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第1章 聚丙烯腈基碳纤维的发展及制备工艺1

1.1 引言1

1.2 聚丙烯腈基碳纤维的发展1

1.3 聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺11

参考文献15

第2章 丙烯腈共聚合工艺19

2.1 引言19

2.2 共聚单体的选择19

2.3 溶液聚合22

2.3.1 溶剂的选择22

2.3.2 引发剂对聚合反应速率的影响22

2.3.3 单体浓度对聚合反应的影响23

2.3.4 反应温度和时间对聚合反应的影响24

2.3.5 共聚单体对聚合反应的影响26

2.3.6 共聚单体对纺丝原液落球黏度的影响27

2.3.7 共聚单体对聚合物相对分子质量的影响29

2.4 水相沉淀聚合29

2.4.1 丙烯腈在单体相和水相的分离31

2.4.2 单体浓度对聚合反应的影响32

2.4.3 引发剂浓度对聚合反应的影响33

2.4.4 反应温度对聚合反应的影响34

2.4.5 反应时间对聚合反应的影响35

2.4.6 单体配比对聚合反应及聚合物组成的影响37

2.4.7 相对分子质量调节剂对聚合反应的影响39

2.4.8 复合引发体系对聚合反应的影响41

2.5 水相悬浮聚合42

2.5.1 反应温度对聚合反应的影响43

2.5.2 引发剂浓度对聚合反应的影响44

2.5.3 单体浓度对聚合反应的影响44

2.5.4 单体配比对聚合反应的影响45

2.5.5 分散剂对聚合反应的影响46

2.5.6 搅拌速率对聚合反应的影响48

2.6 混合溶剂沉淀聚合48

2.6.1 混合溶剂配比对聚合反应的影响49

2.6.2 反应温度对聚合反应的影响50

2.7 丙烯腈共聚物的溶液性能50

2.7.1 聚合物的溶解理论51

2.7.2 丙烯腈共聚物的稀溶液特性52

2.7.3 丙烯腈共聚物的浓溶液流变特性54

2.7.4 聚丙烯腈溶液的动态流变行为68

参考文献72

第3章 丙烯腈共聚物结构分析77

3.1 引言77

3.2 单体竞聚率78

3.2.1 单体竞聚率的测算方法78

3.2.2 共聚体系对单体竞聚率的影响81

3.3 聚合反应速率86

3.3.1 聚合反应速率方程的建立86

3.3.2 引发剂对聚合反应速率的影响87

3.3.3 混合溶剂配比对聚合反应速率的影响90

3.3.4 聚合反应活化能91

3.4 共聚物组成与序列结构分析94

3.4.1 共聚物组成94

3.4.2 共聚物序列结构分析97

3.4.3 丙烯腈共聚物的蒙特卡罗模拟102

3.4.4 由模拟结果讨论聚丙烯腈的合成109

3.5 共聚物结构与性能的表征109

3.5.1 红外光谱分析109

3.5.2 示差扫描量热分析114

3.5.3 X射线衍射分析118

3.5.4 激光拉曼散射光谱分析119

3.5.5 核磁共振分析120

3.5.6 元素分析122

参考文献124

第4章 聚丙烯腈初生纤维凝固成形127

4.1 引言127

4.2 凝固过程的传质和双扩散127

4.2.1 湿法纺丝凝固成形过程127

4.2.2 湿法纺丝中扩散过程理论模型的建立130

4.2.3 PAN/DMSO/H2O三元体系传质计算133

4.2.4 扩散活化能138

4.2.5 扩散方程的数值计算139

4.2.6 扩散过程的数值模拟143

4.3 凝固过程中的相分离149

4.3.1 聚合物／溶剂／凝固剂体系的热力学模型150

4.3.2 体系相互作用参数151

4.3.3 三元相图的计算与讨论156

4.4 湿法纺丝凝固成形工艺162

4.4.1 凝固时间对初生纤维结构与性能的影响162

4.4.2 凝固浴浓度对初生纤维结构与性能的影响164

4.4.3 凝固浴温度对初生纤维结构与性能的影响168

4.4.4 凝固浴表观牵伸率对初生纤维结构与性能的影响172

4.4.5 凝固浴长度对初生纤维结构与性能的影响174

4.4.6 原液固含量对初生纤维结构与性能的影响176

4.5 干喷湿纺凝固成形过程177

4.5.1 干喷湿纺中初生纤维的结晶行为179

4.5.2 干喷湿纺中初生纤维的力学性能182

参考文献184

第5章 聚丙烯腈纤维的加工处理188

5.1 引言188

5.2 预牵伸189

5.3 水洗195

5.4 沸水牵伸199

