预氧化是制造碳纤维过程中的关键一环,预氧化工艺参数是否合理,极大的影响后续制成的碳纤维的性能。对于不同的原丝和设备条件,需要通过一系列的比较试验,来确定最优的工艺参数。本文使用本实验室自主设计制造的预氧化炉,进行连续预氧化模拟实验,通过调节预氧化的停留时间以及预氧化的温度梯度,并用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等手段,系统研究了不同工艺条件下纤维的化学组成和内部结构,并探讨了工艺与性能的相关性。研究发现,在预氧化过程中,PAN分子内原有的C≡N、CH2等结构经环化、脱氢等反应被消耗掉,同时生成了由共轭亚胺(C=N)和C=C组成的梯形结构。与化学变化相伴随的是,纤维2θ≈17°和2θ≈29°处的衍射峰出现先增大后减小的趋势,说明牵伸和预氧化反应同时影响着纤维的结晶形态。在低温阶段,施加的牵伸占优势,使得原丝的结晶程度增加；而在高温区,PAN分子的反应已经蔓延到晶区,化学反应破坏了晶体的结构,到预氧化后期,两个衍射峰几乎消失了。而新的2θ≈25°的衍射峰说明形成了类似石墨的新结构。而纤维的体密度随预氧化而增加,而且增加幅度有越来越大的趋势。强度在220℃之前强度增加,之后迅速减小。对预氧化停留时间的考察发现,纤维的环化度随预氧化时间的延长而增加,增加到一定的程度后基本保持稳定,而且晶区和无定形区的预氧化反应有所不同,晶区的预氧化反应较无定型区滞后。但是延长预氧化的时间会使2θ≈25°的衍射峰则持续增强。这表明在纤维的环化、交联等反应完成之后,继续进行热处理可以使纤维的内部晶体结构不断地转化,这种转化也造成了纤维密度增加,强度降低。在预氧化时间很短的时候会出现明显的皮芯结构,较长时间皮芯结构则基本消失。