

Исследование термических превращений и реакционной способности полиакрилонитрила в процессах термической обработки
https://doi.org/10.26896/1028-6861-2025-91-7-37-45
Аннотация
Для оптимизации процессов получения графеновых нанопластин на основе полиакрилонитрила (ПАН) необходимо изучение термических превращений и реакционной способности ПАН в процессе термической обработки. В работе представлены результаты исследования термических свойств ПАН и его взаимодействия с растворителями. С использованием методов УФ- и ИК-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии, термогравиметрического анализа и молекулярного моделирования установлено, что нитрильная группа CN — ключевой реакционный центр, влияющий на структуру ПАН. Расчеты показали снижение полной энергии системы при термической обработке с 14,87 до 12,51 Дж/г. При взаимодействии ПАН с диметилацетамидом (ДМАА) и диметилформамидом (ДМФА) полная энергия, рассчитанная на 1 атом, составила 6,02 и 5,64 Дж/г. Выявлено также, что температура удаления растворителя из пленки ПАН/ДМФА при содержании ПАН 0,2 % масс. — 141,56, а температура карбонизации — 300 °C. Максимальная реакционная способность наблюдается у атомов водорода, соединенных с третичными атомами углерода и находящихся вблизи CN-групп. Комбинация применяемых экспериментальных методов анализа и молекулярного моделирования позволила установить ключевые закономерности термических превращений ПАН и его взаимодействия с растворителями. Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании методов получения графеноподобных материалов.
Ключевые слова
Об авторах
Сергей Борисович НечушкинРоссия
Сергей Борисович Нечушкин,
119991, Москва, Ленинский просп., д. 4.
Юрий Борисович Нечушкин
Россия
Юрий Борисович Нечушкин,
119991, Москва, Ленинский просп., д. 4.
Михаил Андреевич Ситнов
Россия
Михаил Андреевич Ситнов,
119991, Москва, Ленинский просп., д. 4.
Владимир Валентинович Козлов
Россия
Владимир Валентинович Козлов,
119991, Москва, Ленинский просп., д. 4.
Список литературы
1. Lu J., Li W., Kang H., et al. Microstructure and properties of polyacrylonitrile based carbon fibers / Polymer Testing. 2020. Vol. 81. P. 106267. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2019.106267
2. Mengmeng Q., Kong H., Xiaoma D., et al. Study on the changes of structures and properties of PAN fibers during the cyclic reaction in supercritical carbon dioxide / Polymers. 2019. Vol. 11. P. 402. DOI: 10.3390/polym11030402
3. Liu C., Luo J., Chang H., et al. Polyacrylonitrile sheath and polyacrylonitrile/lignin core bi-component carbon fibers / Carbon. 2019. Vol. 149. P. 165 – 172. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.04.004
4. Peijs T., Kirschbaum R., Lemstra P. A critical review of carbon fiber and related products from an industrial perspective / Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 2022. Vol. 5. Issue 2. P. 90 – 106. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.04.004
5. Andrianova N. N., Borisov A. M., Mashkova E. S., et al. Ion-beam modification of the surface of carbon fibers / Poverkhnost’. X-ray, synchrotron and neutron studies. 2023. No. 4. P. 10 – 24 [in Russian]. DOI: 10.31857/s1028096023040027
6. Zhu H., Zhang C., Ma N., et al. Surface wettability modification of amine-functionalized polyacrylonitrile fiber to enhance heterogeneous catalytic performance for aldol reaction in water / Applied Catalysis A: General. 2020. Vol. 608. P. 117842. DOI: 10.1016/j.apcata.2020.117842
7. Zhang X., Kitao T., Piga D., et al. Carbonization of single polyacrylonitrile chains in coordination nanospaces / Chem. Sci. 2020. Vol. 11. P. 10844 – 10849. DOI: 10.1039/d0sc02048f
8. Ibragimov R. G., Nefedyev E. S., Gallyamov R. T. Modern technologies for the production of separators for batteries from polymer materials / Vestn. KTU. 2017. No. 20(18). P. 52 – 64 [in Russian].
