于美杰, 徐 勇, 王成国, 朱 波, 林 雪, 谢 奔

(1.山东大学碳纤维中心材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南 250061;2.山东建筑大学材料科学与工程学院,济南250101)

高性能聚丙烯腈(PAN)基碳纤维在航空航天等国防军工领域中发挥着举足轻重的作用。在碳纤维生产过程中,预氧化工艺是承前(纺丝)启后(碳化)的桥梁,是影响碳纤维质量、碳收率和生产效率的关键工艺。PAN原丝的预氧化,又称为热稳定化,一般在 180～300℃的空气中进行,预氧化过程中要对纤维施加适当牵伸以抑制收缩、维持大分子链对纤维轴向的取向[1～3]。PAN原丝经过预氧化后,热塑性的线性大分子链转化为非塑性的耐热梯形结构,保证了在后期碳化过程中纤维在高温下不熔不燃,获得高比强度和高比模量的碳纤维[4]。在整个碳纤维制备过程中(包括聚合、纺丝、预氧化、碳化或石墨化),预氧化是耗时最长的一个工艺,预氧化时间往往需要60～120min,而碳化时间仅需几分钟到十几分钟,石墨化时间则以秒来计算[5]。可见,预氧化的效率将关系到碳纤维生产的整体效率,因此,研究升温速率对预氧化反应的影响规律及反应动力学对碳纤维的生产具有重要指导意义。

在预氧化反应中,环化反应和氧化反应是两大主要反应[6]。目前对于反应动力学的研究主要集中在环化反应上,而对氧化反应动力学的研究较少[7～10]。而且由于研究对象的 PAN共聚物组分不同,以及分析技术的差异,导致不同研究者在环化反应动力学问题上存在不同的观点[11～16]。……