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聚丙烯腈（PAN）纤维是一个量大面广的合成纤维品种,国内年均用量近100万吨,涉及了服用、装饰和工业等三大应用领域,与人们的日常生活、生产活动密切相关。但是PAN纤维的极限氧指数只有18%,一遇火源极易燃烧,且纤维在剧烈燃烧过程中释放出氰化氢、一氧化碳、乙腈等有毒有害气体,从而对人体产生致命的二次危害。因此,研究并提高PAN纤维的阻燃性能具有十分重要的应用意义。本课题采用化学改性法,在满足后纺基本力学性能（断裂强度≥1.8cN/dtex）前提下,摸索肼碱以及金属离子化学改性的工艺条件,制备阻燃性能良好（LOI≥27%）的PAN基改性纤维,并对螯合了Na+、Mg+、Zn+等金属离子的改性纤维进行相关性能的表征以及热降解动力学的研究,进而探讨纤维改性的阻燃机理。本课题首先采用水合肼对PAN纤维上的部分氰基改性,使线性大分子间生成交联环状结构,再以氢氧化钠（NaOH）水溶液对肼改性纤维进一步水解,引入羧基、酰胺基等亲水基团,从而提高所得钠离子改性纤维的吸湿性能,使其燃烧时具有吸热降温的作用。实验表明:在反应浴比为15:1下,当水合肼溶液浓度为30wt%,肼反应工艺110℃×6h,NaOH水溶液浓度为5wt%,碱水解工艺100℃×1h时,改性纤维的断裂强度达到2.13c N/dtex,断裂伸长为17.7%,回潮率为23.18%。改性前后纤维红外谱图、元素分析和X射线衍射等分析表明:肼改性时氰基在发生交联反应的同时也发生部分水解反应,但大量亲水基团的引入是由水解反应完成,反应结果使纤维规整度明显下降。而纤维及剩碳的扫描电镜照片显示:改性后,纤维表面粗糙度增大,同时因吸湿性能提高,纤维呈现一定程度溶胀。燃烧后,原料纤维皱缩成球状融滴,而肼改性和钠离子改性纤维仍保留了较完整的纤维形态结构。前者膨胀并逐段形成较多气泡状突起,后者剩碳层表面密布凹凸不平的突起,并伴有孔隙,其截面蓬松多孔。TG-DTG测试表明:原料纤维、肼改性和钠离子改性纤维的热降解最大速率温度分别为307.4℃、438.1℃和368.9℃。这是因为肼交联形成的更为稳定的共价键使分子间作用力加强,提高了纤维热稳定性。而进一步碱水解反应时,部分较弱的交联结构被破坏,使热降解温度有所降低。但总体而言,改性后纤维大分子结构上的交联环化结构和大量的亲水基团使纤维整个热降解速率趋缓,热稳定性明显提高。并且改性纤维热降解产生的水蒸气、CO2、NH3等不燃气体利于延缓甚至中止燃烧过程。肼改性和钠离子改性纤维的LOI值分别提高至24%和29%。在肼碱反应引入Na+的基础上,进一步以硝酸镁和氯化锌溶液对Na+改性纤维进行Mg2+和Zn2+金属离子螯合,研究其对纤维阻燃性能的影响。通过能谱仪、抗静电性能和扫描电镜等测试表明:镁离子和锌离子改性纤维较钠离子改性纤维螯合有更多相对应的金属离子,且纤维体积比电阻（Rv）大幅降低,钠离子、镁离子和锌离子改性纤维的Rv分别降至1.7216×109Ω·cm、8.4557×108Ω·cm和1.6873×108Ω·cm,具有较好的抗静电性能。燃烧后,在同样保持良好纤维形态情况下,镁离子和锌离子改性纤维剩碳层更致密。TG-DTG和剩碳率分析显示:钠离子、镁离子和锌离子改性纤维的热降解最大速率温度分别为368.9℃、440.9℃和442.7℃,其中Mg2+和Zn2+螯合由于促进较为稳定的分子内或分子间环状结构生成,从而延缓纤维热降解速率,使热稳定性进一步提高,三者700℃时剩碳量从33.87%分别提高至42.76%和50.12%。相应地,钠离子、镁离子和镁离子三种改性纤维LOI值也从29%提高至33%和37%。进一步地,本课题通过TG-DTG测试手段,以Kissinger法对金属离子改性纤维进行了热降解动力学的研究。结果表明:随着升温速率的提高,纤维最大热降解速率温度逐渐提高,其热降解活化能排序为:锌离子改性纤维（145.40kj/mol）>镁离子改性纤维（89.38kj/mol）>钠离子改性纤维（78.78kj/mol）,这与三种改性纤维的阻燃性能相一致。根据研究,上述改性纤维的阻燃机理可认为:肼改性纤维是中断热交换阻燃和凝聚相阻燃两者作用为主;而钠离子改性纤维是以中断热交换阻燃机理和气相阻燃机理为主,镁离子和锌离子改性纤维的阻燃则表现出中断热交换阻燃、气相阻燃以及凝聚相三者协同作用的特征,阻燃效果也相对较好。不过,以改性纤维的力学性能和阻燃性能综合评价,镁离子改性纤维极限氧指数可达33%,纤维断裂强度为1.95cN/dtex,回潮率也能保持18.7%,因而更适合作为环境友好型聚丙烯腈阻燃纤维进一步发展。