علوم و فناوری کامپوزیت

تأثیر تنش بر واکنش های شیمیایی فرآیند پایدارسازی الیاف پلی اکریلونیتریل ویژه به‌عنوان ماده مقاوم به حرارت در کامپوزیت های پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی نساجی و پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد یزد، یزد

2 دانشیار، مهندسی نساجی و پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد یزد، یزد

3 دانشیار، مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

10.22068/jstc.2019.104650.1521

چکیده

در این پژوهش، تأثیر تنش اعمالی بر تقدم، تأخر و نرخ پیشرفت واکنش های حلقوی سازی، اکسایش و هیدروژن زدایی در طی فرآیند پایدارسازی حرارتی الیاف پلی-اکریلونیتریل ویژه به‌منظور دستیابی به الیاف مقاوم به حرارت به‌عنوان تقویت کننده کامپوزیت های پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه، تنش مخصوص بر اساس تنش مخصوص آنتروپی بیشینه تعیین گردید. با کاربرد آزمون های حرارتی، شیمیایی، عنصری، تفرق اشعه ایکس، مشخصه یابی فیزیکی و مکانیکی، نرخ پیشرفت هر یک از واکنش های پایدارسازی به تفکیک شناسایی گردید. بر اساس نتایج به دست آمده، تنش اثر بازدارنده بر پیشرفت واکنش‌های پایدارسازی داشته و ضمناً رقابت بین وقوع حلقوی سازی و هیدروژن زدایی تحت تأثیر تنش اعمالی بسیار مشهود است. با افزایش تنش مخصوص، دمای شروع کاهش وزن ناشی از تخریب حرارتی، کاهش یافته است. این نتیجه بیانگر کاهش پایداری حرارتی نمونه ها با افزایش نرخ تنش مخصوص اعمالی در طی فرآیند پایدارسازی حرارتی است. با اعمال حداقل تنش مخصوص معادل cN/tex 0.6، بیشترین نرخ پیشرفت واکنش های پایدارسازی به‌ویژه حلقوی سازی گروه های نیتریل و ارتقای پایداری حرارتی الیاف پلی اکریلونیتریل اکسید شده جهت کاربرد در کامپوزیت های پلیمری مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of stress on the of chemical reactions during special polyacrylonitrile fibers stabilization as a heat-resistant material in polymeric composites

نویسندگان [English]

  • Kosha Abbas Banaie 1
  • Mohammad Mirjalili 2
  • Reza Eslami-Farsani 3

1 Department of Textile and Polymer Engineering, Yazd Branch, Islamic Azad University, Yazd, Iran.

2 Department of Textile and Polymer Engineering, Yazd Branch, Islamic Azad University, Yazd, Iran.

3 Faculty of Materials Science and Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.

چکیده [English]

