ポリアクリロニトリル

ポリアクリロニトリル（PAN ）は、線状式（CH ₂ CHCN）_nで表される合成半結晶性有機ポリマー樹脂です。^{[ 2 ]} PAN樹脂のほぼすべては、主モノマーとしてアクリロニトリルを含む共重合体です。PANは、限外ろ過膜、逆浸透用中空糸、繊維、酸化PAN繊維など、多種多様な製品の製造に使用されます。PAN繊維は、非常に高品質の炭素繊維の化学的前駆体です。PANは、まず230 ℃の空気中で熱酸化されて酸化PAN繊維が形成され、次に不活性雰囲気中で1000℃以上で炭化されて炭素繊維が作られます。炭素繊維は、民間および軍用航空機の一次および二次構造、ミサイル、固体推進剤ロケットモーター、圧力容器、釣り竿、テニスラケット、自転車のフレームなど、さまざまなハイテク用途および一般的な日用品用途で使用されています。これは、スチレン-アクリロニトリル（SAN）やアクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）プラスチックなど、いくつかの重要な共重合体の構成繰り返し単位である。  

ポリアクリロニトリル（PAN）は、1930年にドイツの化学コングロマリットIGファルベンのルートヴィヒスハーフェン工場でハンス・フィケンチャーとクラウス・ホイックによって初めて合成されました。^{[ 3 ]}しかし、PANは融点が低く、当時使用されていた工業用溶剤には溶けなかったため、この材料に関するさらなる研究は中止されました。^{[ 4 ]}

1931年、IGファルベンのビターフェルト工場でポリマー繊維化学部門の責任者であったヘルベルト・ラインは、ルートヴィヒスハーフェン工場を訪れた際にPANのサンプルを入手した。^{[ 5 ]}彼は、イオン液体である塩化ベンジルピリジニウムがPANを溶解することを発見した。[ 6 ]彼^は1938年にPANをベースとした最初の繊維を紡糸し、製造工程には第四級アンモニウムチオシアン酸ナトリウムと過塩素酸アルミニウムの水溶液を使用し、DMFを含む他の溶媒も検討した。しかし、戦時中のインフラへの負担、ポリマーを分解せずに溶融できないこと、溶液処理を可能にする溶媒がまだ知られていなかったことなどにより、商業化は遅れた。^{[ 7 ] [ 8 ]}

PAN繊維の最初の量産は、1946年にアメリカの化学コングロマリットであるデュポンによって行われた。ドイツの知的財産はペーパークリップ作戦で盗まれたものだった。オーロンというブランド名で販売されたこの製品は、ほぼ同じ内容のドイツの特許出願からちょうど7日後に出願された特許に基づいていた。^{[ 9 ]}

ドイツ民主共和国（GDR）では、工業用ポリアクリロニトリル繊維の生産は、マックス・ドゥッフ、ヘルベルト・レーネルトらによる「Wolcrylon」集団の予備研究により、 1956年にVEB Film- und Chemiefaserwerk Agfa Wolfenで開始された。これに先立ち、原料生産の前提条件は、ブナ・ヴェルケ・シュコパウ（ポリアクリロニトリル）とロイナ工場（ジメチルホルムアミド）で整えられていた。^{[ 10 ]}同年、この集団はその業績により、GDRの国家科学技術賞第2級を受賞した。^{[ 11 ]}

ポリアクリロニトリルは熱可塑性樹脂であるが、通常の条件下では溶融しない。溶融する前に分解する。 加熱速度が毎分50度以上であれば、300℃以上で溶融する。^{[ 12 ]}

ガラス転移温度は約 95  °C、融解温度は 322  °C です。PAN は、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、エチレンおよびプロピレンカーボネートなどの極性溶媒、およびチオシアン酸ナトリウム、塩化亜鉛、または硝酸の水溶液に溶解します。^{[ 13 ]}溶解度パラメータ: 26.09 MPa ^1/2 (25 °C) は 25.6 ～ 31.5 J ^1/2 cm ^−3/2です。誘電率: 5.5 (1 kHz、25 °C)、4.2 (1 MHz、25 °C)。分岐ポリマーとしても線状ポリマーとしても機能します。     

600 tex (6k) PAN トウを含む炭素繊維の製造では 、フィラメントの線密度は 0.12  tex、フィラメントの直径は 11.6  μm であり、フィラメント強度が 417  kgf/mm2、バインダー含有量が 38.6% の炭素繊維が製造される。^{[ 14 ]}

PANの合成に用いられる商業的な方法のほとんどは、アクリロニトリルのフリーラジカル重合に基づいています。^{[ 15 ]}ほとんどの場合、最終用途に応じて、ANとともに他のビニルコモノマーが10%（1 ～ 10%）使用されます。コモノマーには、アクリル酸、アクリルアミド、アリル化合物、スルホン化スチレンなどがあります。^{[ 2 ]}アニオン重合もPANの合成に使用できます。繊維用途では、分子量40,000～70,000の範囲が使用されます。炭素繊維の製造には、より高い分子量が望まれます。^{[ 16 ]}

ポリアクリロニトリルのホモポリマーは、高温ガスろ過システム、屋外用日よけ、ヨットの帆、繊維強化コンクリートの繊維として使用されています。ポリアクリロニトリルを含むコポリマーは、靴下やセーターなどのニット衣料や、テントなどのアウトドア製品を作るための繊維としてよく使用されます。衣類のラベルに「アクリル」と記載されている場合、それはポリアクリロニトリルのコポリマーで作られています。これは、1942 年にデュポンで紡績繊維として製造され、オーロンという名前で販売されました。アクリロニトリルは、スチレンとのコモノマーとして一般的に使用されています。たとえば、アクリロニトリル、スチレン、アクリレートプラスチックなどです。衣類にアクリル（アクリル繊維を参照）とラベル付けされている場合、ポリマーはモノマーとして少なくとも 85% のアクリロニトリルで構成されています。一般的なコモノマーは酢酸ビニルで、溶液紡糸により容易に、染料が浸透するのに十分なほど柔らかくなる繊維を得ることができます。これらのアクリルを使用する利点は、天然繊維に比べて低コストであること、耐光性が高いこと、蛾の攻撃に対する耐性が優れていることです。ハロゲン含有コモノマーで変性されたアクリルはモダクリルに分類され、定義上、PANの割合が35～85%を超えます。ハロゲン基の導入により繊維の難燃性が向上するため、モダクリルは寝間着、テント、毛布での使用に適しています。一部のマットレスも、北米の難燃性要件を満たすためにこれらを使用しています。^{[ 17 ]}ただし、これらの製品の欠点は、高価であり、乾燥後に縮む可能性があることです。

PANは多くの金属イオンを吸収し、吸収材の応用を助けます。アミドオキシム基を含むポリマーは、金属イオンとの錯体形成能力があるため、金属の処理に使用できます。^{[ 18 ]}

PANは、低密度、熱安定性、高強度、高弾性率といった特性を備えています。これらの独自の特性により、PANはハイテク分野において不可欠なポリマーとなっています。

その高い引張強度と引張弾性率は、繊維のサイジング、コーティング、製造プロセス、およびPANの繊維化学によって確立されます。そこから得られる機械的特性は、軍用および民間航空機の複合構造において重要です。^{[ 19 ]}

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