Οξείδωση και χαρακτηρισμός ινών συμπολυμερούς ακρυλονιτριλίου

Χρυσικοπούλου-Σολδάτου, Σπυριδούλα; Chrysikopoulou-Soldatou, Spyridoula

dc.contributor.author	Χρυσικοπούλου-Σολδάτου, Σπυριδούλα	el
dc.contributor.author	Chrysikopoulou-Soldatou, Spyridoula	en
dc.date.accessioned	2016-12-16T11:52:40Z
dc.date.available	2016-12-16T11:52:40Z
dc.date.issued	2016-12-16
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44148
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.13665
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Πολυακρυλονιτρίλιο	el
dc.subject	Κυκλοποίηση	el
dc.subject	Ίνες	el
dc.subject	Σταθεροποίηση	el
dc.subject	PAN	en
dc.subject	Dralon	en
dc.subject	Polyacrylonitrile	en
dc.subject	Stabilization	en
dc.subject	Cyclization	en
dc.title	Οξείδωση και χαρακτηρισμός ινών συμπολυμερούς ακρυλονιτριλίου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πολυμερή	el
heal.classification	Χημεία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-09-29
heal.abstract	Οι ίνες άνθρακα, αποτελούν τις σημαντικότερες ενισχυτικές ίνες για χρήση σε υψηλής απόδοσης σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας. Οι εξαιρετικές μηχανικές και θερμικές ιδιότητές τουςτα καθιστούν απαραίτητα σε ποικίλες τεχνολογικές εφαρμογές. Στο θεωρητικό μέρος της παρούσας εργασίας, δίνονται τα σημαντικότερα στοιχεία σχετικά με το πολυακρυλονιτρίλιο, τις διαδικασίες πολυμερισμού και ινοποίησής του. Επιπλέον περιγράφονται οι σημαντικότερες παράμετροι της οξειδωτικής σταθεροποίησης ινών πολυακρυλονιτριλίου, καθώς και οι χημικές αντιδράσεις και οι δομικές αλλαγές που λαμβάνουν χώρα κατά την οξειδωτική θερμική επεξεργασία. Τέλος γίνεται αναφορά στις διαδικασίες παραγωγής ινών άνθρακα από πολυακρυλονιτρίλιο, και παρουσιάζεται η δομή και οι ιδιότητές τους, που τα καθιστούν υλικά με πολλές εφαρμογές σε τομείς υψηλής τεχνολογίας. Στο πειραματικό μέρος, πραγματοποιήθηκε θερμική οξειδωτική επεξεργασία ινών συμπολυμερούς ακρυλονιτριλίου με εμπορική ονομασία Dralon N, σε οξειδωτική ατμόσφαιρα αέρα υπό ασκούμενη τάση. Με βάση και τη συνολικότερη έρευνα του εργαστηρίου σε αυτό το θέμα, επιλέχθηκαν οι θερμοκρασίες 150, 180, 200, 220, 250, 270 και 300 oC, και οι ίνες επεξεργάστηκαν μέχρι μεγίστου χρόνου 30 ωρών. Έγινε μέτρηση της μεταβολής μήκους των ινών, υπολογίστηκε η ποσοστιαία συρρίκνωση για κάθε περίπτωση, και παράχθηκαν διαγράμματα συναρτήσει του χρόνου. Στη συνέχεια η διεργασία μελετήθηκε ως προς τη χημεία των αντιδράσεων. Παρατηρήθηκε η μακροσκοπική αλλαγή του χρώματος των επεξεργασμένων ινών, που υποδηλώνει χημική μεταβολή. Πραγματοποιήθηκε μελέτη των επεξεργασμένων ινών, καθώς και των διαλυμάτων τους με φασματομετρικές μεθόδους FTIR και UV-Vis, αντίστοιχα και με την θερμoαναλυτική μέθοδο της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης, DSC. Από τα αποτελέσματα των μεθόδων αυτών, έγινε φανερό ότι η δευτερεύουσα συρρίκνωση που παρουσιάζουν οι ίνες σε θερμοκρασίες επεξεργασίας άνω των 200 οC, συνδέονται με τις αντιδράσεις κυκλοποίησης που λαμβάνουν χώρα. Η αύξηση της θερμοκρασίας επεξεργασίας έχει ως αποτέλεσμα την πιο ταχεία έναρξη των αντιδράσεων κυκλοποίησης. Από τη μελέτη των φασματομετρικών μεθόδων έγινε δυνατή η κατηγοριοποίηση των επεξεργασμένων ινών με κριτήριο τις αντιδράσεις που υπερισχύουν στις συνθήκες επεξεργασίας τους. Οι ίνες χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα εάν υπερισχύουν η φυσική εντροπική συρρίκνωση, οι αντιδράσεις αφυδρογόνωσης, ή οι αντιδράσεις κυκλοποίησης, και συμπεραίνεται ότι οι υψηλές θερμοκρασίες και οι μεγάλοι χρόνοι επεξεργασίας ευνοούν τις αντιδράσεις κυκλοποίησης. Από την διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, DSC, συμπεραίνεται ότι στις ίνες που επεξεργάστηκαν από τους 180 οC και άνω έχουν πραγματοποιηθεί αντιδράσεις κυκλοποιήσεων, σε διαφορετικά ποσοστά ανάλογα με την θερμοκρασία και τον χρόνο επεξεργασίας. Ήδη από τους 250 οC για 5 ώρες επεξεργασίας οι αντιδράσεις κυκλοποίησης έχουν πραγματοποιηθεί σε ποσοστό 94%, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι επεξεργασμένες ίνες πολυακρυλονιτριλίου είναι πρακτικά πλήρως σταθεροποιημένες. Αυτές οι συνθήκες μπορούν να αποτελούν το τελευταίο στάδιο της θερμο-οξειδωτικής επεξεργασίας των αρχικών ινών πολυακρυλονιτριλίου. Η καμπύλη διαχωρισμού φάσεων που έχει παραχθεί από παλαιότερες μελέτες του εργαστηρίου τροποποιείται με βάση τα νέα δεδομένα της παρούσας εργασίας. Η επιλογή των κατάλληλων παραμέτρων θερμοκρασίας και χρόνου είναι καίριες για την θερμική οξειδωτική επεξεργασία, διότι μία κατάλληλη θερμο-oξειδωτική επεξεργασία θα πρέπει να οδηγεί σε οξείδωση της ίνας, ώστε να δημιουργούνται επαρκή ενεργά κέντρα και να διευκολύνονται οι αντιδράσεις κυκλοποίησης για να παράγονται πλήρως σταθεροποιημένες ίνες. Οι τελευταίες, όταν θα οδηγηθούν σε ανθρακοποίησή τους, αναμένεται να οδηγούν στην παραγωγή κατάλληλων ινών άνθρακα.	el
