全流程角度探討PAN基碳纖維油劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

尚武林，王娣，羅明豐，朱龍超，高明磊，崔麗敏

(連云港神鷹復(fù)合材料科技有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 前言

聚丙烯腈(PAN)基碳纖維是1960年代迅速發(fā)展起來(lái)的新型材料，因其具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨、抗疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等優(yōu)異性能，而被廣泛應(yīng)用于軍工及航空航天等高端領(lǐng)域[1]。但是碳纖維屬于脆性材料，缺陷是制約其拉伸強(qiáng)度的主要因素。在各類缺陷中其表面缺陷約占90%，是斷裂之源，且同樣大小的缺陷，表面缺陷對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響也要大于內(nèi)部缺陷。質(zhì)量好的油劑和合理的上油工序是防止產(chǎn)生表面缺陷的有效手段[2]。全國(guó)特種合成纖維信息中心的羅益鋒調(diào)查了1980年以來(lái)國(guó)外50家單位所發(fā)表的800篇有關(guān)PAN原絲、碳纖維及輔料專利發(fā)現(xiàn)，2003年以來(lái)涉及原絲油劑的專利占到第二位[3]，且東麗在T1000的8項(xiàng)授權(quán)專利中紡絲油劑的占了5項(xiàng)[4]。油劑是生產(chǎn)高性能聚丙烯腈(PAN)原絲的重要輔劑，對(duì)提高碳纖維強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率為0.5～1.0 GPa[5]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)產(chǎn)碳纖維迎來(lái)了快速發(fā)展，自給自足率得到明顯提升，已經(jīng)可以滿足普通民用等領(lǐng)域的基本需求。但是我國(guó)碳纖維還存在較多問(wèn)題，例如原絲中金屬與非金屬等雜質(zhì)含量高，毛絲多、分纖性差、易粘連、力學(xué)性能差、變異系數(shù)大等，因此制備碳纖維原絲專用油劑是當(dāng)務(wù)之急[6]。

檢索文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)2000年以后才開(kāi)始出現(xiàn)大量有關(guān)碳纖維油劑的相關(guān)研究性工作，涉及油劑的種類、作用、制備方法及上油工藝等內(nèi)容。但是截至目前國(guó)內(nèi)能批量應(yīng)用的油劑體系與國(guó)外仍有一定差距，本文將從實(shí)踐角度出發(fā)，全流程探討涉及碳纖維專用油劑原料、油劑自身、原絲、預(yù)氧絲及碳纖維等各階段與油劑的相關(guān)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法，以期對(duì)國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維專用油劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用起到一定助推作用。

1 碳纖維油劑概述

PAN基碳纖維的生產(chǎn)一般都要經(jīng)過(guò)原絲的生產(chǎn)以及原絲的預(yù)氧化、碳化兩個(gè)步驟，且原絲的生產(chǎn)更為重要，這也是造成目前國(guó)產(chǎn)碳纖維性能不及進(jìn)口碳纖維性能的最關(guān)鍵因素。如圖1所示，原絲生產(chǎn)時(shí)需要上油，原絲上油時(shí)既需要在表面形成一定厚度的均勻薄膜，又要盡可能地減少油劑對(duì)纖維的浸入。因此為了抑制油劑的浸透，一般采用兩步上油方式，即在干燥致密化之前(第一道)和之后(第二道)進(jìn)行上油。第一道上油量少，油劑含量控制在0.01%～0.1%之間，避免油劑深入纖維內(nèi)部；第二道上油量較多，油劑含量一般控制在0.1%～1.0%之間，可達(dá)到對(duì)纖維表面的充分保護(hù)，有利于后續(xù)牽伸。原絲上油前要嚴(yán)格控制其膨潤(rùn)度，一般控制在100%以下，假如膨潤(rùn)度過(guò)大，意味著絲條的孔隙度高，溶劑容易進(jìn)入內(nèi)部，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響[7]。

圖1 上油工序在PAN基碳纖維生產(chǎn)工藝流程中的位置[8]

