碳纤维纤维预氧化过程中的变化

预氧化是生产碳纤维的一个重要中间过程。它起到承前启后由原丝转化为碳纤维的桥梁，在这一转化过程中， PAN原丝的线型分子链转化为具有耐热梯结构的预氧丝；在惰性气体保护下的高温碳化环境中，它不融不燃，保持纤维形态，进而化为具有乱层石墨结构的碳纤维。如果不进行预氧化，原丝的线型分子链在高温热解断链，转化为树脂碳而不是只有一定强度的纤维状碳，碳化收率极低。所以，进藤昭男发明用PAN制造碳纤维的核心技术就是预氧化。

预氧化不仅控制着碳纤维的质量，而且也控制着碳纤维的产量。如果生产碳纤维全过程需要88min， 其中预氧化时间大约需80min， 约占总生产时间的90%左右。显然，长时间预氧化是控制产量的主要因素。如果把预氧化时间由80min降低到40min， 同样的生产线，产量将翻一番，生产成本将大幅度下降。因此，在保证质量前提下，如何降低或缩短预氧化时间，仍是当前和今后研究的热门课题之一。

一、物理变化

在预氧化的热环境中， 高取向PAN原丝要发生物理收缩，构象增多，使其处于热力学稳定状态。这符合熵增原理。但是，不能让其自由收缩，否则纤维会疏松粉化，没有强度。因此，张力牵伸以防解取向是一个重要的技术措施。发生化学反应必然产生化学收缩，合理而适度的化学收缩是允许的，但也要施加张力牵伸控制其收缩的程度。所以，施加张力牵伸是抑制物理收缩和控制化学收缩行之有效的措施， 也是Watt等人对制取高性能碳纤维的杰出贡献。换言之，牵伸要贯穿预氧化过程的自始至终。即使牵伸，原丝的取向度由90%左右会降低到预氧丝的75%左右， 解取向仍然存在。

二、化学反应

在预氧化过程中发生了各式各样的化学反应，许多研究者对其进行了卓有成效的研究，用各种先进表征手段推算化学反应式。在这许多化学反应中，大家认同的主要反应是环化、氧化和脱氢三大类型这三大反应都是放热反应，放热量高达3000~4000kJ/kg。原丝的组成不同，测定方法和条件不同，报道的放热量有较大出入。如何把这些放出热量瞬时排除带走是设计预氧化炉的关键所在。如果不能瞬时排走反应热，会在纤维内部造成蓄热和过热，轻则引起单丝之间的热融并，重则发黑烟，甚至引起着火。

三、结构转化

经过分子内环化和分子间交联， 使PAN的线型大分子链转化为耐热的梯形结构。经过几代人的不懈研究：采用TG、DTG、DSC、XRD、XPS等多种手段，在实验数据基础上提出了数十种梯形结构的化学结构。在预氧化过程中纤维结构一直在变化，直观反映在纤维颜色由白变黑，由浅变深。结构变化与颜色变化同步进行。