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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