Скорость гетерофазной полимеризации акрилонитрила v определяется суммой скоростей Rs (в водном растворе акрилонитрила) и Rg (на глобулах полиакрилонитрила):

где kр и kр – константы скоростей роста соответственно в водном растворе акрилонитрила и на глобулах полиакрилонитрила; [М] – концентрация акрилонитрила в водном растворе; [М]адс – эффективная концентрация акрилонитрила, адсорбированного на глобулах; [М'р] – концентрация свободных радикалов в растворе; [р-] – концентрация глобул в реакционной смеси.

Добавки Cu2O, Ni2O, MgO, A12O3, SiO2 к жидкому акрилонитрилу при -78°C или к твердому акрилонитрилу при -196°С сенсибилизируют полимеризацию и повышают скорость процесса. Акрилонитрил быстро полимеризуется в твердой фазе (степень превращения ~100%) в присутствии сильно измельченного катализатора (метод молекулярных пучков); процесс особенно интенсивен при -160°С и -130°С (точки фазовых переходов); при этом может иметь место взрывная полимеризация [6, С. 47].

Процесс полимеризации акрилонитрила непрерывным методом осуществляется в реакторе с мешалкой, в который непрерывно вводят акрилонитрил, водные растворы персульфата аммония, восстановителя-активатора, например бисульфита или тиосульфата натрия, и из которого непрерывно выводят суспензию полимера.

Радиационная полимеризация акрилонитрила под действием -лучей (60Со) и рентгеновских лучей, а также быстрых электронов может протекать как по радикальному, так и по анионному механизму в зависимости от температуры реакционной среды (жидкая или твердая фаза).

В жидкой фазе акрилонитрила полимеризуется с самоускорением из-за радиолиза образующегося поли акрилонитрила и, следовательно, повышенного выхода радикалов. Скорость (и) такого процесса (в массе) при обрыве цепи рекомбинацией определяется выражением:

v=k*I 0,8,

где к – константа скорости роста; I – мощность дозы (17,2–430 мка/кг, или 4–100 р/мин). Энергии активации в интервале температур от -83 (т. пл.) до -116°С (твердая фаза), от -83 до 0 СС (жидкая фаза) и от 20 до 50 °С равны соответственно 0; 12,6 и 62,8 кДж/моль (0; 3 и 15 ккал / моль). При воздействии -лучей наблюдается пост-эффект.

Производство полиакрилонитрила может осуществляться в водных растворах минеральных солей – гомогенная полимеризация.

Гомогенную полимеризацию акрилонитрила можно проводить в водных растворах солей NaCNS, Ca (CNS)2, ZnCl2+CaCl2 или MgCl2, Mg(ClО4)2. Гомогенная полимеризация акрилонитрила в органических растворителях (диметилформамид, диметилацетамид) в присутствии динитрила азодиизомасляной кислоты возможна лишь при высоких концентрациях мономера в растворе до 25% [5, С. 46].

Скорость гомогенной полимеризации акрилонитрила определяется выражением:

где kи, kp, k0 – константы скорости соответственно инициирования, роста и обрыва; [I] – концентрация инициатора (или мощность дозы радиации); [М] -, концентрация мономера.

Процесс проводят непрерывным способом в аппарате, снабженном мешалкой, системой обогрева и охлаждения, при 79–80,5 °С и атмосферном давлении. В реактор, содержащий 50,5%-ный водный раствор роданида натрия, вводят смесь 92% акрилонитрила, 6% метилакрилата, 1% итаконовой кислоты, 0,1% инициатора – динитрила азобисизомасляной кислоты и другие добавки, способствующие регулированию роста цепи. Реакционная смесь непрерывно подается в аппарат снизу, а раствор полимера отводится сверху. Продолжительность полимеризации 1–1,5 ч. Конверсия мономера составляет около 78% [1, С. 135].

При получении полиакрилонитрила в среде органического растворителя (лаковый метод) полимеризации протекает в условиях, при которых мономер и образующийся полимер находятся в растворе. В качестве растворителей применяют диметилформамид (в большинстве случаев), диметилацетамид, -пирролидон и этиленкарбонат. Инициатором обычно служит окислительно-восстановительная система, состоящая из гидропероксида кумола и триэтаноламина. Наличие в полимере группы – CN, понижающей электронную плотность двойной связи, способствует каталитической полимеризации акрилонитрила по анионному механизму.

Технологический режим и аппаратурное оформление процесса мало отличаются от таковых при полимеризации акрилонитрила в водном растворе солей.

Полиакрилонитрил получается в виде лака, который используют в качестве прядильного раствора для получения волокна. При необходимости из полиакрилонитрила можно выделить твердый порошкообразный полимер.

Полимеризация акрилонитрила в массе, или в блоке, имеет ограниченное применение в промышленности и используется главным образом для получения сополимеров акрилонитрила с другими мономерами. В результате блочной полимеризации полиакрилонитрил получается в виде твердого порошка [1, С. 135].

4. Применение полиакрилонитрила

Наиболее широко полиакрилонитрил применяется для изготовления волокна различного назначения. Для этой цели готовятся растворы полиакрилонитрила. Формование волокон осуществляется по мокрому или сухому способу.

Рисунок 2. Электронно-микроскопическое изображение бобовидного среза углеродного волокна, полученного из ПАН волокна

При мокром способе прядения пригодны 15–20% растворы полимера в диметилформамиде. При 20°С они обладают высокой вязкостью, поэтому подача их в фильеры производится под давлением. Из фильер прядильный раствор поступает в ванны, в которых осаждающий раствор вместе с вспомогательными добавками нагревается до 60–90°С. В качестве осадителей используется вода с добавкой диметилформамида, смесь гексантриола с диметилформамидом (75:25) и др. Сформированная нить вытягивается в 8–12 раз при 100–130°С, затем проходит отжимные валы, горячие прядильные диски и подвергается термофиксации.

При сухом способе формования волокна раствор полиакрилонитрила продавливается через фильеры в шахту навстречу току горячего воздуха. После выхода из прядильной шахты волокно содержит 12–40% диметилформамида; его физико-механические свойства невысоки. Для улучшения свойств волокно подвергают вытяжке, но предварительно отмывают избыток растворителя горячей водой (90–100°С).

Полиакрилонитрильное волокно по своим свойствам напоминает шерсть и может быть окрашено различными красителями. Если ему сообщить основные свойства, то окрашиваемость улучшается. Для этого изготовляют сополимеры акрилонитрила, содержащие небольшие количества винилпиридина, N-бензилакриламида и других азотсодержащих непредельных соединений. Обработка их аммиаком или аминами (лучше всего гексаметилендиамином) дает возможность получить материалы с небольшим содержанием основных групп. Полиакрилонитрильное волокно обладает следующими свойствами [3, С. 356]: