低溫熱處理過程中環(huán)境介質對PAN纖維化學結構影響規(guī)律的研究.pdf

1、聚丙烯腈(PAN)纖維的低溫熱處理過程是碳纖維制備過程中的關鍵步驟之一,該過程中產(chǎn)生的化學結構將影響碳纖維的最終性能。研究PAN纖維低溫熱處理階段的化學結構是碳纖維科學研究的重要組成部分,各國學者對PAN纖維在低溫熱處理過程中的化學反應和結構演變進行了大量的研究,但是由于該過程本身的復雜性以及該階段纖維的表征手段有限,常常導致得出不同甚至相反的結論。
　　 本文以差示掃描量熱分析(DSC)為主要測試技術,在實驗中對其進氣系統(tǒng)進行

2、了改造,使得不同氧含量氣氛下的測試成為現(xiàn)實;并以傅立葉轉變紅外光譜(FT-IR)、固體13C核磁共振(13C-NMR)和元素分析(EA)等表征手段相輔助。將PAN原絲在不同環(huán)境氣體組分中進行低溫熱處理,研究環(huán)境介質中氧對放熱行為和化學反應的影響規(guī)律。與此同時,在探索過程中發(fā)現(xiàn),不僅環(huán)境介質中的氧對化學反應有影響,而且熱處理過程中生成的環(huán)化結構對后續(xù)反應也有一定的影響。故在惰性氣氛中制備了不同環(huán)化程度的PAN纖維,并將其在含氧氣氛中進一步

3、氧化處理,探討了環(huán)化結構對后續(xù)化學反應的影響。研究結果表明:
　　 1.低溫熱處理過程中,環(huán)境介質對PAN纖維的化學反應影響較為顯著。無氧介質下的DSC放熱曲線中只有一個放熱峰(峰a'),含氧介質下的DSC放熱曲線中有兩個放熱峰。隨著環(huán)境介質中氧含量的增加,第一個放熱峰(峰a)峰值溫度基本不變,強度逐漸增加;第二個峰(峰b)峰值溫度逐漸降低,強度也逐漸增加。
　　 2.無氧氣氛下DSC放熱曲線中a'峰代表的化學意義是PA

4、N大分子發(fā)生的環(huán)化交聯(lián)反應;含氧氣氛下DSC放熱曲線中a峰代表的化學意義是PAN大分子發(fā)生的環(huán)化反應以及環(huán)化結構發(fā)生的初級氧化反應,b峰代表的化學意義是不同的含氧環(huán)化結構在較高溫度下發(fā)生的氧化裂解反應。
　　 3.環(huán)化反應是初級氧化反應發(fā)生的前提條件,環(huán)化反應表觀活化能為161.3KJ/mol,初級氧化反應的表觀活化能為96.3KJ/mol。隨著環(huán)境介質中氧含量的增加,a峰代表化學反應的表觀活化能基本不變,而b峰代表化學反應的表

5、觀活化能逐漸降低。
　　 4.PAN纖維的低溫熱處理過程中,環(huán)境介質中的氧對環(huán)化反應和脫氫反應有促進作用。
　　 5.環(huán)化程度越高的纖維在含氧氣氛中經(jīng)進一步處理后氧元素的相對含量也越高,即氧化反應程度越高。
　　 通過本論文的研究,找出了低溫熱處理過程中環(huán)境介質對PAN纖維化學結構的影響規(guī)律,確定了PAN纖維在無氧介質和含氧介質中的化學反應特征,揭示了低溫熱處理過程中環(huán)化結構對后續(xù)反應的影響規(guī)律,與此同時通過動力