氣氛中氧氣濃度對聚丙烯腈纖維熱穩(wěn)定化反應的影響.pdf

1、聚丙烯腈（PAN）纖維的熱穩(wěn)定化過程是制備碳纖維的關鍵步驟之一，該過程會產生復雜的物理和化學變化，會進一步影響碳化過程生成的石墨微晶結構，從而對最終碳纖維性能產生影響。熱穩(wěn)定化過程形成的環(huán)化結構和含氧官能團能夠使纖維承受后續(xù)碳化過程中的高溫處理，并且氧化脫氫所形成的交聯(lián)結構能夠提高纖維的機械性能，但是過多的含氧官能團會在碳化過程中以 CO或 CO2形式排出，形成缺陷結構而降低纖維的力學性能。熱穩(wěn)定化纖維截面的徑向氧分布是導致纖維形成皮芯

2、結構的重要因素之一。因此，為了獲得高性能碳纖維，熱穩(wěn)定化纖維需要有合適的氧含量、徑向氧分布和交聯(lián)結構。由于雙擴散的影響使得氣氛中的氧濃度成為影響上述結構的關鍵因素之一，但是，由于 PAN纖維在穩(wěn)定化過程中環(huán)化和氧化反應之間的相互作用使上述研究變的更為復雜。
　　本文通過選擇一系列含有不同氧濃度的氣氛，利用紅外手段研究了氧化反應對環(huán)化反應的影響，通過選擇不同環(huán)化度的熱穩(wěn)定化纖維來研究環(huán)化對氧化的影響。并且通過研究氣氛中不同氧濃度對熱

3、穩(wěn)定化纖維的交聯(lián)程度，皮芯結構和碳收率等的影響確定了氣氛中合適的氧濃度。研究發(fā)現(xiàn):
　　氧化對環(huán)化的影響：反應初期，如在230℃反應少于20 min時，氣氛中的氧抑制了環(huán)化反應的進行；隨反應的進行，即在230℃反應20-60 min，新生成的含氧官能團對環(huán)化反應的引發(fā)作用逐漸成為主導作用，加速了環(huán)化的進行；到熱穩(wěn)定化反應趨于完成時，纖維的環(huán)化率沒有差別；
　　環(huán)化對氧化的影響：環(huán)化反應促進氧化反應，并且這種促進作用隨著環(huán)化度

4、的提高逐漸加強；
　　熱穩(wěn)定化氣氛中氧濃度的提高有利于 PAN纖維熱穩(wěn)定化過程中交聯(lián)結構的形成及纖維的伸長；
　　熱穩(wěn)定化氣氛中氧濃度較低時，碳收率隨著氣氛中氧濃度的增加而提高；當氣氛中氧氣濃度高于10％時對碳收率無明顯影響。
　　熱穩(wěn)定化氣氛中氧濃度的提高有利于氧的擴散從而減小皮芯結構。當氣氛中氧氣濃度高于15%時，熱穩(wěn)定化纖維已無明顯的皮芯結構。最終確定熱穩(wěn)定化氣氛中合適的氧氣濃度范圍為15%—21%。
　　

5、經過氮氣氣氛處理(<220℃)后的熱穩(wěn)定化纖維在后續(xù)處理過程中最高溫度設為250℃較為合理。最高熱穩(wěn)定化溫度較低(<250℃)會導致纖維氧化不足而減少碳收率；最高熱穩(wěn)定化溫度較高(>260℃)則會導致纖維內部形成孔洞。與全程空氣處理相比，經過氮氣氣氛處理后的不熔化纖維在后續(xù)處理過程中最終不熔化溫度可以降低20℃，900℃碳化后的收率增加了3.8%，碳纖維的強度相當，初步估算節(jié)能8.7%。
　　隨著熱穩(wěn)定化氣氛中氧濃度的提高最終碳纖