油劑的質(zhì)量和上油工序直接影響原絲和碳纖維質(zhì)量。上油的方式多樣，可分為噴淋式、接觸式、浸漬式導(dǎo)管給油式等[9]。其中以浸漬式的上油方式最為常見(jiàn)，如圖2所示為典型的浸漬式油槽上油示意圖，油槽中液位通過(guò)溢流保持平衡，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)回流循環(huán)油劑的濃度來(lái)控制上油濃度，保證油劑均一穩(wěn)定。

圖2 油槽浸漬法上油控制系統(tǒng)[10]1—油劑儲(chǔ)罐 2—油劑混合罐 3—上油槽4—油劑濃度檢系統(tǒng) 5—油劑循環(huán)泵

油劑的主要作用是在纖維表面形成一層厚度均勻的薄膜，可有效防止或消除因摩擦產(chǎn)生的靜電，降低摩擦系數(shù)；并賦予纖維平滑、柔軟等特性，使纖維具有適當(dāng)?shù)募?、牽伸性、分纖性、可紡性、抗氧化性與耐熱性，能順利通過(guò)預(yù)氧化與低溫碳化等過(guò)程，保護(hù)纖維表面不產(chǎn)生熱粘連或熱融并現(xiàn)象。

高性能碳纖維油劑多為硅系油劑，特別是聚二甲基硅氧烷為母體的改性油劑。其中較適宜的配方有：環(huán)氧改性硅油7%～9%，氨基改性硅油14%～16%，聚醚改性硅油14%～18%，聚醚非離子型表面活性劑9%～11%，余量為去離子水[11]。環(huán)氧改性硅油賦予原絲適當(dāng)?shù)哪蜔嵝?、集束性，其含量增加，油劑的耐熱性、集束性及黏度增大，比電阻及摩擦系?shù)基本保持不變，潤(rùn)濕性及穩(wěn)定性降低。氨基改性硅油賦予原絲適當(dāng)?shù)钠交约澳Σ列?，其含量增加，可使油劑的電阻、摩擦因素逐漸減小。聚醚改性硅油增大了油劑的潤(rùn)濕性，也能促使油劑與水形成均勻的乳液，能使紡絲順利進(jìn)行，避免毛絲、斷頭等現(xiàn)象產(chǎn)生，且有利于配置成更加穩(wěn)定的乳液，利于長(zhǎng)期儲(chǔ)存；但是其含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致耐熱性下降，含量少則潤(rùn)濕性差。聚醚非離子型活性劑可以乳化改性硅油，使改性硅油分散在水中形成乳液，但是含量增加會(huì)降低油劑的耐熱性及集束性。

油劑的復(fù)配方式主要有兩種：一種是單一系列硅油乳化后按照一定比例進(jìn)行，加入各種不需要乳化的功能組分、助劑稀釋，攪拌均勻即可；另一種是將改性后的硅油按照投料比混合后再進(jìn)行同批次乳化，乳化完成后加入功能組分、助劑稀釋即可。就工業(yè)化生產(chǎn)而言，第二種方法更具優(yōu)勢(shì)[4 ]。一般乳液的制備方法有三種：一是加入水中法，將聚醚乳化劑和聚醚改性硅油加入水中再逐漸加入改性硅油，并不斷進(jìn)行攪拌；二是加入油中法，將聚醚乳化劑和聚醚改性硅油與水混合均勻后再加入其它改性硅油中，同時(shí)不斷攪拌；三是交替加法，先將聚醚乳化劑和聚醚改性硅油加入水中，在不斷攪拌的情況下交替加水及改性硅油。一般工業(yè)化生產(chǎn)以加入油中法及交替加法為主，加入油中法由于改性硅油黏度比較大，初期攪拌比較困難，交替加法可以避免此缺點(diǎn)[12]。

表1 同乳化方法制備乳液的性能對(duì)比

2 碳纖維油劑的全流程分析與評(píng)價(jià)

碳纖維油劑的開(kāi)發(fā)首先要從油劑組分的選擇開(kāi)始，比較快速的方法就是從市面上篩選現(xiàn)有的改性硅油及相應(yīng)助劑，然后再?gòu)?fù)配乳化制得水包油式的碳纖維油劑體系，此時(shí)制得的油劑體系濃度一般在30%左右，在原絲上油前還要現(xiàn)勾兌去離子水稀釋成1%左右的水乳液才能使用。油劑的使用對(duì)紡絲、預(yù)氧化、碳化及最終成品碳纖維都會(huì)產(chǎn)生影響。下面將從全流程角度探討碳纖維油劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容。

2.1 油劑組分的分析與評(píng)價(jià)

碳纖維用油劑是碳纖維原絲紡絲及后加工處理的重要助劑，其成分是以改性硅油、表面活性劑為主體，其他還包括抗靜電劑、平滑劑、乳化劑等，還可以根據(jù)碳纖維原絲的不同性能要求添加防銹劑、抗氧劑以及去離子水等。油劑組分在選擇時(shí)要對(duì)原材料的穩(wěn)定性、雜質(zhì)含量等進(jìn)行嚴(yán)格控制。穩(wěn)定性方面可以通過(guò)對(duì)各廠家油劑組分的顏色、黏度、分子量以及紅外圖譜等多角度指標(biāo)評(píng)價(jià)的積累逐漸建立較全面的數(shù)據(jù)庫(kù)，再形成規(guī)律及制定相關(guān)的進(jìn)料檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還要求各油劑組分盡可能純凈，尤其是要嚴(yán)控各種金屬離子的含量，最好控制在100 mg/kg以下。金屬離子會(huì)影響原絲預(yù)氧化的進(jìn)程，還會(huì)作為雜質(zhì)殘留在纖維中，影響碳纖維質(zhì)量。重要組分的具體要求闡述如下。

(1)環(huán)氧改性硅油：優(yōu)選采用脂環(huán)式化合物，以提高與原絲的親水性；優(yōu)選改性環(huán)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)以環(huán)氧基計(jì)算為0.001～0.05，不足0.001時(shí)，原絲的親水性差，上油不均勻，不易成膜，超過(guò)0.05耐熱性下降；優(yōu)選黏度為2×10-3～10-2m2/s，小于2×10-3m2/s時(shí)耐熱性差，大于10-2m2/s時(shí)在水中分散性差；優(yōu)選耐熱殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2以上，最好在0.3以上；與PAN膜的接觸角小于20 ℃。

(2)氨基改性硅油：優(yōu)選改性氨基質(zhì)量分?jǐn)?shù)以端封氨基計(jì)算為0.001～0.05，不足0.001時(shí)油劑的親水性差，超過(guò)0.05時(shí)耐熱性下降；優(yōu)選黏度為10-3～5×10-3m2/s(25 ℃)，Si/C比應(yīng)在0.01%以上(ESCA測(cè)量)，熱交聯(lián)度(膠化率)在20%以上，與均聚PAN膜的接觸角小于40 °。

(3)聚醚改性硅油：優(yōu)選聚合度在5～25之間，超過(guò)25耐熱性下降；優(yōu)選質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2～0.7之間，小于0.2時(shí)自乳化性差，大于0.7時(shí)耐熱性下降；優(yōu)選黏度在3×10-4～10-3m2/s之間，改性后應(yīng)具有優(yōu)良的親水性和自乳化性，與PAN膜的接觸角在10 °以下。

2.2 油劑的性能及評(píng)價(jià)

(1)油劑的穩(wěn)定性：油劑乳液的穩(wěn)定性要滿足工藝性需求，一般要求越穩(wěn)定越好，否則可能會(huì)導(dǎo)致油劑不能使用。評(píng)價(jià)方法可以采用高速離心法，如將油劑置于10 mL的離心管中，并在5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心1 h，再目測(cè)觀察離心前后乳化后的油劑是否分層等變化，如不分層則說(shuō)明油劑具有較好的穩(wěn)定性。

