Le polypropylène (PAN), également connu sous le nom d'ester d'éthylène polycyanate ou Kronospan 61, est un polymère organique semi-cristallin synthétique de formule moléculaire (C₃H₁₃N)ₙ. Bien qu'il soit thermoplastique, il ne fond pas dans des conditions normales mais subit une décomposition avant de fondre. Si la vitesse de chauffage atteint 50 °C par minute ou plus, il fond à des températures supérieures à 300 °C. Presque toutes les résines de PAN sont des copolymères constitués d'un mélange de monomères, l'acrylonitrile étant le monomère principal. C'est un polymère polyvalent utilisé pour fabriquer divers produits, notamment des membranes d'ultrafiltration, des fibres creuses pour osmose inverse, des fibres textiles et des fibres de PAN oxydées. Ces dernières sont un précurseur chimique des fibres de carbone de haute qualité. L'oxydation thermique à l'air à 230 °C forme d'abord des fibres de polyacrylonitrile (PAN) oxydées, qui sont ensuite carbonisées sous atmosphère inerte à des températures supérieures à 1000 °C pour produire des fibres de carbone. La fibre de carbone est largement utilisée dans diverses applications de haute technologie et du quotidien, notamment pour les structures primaires et secondaires d'aéronefs civils et militaires, de missiles, de moteurs de fusée à propergol solide, de réservoirs sous pression, de cannes à pêche, de raquettes de tennis et de cadres de vélos. Le PAN est également un motif répétitif dans de nombreux copolymères importants, tels que les plastiques styrène-acrylonitrile (SAN) et acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS).
Selon la matière première utilisée, la fibre de carbone se classe en quatre catégories : fibre de carbone à base de polyacrylonitrile, fibre de carbone à base de brai, fibre de carbone à base de rayonne et fibre de carbone obtenue par oxydation en phase vapeur. La fibre de carbone à base de polyacrylonitrile est produite par un procédé en plusieurs étapes, incluant le filage, la pré-oxydation et la carbonisation du polyacrylonitrile. Elle se caractérise par une résistance élevée, une grande rigidité, une légèreté, une résistance aux hautes températures et à la corrosion, d’excellentes propriétés électriques, ainsi qu’une forte résistance à la compression et à la flexion. Elle occupe depuis longtemps une place prépondérante dans le domaine des matériaux composites renforcés.
Fibre de carbone à base de brai : La fibre de carbone à base de brai est fabriquée à partir de brai de pétrole ou de brai de goudron de houille par des procédés tels que le raffinage du brai, le filage, la pré-oxydation, la carbonisation ou la graphitisation. Son coût de production des matières premières est inférieur à celui de la fibre de carbone à base de polyacrylonitrile. Fibre de carbone à base de rayonne : La fibre de carbone à base de rayonne est obtenue par déshydratation, pyrolyse et carbonisation de fibres de viscose à base de cellulose.
Structure chimique et procédé de préparation
Structure moléculaire
La chaîne moléculaire du PAN est constituée d'unités acrylonitrile (-CH₂-CH(CN)-) et forme une structure linéaire par polymérisation radicalaire. L'introduction de comonomères (tels que l'acrylate de méthyle et le méthacrylate de méthyle) permet d'améliorer les performances de filage et la teinture. Après carbonisation, la chaîne moléculaire est déshydrogénée et réorganisée en une structure de type graphite avec une teneur en carbone supérieure à 93 %.
Polymérisation : L'acrylonitrile et les comonomères sont polymérisés dans un solvant (tel que le DMF, le thiocyanate de sodium) pour générer une solution mère de PAN.
Tournage : Le filage par voie humide ou par voie sèche-humide est utilisé pour former les fibres primaires. Le nombre de trous de la filière peut atteindre 200 à 300, et la gamme de densité linéaire des fibres est large (1,7 à 5,0 dtex).
Pré-oxydation : Traitement thermique sous atmosphère d'air à 200-300℃ pour former une structure en échelle cyclisée et améliorer la stabilité thermique.
Carbonisation : Traitement à haute température (1000-2000℃) dans une atmosphère inerte (comme l'argon) pour éliminer les éléments non carbonés et former des microcristaux de graphite.
Graphitisation : Un traitement à plus de 2500 °C peut encore augmenter le module et être utilisé pour les matériaux de qualité aérospatiale.
caractéristiques de performance du polyacrylonitrile (PAN)
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Polymère de polyacrylonitrile (PAN) :
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Un polymère thermoplastique synthétique semi-cristallin qui se dégrade avant de fondre dans des conditions normales.
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Nécessite un chauffage très rapide (supérieur à 50 °C/min) pour fondre (au-dessus de 300 °C) sans dégradation préalable.
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Historiquement difficile à traiter en raison de son infusibilité et de son manque de solubilité dans les solvants industriels courants ; nécessite des solvants spécialisés (par exemple, DMF, liquides ioniques) pour le traitement en solution.
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Fibres de carbone à base de PAN :
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Caractéristiques de performance principales : Haute résistance, grande rigidité, poids léger, résistance aux hautes températures, résistance à la corrosion, excellente conductivité électrique et forte résistance à la compression et à la flexion.
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Processus de production : Les fibres précurseurs de PAN subissent une stabilisation thermique (oxydation) à l'air (~230°C) suivie d'une carbonisation dans une atmosphère inerte (>1000°C).
Domaines d'application du polyacrylonitrile (PAN)
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Polymère PAN (Précurseur) :
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Utilisé pour produire des fibres textiles (par exemple, des fibres acryliques comme l'Orlon).
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Utilisé dans les membranes d'ultrafiltration et les fibres creuses pour l'osmose inverse.
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Il sert de précurseur chimique pour les fibres de carbone de haute qualité.
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Un composant clé de copolymères importants comme le styrène-acrylonitrile (SAN) et les plastiques acrylonitrile butadiène styrène (ABS).
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Fibres de carbone à base de PAN :
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Applications principales : Les matériaux composites renforcés haute performance conservent une position dominante dans ce domaine.
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Cas d'utilisation spécifiques :
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Aérospatiale et défense : Structures primaires et secondaires des aéronefs civils et militaires, des missiles, des moteurs de fusée à propergol solide, des réservoirs sous pression.
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Articles de sport : Cannes à pêche, raquettes de tennis, cadres de vélo.
Paramètres techniques du polyacrylonitrile (PAN)
| Articles |
Densité linéaire |
Résistance à la traction |
Élongation |
teneur en huile |
| Unité |
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 |
| 25K |
2,890-3,010 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 35K |
3,945-4,105 |
≥6,20 |
15±2 |
1,2±0,2 |
| 50K |
5,635-5,865 |
≥6.0 |
15±2 |
1,2±0,2 |
Domaines d'application du polyacrylonitrile (PAN)
Protection de l'environnement et coût : La production de PAN repose sur l'acrylonitrile (qui représente 45 % du coût), et il est nécessaire de développer un acrylonitrile biosourcé afin de réduire les émissions de carbone. Le traitement des eaux usées (notamment la récupération du DMF) est au cœur de l'optimisation du procédé.
Percée en matière de performances : Nano-modification : dopage de nanotubes de carbone ou de graphène pour améliorer la résistance de la liaison interfaciale.
Tissage 3D : Développer des préformes multidimensionnelles pour répondre aux besoins de composants complexes.
Production verte : La technologie de carbonisation à basse température (<1000℃) réduit la consommation d'énergie. La technologie de recyclage des fibres de carbone (méthode de dépolymérisation chimique) est progressivement commercialisée.
