PAN原丝生产和碳化是PAN碳纤维生产的两个主要阶段,从原丝到碳纤维历经环化、氧化、裂解等复杂反应,使碳链结构主体从单键的线性碳链转变为环状结构,并随着高温石墨化处理,最终演变成平面层状石墨晶体结构,实现碳链结构的重塑和性能的提升。这个过程约45%质量的元素被裂解释放,其中碳元素约占比被裂解物质量的27%,致使净化装置使用周期短、维护成本高,一定也程度上制约了装备产能的提高,资源环境冲突加剧。基于此,本文试图研究如何在保持碳纤维性能不变的前提下降低PAN碳纤维生产中碳元素的裂解、排放,并尝试就实验中发现的因PAN碳纤维直径不同导致碳纤维收率存在明显差异的原因作出分析。通常而言,不同直径的PAN纤维化学性质相同,若反应条件相同,各项化学反应原理与过程为同一实验的平行样,除类似的副反应可能存在不确定性差异,各项测试结果大致会趋于相同,不至于出现稳定的差异。然通过不同直径的PAN碳纤维收率测试实验发现,其中反应的种类或过程至少有一项结果是不同的,由此初步推断PAN纤维某些化学性质在一定条件下与其物理形态的某些方面存在关联。因不具备直接观察反应过程的条件,进而定量比较反应快慢及程度累计差异,本文通过分析选取比较可能有效或能发现差异的方法予以分析。由于差异形成的具体原因未知,且纺丝喷板条件的限定,难以从物理方面充分改变丝的纤度来完善实验,考虑物理方面的因素最终通过对化学反应的影响呈现,本文主要从两种有收率差异的演变过程予以跟踪分析。结合前人的经验以及实践中的发现可知:氧化段、碳化段对收率的影响均比较明显,但碳化段的收率影响建立在氧化段的基础之上,即碳化段的收率受氧化段的影响。所以先研究氧化段,继而研究碳化段,如果氧化段对碳化段有确定的影响,则氧化段对碳化段已经产生的影响,会影响实验的对照样致难以继续研究。故将预氧化阶段作为研究重点,通过比较各阶段形成的产物组成及产物的性能、特性差异,梳理两种不同直径PAN原丝在氧化阶段差异的形成过程。研究结果表明:1.在氧较充足的条件下,预氧丝表层生成的皮层缩小体积,而芯部膨胀体积。当直径达到实验中粗直径纤维尺度时,两者相反的力量相差不多,皮层无法整体向芯部施加形变,只能皮层内部有限地形变,随着温度的上升,皮层内部轻微收缩,同时随着氧的缓慢进入芯部外层,皮层区域缓慢扩大,但芯部膨胀的部分弥补了皮层缩小的部分,纤维整体直径保持微弱的下降状态;当PAN纤维直径小到实验中细直径纤维的尺度时,芯部膨胀的力量不足以有效抵抗皮层缩小的形变压力,皮层带动整个纤维缩小。2.实验中细直径纤维皮层整个缩小也给皮层内部制造了更多的形变机会,使得形变的力量得以充分释放,反应更加有利于缩小体积,从而向强化共轭体系的脱氢氧化方向反应,继而内部压力加大,使得不稳定的结构被分解和释放,留下氧化程度更高也更致密的氧化共轭体系,这就形成了核磁、XPS测试中观测到的细直径PAN纤维氧化程度不仅仅总体上氧化度高,在局部的皮层中也是氧化更高的结果。皮层中更多的SP2杂化碳结构使得皮层内组分更有利于形成类石墨晶体结构,缺陷更少,后续碳化形成的碳纤维强度、模量更高。3.细直径纤维的皮层缩小,不仅加剧了皮层内部的反应,也给原先芯部的区域带来了几乎同样方向的影响,原先往膨胀方向反应的环化反应被遏制、被逆转为共轭体系的脱氢、氧化等反应,从而使得芯部的环化程度降低,氧化程度、脱氢程度提高,细直径纤维的均一性提高。同时导致细直径PAN纤维预氧化阶段失重率更高,其碳化收率低于粗直径PAN碳纤维。4.细直径的PAN纤维预氧化后环化度更低,氧化、脱氢程度更高,致在碳化过程中分解变多,其碳化收率更加低于粗直径PAN碳纤维。