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【概述】
聚丙烯腈(Polyacrylonitrile or acrylic，PAN) 纖維又稱腈綸，是由丙烯腈和其他第二單體、第三單體的共聚物紡制而成的纖維。PAN 纖維質地蓬松，手感柔軟，密度小，保暖性好，回彈性高，具有優異的耐光性、耐候性、耐蟲蛀性、耐輻射性、抗生物降解性和較好的染色性，但是由于疏水性和絕緣性，使得 PAN 纖維易起靜電。產業上，聚丙烯腈纖維應用于室外織物、水泥增強材料、鉛蓄電池極板增強材料、濾材、預氧化纖維和碳纖維等領域。此外聚丙烯腈工程纖維還應用于對抗裂、抗沖擊、抗磨損、抗震等要求較高的建筑工程，如橋面、橋墩、路面、飛機場跑道、停機坪、軍事防護工程、港口碼頭、大壩面板、導流洞、泄洪閘、閘墩等。
【結構】
1.化學結構 工業上聚丙烯腈由丙烯腈單體通過自由基聚合反應制備，如圖1所示。一般所說的聚丙烯腈是指丙烯腈與少量的第二單體（丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯等）和第三單體（衣康酸、丙烯磺酸鈉等）形成的單取代烯類共聚物。
圖1為PAN自由基聚合反應示意圖
對PAN等單取代烯類共聚物而言，理論上可以形成等規立構、間規立構和無規立構三種立構規整性結構。
圖2為PAN分子鏈構象
(a)螺旋構象；(b)平面Z型構象 2.晶態結構 PAN是一種較難結晶的聚合物，不同于其他極性烯烴類聚合物，即使是無規PAN也可以形成二維有序的準晶結構或三維有序的結晶結構。 對于二維有序準晶結構的PAN，普遍認為有兩種結晶結構，一種屬于六方晶系，一種屬于正交晶系。圖3是典型的PAN六方晶系晶體的X射線衍射圖，赤道方向有兩條明顯的反射弧，對應的2?角為16.9?和29.5?，分別是（100）晶面和（21?0）晶面的晶面反射，對應的晶面間距為5.22?和3.02?。
圖3為典型的PAN六方晶系晶體的X射線衍射圖
3.動態力學性能 在研究PAN的動態力學性能過程中，研究者們發現了兩個典型的松弛峰α和β，一般認為α峰是由分子鏈段的運動引起的，對應著玻璃化轉變溫度（Tg）；β峰則是由于側鏈、端基或者聚合物內雜原子基團的運動所引起的。非取向的的PAN樣品擁有兩相結構，如圖4所示。非取向PAN纖維的中間相玻璃化轉變比非晶相玻璃化轉變低，這是因為中間相中分子鏈纏結少，因而沿分子鏈軸的運動更加容易。
圖4為纖維兩相結構模型
4.纖維微納結構 由于PAN纖維在化學組成（共聚物）、分子構型（等規、間規、無規）、分子構象（螺旋、平面Z型）以及紡絲工藝上的多樣性，導致纖維結構復雜。這既包括在晶態結構、晶相分布上的不同，也包括了纖維在微纖、微孔以及表層或表面的差異。對于半結晶的聚合物纖維來說，目前普遍認可的結構模型如圖5所示：圖中纖維束包含多根直徑為25μm左右的纖維，纖維結構由并排的微纖組成，微纖長有幾個微米，其橫向尺寸僅為10nm左右。每個微纖中，折疊鏈結晶層與非晶層呈不規則的交替排列，這一模型與Warner建立的PAN相形態模型類似。
圖5為纖維的多層次結構示意圖
【組成部分】
組成聚丙烯腈纖維的主要有三個部分：以85%以上丙烯腈為主；為改善纖維手感而加入 10%左右的第二單體，如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯；為提高起染色性能而加入 1%左右的第三單體，如衣康酸、甲基丙烯酸鈉等。
【性質】
1.聚丙烯腈纖維的水解 聚丙烯腈纖維有一個獨特的性質，就是在纖維表面可以發生部分水解，使纖維表面所含的氰基基團（–CN）轉化為羧基基團（–COOH）。從價鍵理論分析的角度，聚丙烯腈纖維部分水解是由溶液中的OH-親核進攻氰基上的碳原子開始的，經歷電負性中間體、六元環中間體水解成酰胺，在OH-的進一步進攻下，最終水解成含有羧基的纖維。 聚丙烯腈纖維水解反應公式如下：
圖6為聚丙烯腈纖維水解反應公式
與完全水解不同，因為聚丙烯腈纖維的部分水解是發生在纖維表面，因此纖維內層結構基本不發生變化，其強度破壞很小。 2.聚丙烯腈纖維的酰氯化 采用氯化亞砜作為羧基的鹵代劑，通過羧基與氯化亞砜反應生成酰氯基團，氯化亞砜對羧基的置換反應機理是親核置換反應。 聚丙烯腈的酰氯化反應公式如下：
圖7為聚丙烯腈的酰氯化反應公式
3.聚丙烯腈纖維的蛋白質接枝 由于酰氯基團是非常活潑的反應基團，可以在常溫常壓條件下與RNH2和ROH發生不可逆氮酰化和酯化反應，這就為聚丙烯腈纖維表面接枝蛋白質提供了理論依據。 聚丙烯腈纖維與蛋白質的接枝反應公式如下：
圖8為聚丙烯腈纖維與蛋白質的接枝反應公式
【應用】
產業上，聚丙烯腈纖維應用于室外織物、水泥增強材料、鉛蓄電池極板增強材料、濾材、預氧化纖維和碳纖維等領域。比如纖維是鋪設瀝青路面時較多采用的攤鋪材料，這些材料在日光與大氣中極易老化，而聚丙烯腈纖維具有優良的抗紫外線能力以及應對大氣作用時特有的穩定性，以其作為工程材料可以提高產品的使用壽命。此外聚丙烯腈工程纖維還應用于對抗裂、抗沖擊、抗磨損、抗震等要求較高的建筑工程，如橋面、橋墩、路面、飛機場跑道、停機坪、軍事防護工程、港口碼頭、大壩面板、導流洞、泄洪閘、閘墩等。
【主要參考資料】
[1]張恩杰. 不同工藝制備的聚丙烯腈纖維的形態結構與應用特性關系[D].東華大學,2015.
[2]賈曌. 聚丙烯腈纖維的蛋白質表面接枝改性研究[D].哈爾濱工業大學,2008.
[3]徐崠雙. 苯胺改性聚丙烯腈纖維抗靜電性能的研究[D].齊齊哈爾大學,2012.