9. Giuseppe E., Jean-Baptiste D., Virginie D., et al. Polyacrylonitrile separator for high-performance aluminum batteries with improved interface stability / ACS Applied Materials & Interfaces. 2017. Vol. 9. P. 38381 – 38389. DOI: 10.1021/acsami.7b09378
10. Zhou D., Shanmukaraj D., Tkacheva A., et al. Polymer electrolytes for lithium-based batteries: advances and prospects / Chem. 2019. Vol. 5. P. 2326 – 2352. DOI: 10.1016/j.chempr.2019.05.009
11. Rupali S., Janakiraman S., Khalifa M., et al. A high thermally stable polyacrylonitrile-based gel polymer electrolyte for rechargeable Mg-ion battery / Materials Science in Electronics. 2020. Vol. 31. P. 22912 – 22925. DOI: 10.1007/s10854-020-04818-1
12. Lee J.-E., Chae Y. K., Lee D. J., et al. Microstructural evolution of polyacrylonitrile fibers during industry-mimicking continuous stabilization / Carbon. 2022. Vol. 195. P. 165 – 173. DOI: 10.1016/j.carbon.2022.04.009
13. Elias K., Georgios K., Charitidis C. Applying machine learning to nanoindentation data of (nano-) enhanced composites / Fibers. 2019. Vol. 8. P. 3. DOI: 10.3390/fib8010003
14. Borkar T., Mohseni H., Hwang J., et al. Excellent strength-ductility combination in nickel-graphite nanoplatelet (GNP/Ni) nanocomposites / Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 646. P. 135 – 144. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.06.013
15. Umrikhina M. Yu., Shorokhova T. O., Utkin S. V., et al. Study of fire-protective intumescent coatings during their operation by methods of X-ray phase, thermal analysis and IR spectroscopy / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 3. P. 25 – 31 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-3-25-31
16. Khaskov M. A. Study of open porosity of carbon materials by thermoporometry / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 11. P. 28 – 35 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-11-28-35
17. Kozlov V. V., Kostishin V. G., Sitnov M. A., Godaev B. S. Study of the properties of nanocomposites based on heat-treated polyacrylonitrile (review) / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. No. 8. P. 35 – 46 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-8-35-46
18. Abd-Elghany M., Klapötke T. A review on differential scanning calorimetry technique and its importance in the field of energetic materials / Physical Sciences Reviews. 2018. Vol. 3. P. 20170103. DOI: 10.1515/psr-2017-0103
19. Chem3D v17.0. User Guide. — Columbia University Libraries, 2017. — 335 p.
20. Suk-Hyun Y., Seung-Chan L., Ho-Young J., Song-Bae K. Characterization of ibuprofen removal by calcined spherical hydrochar through adsorption experiments, molecular modeling, and artificial neural network predictions / Chemosphere. 2023. Vol. 311. P. 1 – 13. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.137074
21. Zhang L., Yue G., Lu Y., Tang J. BRCA1 as a target for attenuating paclitaxel resistance by Halofuginone treatment in basal-like breast cancer / Journal of Functional Foods. 2024. Vol. 118. P. 106245. DOI: 10.1016/j.jff.2024.106245
22. Wang S., Zhao X., Chang H., et al. A new avibactam Gemini quaternary ammonium salt: synthesis, self-assembly, vibrational spectra, crystal structures and DFT calculations / Journal of Molecular Structure. 2023. Vol. 1293. P. 136214. DOI: 10.1016/j.molstruc.2023.136214
23. Wang Z., Liu D., Ma L., et al. Genome-wide analysis of gustatory receptor genes and identification of the fructose gustatory receptor in Arma chinensis / Heliyon. 2024. Vol. 2024. P. 30795. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e30795
24. Bao Y., Wang M., Li J., et al. A starch-based 3D printed intelligent colorimetric film co-loaded natural pigments for visualizing food freshness: Effect of nozzle size on gel structure formation / Food Hydrocolloids. 2024. Vol. 155. P. 110218. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2024.110218
25. Junias J., Clement J., Rahul M., Arockiaraj M. Two-dimensional phthalocyanine frameworks: topological descriptors, predictive models for physical properties and comparative analysis of entropies with different computational methods / Computational Materials Science. 2024. Vol. 235. P. 112844. DOI: 10.1016/j.commatsci.2024.112844
26. Khedraoui M., Nour H., Yamari I., et al. Design of a new potent Alzheimer’s disease inhibitor based on QSAR, molecular docking and molecular dynamics investigations / Chemical Physics Impact. 2023. Vol. 7. P. 100361. DOI: 10.1016/j.chphi.2023.100361
27. Ihn S.-G., Jeong D., Kwon E., et al. Dipole moment- and molecular orbital-engineered phosphine oxide-free host materials for efficient and stable blue thermally activated delayed fluorescence / Advanced Science. 2021. Vol. 9. P. 2102141. DOI: 10.1002/advs.202102141
28. Ruihao D., Jianglu W., Ting Y., Weiyu C. Formation and evolution of sp2 hybrid conjugate structure of polyacrylonitrile precursor during stabilization / Materials. 2021. Vol. 15. P. 30. DOI: 10.3390/ma15010030
29. Vijayaraghavan V. R., Raghavan K. V. Spectroscopic investigations of polyacrylonitrile thermal degradation / Journal of Polymer Science. 1998. Vol. 36. P. 2503 – 2512.
