影響PAN纖維熱穩(wěn)定性的預氧結構調控.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)纖維在預氧化熱處理過程中發(fā)生諸多物理、化學轉變，由線性結構轉變?yōu)槟軌蚰褪芎罄m(xù)高溫處理的梯形結構。適宜的預氧化環(huán)化結構和氧化結構的生成能夠提高預氧纖維的熱穩(wěn)定性，減小碳化熱裂解引起的質量損失。由于影響機制復雜，并不是說PAN纖維中環(huán)結構、氧結構的含量越高越好，并且環(huán)結構與氧結構相對含量在很大程度上影響著PAN纖維的耐熱性能及其最終的碳收率。因此有必要控制預氧化工藝以制備結構適宜的PAN預氧纖維，使其后續(xù)制備的碳纖維力學性

2、能優(yōu)異且碳轉化率高、體密度高。
　　本文通過調控溫度、時間、氣氛三個預氧參數，制備結構不同的預氧纖維并采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、凝膠滲透色譜(GPC)、13C固體核磁譜(13C-NMR)、X射線光電子能譜(XPS)及熱失重(TG)等表征手段探究能夠影響預氧纖維熱穩(wěn)定性的預氧結構的生成，溫度、時間和氣氛對各穩(wěn)定結構的生成及其相對含量變化的影響。探明不同預氧結構與纖維熱穩(wěn)定性的關聯關系，最終進行在線碳化實踐驗證。研究結果表

3、明:
　　1、預氧化過程中共聚單體的含氧結構轉變及分子內環(huán)化，不能提高預氧纖維的熱穩(wěn)定性，交聯結構的生成是提高纖維熱穩(wěn)定性的前提條件。預氧纖維的交聯結構的主要組成結構有C=O、O-C=O、C=C(CH)、C=N及C=C-C=N。預氧化程度較低時（氧元素與碳元素相對含量比值小于0.18），含氧結構和環(huán)化結構的生成、累積提高纖維的熱穩(wěn)定性。
　　2、一定的預氧化時間和溫度范圍內預氧纖維中環(huán)化結構和氧化結構均以較快的速率升高，當超

4、過某一溫度和累積時間后，延長時間和升高溫度，環(huán)化、脫氫反應程度基本不變，氧化反應程度則保持不斷升高的趨勢。隨著溫度的升高預氧纖維中不同種類的含氧結構的相對含量不斷變化且不同的氣氛中規(guī)律有所不同:空氣氣氛下，隨溫度的升高預氧纖維易于生成更多的羧基/酯基;氮氣氣氛下，利于生成更多的羰基結構。通過控制預氧化時間和溫度在一定的范圍內達到調控環(huán)結構和氧結構相對含量的目的。
　　3、含氧結構在促進PAN纖維交聯的同時，過量的氧結構碳化裂解脫除

5、碳，降低預氧纖維熱穩(wěn)定性，形成較多的sp3雜化碳原子，碳纖維的有序程度降低;而環(huán)化結構的生成可提高PAN纖維的熱穩(wěn)定性，利于形成有序度較高的碳纖維。在充分環(huán)化的基礎上，提高PAN預氧纖維中環(huán)化結構與氧化結構的相對含量的比值，有益于形成結構更穩(wěn)定更完善的低溫碳化纖維。
　　4、在保證充分環(huán)化的基礎上，提高環(huán)化結構與氧化結構相對含量的比值，促進碳纖維石墨片層的生長及石墨片層堆疊厚度的變大，但并不影響石墨片層間距。由于空氣氣氛下高溫區(qū)環(huán)