Polipropilena (PAN), juga dikenal sebagai polisianat etilena ester atau Kronospan 61, adalah polimer organik semi-kristalin sintetis dengan rumus molekul (C3H13N)n. Meskipun merupakan termoplastik, ia tidak meleleh dalam kondisi normal tetapi mengalami proses dekomposisi sebelum meleleh. Jika laju pemanasan mencapai 50 derajat Celcius atau lebih per menit, ia akan meleleh pada suhu di atas 300 derajat Celcius. Hampir semua resin PAN adalah kopolimer yang terbuat dari campuran monomer dengan akrilonitril sebagai monomer utama. Ini adalah polimer serbaguna yang digunakan untuk menghasilkan berbagai produk, termasuk membran ultrafiltrasi, serat berongga untuk osmosis terbalik, serat tekstil, dan serat PAN teroksidasi. Serat PAN adalah prekursor kimia untuk serat karbon berkualitas tinggi. Pertama, oksidasi termal di udara pada suhu 230 derajat Celcius membentuk serat poliakrilonitril (PAN) teroksidasi, yang kemudian dikarbonisasi dalam atmosfer inert pada suhu di atas 1000 derajat Celcius untuk menghasilkan serat karbon. Serat karbon banyak digunakan dalam berbagai aplikasi teknologi tinggi dan sehari-hari, seperti struktur primer dan sekunder pesawat terbang sipil dan militer, rudal, mesin roket propelan padat, bejana tekan, joran pancing, raket tenis, dan rangka sepeda. PAN juga merupakan unit berulang dalam banyak kopolimer penting, seperti plastik stirena-akrilonitril (SAN) dan akrilonitril-butadiena-stirena (ABS).
Berdasarkan bahan bakunya, serat karbon dapat diklasifikasikan menjadi serat karbon berbasis poliakrilonitril, serat karbon berbasis pitch, serat karbon berbasis rayon, dan serat karbon yang tumbuh melalui deposisi uap. Serat karbon berbasis poliakrilonitril: Serat karbon berbasis poliakrilonitril diproduksi melalui berbagai proses termasuk pemintalan, pra-oksidasi, dan karbonisasi poliakrilonitril. Serat ini memiliki kekuatan tinggi, kekakuan tinggi, bobot ringan, ketahanan suhu tinggi, ketahanan korosi, sifat listrik yang sangat baik, serta kekuatan tekan dan lentur yang kuat, dan telah lama memegang posisi dominan di bidang material komposit yang diperkuat.
Serat karbon berbasis pitch: Serat karbon berbasis pitch dibuat dari pitch minyak bumi atau pitch tar batubara melalui proses seperti pemurnian pitch, pemintalan, pra-oksidasi, karbonisasi, atau grafitisasi. Biaya produksi bahan bakunya lebih rendah daripada serat karbon berbasis poliakrilonitril. Serat karbon berbasis rayon: Serat karbon berbasis rayon diperoleh melalui dehidrasi, pirolisis, dan karbonisasi serat viskosa berbasis selulosa.
Struktur kimia dan proses preparasi
Struktur molekuler
Rantai molekul PAN didasarkan pada unit akrilonitril (-CH₂-CH(CN)-) dan membentuk struktur linier melalui polimerisasi radikal bebas. Pengenalan komonomer (seperti metil akrilat dan metil metakrilat) dapat meningkatkan kinerja pemintalan dan kemampuan pewarnaan. Setelah karbonisasi, rantai molekul mengalami dehidrogenasi dan tersusun kembali menjadi struktur mirip grafit dengan kandungan karbon lebih dari 93%.
Polimerisasi: Akrilonitril dan komonomer dipolimerisasi dalam pelarut (seperti DMF, natrium tiosianat) untuk menghasilkan larutan stok PAN.
Berputar: Pemintalan basah atau pemintalan kering-basah digunakan untuk membentuk serat primer. Jumlah lubang spinneret dapat mencapai 200-300 lubang, dan rentang kerapatan linier seratnya lebar (1,7-5,0 dtex).
Pra-oksidasi: Perlakuan panas dalam atmosfer udara pada suhu 200-300℃ untuk membentuk struktur tangga siklik dan meningkatkan stabilitas termal.