In this research, the effect of imposed stress on the extent of progression of cyclization, oxidation and dehydrogenation reactions during thermal stabilization of polyacrylonitrile fibers as a heat-resistant material in the polymeric composites were investigated. In this study, specific stress was determined based on the maximum entropy stress value. The progress rate of each of the stabilization reactions was identified separately through the using of thermal, chemical, elemental, X-ray diffraction, physical and mechanical analysis. Based on the results, stress had a deterrent effect on the development of reactions and also the competition between cyclization and dehydrogenation occurring under the influence of stress is very evident. With increasing tension, the temperature of the lowering of the weight due to thermal degradation has decreased. This result showed that the thermal stability of the samples decreases with the increase of the specific stresses during the thermal stabilization process. By applying a minimum specific stress of 0.6 cN/tex, the highest rate of stabilization reaction, especially the nitrile group cyclization, and the thermal stability of the oxidized polyacrylonitrile fibers were observed for application in polymer composites.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polyacrylonitrile Fibers
  • Stabilization
  • Composite
  • Stress
  • Chemical Reaction
مراجع
[1]     Khalili, S.M.R.,  Eslami-Farsani, R., “Investigation of Tensile and Burning Rate Behavior of Hybrid Glass-Semicarbon Fibers/Epoxy Composite,” In Persian, Modares Mechanical Engineering Journal, Vol. 47, No. 1, pp. 29-36, 2017.
 [2]    Eslami-Farsani, R., Khalili, S.M.R.,  Zangiabadi, A. R. & Banaie, K. A., “The effect of single filament and tow test methods on the mechanical properties of carbon fibers,” In Persian, Journal of Solid and Fluid Mechanics, Vol. 3, No. 2, pp. 1-10, 2013.
[3]     Xue, Y., Liu, J. & Liang, J., “Correlative study of critical reactions in polyacrylonitrile based carbon fiber precursors during thermal-oxidative stabilization,” Polym. Degrad. Stab. Journal, Vol. 98, pp. 219–229, 2013.
[4]     Crook, V., Ebdon, J., Hunt, B., Joseph, P. & Wyman, P., “The influence of comonomers on the degradation and flammability of polyacrylonitrile: Design input for a new generation of flame retardants,” Polym. Degrad. Stab. Journal, Vol. 95, pp. 2260–2268, 2010.
[5]     Molaee, M., Bahramian, A.R., Ahmadi, I., “Kinetic Theory of Fracture Strength in Prediction of Fatigue Lifetime of Epoxy/Carbon Fiber Composites,” In Persian, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), Vol. 29, pp. 427–439, 2017.
[6]     Khaljiri, H. E., Farsani, R. E., Khorsand, H & Banaie, K. A., “Hybridization effect of fibers reinforcement on tensile properties of epoxy composites,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composite, Vol. 1, No. 2, pp. 21-28, 2015.
[7]     Bashir, Z., “A critical review of the stabilisation of polyacrylonitrile,” Carbon N. Y. Journal, Vol. 29, pp. 1081–1090, 1991.
[8]     Xiao, S., Lv, H.,, “Thermal behavior and kinetics during the stabilization of polyacrylonitrile precursor in inert gas,” Appl. Polym. Sci. Journal, Vol. 122, pp. 480–488, 2011.
[9]     Shimada, I., Takahagi, T., Fukuhara, M., Morita, K. & Ishitani, “FT‐IR study of the stabilization reaction of polyacrylonitrile in the production of carbon fibers,” Polym. Sci. Journal, Part A Polym. Chem. Vol. 24, pp. 1989–1995, 1986.
[10]Gupta, A. K., Paliwal, D. K. & Bajaj, P., “Effect of an acidic comonomer on thermooxidative stabilization of polyacrylonitrile,” Appl. Polym. Sci. Journal, Vol. 58, pp. 1161–1174, 1995.
[11]   Sen, K., Bajaj, P. & Sreekumar, T. V., “Thermal Behavior of Drawn Acrylic Fibers,” Polym. Sci. Journal, Part B Polym. Phys. Vol. 41, pp. 2949–2958, 2003.
[12]   Rahaman, M. S. A., Ismail, A. F. & Mustafa, A., “A review of heat treatment on polyacrylonitrile fiber,” Polym. Degrad. Stab. Journal, Vol. 92, pp. 1421–1432, 2007.
[13]   Lei, S., Cao, W., Fu, Z. & Xu, L., “The conjugated plane formed in polyacrylonitrile during thermal stabilization,” Appl. Polym. Sci. Journal, Vol. 133, 2016.
[14]   Sabet, E. N., Nourpanah, P. & Arbab, S., “A Novel Method for Investigation of Entropic Stress in Prestabilization of PAN-Based Precursor Fibers,” Adv. Polym. Technol. Journal, Vol. 36, pp. 424–432, 2017.
[15]   Arbab, S. & Zeinolebadi, A., “A procedure for precise determination of thermal stabilization reactions in carbon fiber precursors,” Polym. Degrad. Stab. Journal, Vol. 98, pp. 2537–2545, 2013.
[16]   Banaie, K. A., Mirjalili, M. & Eslami-Farsani,, “The study of the correlation between ascending and descending rates of the imposed specific stress and transposition of chemical reactions during PAN precursor fibers stabilization,” Polym. Degrad. Stab. Journal, Vol. 156, pp.234–244, 2018.
[17]   Sabet, E. N., Nourpanah, P. & Arbab, S., “Quantitative analysis of entropic stress effect on the structural rearrangement during pre-stabilization of PAN precursor fibers,” Polym. Journal, (United Kingdom). Vol. 90, pp. 138–146, 2016.
[18]   Golkarnarenji, G., Naebe, M., Church, J.S., Badii, K., Bab-Hadiashar, A., Atkiss, S., Khayyam, H., “Development of a predictive model for study of skin-core phenomenon in stabilization process of PAN precursor,” J. Ind. Eng. Chem. Journal, Vol. 49, pp. 46–60, 2017.
[19]   Ju, A., Yan, Y., Wang, D,. Luo, J., Ge, M., Li, M., “A high molecular weight acrylonitrile copolymer prepared by mixed solvent polymerization: I. effect of monomer feed ratios on polymerization and stabilization,” RSC Adv. Journal, Vol. 4, pp. 64043–64052, 2014.
[20]   Jing, M., Wang, C. guo, Wang, Q., Bai, Y. jun & Zhu, B., “Chemical structure evolution and mechanism during pre-carbonization of PAN-based stabilized fiber in the temperature range of 350-600 °C,” Polym. Degrad. Stab. Journal, Vol. 92, pp. 1737–1742, 2007.
[21]   Ko, T. H., “Preparation of flame resistant fibers from polyacrylonitrile fibers,” Mater. Chem. Phys. Journal, Vol. 38,  pp. 289–296, 1994.
[22] Grassie, N. & McGuchan, R., “Pyrolysis of polyacrylonitrile and related polymers-VI. Acrylonitrile copolymers containing carboxylic acid and amide structures,” Eur. Polym. J.  Journal, Vol. 8, pp. 257–269, 1972.
[23]   Liu, S., Jiang, H., Du, W. & Pan, D., “Spinnability in pre-gelled gel spinning of polyacrylonitrile precursor fibers,” Fibers Polym. Journal, Vol. 13, pp. 846–849, 2012.
[24]   Zhao, J., Zhang, J., Zhou, T., Liu, X., Yuan, Q., Zhang, A., “New understanding on the reaction pathways of the polyacrylonitrile copolymer fiber pre-oxidation: online tracking by two-dimensional correlation FTIR spectroscopy,” RSC Adv. Journal, Vol. 6, pp. 4397–4409, 2016.
[25]   Wangxi, Z., Jie, L. & Gang, W., “Evolution of structure and properties of PAN precursors during their conversion to carbon fibers,” Carbon N. Y. Journal, Vol. 41, pp. 2805–2812, 2003.
[26]   Bansal, R. C., Donet, J. B. & Stoeckli, H. F., Active carbon, Marcel Dekker AG, New York, 1988.
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 7، شماره 3
آذر 1399
صفحه 973-980
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار