聚丙烯腈碳纖維原絲水洗控制方法研究

黃大明，王煒，黃國剛，劉艷艷，2，鄒秀娟

(1.威海拓展纖維有限公司，山東 威海 264200；2.內(nèi)蒙古光威碳纖有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000；3.空軍裝備部駐青島地區(qū)軍事代表局，山東 青島 266000)

0 引言

聚丙烯腈碳纖維原絲水洗的目的是洗掉殘留在絲條中的溶劑，水洗效率決定了水洗后絲條的殘留溶劑量。如果殘留溶劑過多，會產(chǎn)生諸多弊端，如使單絲之間局部并絲，使絲束整體發(fā)硬，手感差；在預氧化過程中，二甲基亞砜的塑化作用使預氧化單絲之間發(fā)生融并；原絲、預氧絲局部并絲會影響絲條的截面形貌。這些弊端直接影響碳纖維的質量，因此水洗的效率越高越好，水洗后殘留溶劑越少越好。為了提高水洗效果，拍打式水洗可在水槽中加籠輥或多角形輥，利用絲束的張緊和松弛的交替變化加，快絲束內(nèi)水的置換速度，是一種較好的水洗方法。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

丙烯腈：純度≥99.5%，上海賽科石油化工有限責任公司；衣康酸：純度≥99.5%，青島科海生物有限公司；丙烯酸甲酯：純度≥99.5%，青州貝特化工有限公司；偶氮二異庚腈：純度≥98%，淄博春旺達化工有限公司。

1.2 實驗方法

丙烯腈、衣康酸、丙烯酸甲酯按摩爾比為98 ∶1 ∶1，引發(fā)劑為偶氮二異庚腈，配料聚合后，經(jīng)過脫單、脫泡的紡絲液通過計量泵輸送，由噴絲板進入凝固浴中凝固，然后經(jīng)過水洗、熱牽、上油、干燥、蒸牽，得到原絲后，經(jīng)過氧化、碳化、表面處理后得到碳纖維(圖1)。生產(chǎn)流程中，其他工序不變，以拍打式進行水洗，調整水洗參數(shù)，對比水洗效果。

圖1 生產(chǎn)流程示意圖

1.3 主要儀器與設備

X射線衍射儀：D/MAX 2500，日本理學公司；萬能材料試驗機：5566，美國英斯特朗公司；紫外分光光度計：UV-1800紫外可見分光光度計，島津儀器有限公司。

1.4 分析測試

(1)膨潤度：取約10 g的絲條，將絲條在流動的純水中清洗30 min；在離心脫水機中脫掉絲條表面附著的水和單絲之間夾附的水，轉速2 000 r/min，離心時間15 min，稱其重量為m1；放入120℃烘箱中干燥2 h，冷卻后稱其重量為m0；按照下式計算絲條的膨潤度：

膨潤度=(m1-m0)/m0×100%

(2)二甲基亞砜殘留濃度：配制不同濃度的二甲基亞砜標準溶液，采用紫外分光光度法進行測定，得出二甲基亞砜溶液標準曲線，取樣得到不同水洗條件的原絲進行測試，對照標準曲線，得出不同條件原絲中的二甲基亞砜殘留濃度。

(3)取向度：對樣品進行赤道線方向的掃描，掃描速度為4 °/min，掃描范圍為5～30 °；得到該樣品的2θ≈16.8 °衍射峰(100面)的精準位置2θ*。將X射線計數(shù)器，樣品的位置預先設置到赤道2θ*處；進行相位角掃描，掃描速度為8 °/min，掃描范圍Ф=90 °～270 °。數(shù)據(jù)處理后，帶入公式fc=(180-H)/180×100%(fc為晶區(qū)取向因子，H為方位角掃描峰的半峰高)，求出晶區(qū)取向函數(shù)。

(4)碳纖維強度：按照GB/T 3362—2017進行復絲試樣制備，并在萬能材料試驗機上進行碳纖維的強度測試。

2 結果與討論

2.1 張力大小對二甲基亞砜殘留量的影響

控制水洗流量1 m3/h、水洗溫度60 ℃、水洗時間1.2 min等條件，改變水洗過程中張力大小，同時保持各段水洗張力相同。如圖2所示，隨著水洗張力的增大，纖維的二甲基亞砜殘留量先變小后變大，這表明水洗效果隨著張力的增大先減??；張力達到2.5 cN/dtex時，二甲基亞砜殘留量達到最小，此時水洗效果最好。

圖2 水洗張力值對二甲基亞砜殘留量的影響

2.2 張力先大后小情況對二甲基亞砜殘留量對比

控制水洗流量1 m3/h、水洗溫度60 ℃、水洗時間1.2 min等條件，調節(jié)水洗過程中張力大小，張力分布見表1。不同張力分布的二甲基亞砜殘留量如圖3所示。從圖3中可以看出，條件b水洗后二甲基亞砜殘留量最小，說明此時水洗效果最好。

表1 不同張力條件對應的水洗張力

圖3 水洗張力分布對二甲基亞砜殘留量的影響

2.3 張力條件對原絲取向度的影響

控制水洗流量1 m3/h、水洗溫度60 ℃、水洗時間1.2 min等條件，調節(jié)水洗過程中張力大小。張力分布按表2中條件得到相應原絲，并測試其取向度結果。從表2中數(shù)據(jù)可以得出，條件b所得取向度較高，條件a所得取向度略小于條件b，條件c所得取向度明顯小于條件b，說明條件b更有利于原絲取向。

表2 不同水洗張力條件對原絲取向度的影響

2.4 張力條件對碳纖維強度的影響

控制水洗流量1 m3/h、水洗溫度60 ℃、水洗時間1.2 min等條件，調節(jié)水洗過程中張力大小。張力分布按表1中條件得到相應原絲，經(jīng)過預氧化、碳化后對相應碳纖維進行強度測試，其結果見表3。從表3中數(shù)據(jù)可以得出，條件b所得碳纖維強度較高，條件a所得碳纖維強度略小于條件b，條件c所得碳纖維強度明顯小于條件b，說明條件b更有利于碳纖維強度的提高，該結果與原絲取向結果一致。

表3 不同水洗張力條件的碳纖維強度比較

3 結論

聚丙烯腈碳纖維原絲拍打式水洗過程中，施加的水洗張力大小會影響原絲生產(chǎn)過程中的二甲基亞砜殘留量，張力達到2.5 cN/dtex時，二甲基亞砜殘留量達到最小，此時水洗效果最好。水洗控制過程中按照水洗1至水洗8張力由0.5 cN/dtex逐漸增至2.5 cN/dtex，所得原絲取向度達到93.4%，相比其他方法強度提高約300 MPa。