Polyacrylonitrile là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Polyacrylonitrile (PAN) là một polymer tổng hợp, gồm các đơn vị lặp lại xét đến công thức hóa học $[-CH_2–CH(CN)-]_n$, thuộc nhóm polymer vinyl. PAN nổi bật nhờ độ bền cơ học cao, khả năng chống hóa chất tốt và tính ổn định nhiệt, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất sợi acrylic, tiền chất sợi carbon, màng lọc và vật liệu điện tử.

PAN được tổng hợp thông qua phản ứng trùng hợp gốc tự do của monomer acrylonitrile. Dưới điều kiện phản ứng và hệ xúc tác phù hợp, PAN có thể được tạo ra dưới dạng homopolymer hoặc đồng trùng hợp với các monomer như methyl acrylate hoặc itaconic acid. Các dạng vật liệu này khác nhau về tính chất vật lý hóa học và ứng dụng cụ thể.

Cấu trúc phân tử và tính chất

Chuỗi PAN có nhóm nitrile (–CN) phân cực cao, giúp các chuỗi polymer liên kết chặt thông qua lực tương tác điện, từ đó nâng cao độ kết tinh và độ bền. PAN không nóng chảy mà bị phân hủy ở nhiệt độ cao, phù hợp cho các ứng dụng cần kháng nhiệt và kháng dung môi mạnh.

Các tính chất cơ bản của PAN gồm:

• Nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg): khoảng 85–100 °C
• Tan tốt trong dung môi phân cực như DMF, DMSO; không tan trong nước
• Độ bền kéo cao, chịu mài mòn và hóa chất tốt

Quá trình sản xuất

PAN thông thường được trùng hợp ở dạng dung dịch, mẻ hoặc liên tục, với monomer acrylonitrile trộn chất khởi đầu gốc tự do như AIBN hoặc peroxide. Quá trình này được kiểm soát chặt chẽ về nhiệt độ (30–70 °C), pH và thời gian để đảm bảo đặc tính chuỗi polymer mong muốn.

Quy trình cơ bản gồm:

1. Trộn monomer và chất khởi đầu
2. Trùng hợp trong hệ dung môi
3. Tách và rửa polymer bằng dung môi
4. Sấy và kéo sợi theo yêu cầu ứng dụng

Đối với sợi carbon, PAN trải qua quá trình ổn định (200–300 °C trong không khí) rồi được carbon hóa ở 1000–1500 °C trong môi trường không có oxy, làm giàu carbon và tạo cấu trúc graphit hóa.

Ứng dụng trong sản xuất sợi acrylic

Sợi acrylic chủ yếu làm từ PAN hoặc đồng trùng hợp PAN với các monomer như acrylate để cải thiện tính nhuộm và khả năng xử lý. Sợi này nhẹ, giữ nhiệt tốt, mềm mại và bền, trở thành lựa chọn thay len trong ngành dệt may.

Ứng dụng chính:

• May mặc (áo len, mũ, khăn quàng)
• Vải bọc nội thất, thảm, rèm
• Sợi gia cố trong composite và vật liệu tổng hợp

Sợi acrylic có ưu điểm về độ bền và khả năng chống mục hơn sợi tự nhiên, nhưng cần xử lý tĩnh điện hoặc phủ bề mặt để giảm bám bụi và cải thiện khả năng chịu nhiệt.

Tiền chất cho sợi carbon

Polyacrylonitrile (PAN) là tiền chất phổ biến nhất cho sản xuất sợi carbon nhờ tỷ lệ carbon cao và khả năng chuyển hóa cấu trúc tốt khi được xử lý nhiệt. Sợi PAN được carbon hóa qua các bước ổn định và nhiệt phân để tạo ra sợi carbon có độ bền kéo và mô đun đàn hồi vượt trội, ứng dụng nhiều trong hàng không, quốc phòng và công nghiệp ô tô.

Quá trình biến đổi PAN thành sợi carbon gồm ba giai đoạn chính:

• Ổn định (200–300 °C): các chuỗi PAN bị oxy hóa nhẹ và xảy ra phản ứng cyclization tạo cấu trúc vòng thơm bền vững.
• Carbon hóa (1000–1500 °C): loại bỏ các nguyên tử H, N, O để làm giàu hàm lượng carbon.
• Graphit hóa (2200–3000 °C): chỉ áp dụng khi cần tăng độ dẫn điện hoặc mô đun đàn hồi rất cao.