(2)油劑的粒度：油劑乳液的粒度一般要求小于0.5 μm，最好在0.2 μm以下，但是不是越小越好，原絲的粒度大小與原絲的表面狀態(tài)也有關(guān)系；上油時(shí)要盡量避免油劑通過(guò)原絲表面的微孔等缺陷擴(kuò)散進(jìn)入原絲內(nèi)部。由于在干燥致密化時(shí)微孔和裂縫就會(huì)融合，而使擴(kuò)散到內(nèi)部的油劑難以揮發(fā)出來(lái)，進(jìn)而造成原絲內(nèi)部缺陷，影響碳纖維性能；所以油劑乳液的粒徑大于表面微孔缺陷的尺寸，在一定程度上有助于抑制油劑向原絲內(nèi)部擴(kuò)散；但是粒徑過(guò)大，又會(huì)導(dǎo)致油劑難以充分浸潤(rùn)絲束內(nèi)部，附著在纖維表面的油膜穩(wěn)定性變差，使其防粘隔離的性能變差，會(huì)導(dǎo)致粘連和并絲現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(3)油劑的浸潤(rùn)性：一般要求油劑要對(duì)PAN原絲具有膠合的浸潤(rùn)性，從而可以快速地在纖維表面形成較均勻的保護(hù)膜；最直接的方式是采用接觸角測(cè)試儀直接測(cè)量油劑乳液與PAN膜的接觸角，一般要求接觸角小于40 °；間接的方式是采用帆布沉降法測(cè)試浸潤(rùn)時(shí)間，方法是將直徑相同的帆布筒垂直放入盛有油劑水溶液的燒杯中，用秒表記錄帆布從投入到完全沉降至燒杯底部所需要的時(shí)間，時(shí)間越短越好；還可以通過(guò)測(cè)試油劑表面張力的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用表面張力儀進(jìn)行測(cè)量，表面張力越小則油劑越容易在纖維表面浸潤(rùn)。

(4)油劑的耐熱性：一般要求油劑在預(yù)氧化及低溫碳化時(shí)有一定的耐熱性，最好耐熱殘留量在30%以上，但也不是越高越好，最終還要在高溫碳化時(shí)能徹底將其除去，以免對(duì)碳纖維力學(xué)性能造成影響。耐熱性一般通過(guò)測(cè)量耐熱殘留量進(jìn)行評(píng)價(jià)，方法是稱取1 g油劑在100 ℃下干燥至恒定重量，冷卻至室溫，再稱取15 mg干燥后的油劑，將其放在流動(dòng)空氣狀態(tài)下加熱到180 ℃持續(xù)加熱1 h測(cè)定殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)r1，再在氮?dú)鈿夥罩屑訜岬?70 ℃持續(xù)加熱30 s測(cè)試殘留質(zhì)量分?jǐn)?shù)r2。r1相當(dāng)于預(yù)氧化環(huán)境，數(shù)值高說(shuō)明預(yù)氧化時(shí)抗氧化性好；r2相當(dāng)于低溫碳化，數(shù)值低說(shuō)明揮發(fā)性好，不會(huì)因?yàn)闅埩魧?dǎo)致粘連或并絲而引起表面缺陷。此外，還可以通過(guò)差示掃描量熱儀(DSC)法評(píng)價(jià)油劑的耐熱性，通過(guò)熱失重曲線觀察會(huì)更加直觀。

(5)油劑的灰分：含硅油劑高溫灼燒后，主要以SiO2形式存在于灰分中，灰分高意味著相應(yīng)的硅含量也高。灰分過(guò)高會(huì)造成碳化階段排廢不暢，堵塞排廢口，影響碳纖維生產(chǎn)的正常進(jìn)行，同時(shí)還會(huì)對(duì)最終碳纖維的性能造成影響，所以要求油劑本身的灰分越小越好。油劑灰分可以采用稱重的方法進(jìn)行測(cè)量，具體方法是將樣品在60～75 ℃下干燥3 h，同時(shí)將坩堝在120 ℃條件下干燥1 h稱重m0，用坩堝稱取樣品后的總重m1，連同樣品放入馬弗爐中升溫至900 ℃灰化10 h，降溫6 h再次稱量坩堝重量m2，灰分重量分?jǐn)?shù)為(m2-m0)/(m1-m0)。

