PAN级碳纤维预氧化过程中化学结构变化

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   预氧化是PAN基碳纤维制备过程中的关键步骤，涉及预氧化影响因素很多，主要工艺参数包括温度、时间、升温速率和牵伸张力等。在此过程中，PAN线形分子链向平面梯形结构转变,有序区逐渐向无序区转变。
  PAN基碳纤维的前驱体聚丙烯腈是是链状大分子结构，分子链中的氰基具有强极性，氰基基团之间形成极强的偶极矩，使分子呈现出刚性。分子链中相邻的氰基键一方面相互排斥，另一方面氰基与相连的 碳原子形成的氢键相互吸引。由于相互排斥和吸引的双重作用力下，PAN 大分子链的运动受到限制，局部产生扭曲，形成螺旋体结构，螺旋体的直径约为 0.6 nm，长度范围在 10-100 nm。这种几根或几十根的螺旋体平行排列形成了规整有序的晶区，链端、缠结、缺陷等结构形成了无定形区域，晶体结构分析得到有序区长度为 8-10 nm，无定形区长度约为 4 nm。

图 1 聚丙烯腈链状大分子

图 2 聚丙烯腈分子螺旋构象

  预氧化过程中PAN纤维的化学结构发生剧烈转变，在此过程中，发生了复杂的环化反应、脱氢反应和氧化反应。C≡N环化反应先经过一个慢速期,然后才进入剧烈反应期,C≡N逐渐转变为C=N和C=C共轭结构,预氧化温度达到225℃时,氧开始与环化结构中的碳结合形成C-O基团当温度高于245℃时,C≡N因温度较高发生热裂解而不再环化；脱氢反应存在于整个预氧化过程中。通过环化反应、脱氢反应和氧化反应，得到的预氧化结构中含有 40%的丫啶酮结构，30%的吡啶环结构，20%的氧化萘啶环结构和 10%的其他结构，

图 3 聚丙烯腈预氧化后分子结构