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碳纤维应用领域不断拓展导致生产厂家间和行业间的竞争日趋激烈,降低碳纤维成本是提高竞争力的有力手段。预氧化工序是碳纤维制备过程中关键过程,占时长能耗大。研究预氧化工艺并加以创新,降低预氧化温区、工序时长和能源耗用进而降低设备投资和碳纤维制备成本,是该形势下的技术需求。本文采用元素分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、预氧纤维切片、体密度、环化度、烧断温度测试等多种表征手段和多种指标测定,对比分析自产原丝的基本特性,研究在线预氧化工艺的过程特点,在此基础上,创新设计高效预氧化工艺,减少预氧化工序温区和设备使用数量,进而降低碳纤维的制备成本。并合理利用试验室研究、中试线试验、千吨线工业化生产间的理论指导和生产实践关系,将实验室研究成果切实地转化为工业化效果,在保证碳纤维性能前提下,实现最终产品成本降低。研究结果表明:1、恒神自产原丝在聚合配比、纺丝工艺、理化性能方面均存在其自有特性。DSC测试、烧断温度测试显示,由于自产原丝共聚组成使得在预氧化段集中放热现象明显,工艺设计需充分考虑温度梯度问题。纤维K数增加导致纤维烧断温度降低,需作为预氧化工艺制定和调控的重要考虑方面。2、通过自制预氧化实验装置研究表明,温度升高和停留时间延长促进纤维内部预氧化进程的进行,表现在氧元素含量、体密度、环化度增加,以及皮芯结构发展的相应变化规律,并与张力共同作用影响纤维收缩率。循环风风速增加对预氧化进程有正向影响,但影响幅度小于预氧温度和停留时间。张力增加,纤维烧断温度出现下降趋势。3、现行工艺采用预氧化六段梯度升温的方式,升温过程中,预氧化进程逐步进行,纤维内部结构向耐热梯形结构转变,代表环构化和氧化结构的官能团增加,相应纤维颜色也出现米黄-金黄-棕色-酒红-黑色的规律变化。随升温过程,纤维皮芯结构明显,皮层厚度增加;环化度增加,纤维的烧断温度升高,说明纤维的耐热性提高。通过过程和产品结果对比分析,在线工艺在皮芯结构和预氧化程度上有进一步的优化空间。4、高效预氧化工艺采用预氧化四段梯度升温的方式,升温过程中PAN纤维元素、官能团、皮芯结构、环化度、体密度等理化指标的变化方向与在线六段梯度升温工艺一致;但由于设计较高的初始温度,在初始温区纤维预氧化程度较大,皮芯结构较早出现,纤维颜色变化明显。选择合理的四区预氧化工艺,可以有效保证表征PAN纤维预氧化进程的各指标适宜,制备出理化性能优异的碳纤维。5、由在行的预氧化六段梯度升温(200℃-220℃-234℃-243℃-254℃-263℃)转为实施高效预氧化工艺的四段梯度升温(226℃-241℃-254℃-266℃),在工业化生产线运行稳定,经微调后恒神自产HF10级碳纤维原丝可以制备出与在线工艺相当的碳纤维产品(拉伸强度4082MPa,拉伸模量240GPa,线密度790g/km),且从设备、人员、能耗等方面降低约6%的产品成本。