(6)油劑的耐酸堿性：由于油劑復(fù)配后是高濃度乳液，還需要稀釋，在上油時(shí)又長(zhǎng)期暴露于空氣中，環(huán)境等介質(zhì)因素可能會(huì)導(dǎo)致乳液pH值的變化從而影響其穩(wěn)定性，所以評(píng)價(jià)油劑對(duì)外部酸堿環(huán)境的穩(wěn)定性也有一定必要性。評(píng)價(jià)方法是將1滴油劑乳液加入到15 mL 40%的NaOH或15 mL 5%的HCl溶液中，再用玻璃棒不斷攪拌并觀察油劑的狀態(tài)，假如還能保持穩(wěn)定的乳液狀態(tài)并且長(zhǎng)時(shí)間無(wú)明顯變化，則說(shuō)明油劑具有較好的耐酸堿性。

其他評(píng)價(jià)指標(biāo)還有油劑的成膜性、油劑膜的強(qiáng)度、油劑的pH值等，比如成膜性好則纖維表面油膜厚度均勻性好，油劑膜強(qiáng)度好則耐磨性好，在開(kāi)發(fā)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇性評(píng)價(jià)。

2.3 油劑對(duì)原絲的影響及評(píng)價(jià)

(1)原絲含油量：含油量是原絲的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，一般要求控制在1%左右；同時(shí)根據(jù)纖維表面狀態(tài)的不同要求還會(huì)有所區(qū)別，比如干噴濕紡工藝制備的纖維表面較光滑、表面缺陷較少及浸潤(rùn)性好，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以將油劑含量控制得偏低一些[4]。原絲含油量不能過(guò)低也不能過(guò)高，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致油劑對(duì)纖維的保護(hù)性不足；過(guò)高會(huì)導(dǎo)致油劑在原絲表面堆積，后續(xù)牽伸會(huì)形成層疊，影響最終碳纖維的性能。同時(shí)過(guò)多的油劑在后續(xù)預(yù)氧化及碳化時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的揮發(fā)物，從而對(duì)爐膛及管道等造成污染及堵塞等不利影響。原絲含油量的多少還與上油前的膨潤(rùn)度及DMSO殘留量等有關(guān)系，上油時(shí)需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)考慮。含油量可以采用蒸餾萃取的方法進(jìn)行測(cè)量，首先測(cè)量蒸餾燒瓶干燥后重量G0，原絲干燥后重量g0，萃取后蒸餾燒瓶連同油劑在105 ℃下干燥3 h重量G1，含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(G1-G0)/g0。

(2)原絲強(qiáng)度：油劑是導(dǎo)致摩擦、并絲、斷絲等現(xiàn)象的重要影響因素之一，從而對(duì)原絲的強(qiáng)度及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，故可以通過(guò)原絲的強(qiáng)度測(cè)量對(duì)油劑的性能進(jìn)行間接評(píng)價(jià)。實(shí)際生產(chǎn)中可以采用纖維強(qiáng)度儀不間斷測(cè)試原絲的強(qiáng)度，建立原絲強(qiáng)度曲線圖，從而對(duì)原絲性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

(3)原絲毛絲量：原絲的毛絲量是影響原絲性能的重要指標(biāo)之一，主要通過(guò)目視觀察的方法進(jìn)行判定，一般要求毛絲量越小越好；毛絲量大不僅對(duì)工藝性造成不利影響，還會(huì)明顯降低碳纖維的力學(xué)性能。

(4)原絲集束性：原絲要具有一定的集束性，主要是為了滿足在預(yù)氧化及碳化時(shí)便于進(jìn)爐操作等工藝性需求。行業(yè)內(nèi)一般通過(guò)以下方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先截取30 cm浸過(guò)油劑的原絲，一端用夾子固定，另一端懸掛質(zhì)量50 g的砝碼24 h，然后將原絲絲束距固定端20 cm處剪斷，觀察絲束的自然散開(kāi)情況，假如原絲沒(méi)有明顯散開(kāi)說(shuō)明集束性好。

