聚丙烯腈纤维预氧化过程环（氧）结构调控

摘要

PAN(polyacrylonitrile)纤维在预氧化期间形成的结构差异会影响后续碳化时的热裂解行为，直接影响碳纤维的结构与性能，因此对预氧纤维环（氧）结构调控的意义重大。
　　本文采用KMnO4液相浸渍以改性PAN纤维，通过调控改性条件与预氧化温度制得不同的预氧纤维，以FT-IR、13C-NMR、XPS、TG等方法研究了KMnO4改性与预氧化温度对预氧化环（氧）结构演变及皮芯结构的影响，并进一步研究了预氧纤维热稳定性与环（氧）结构间的联系，结果表明:
　　1、改变浸渍时的温度与时间来控制KMnO4的浸渍含量在合理范围内，可利用高价锰离子外层3d空轨道与C≡N中N的孤对电子配位，促进C≡N的分解-重组反应，从而改变了PAN的自由基环化机理，起到较低温度下引发PAN分子环化、提高环化程度的作用。
　　2、温度对环（氧）结构的影响如下，从180℃开始环化结构（吡啶环、烯胺环等）一直随温度升高而稳定增多和完善，而氧化结构（吡啶酮等）在较低温度下生成缓慢，240℃之后生成速度加快，温度越高氧化结构越多。
　　3、KMnO4改性对环（氧）结构的影响如下，浸渍KMnO4的PAN纤维在相同预氧化温度下生成更多的环（氧）结构，其中环结构含量最高增加11.3％、氧结构增加2.6％;但不同浸渍条件（即KMnO4含量）对这两类结构的增长率不同，浸渍Mn的质量分数小于1.6％时，环结构增长率快于氧结构增长率，最终造成环（氧）结构比的不同。
　　4、KMnO4改性在调控PAN预氧纤维环、氧结构含量的同时也有利于纤维结构均质化，使环、氧结构在纤维径向上分布更为均匀，有助于改善皮芯结构，最大可使皮芯比增加9.7％，光密度标准差降低0.0104。通过预氧化温度与化学改性的协调配合可以对环、氧结构在数量、种类、分布上进行调控。
　　5、预氧纤维热稳定性同时受环（氧）结构比、环化程度、皮芯比影响。KMnO4改性后的预氧纤维环（氧）结构比、环化程度、皮芯比均较大，热稳定较好，其中浸渍温度60℃、预氧温度为280℃时的预氧纤维残碳率由66％提高到71％。
　　本文通过预氧化温度与化学改性的协调配合，对预氧纤维环（氧）结构在数量、种类、分布上进行了调控，明确了预氧纤维热稳定性与环（氧）结构间的联系，揭示KMnO4改性对碳纤维性能提高的原因，为预氧化工艺的优化提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纤维概述

1．1．1 碳纤维研究历史及发展现状

1．1．2 PAN基碳纤维的制备工艺

1．2 PAN纤维预氧化过程化学结构研究

1．2．1 PAN预氧纤维环结构研究

1．2．2 PAN预氧纤维氧结构研究

1．2．3 PAN预氧纤维化学结构与碳纤维结构性能的关联性

1．3 影响PAN纤维预氧化过程的因素

1．3．1 预氧化工艺的影响

1．3．2 纺后处理的影响

1．4 PAN预氧纤维化学结构的表征研究

1．5 本文的研究目的、意义及内容

第二章 实验部分

2．1 原料来源

2．2 实验方案

2．3 相关测试及表征手段

2．3．1 电感耦合等离子体质谱仪

2．3．2 傅立叶红外光谱仪

2．3．3 差示扫描量热仪

2．3．5 X射线光电子能谱仪

2．3．6 光学显微镜

2．3．7 电子探针X射线显微分析仪

2．3．8 热重分析仪

第三章 结果与讨论

3．1．1 PAN纤维浸渍KMnO4条件研究

3．1．2 KMnO4改性对PAN纤维化学结构的影响

3．1．3 小结

3．2 KMnO4改性对PAN纤维预氧化进程的影响

3．2．1 KMnO4改性对PAN纤维预氧化放热行为的影响

3．2．2 KMnO4改性对PAN预氧纤维环(氧)结构的影响

3．2．3 KMnO4改性对PAN预氧纤维皮芯结构的影响

3．2．4 小结

3．3 环(氧)结构对PAN预氧纤维热稳定性的影响

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介