heal.abstract	Carbon fibers are being recognized as the most important reinforcing material concerning their use in high-performance synthetic composites with polymeric matrix. Their excellent mechanical and thermal properties make them essential in a variety of technological applications. In the theoretical part of this study, the most important data about polyacrylonitrile are given, such as its polymerization and its spinning processes. Furthermore, the most important parameters of the oxidative stabilization of polyacrylonitrile fibers are being described, as well as the chemical reactions and structural changes that occur during the oxidative heat treatment. Finally, reference is made in manufacturing processes of PAN-based carbon fibers, such as in their structure and their properties that make them materials with so many applications in advanced technological fields. In the experimental part, polyacrylonitrile fibers under the trade name Dralon N are being subjected to thermal oxidative treatment under tension, in oxidizing air atmosphere. Based on previous research of our laboratory group on this subject, the selected temperatures of isothermal treatment were 150, 180, 200, 220, 250, 270 and 300 °C. The fibers were isothermally treated up to a maximum time of 30 hours. The fiber length has been measured, the percent shrinkage in each case was calculated, and charts of shrinkage as a function of time were created. The process was studied in terms of the chemistry of the reactions that occur during the treatment. The observation of the visual color change of the treated fibers indicated chemical alteration. The thermo-oxidatively treated fibers were investigated with spectrometric methods FTIR and UV-Vis and the thermal analysis method of differential scanning calorimetry, DSC. From the results of these methods, it became apparent that the secondary shrinkage of the fibers been processed at temperatures above 200 °C, is associated with cyclization reactions that occur. Increasing the processing temperature results in more rapid onset of cyclization reactions. From the examination of spectrometric methods was possible to categorize the treated fibers in terms of the reactions that prevail in the processing conditions. The fibers are divided into three categories, depending on what type of reactions prevail, i.e. either physical entropic shrinkage, or dehydrogenation reactions or cyclization reactions. It was concluded that high temperatures and large processing times favor cyclization reactions. From the differential scanning calorimetry, DSC, it is concluded that cyclization reactions occurred in fibers that had been treated at 180 °C or above, at different rates, depending on the temperature and processing time. Regarding the fibers that had been treated at 250 °C for 5 hours, the cyclization reactions were completed in percentage of 94%. The curve of phase separation which has been obtained from previous studies of our research group must be modified, in order to reflect the new data that have been obtained in this study. The selection of appropriate temperature and time parameters is critical for the isothermal oxidation treatment, since a suitable treatment should lead to oxidation of the fibers to a certain degree in order to create active centers on them and facilitate cyclization reactions, and at last resulting in fully stabilized fibers which can then be subjected to carbonization for producing carbon fibers.	en
heal.advisorName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαρούλης, Ζαχαρίας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ). Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	144 σ.
heal.fullTextAvailability	true