Οξείδωση και χαρακτηρισμός ινών συμπολυμερούς ακρυλονιτριλίου - Χρυσικοπούλου-Σολδάτου, Σπυριδούλα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ). Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών, 2016)
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.