5.5 上油200

5.6 致密化208

5.7 蒸汽牵伸213

5.8 热定型219

参考文献220

第6章 聚丙烯腈纤维的结构与性能224

6.1 引言224

6.2 聚丙烯腈的分子链结构225

6.3 聚丙烯腈纤维的结晶226

6.3.1 纺丝过程中聚丙烯腈纤维的结晶230

6.3.2 聚丙烯腈纤维的小角X射线散射239

6.3.3 温度和牵伸对聚丙烯腈纤维晶体结构的影响241

6.4 聚丙烯腈纤维的原纤结构248

6.4.1 聚丙烯腈纤维原纤化248

6.4.2 聚丙烯腈纤维的超声蚀刻250

6.4.3 纺丝过程中聚丙烯腈纤维原纤结构的变化260

6.5 聚丙烯腈纤维的微观结构264

6.6 聚丙烯腈纤维的性能270

参考文献274

第7章 聚丙烯腈纤维的预氧化278

7.1 引言278

7.2 预氧化设备及温度设定279

7.3 预氧化过程中聚丙烯腈纤维的热行为281

7.3.1 共聚单体对原丝热行为的影响281

7.3.2 环境气氛对原丝热行为的影响284

7.3.3 升温速率对原丝热行为的影响286

7.3.4 环化反应的诱导期289

7.3.5 不同聚丙烯腈纤维的热行为292

7.4 预氧化过程中聚丙烯腈纤维的化学反应294

7.4.1 化学结构转变294

7.4.2 反应动力学303

7.4.3 化学结构转变分析306

7.5 预氧化过程中纤维张力的变化309

7.5.1 聚丙烯腈原丝在无约束状态下的热收缩行为309

7.5.2 预氧化牵伸对纤维张力的影响312

7.5.3 原丝性能对纤维张力的影响316

7.5.4 预氧化温度和时间对纤维张力的影响319

7.6 预氧化过程中纤维成分的变化322

7.6.1 预氧化温度和时间对纤维成分的影响323

7.6.2 原丝组分和线密度对纤维成分的影响329

7.7 预氧化程度的表征332

7.8 氧的扩散机理336

参考文献339

第8章 预氧化纤维的结构与性能344

8.1 引言344

8.2 预氧化纤维的表面和断面形貌345

8.3 预氧化过程中纤维结构的变化347

8.4 预氧化纤维皮芯结构的形成352

8.4.1 预氧化工艺对皮芯结构的影响352

8.4.2 原丝横截面形状和线密度对皮芯结构的影响357

8.5 预氧化纤维的密度359

8.6 预氧化纤维的力学性能362

参考文献363

第9章 预氧化纤维的碳化366

9.1 引言366

9.2 预氧丝碳化过程中的热行为367

9.2.1 预氧丝的DSC和TG分析367

9.2.2 预氧化程度对低温碳化放热行为的影响368

9.2.3 加热气氛对预氧丝低温碳化放热行为的影响369

9.2.4 加热速率对预氧丝低温碳化放热行为的影响371

9.2.5 预氧丝高温碳化吸热行为373

9.3 预氧丝在碳化过程中的化学反应374

9.4 碳化焦油的分析、形成机理、消除及控制379

9.4.1 碳化焦油的分析及形成机理379

9.4.2 碳化焦油的消除及控制389

9.5 预氧丝在碳化过程中的收缩和应力变化398

参考文献407

第10章 碳纤维的结构与性能410

10.1 引言410

10.2 碳化过程中纤维结构的变化410

10.3 碳纤维的结构模型438

10.4 碳纤维结构与性能的相关性442

10.5 碳化工艺对碳纤维性能的影响452

10.5.1 碳化温度对碳纤维性能的影响452

10.5.2 牵伸对碳纤维性能的影响456

10.5.3 碳化纤维元素含量和密度的变化457

参考文献459

第11章 石墨纤维的结构与性能462

11.1 引言462

11.2 石墨的结构462

11.3 石墨化过程中碳纤维结构的变化464

11.4 高温石墨化过程中碳纤维性能的变化479

11.5 催化石墨化485

参考文献490

第12章 聚丙烯腈基碳纤维的应用493

12.1 引言493

12.2 碳纤维在航天领域的应用498

12.2.1 世界碳纤维复合材料在航天领域的应用498

12.2.2 我国碳纤维复合材料在航天领域的应用506

12.3 碳纤维在航空领域中的应用507

12.4 碳纤维在其他工业领域的应用512

12.4.1 汽车、火车512

12.4.2 建筑工业516

12.4.3 生物医用517

12.4.4 电力工业519

12.4.5 油田工业534

12.4.6 工业污水净化540

参考文献542

附录 缩略语表544