在預氧化的熱環境中,高取向聚丙烯腈原絲會發生物理收縮和構象增加,使其處於熱力學穩定狀態。這符合熵增原理。但不能讓它自由收縮,否則纖維會松散粉化,沒有強度。因此,拉伸是防止脫向的重要技術措施。化學反應必然導致化學收縮,合理適度的化學收縮是允許的,但也要應用張力牽伸來控制收縮程度。因此,施加張力牽伸是抑制物理收縮和控制化學收縮的有效措施,也是瓦特等人對制備高性能碳纖維的突出貢獻。也就是說,圖紙要從頭到尾貫穿預氧化過程。甚至在拉伸之後,原絲的取向度將從預氧化紗的約90%降低到約75%,並且去取向仍然存在。
第二,化學反應
預氧化過程中發生了各種化學反應,許多研究者對其進行了卓有成效的研究,並通過各種先進的表征手段計算出化學反應式。在這眾多的化學反應中,公認的主要反應是環化反應、氧化反應和脫氫反應,屬於放熱反應,放熱量高達3000~4000kJ/kg。前驅物的成分不同,測定方法和條件不同,報道的放熱量也大相徑庭。如何將這些釋放的熱量瞬間排出是預氧化爐設計的關鍵。如果反應熱不能瞬間排除,會造成纖維內蓄熱過熱,導致單絲間熱融合,冒黑煙,甚至起火。
第三,結構轉型
經過分子內環化和分子間交聯,PAN的線性大分子鏈轉變為耐熱的梯形結構。經過幾代人的不懈研究,利用TG、DTG、DSC、XRD和XPS等手段,根據實驗數據提出了幾十種梯形化學結構。在預氧化過程中,纖維結構壹直在變化,直觀地反映在纖維顏色由白變黑、由淺變深。結構變化與顏色變化同步。