(5)原絲分纖性：一般不僅要求原絲具有一定的集束性，還要具有較好的分纖性，主要目的是保證預(yù)氧化時(shí)纖維就能與氧氣充分接觸，環(huán)化程度高，預(yù)氧化均勻充分；可以通過(guò)測(cè)試預(yù)氧絲強(qiáng)度的方法進(jìn)行間接測(cè)量。

(6)原絲比電阻：油劑的重要作用之一就是消除絲束的靜電，避免因帶靜電而產(chǎn)生蓬松等狀態(tài)，從而導(dǎo)致集束性不好；原絲抗靜電性能的好壞可以通過(guò)測(cè)量原絲比電阻的方法進(jìn)行表征，比電阻小說(shuō)明抗靜電效果好；具體方法是取5 g上油后的原絲，在纖維比電阻儀上進(jìn)行測(cè)量。

(7)原絲摩擦系數(shù)：原絲的摩擦系數(shù)可以分為纖維與纖維之間和纖維與金屬之間兩類，上油后理論上這兩種摩擦都是相對(duì)于油劑膜的摩擦；纖維與纖維之間的摩擦系數(shù)小則原絲的平滑性好，原絲與金屬間的摩擦系數(shù)小則摩擦損傷小，不容易產(chǎn)生斷絲及毛絲等現(xiàn)象；一般要求原絲的摩擦系數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，要求摩擦系數(shù)盡可能小一些，但不是越光滑越好；絲束表面太光滑可能會(huì)導(dǎo)致在絲束卷繞時(shí)容易產(chǎn)生變形；原絲摩擦系數(shù)可以采用纖維摩擦測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)量，分為動(dòng)、靜兩種摩擦系數(shù)，一般的測(cè)試條件是測(cè)試速度250 m/min，包角180 °。

(8)原絲柔軟度：原絲的柔軟度主要對(duì)后續(xù)的工藝性產(chǎn)生影響，一般要求柔軟性在一定范圍內(nèi)，不能太柔軟也不能太硬；原絲的柔軟度與油劑的性質(zhì)及含油量等有關(guān)系，比如含油量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致纖維間粘連并絲從而致絲束較硬；柔軟度的測(cè)量方法可采用截取一定長(zhǎng)度原絲絲束，將一端固定另外一端自然彎曲，通過(guò)測(cè)量彎曲量來(lái)快速評(píng)價(jià)原絲的柔軟度，也可以參照葛漢科等人綜述的方法進(jìn)行定性或定量評(píng)價(jià)[13]。

其他評(píng)價(jià)指標(biāo)還有稱重法測(cè)量原絲灰分，掃描電鏡法對(duì)原絲表面形貌進(jìn)行評(píng)價(jià)、差示掃描量熱儀法對(duì)纖維耐熱性進(jìn)行耐熱性評(píng)價(jià)、稱重法對(duì)原絲灰分進(jìn)行評(píng)價(jià)等，在開(kāi)發(fā)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

2.4 油劑對(duì)預(yù)氧絲的影響及評(píng)價(jià)

(1)預(yù)氧絲油劑含量：碳纖維油劑需要一定的耐熱性，尤其表現(xiàn)為在絲束預(yù)氧化結(jié)束之后纖維表面仍有一定量的油劑殘留，以便對(duì)后續(xù)纖維的碳化過(guò)程繼續(xù)提供表面保護(hù)；一般采用蒸餾萃取的方法進(jìn)行測(cè)量，將蒸餾燒瓶干燥后的重量G0，原絲干燥后的重量g0，萃取后蒸餾燒瓶連同油劑在105 ℃下干燥3 h后的重量G1，含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(G1-G0)/g0。

