3　PAN纤维热行为和反应机理

3.1　概述

PAN纤维在预氧化过程中的化学变化和结构转变对最终碳纤维的组织结构和性能有很大影响。目前，虽然环化反应、氧化反应和脱氢反应被公认为是预氧化过程中的三大主要反应类型，但是对于各种反应的先后次序、反应之间的相互作用与联系，以及预氧丝梯形结构的形成等问题仍然存在着许多争议，需要进一步深入研究。大量研究表明，预氧化过程中的反应大都是强烈的放热反应，因此，PAN的热行为一直是研究的热点之一。许多研究者采用DSC、DTA、TG等热分析手段对AN/IA、AN/MAA、AN/AA、AN/AM等共聚物的放热反应进行了研究[1～9]，但研究对象大多针对聚合物原液，研究内容主要包括环化反应动力学、共聚单体对放热反应的影响以及纤维的热失重等问题。然而，由于原丝与聚合物原液在性能上存在较大差异，原丝的结晶度、致密性以及取向等性能都会影响其热行为。Sen等[10]研究者曾指出PAN纤维的热行为不但与纤维组成、气氛和加热速率有关，而且还受原丝的牵伸倍数、分子链取向等因素的影响。因此，为了更好地分析原丝在预氧化过程中的化学反应和结构转变，直接针对原丝进行热性能分析是非常必要的。本文在大量的实验过程中发现，氧在预氧化过程中起着举足轻重的作用，氧化性气氛的存在不但控制着总体反应的速度和进程，而且对预氧丝的分子链结构和显微组织有着不可忽视的影响。因此，本章采用惰性气体和空气对不同组分原丝的热行为进行了系统分析，同时结合FTIR实验分析了预氧化过程中的化学反应机理，在前人研究结果的基础上提出了自己的观点。