氣氛中氧氣濃度對聚丙烯腈纖維熱穩(wěn)定化反應(yīng)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(guān)鍵步驟之一，該過程會產(chǎn)生復(fù)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(jié)構(gòu)，從而對最終碳纖維性能產(chǎn)生影響。熱穩(wěn)定化過程形成的環(huán)化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致纖維形成皮芯

2、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。由于雙擴散的影響使得氣氛中的氧濃度成為影響上述結(jié)構(gòu)的關(guān)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(yīng)之間的相互作用使上述研究變的更為復(fù)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(yīng)對環(huán)化反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)初期，如在230℃反應(yīng)少于20 min時，氣氛中的氧抑制了環(huán)化反應(yīng)的進行；隨反應(yīng)的進行，即在230℃反應(yīng)20-60 min，新生成的含氧官能團對環(huán)化反應(yīng)的引發(fā)作用逐漸成為主導(dǎo)作用，加速了環(huán)化的進行；到熱穩(wěn)定化反應(yīng)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(yīng)促進氧化反應(yīng)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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(jīng)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(shè)為250℃較為合理。最高熱穩(wěn)定化溫度較低(<250℃)會導(dǎo)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(dǎo)致纖維內(nèi)部形成孔洞。與全程空氣處理相比，經(jīng)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