Badania nad włóknotwórczymi właściwościami poliakrylonitrylu prowadzone były już w latach trzydziestych ubiegłego wieku. Obecnie włókna poliakrylonitrylowe wytwarzane są z kopolimeru zawierającego mery akrylonitrylu i innych, odpowiednio dobranych komonomerów. Możliwość różnicowania składu tworzywa poliakrylonitrylowego oraz rozwiązań technologicznych pozwalają na wytwarzanie dużej ilości tzw. włókien specjalnych.
Do grupy włókien specjalnych należą m. in. tzw. wysoko sprawne włókna poliakrylonitrylowe. Badania mające na celu ich uzyskanie prowadzone były w firmach: TORAY, ALLIED CORP., STAMICARBON TOYOBO, JAPAN EXLAN, MITSUBISHI, KURARAY.
Wysoko sprawne włókna poliakrylonitrylowe są stosowane:
- do produkcji plandek, brezentów, namiotów, lin, sieci rybackich, materaców, pontonów (odporność na czynniki atmosferyczne),
- do celów filtracyjnych i uszczelniania urządzeń w przemyśle chemicznym (odporność na czynniki termiczne i chemiczne),
- do zbrojenia kompozytów opartych na żywicach organicznych, wykorzystywanych do produkcji np. tarcz polerskich, szlifierskich, sprzęgłowych, okładzin hamulcowych,
- jako prekursory do wytwarzania włókien węglowych i grafitowych.
Włókna węglowe należą do grupy włókien o specjalnym przeznaczeniu. Obecnie największe znaczenie i zastosowanie mają włókna węglowe z prekursora poliakrylonitrylowego. Występuje ścisła zależność między strukturą i właściwościami włókien prekursorowych, a właściwościami uzyskanych z nich włókien węglowych.
W związku z tym prekursorowe włókna PAN powinny charakteryzować się:
- dobrymi wskaźnikami parametrów strukturalnych: wysoką orientacją ogólną i orientacją obszarów parakrystalicznych,
- wysoką zawartością fazy parakrystalicznej,
- możliwie dużymi rozmiarami obszarów parakrystalicznych,
- niską objętością całkowitą porów, strukturą drobnoporowatą,
- brakiem występowania zróżnicowania typu skórka-rdzeń.
W procesach wytwarzania włókien węglowych wyróżnia się trzy etapy:
- stabilizację wstępną włókien (do temperatury 3000C),
- karbonizację (do temperatury 17000C),
- grafityzację (do temperatury 30000C).
W procesie stabilizacji wstępnej w temperaturze 180-3000C dochodzi do tworzenia struktur pierścieniowych. Prawdopodobnie w wyniku cyklizacji i dehydratacji następują przemiany
W etapie drugim dochodzi do dalszej dehydratacji i usieciowania włókien PAN oraz tworzenia struktury grafitopodobnej.
Proces przebiega w atmosferze gazu obojętnego z wydzielaniem dużych ilości produktów gazowych.
W procesie grafityzacji prowadzonej w atmosferze gazu obojętnego otrzymuje się włókna grafitowe. W temperaturze 2500-30000C następuje przejście struktury turbostratycznej w strukturę podobną do grafitu. W strukturze turbostratycznej brak jest orientacji bazowych płaszczyzn grafitowych, natomiast przy pełnej grafityzacji występuje orientacja osi warstw grafitowych w kierunku równoległym do osi włókna.
Włókna węglowe są odporne na działanie środków chemicznych z wyjątkiem środków utleniających. Mają niską gęstość i niską rozszerzalność cieplną. Charakteryzuje je znaczna wytrzymałość, wysoki moduł sprężystości, dobra przewodność cieplna, wysoka odporność termiczna w atmosferze gazu obojętnego, dobrze tłumią drgania, przewodzą ładunki elektryczne, nie chłoną wilgoci, nie korodują, są łamliwe.
Właściwości tych włókien pozwalają na ich szerokie zastosowanie:
- do produkcji odzieży wytrzymałej w warunkach ekstremalnych (np. dla astronautów),
- do produkcji kompozytów przeznaczonych do budowy elementów wykorzystywanych w przemyśle lotniczym (np. powłoki skrzydeł, łopatki wirników helikopterów), w przemyśle samochodowym (resory, zderzaki, hamulce, sprzęgła),
- do produkcji sprzętu sportowego (narty, tyczki, kije golfowe, wędziska, rakiety tenisowe, deski surfingowe, konstrukcje jachtów),
- w przemyśle kosmicznym (anteny satelitów, dysze rakiet, osłony cieplne rakiet,
- do wytwarzania elementów instrumentów muzycznych.
Materiały węglowe oparte na prekursorze z włókien PAN znalazły również zastosowanie w medycynie. Ze względu na dobrą tolerancję włókien węglowych i kompozytów zbrojonych włóknami węglowymi przez organizm żywy są one wykorzystywane jako implanty np. stawu biodrowego, szczęki, płytki łączące złamane kości, sztuczne zastawki serca, implanty stosowane w leczeniu tkanek miękkich.
Włókna węglowe są również stosowane w biomateriałach kompozytowych stosowanych w laryngologii. Materiał kompozytowy złożony z polisulfonu i włókien węglowych może być przeznaczony do rekonstrukcji ubytków krtani. Obecnie włókna węglowe w skali masowej produkowane są przez firmy: Courtaulds (GB) produkuje włókna węglowe oparte na prekursorowych włóknach PAN pod nazwą handlową Grafil, BASF (RFN) pod nazwą Celion, Hercules (USA) pod nazwą Magnamite, Sigri (RFN) pod nazwą Sigrafil, Toray (Japonia) pod nazwą Torayca.
Autor: dr inż. Ewa Marczak, dr inż. Piotr Marczak