低温热处理过程中环境介质对PAN纤维化学结构影响规律的研究

论文摘要

聚丙烯腈（PAN）纤维的低温热处理过程是碳纤维制备过程中的关键步骤之一,该过程中产生的化学结构将影响碳纤维的最终性能。研究PAN纤维低温热处理阶段的化学结构是碳纤维科学研究的重要组成部分,各国学者对PAN纤维在低温热处理过程中的化学反应和结构演变进行了大量的研究,但是由于该过程本身的复杂性以及该阶段纤维的表征手段有限,常常导致得出不同甚至相反的结论。本文以差示扫描量热分析（DSC）为主要测试技术,在实验中对其进气系统进行了改造,使得不同氧含量气氛下的测试成为现实；并以傅立叶转变红外光谱（FT-IR）、固体13C核磁共振（13C-NMR）和元素分析（EA）等表征手段相辅助。将PAN原丝在不同环境气体组分中进行低温热处理,研究环境介质中氧对放热行为和化学反应的影响规律。与此同时,在探索过程中发现,不仅环境介质中的氧对化学反应有影响,而且热处理过程中生成的环化结构对后续反应也有一定的影响。故在惰性气氛中制备了不同环化‘程度的PAN纤维,并将其在含氧气氛中进一步氧化处理,探讨了环化结构对后续化学反应的影响。研究结果表明：1.低温热处理过程中,环境介质对PAN纤维的化学反应影响较为显著。无氧介质下的DSC放热曲线中只有一个放热峰（峰a`）,含氧介质下的DSC放热曲线中有两个放热峰。随着环境介质中氧含量的增加,第一个放热峰（峰a）峰值温度基本不变,强度逐渐增加；第二个峰（峰b）峰值温度逐渐降低,强度也逐渐增加。2.无氧气氛下DSC放热曲线中a`峰代表的化学意义是PAN大分子发生的环化交联反应；含氧气氛下DSC放热曲线中a峰代表的化学意义是PAN大分子发生的环化反应以及环化结构发生的初级氧化反应,b峰代表的化学意义是不同的含氧环化结构在较高温度下发生的氧化裂解反应。3.环化反应是初级氧化反应发生的前提条件,环化反应表观活化能为161.3KJ/mol,初级氧化反应的表观活化能为96.3KJ/mol。随着环境介质中氧含量的增加,a峰代表化学反应的表观活化能基本不变,而b峰代表化学反应的表观活化能逐渐降低。4.PAN纤维的低温热处理过程中,环境介质中的氧对环化反应和脱氢反应有促进作用。5.环化程度越高的纤维在含氧气氛中经进一步处理后氧元素的相对含量也越高,即氧化反应程度越高。通过本论文的研究,找出了低温热处理过程中环境介质对PAN纤维化学结构的影响规律,确定了PAN纤维在无氧介质和含氧介质中的化学反应特征,揭示了低温热处理过程中环化结构对后续反应的影响规律,与此同时通过动力学分析对以上规律在理论上进行了解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的发展历程
• 1.2 PAN基碳纤维的应用领域
• 1.3 PAN基碳纤维的制备过程
• 1.3.1 PAN原丝的制备
• 1.3.2 PAN纤维的低温热处理过程
• 1.3.3 PAN纤维的碳化过程
• 1.4 PAN纤维低温热处理过程中的化学变化和影响因素
• 1.4.1 PAN纤维低温热处理过程中的化学变化
• 1.4.2 PAN纤维低温热处理过程中的影响因素
• 1.5 本文的研究目的意义和内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要原料
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 实验样品制备
• 2.2.2 实验结果分析思路
• 2.3 相关测试表征手段
• 2.3.1 差示扫描量热分析（DSC）
• C核磁共振(Solid¹³C-NMR)'>2.3.2 固体（13）^C核磁共振(Solid¹³C-NMR)
• 2.3.3 元素分析（EA）
• 2.3.4 红外光谱分析（FT-IR）
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 低温热处理过程中环境气体组分对PAN纤维反应行为的影响规律
• 3.1.1 低温热处理过程中环境介质对放热行为的影响规律
• 3.1.2 PAN纤维在不同环境介质中低温热处理时的化学反应特征
• 3.1.3 低温热处理过程中环境介质对PAN纤维化学反应的影响规律
• 3.1.4 PAN原丝在不同氧含量环境介质中的化学反应动力学
• 3.1.5 小结
• 3.2 低温热处理过程中环化结构对PAN纤维后续反应行为的影响规律
• 3.2.1 不同环化程度的纤维在含氧介质中的放热行为
• 3.2.2 PAN纤维中环化结构对后续化学反应的影响规律
• 3.2.3 不同环化程度的纤维在含氧介质中的化学反应动力学
• 3.2.4 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介
• 附录