30. Baker K., Zhitomirsky I. A versatile strategy for the fabrication of poly(ethyl methacrylate) composites / Composites Science. 2022. Vol. 6. P. 40. DOI: 10.3390/jcs6020040
31. Alshuiael S. M. Multivariate analysis for FTIR in understanding treatment of used cooking oil using activated carbon prepared from olive stone / Public Library of Science. 2020. Vol. 15. P. 232997. DOI: 10.1371/journal.pone.0232997
32. Acharya M., Mishra S., Sahoo R., et al. Infrared spectroscopy for analysis of Co-processed ibuprofen and magnesium trisilicate at milling and freeze drying / Acta Chim. Slov. 2017. Vol. 64. P. 45 – 54. DOI: 10.17344/acsi.2016.2772
33. Jin X., Feng C., Creighton C., Hameed N. On the structural evolution of textile grade polyacrylonitrile fibers during stabilization and carbonization: towards the manufacture of low-cost carbon fiber / Polymer Degradation and Stability. 2021. Vol. 186. P. 109536. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109536
34. Lee J., Jin J.-U., Park S., et al. Melt processable polyacrylonitrile copolymer precursors for carbon fibers: rheological, thermal and mechanical properties / Industrial and Engineering Chemistry. 2018. Vol. 71. P. 112 – 118. DOI: 10.1016/j.jiec.2018.11.012
35. Valle M., Martin L., Maestro A., et al. Chiral bifunctional thioureas and squaramides grafted into old polymers of intrinsic microporosity for novel applications / Polymers. 2018. Vol. 11. P. 13. DOI: 10.3390/polym11010013
36. Moskowitz J., Jacobs W., Tucker A., et al. Thermo-oxidative stabilization of polyacrylonitrile-based copolymers with guanidinium itaconate / Polymer Degradation and Stability. 2020. Vol. 178. P. 109198. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2020.109198
37. Meinl J., Schönfeld K., Kirsten M. Optimization of the temperature program to scale up the stabilization of polyacrylonitrile fibers / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2017. Vol. 96. P. 37 – 45. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.02.010
38. Luo J., Chang H., Wang P.-H., et al. Cellulose nanocrystals effect on the stabilization of polyacrylonitrile composite films / Carbon. 2018. Vol. 134. P. 92 – 102.
39. Furushima Y., Kumazawa R., Yamaguchi Y., et al. Precursory reaction of thermal cyclization for polyacrylonitrile / Polymer. 2021. Vol. 226. P. 123780. DOI: 10.1016/j.polymer.2021.123780
40. Szepcsik B., Pukánszky B. Separation and kinetic analysis of the thermo-oxidative reactions of polyacrylonitrile upon heat treatment / Thermochimica Acta. 2018. Vol. 133. P. 1371 – 1378.
Рецензия
Для цитирования:
Нечушкин С.Б., Нечушкин Ю.Б., Ситнов М.А., Козлов В.В. Исследование термических превращений и реакционной способности полиакрилонитрила в процессах термической обработки. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2025;91(7):37-45. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2025-91-7-37-45
For citation:
Nechushkin S.B., Nechushkin Yu.B., Sitnov M.A., Kozlov V.V. Study of thermal transformations and reactivity of polyacrylonitrile in heat treatment processes. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2025;91(7):37-45. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2025-91-7-37-45