聚丙烯腈的炭化(carbonization of polyacrylonitrile)

纤维状聚丙烯腈(R气N)高分子固体，在受热条件下化学

PAN分子低温氧化热解纯聚PAN在空气中和低于300℃受热时，其产物结构如图5所示。氧化反应贯穿于整个热氧化过程的始终。而环化反应则是在氧的引发下大分子侧链的氰基发生环化聚合，释放出一定的热量。脱氢反应也是在氧的作用下，发生主碳链上氢的脱除，形成的水被释放出。以上环化和脱氢两个反应，孰先孰后，至今仍有歧见，也有意见认为两者同时进行，从图4还可看出，在这段热氧化期间所得产物的结构大致可分为环化氮结构、带环氧桥结构、酮氧结构、梯形结构的形成、丙烯酰胺和带羟基的环化氮结构。

PAN热氧化产物的高温热解将PAN热氧化产物在惰性气氛(或元氧条件)中进行炭化到700℃(低温炭化区)时，进一步发生环化和芳构化以及生成含氮的芳杂环梯形聚合物，并释放出大量的水和氢，其反应历程如图6a所示。

自700℃继续加热到1000℃时，如同PAN在无氧条件下持续炭化的反应结果相类似，大量放出HCN和N₂，其反应历程如图6b所示。这就不难推测体系发生了稠环间的迫位交联，使碳网长大。

转化的规律性。20世纪60年代初聚丙烯腈基炭纤维的开发成功并迅速实现工业化，使R气N炭化机理的研究获得显著进展，从而又对炭纤维的工艺开发起了很大促进作用。高分子科学界把这一反应称为热稳定化。80年代以后，对PAN炭化的研究发生了转移，工艺上由单一的炭纤维类延伸向炭膜和石墨化薄膜、以及多孔电极材料的开发，而在理论上则更深入研究反应机理和动力学模型，PAN炭的不燃烧性和电性能等。

PAN分子无氧低温热解，由于PAN分子内一C-N基的排斥作用，致使PAN分子形成“无规棒状螺旋”结构。当在高牵伸的作用下分子链发生取向，但“螺旋”并不伸展为全反式构象，而“棒”与“棒”之间发生相互位移，基于立体化学的考虑和“侧序”排列，在无氧和高于200℃及低于6501E的温度下受热，纯聚PAN的结构总在发生变化。在全反式构象的全同立构序列发生环化，其产物结构如图1所示。(图中粗线表示C_c键不在环的平面内)。而间同立构序列分子的环化会得到一个折叠环结构(图2)。实验事实充分地证明全同立构、间同立构和无规立PAN分子低温氧化热解纯聚PAN在空气中和低于300℃受热时，其产物结构如图5所示。氧化反应贯穿于整个热氧化过程的始终。而环化反应则是在氧的引发下大分子侧链的氰基发生环化聚合，释放出一定的热量。脱氢反应也是在氧的作用下，发生主碳链上氢的脱除，形成的水被释放出。以上环化和脱氢两个反应，孰先孰后，至今仍有歧见，也有意见认为两者同时进行，从图4还可看出，在这段热氧化期间所得产物的结构大致可分为环化氮结构、带环氧桥结构、酮氧结构、梯形结构的形成、丙烯酰胺和带羟基的环化氮结构。

PAN热氧化产物的高温热解将PAN热氧化产物在惰性气氛(或元氧条件)中进行炭化到700℃(低温炭化区)时，进一步发生环化和芳构化以及生成含氮的芳杂环梯形聚合物，并释放出大量的水和氢，其反应历程如图6a所示。

自700℃继续加热到1000℃时，如同PAN在无氧条件下持续炭化的反应结果相类似，大量放出HCN和N₂，其反应历程如图6b所示。这就不难推测体系发生了稠环间的迫位交联，使碳网长大。