und Alltagsbereichen, beispielsweise in Primär- und Sekundärstrukturen von zivilen und militärischen Flugzeugen, Raketen, Feststoffraketentriebwerken, Druckbehältern, Angelruten, Tennisschlägern und Fahrradrahmen. Polyacrylnitril (PAN) ist zudem ein wiederkehrender Baustein in vielen wichtigen Copolymeren, wie etwa Styrol-Acrylnitril (SAN) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).
Kohlenstofffasern lassen sich anhand ihrer Rohstoffe in Polyacrylnitril-basierte, Pech-basierte, Viskose-basierte und dampfabgeschiedene Kohlenstofffasern unterteilen. Polyacrylnitril-basierte Kohlenstofffasern werden durch mehrere Prozesse wie Spinnen, Voroxidation und Karbonisierung von Polyacrylnitril hergestellt. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit, geringes Gewicht, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hervorragende elektrische Eigenschaften sowie hohe Druck- und Biegefestigkeit aus und haben sich seit Langem als führendes Material im Bereich der verstärkten Verbundwerkstoffe etabliert.
Pechbasierte Kohlenstofffasern: Pechbasierte Kohlenstofffasern werden aus Erdölpech oder Steinkohlenteerpech durch Verfahren wie Pechraffination, Spinnen, Voroxidation, Karbonisierung oder Graphitisierung hergestellt. Ihre Rohstoffkosten sind niedriger als die von polyacrylnitrilbasierten Kohlenstofffasern. Viskosebasierte Kohlenstofffasern: Viskosebasierte Kohlenstofffasern werden durch Dehydratisierung, Pyrolyse und Karbonisierung von zellulosebasierten Viskosefasern gewonnen.
Chemische Struktur und Herstellungsverfahren
Molekülstruktur
Die PAN-Molekülkette basiert auf Acrylnitril-Einheiten (-CH₂-CH(CN)-) und bildet durch radikalische Polymerisation eine lineare Struktur. Die Zugabe von Comonomeren (wie Methylacrylat und Methylmethacrylat) kann die Spinnbarkeit und Färbbarkeit verbessern. Nach der Karbonisierung wird die Molekülkette dehydriert und in eine graphitähnliche Struktur mit einem Kohlenstoffgehalt von über 93 % umgelagert.
Polymerisation: Acrylnitril und Comonomere werden in einem Lösungsmittel (wie DMF, Natriumthiocyanat) polymerisiert, um eine PAN-Stammlösung zu erzeugen.
Drehen: Das Nassspinnen oder Trocken-Nass-Spinnen dient zur Herstellung von Primärfasern. Die Anzahl der Spinndüsenlöcher kann 200–300 erreichen, und die lineare Faserdichte variiert stark (1,7–5,0 dtex).
Voroxidation: Wärmebehandlung in Luftatmosphäre bei 200-300℃ zur Bildung einer zyklischen Leiterstruktur und Verbesserung der thermischen Stabilität.
Karbonisierung: Hochtemperaturbehandlung (1000-2000℃) in einer inerten Atmosphäre (z. B. Argon) zur Entfernung von Nicht-Kohlenstoff-Elementen und zur Bildung von Graphit-Mikrokristallen.
Graphitisierung: Eine Behandlung bei Temperaturen über 2500℃ kann den Elastizitätsmodul weiter erhöhen und ist für Werkstoffe in Luft- und Raumfahrtqualität geeignet.
Leistungseigenschaften von Polyacrylnitril (PAN)
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Polyacrylnitril (PAN)-Polymer:
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Ein synthetisches, halbkristallines, thermoplastisches Polymer, das sich unter normalen Bedingungen vor dem Schmelzen zersetzt.
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Erfordert sehr schnelles Erhitzen (über 50 °C/min) zum Schmelzen (über 300 °C) ohne vorherige Zersetzung.
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Historisch gesehen war die Verarbeitung aufgrund der Unschmelzbarkeit und der mangelnden Löslichkeit in gängigen industriellen Lösungsmitteln schwierig; für die Verarbeitung in Lösung sind spezielle Lösungsmittel (z. B. DMF, ionische Flüssigkeiten) erforderlich.
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PAN-basierte Kohlenstofffasern:
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Primäre Leistungsmerkmale: Hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit, geringes Gewicht, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit sowie hohe Druck- und Biegefestigkeit.
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Produktionsprozess: Die PAN-Vorläuferfasern werden zunächst in Luft (~230°C) thermisch stabilisiert (Oxidation) und anschließend in einer inerten Atmosphäre (>1000°C) karbonisiert.
Anwendungsgebiete von Polyacrylnitril (PAN)
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Wird zur Herstellung von Textilfasern verwendet (z. B. Acrylfasern wie Orlon).
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Wird in Ultrafiltrationsmembranen und Hohlfasern für die Umkehrosmose verwendet.
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Dient als chemische Vorstufe für hochwertige Kohlenstofffasern.
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Ein wichtiger Bestandteil wichtiger Copolymere wie Styrol-Acrylnitril (SAN) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Kunststoffe.
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PAN-basierte Kohlenstofffasern:
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Hauptanwendungen: Hochleistungsfähige, verstärkte Verbundwerkstoffe, die in diesem Bereich eine dominierende Stellung einnehmen.
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Spezifische Anwendungsfälle:
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Luft- und Raumfahrt & Verteidigung: Primär- und Sekundärstrukturen in zivilen und militärischen Flugzeugen, Raketen, Feststoffraketenmotoren, Druckbehältern.
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Sportartikel: Angelruten, Tennisschläger, Fahrradrahmen.
Technische Parameter von Polyacrylnitril (PAN)
| Artikel |
Lineare Dichte |
Zugfestigkeit |
Verlängerung |
Ölgehalt |
| Einheit |
g/m |
CN/dtex |
% |
% |
| 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 |
2.890-3.010 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2 ± 0,2 |
| 35.000 |
3.945-4.105 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2 ± 0,2 |
| 50.000 |
5,635-5,865 |
≥6,0 |
15±2 |
1,2 ± 0,2 |
Anwendungsgebiete von Polyacrylnitril (PAN)
Umweltschutz und Kosten: Die PAN-Produktion basiert auf Acrylnitril (45 % der Kosten), und zur Reduzierung der CO₂-Emissionen muss biobasiertes Acrylnitril entwickelt werden. Die Abwasserbehandlung (z. B. die DMF-Rückgewinnung) steht im Mittelpunkt der Prozessoptimierung.
Leistungsdurchbruch: Nanomodifikation: Dotierung von Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen zur Verbesserung der Grenzflächenbindungsstärke.
3D-Weberei: Entwicklung mehrdimensionaler Vorformlinge zur Erfüllung der Anforderungen komplexer Bauteile.
Umweltfreundliche Produktion: Die Niedertemperatur-Karbonisierungstechnologie (<1000℃) reduziert den Energieverbrauch. Die Recyclingtechnologie für recycelte Kohlenstofffasern (chemisches Depolymerisationsverfahren) wird schrittweise kommerzialisiert.