(2)預(yù)氧絲強(qiáng)度：油劑可以減少預(yù)氧化時(shí)的融并、毛絲等現(xiàn)象，從而對(duì)預(yù)氧絲的強(qiáng)度及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，可以通過(guò)預(yù)氧絲的強(qiáng)度測(cè)量對(duì)油劑的性能進(jìn)行間接評(píng)價(jià)；一般采用纖維強(qiáng)度儀對(duì)預(yù)氧絲的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。

(3)預(yù)氧絲截面：對(duì)預(yù)氧絲截面進(jìn)行觀察有助于判斷融并等現(xiàn)象是否存在，從而判斷油劑是否達(dá)到所需要的保護(hù)效果；可以通過(guò)電鏡的方法進(jìn)行觀察，將一束預(yù)氧絲放在哈氏切片機(jī)內(nèi)，預(yù)切出平面，涂上適量的火棉膠包埋、晾干，然后調(diào)節(jié)好切片的厚度(0.5 μm左右最好)，薄片鋪在載玻片上，滴上甘油，壓上蓋玻片，再在顯微鏡下觀察。

2.5 油劑對(duì)碳纖維的影響及評(píng)價(jià)

(1)碳纖維灰分：油劑是影響碳纖維灰分的重要因素之一，應(yīng)建立批次間碳纖維灰分的曲線圖以對(duì)生產(chǎn)原材料及工藝參數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行不間斷監(jiān)控；可以采用稱重的方法進(jìn)行測(cè)量，具體方法是將樣品在60～75 ℃下干燥3 h，同時(shí)將坩堝在120 ℃條件下干燥1 h稱重m0，用坩堝稱取樣品后的總重m1，連同樣品放入馬弗爐中升溫至900 ℃灰化10 h，降溫6 h后再次稱量坩堝重量m2，灰分重量分?jǐn)?shù)為(m2-m0)/(m1-m0)。

(2)碳纖維色差：油劑會(huì)對(duì)成品碳纖維絲束的外觀顏色產(chǎn)生影響，一般要求碳纖維的外觀顏色也要穩(wěn)定，尤其針對(duì)3 K碳纖維織物等作為復(fù)合材料外觀件時(shí)。雖然強(qiáng)度等指標(biāo)能滿足客戶要求，但是色差比較明顯也可能導(dǎo)致客戶退貨，因此在生產(chǎn)時(shí)要引起足夠重視。

(3)碳纖維強(qiáng)度：力學(xué)性能是碳纖維最重要的指標(biāo)，油劑對(duì)提高碳纖維強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率為0.5～1.0 GPa，油劑的性能及其工藝好壞在一定程度上對(duì)碳纖維的強(qiáng)度及工藝性產(chǎn)生重要影響，因此碳纖維強(qiáng)度的好壞是決定油劑優(yōu)劣的決定性指標(biāo)；碳纖維的強(qiáng)度測(cè)試一般采用國(guó)標(biāo)“碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法”進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 展望

進(jìn)入“十三五”以來(lái)國(guó)產(chǎn)碳纖維的發(fā)展進(jìn)入了快車道，產(chǎn)量和質(zhì)量都得到明顯提升，在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率也達(dá)到了30%以上。但是國(guó)產(chǎn)碳纖維還存在較多問(wèn)題，例如原絲中金屬與非金屬等機(jī)械雜質(zhì)含量高，毛絲多、分纖性差、易粘連、力學(xué)性能差、變異系數(shù)大等。因此希望國(guó)內(nèi)能加大碳纖維專用油劑的開(kāi)發(fā)力度，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，重視油劑的全流程系統(tǒng)性評(píng)價(jià)和優(yōu)化，形成相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)以探索更多規(guī)律來(lái)指導(dǎo)油劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。同時(shí)還應(yīng)更加注重原創(chuàng)性基礎(chǔ)理論研究，重視油劑新品種的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合成工作，以往單純地通過(guò)從市面上篩選相關(guān)的改性油劑組分并進(jìn)行優(yōu)化組合的方式難以達(dá)到高性能碳纖維專用油劑的需要。尤其是國(guó)產(chǎn)碳纖維向著更高強(qiáng)及高模方向發(fā)展時(shí)，油劑是必須要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。