Karbonisasi: Perlakuan suhu tinggi (1000-2000℃) dalam atmosfer inert (seperti argon) untuk menghilangkan unsur non-karbon dan membentuk mikrokristal grafit.
Grafisasi: Perlakuan di atas 2500℃ dapat lebih meningkatkan modulus dan dapat digunakan untuk material kelas kedirgantaraan.
Karakteristik kinerja poliakrilonitril (PAN)
-
Polimer Poliakrilonitril (PAN):
-
Polimer termoplastik sintetis, semi-kristalin, yang terdegradasi sebelum meleleh dalam kondisi normal.
-
Membutuhkan pemanasan yang sangat cepat (di atas 50°C/menit) untuk melelehkannya (di atas 300°C) tanpa degradasi sebelumnya.
-
Secara historis sulit diproses karena tidak dapat meleleh dan kurang larut dalam pelarut industri umum; membutuhkan pelarut khusus (misalnya, DMF, cairan ionik) untuk pemrosesan larutan.
-
Serat Karbon berbasis PAN:
-
Karakteristik Kinerja Utama: Kekuatan tinggi, kekakuan tinggi, bobot ringan, tahan suhu tinggi, tahan korosi, konduktivitas listrik yang sangat baik, serta ketahanan tekan dan tekuk yang kuat.
-
Proses Produksi: Serat prekursor PAN mengalami stabilisasi termal (oksidasi) di udara (~230°C) diikuti oleh karbonisasi dalam atmosfer inert (>1000°C).
Bidang aplikasi Poliakrilonitril (PAN)
-
-
Digunakan untuk memproduksi serat tekstil (misalnya, serat akrilik seperti Orlon).
-
Digunakan dalam membran ultrafiltrasi dan serat berongga untuk osmosis terbalik.
-
Berfungsi sebagai prekursor kimia untuk serat karbon berkualitas tinggi.
-
Komponen kunci dalam kopolimer penting seperti plastik Stirena-Akrilonitril (SAN) dan Akrilonitril Butadiena Stirena (ABS).
-
Serat Karbon berbasis PAN:
-
Aplikasi Utama: Material komposit bert reinforced berkinerja tinggi, mempertahankan posisi dominan di bidang ini.
-
Kasus Penggunaan Spesifik:
-
Dirgantara & Pertahanan: Struktur primer dan sekunder pada pesawat terbang sipil dan militer, rudal, motor roket propelan padat, bejana tekan.
-
Perlengkapan Olahraga: Joran pancing, raket tenis, rangka sepeda.
Parameter teknis Poliakrilonitril (PAN)
| Barang-barang |
Kepadatan Linier |
Kekuatan Tarik |
Pemanjangan |
Kandungan Minyak |
| Satuan |
g/m |
CN/dtex |
% |
% |
| 1 ribu |
0,118-0,122 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 3 ribu |
0,353-0,367 |
≥6,20 |
11±2 |
1,5±0,3 |
| 6 ribu |
0,705-0,735 |
≥6.0 |
13±2 |
1.2±0.2 |
| 12 ribu |
1.470-1.530 |
≥6.0 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 25 ribu |
2.890-3.010 |
≥6,20 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 35 ribu |
3.945-4.105 |
≥6,20 |
15±2 |
1.2±0.2 |
| 50 ribu |
5.635-5.865 |
≥6.0 |
15±2 |
1.2±0.2 |
Bidang aplikasi Poliakrilonitril (PAN)
Perlindungan lingkungan dan biaya: Produksi PAN bergantung pada akrilonitril (mencakup 45% dari biaya), dan akrilonitril berbasis bio perlu dikembangkan untuk mengurangi emisi karbon. Pengolahan air limbah (seperti pemulihan DMF) menjadi fokus optimasi proses.
Terobosan kinerja: Modifikasi nano: penambahan doping pada nanotube karbon atau grafena untuk meningkatkan kekuatan ikatan antarmuka.
Tenun 3D: Mengembangkan preform multidimensi untuk memenuhi kebutuhan komponen yang kompleks.
Manufaktur Ramah Lingkungan: Teknologi karbonisasi suhu rendah (<1000℃) mengurangi konsumsi energi. Teknologi daur ulang serat karbon (metode depolimerisasi kimia) secara bertahap dikomersialkan.