Quá trình trên phải được thực hiện trong môi trường không có oxy (thường dùng argon hoặc nitơ) để tránh cháy sợi. Sợi carbon từ PAN có thể đạt độ bền kéo lên đến 5–7 GPa và mô đun đàn hồi 200–700 GPa, lý tưởng cho các cấu kiện chịu lực cao với khối lượng nhẹ.

Ứng dụng trong màng lọc và vật liệu điện tử

Do đặc tính cấu trúc định hướng cao và khả năng biến tính bề mặt, PAN được sử dụng rộng rãi trong sản xuất màng lọc khí, nước và dung dịch hóa học. Các màng PAN có thể được biến tính hóa học (grafting), vật lý (plasma, UV) hoặc phủ hạt nano (AgNP, TiO₂) để nâng cao hiệu suất lọc, tăng khả năng kháng khuẩn và chống biofouling.

Phân loại ứng dụng màng PAN:

Loại màng	Ứng dụng	Tính năng chính
UF/NF	Lọc protein, thuốc, nước thải	Kháng acid, tái sử dụng cao
Màng điện di	Pin nhiên liệu, pin Na-ion	Truyền ion chọn lọc
Electrospun PAN	Sensor sinh học, lọc khí PM2.5	Bề mặt riêng lớn, siêu mỏng

Trong điện tử, PAN được ứng dụng dưới dạng sợi carbon hóa để làm điện cực cho siêu tụ điện, vật liệu anod trong pin lithium-ion và cảm biến dẫn điện. Công nghệ electrospinning đang thúc đẩy ứng dụng PAN trong các thiết bị mềm, linh hoạt.

Tính bền và khả năng phân hủy

PAN có tính ổn định hóa học cao, đặc biệt là chống lại acid nhẹ, dung môi hữu cơ và vi sinh vật. Tuy nhiên, tính chất này khiến PAN khó bị phân hủy trong môi trường tự nhiên, trở thành một thách thức về xử lý chất thải polymer.

Các giải pháp đang được nghiên cứu gồm:

• Đồng trùng hợp PAN với monomer phân hủy sinh học như acrylate mạch nhánh
• Ứng dụng PAN có khả năng tái chế nhiệt hoặc tái sử dụng dạng sợi
• Đốt PAN thu hồi năng lượng – không sinh dioxin như PVC

Thách thức chính là cân bằng giữa độ bền cần thiết trong sử dụng và khả năng phân rã sau khi thải bỏ. Một số nhóm nghiên cứu đang tìm cách kết hợp PAN với các vật liệu thân thiện môi trường để chế tạo composite phân hủy sinh học có hiệu suất tương đương.

Tiềm năng và xu hướng nghiên cứu

PAN là vật liệu nền quan trọng trong nhiều hướng nghiên cứu tiên tiến như cảm biến sinh học, vật liệu lưu trữ năng lượng, điện tử mềm, màng chức năng cao và công nghệ y sinh. Với khả năng tạo sợi bằng công nghệ electrospinning, PAN mở ra hướng phát triển các hệ vật liệu nanofiber có tính năng vượt trội như độ bền cao, dẫn điện tốt và hoạt hóa bề mặt linh hoạt.

Các xu hướng đáng chú ý:

• Composite PAN với graphene hoặc carbon nanotube để tăng dẫn điện
• Sợi PAN biến tính enzyme hoặc peptide cho cảm biến sinh học
• Màng PAN tải thuốc hoặc hoạt chất kháng khuẩn dùng trong y học tái tạo

Sự phát triển của vật liệu từ PAN sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp năng lượng sạch, y tế, lọc nước và công nghệ cao trong vài thập kỷ tới.

Tài liệu tham khảo

1. Baker, R.J. et al., "Carbon Fiber from Polyacrylonitrile," Journal of Materials Science, Springer, 2017.
2. Saeed, K. et al., "PAN-based electrospun nanofibers and their applications," Carbohydrate Polymers, 2019.
3. Department of Energy – Carbon Fiber Technology Facility. Link
4. ScienceDirect – Polyacrylonitrile membranes. Link
5. ACS Nano – PAN nanofiber sensors. Link