聚丙烯腈碳纤维原丝水洗控制方法研究

黄大明，王炜，黄国刚，刘艳艳，2，邹秀娟

(1.威海拓展纤维有限公司，山东 威海 264200；2.内蒙古光威碳纤有限公司，内蒙古 包头 014000；3.空军装备部驻青岛地区军事代表局，山东 青岛 266000)

0 引言

聚丙烯腈碳纤维原丝水洗的目的是洗掉残留在丝条中的溶剂，水洗效率决定了水洗后丝条的残留溶剂量。如果残留溶剂过多，会产生诸多弊端，如使单丝之间局部并丝，使丝束整体发硬，手感差；在预氧化过程中，二甲基亚砜的塑化作用使预氧化单丝之间发生融并；原丝、预氧丝局部并丝会影响丝条的截面形貌。这些弊端直接影响碳纤维的质量，因此水洗的效率越高越好，水洗后残留溶剂越少越好。为了提高水洗效果，拍打式水洗可在水槽中加笼辊或多角形辊，利用丝束的张紧和松弛的交替变化加，快丝束内水的置换速度，是一种较好的水洗方法。

1 实验材料和方法

1.1 材料

丙烯腈：纯度≥99.5%，上海赛科石油化工有限责任公司；衣康酸：纯度≥99.5%，青岛科海生物有限公司；丙烯酸甲酯：纯度≥99.5%，青州贝特化工有限公司；偶氮二异庚腈：纯度≥98%，淄博春旺达化工有限公司。

1.2 实验方法

丙烯腈、衣康酸、丙烯酸甲酯按摩尔比为98 ∶1 ∶1，引发剂为偶氮二异庚腈，配料聚合后，经过脱单、脱泡的纺丝液通过计量泵输送，由喷丝板进入凝固浴中凝固，然后经过水洗、热牵、上油、干燥、蒸牵，得到原丝后，经过氧化、碳化、表面处理后得到碳纤维(图1)。生产流程中，其他工序不变，以拍打式进行水洗，调整水洗参数，对比水洗效果。

图1 生产流程示意图

1.3 主要仪器与设备

X射线衍射仪：D/MAX 2500，日本理学公司；万能材料试验机：5566，美国英斯特朗公司；紫外分光光度计：UV-1800紫外可见分光光度计，岛津仪器有限公司。

1.4 分析测试

(1)膨润度：取约10 g的丝条，将丝条在流动的纯水中清洗30 min；在离心脱水机中脱掉丝条表面附着的水和单丝之间夹附的水，转速2 000 r/min，离心时间15 min，称其重量为m1；放入120℃烘箱中干燥2 h，冷却后称其重量为m0；按照下式计算丝条的膨润度：

膨润度=(m1-m0)/m0×100%

(2)二甲基亚砜残留浓度：配制不同浓度的二甲基亚砜标准溶液，采用紫外分光光度法进行测定，得出二甲基亚砜溶液标准曲线，取样得到不同水洗条件的原丝进行测试，对照标准曲线，得出不同条件原丝中的二甲基亚砜残留浓度。

(3)取向度：对样品进行赤道线方向的扫描，扫描速度为4 °/min，扫描范围为5～30 °；得到该样品的2θ≈16.8 °衍射峰(100面)的精准位置2θ*。将X射线计数器，样品的位置预先设置到赤道2θ*处；进行相位角扫描，扫描速度为8 °/min，扫描范围Ф=90 °～270 °。数据处理后，带入公式fc=(180-H)/180×100%(fc为晶区取向因子，H为方位角扫描峰的半峰高)，求出晶区取向函数。

(4)碳纤维强度：按照GB/T 3362—2017进行复丝试样制备，并在万能材料试验机上进行碳纤维的强度测试。

2 结果与讨论

2.1 张力大小对二甲基亚砜残留量的影响

控制水洗流量1 m3/h、水洗温度60 ℃、水洗时间1.2 min等条件，改变水洗过程中张力大小，同时保持各段水洗张力相同。如图2所示，随着水洗张力的增大，纤维的二甲基亚砜残留量先变小后变大，这表明水洗效果随着张力的增大先减小；张力达到2.5 cN/dtex时，二甲基亚砜残留量达到最小，此时水洗效果最好。

图2 水洗张力值对二甲基亚砜残留量的影响

2.2 张力先大后小情况对二甲基亚砜残留量对比

控制水洗流量1 m3/h、水洗温度60 ℃、水洗时间1.2 min等条件，调节水洗过程中张力大小，张力分布见表1。不同张力分布的二甲基亚砜残留量如图3所示。从图3中可以看出，条件b水洗后二甲基亚砜残留量最小，说明此时水洗效果最好。

表1 不同张力条件对应的水洗张力

图3 水洗张力分布对二甲基亚砜残留量的影响

2.3 张力条件对原丝取向度的影响

控制水洗流量1 m3/h、水洗温度60 ℃、水洗时间1.2 min等条件，调节水洗过程中张力大小。张力分布按表2中条件得到相应原丝，并测试其取向度结果。从表2中数据可以得出，条件b所得取向度较高，条件a所得取向度略小于条件b，条件c所得取向度明显小于条件b，说明条件b更有利于原丝取向。

表2 不同水洗张力条件对原丝取向度的影响

2.4 张力条件对碳纤维强度的影响

控制水洗流量1 m3/h、水洗温度60 ℃、水洗时间1.2 min等条件，调节水洗过程中张力大小。张力分布按表1中条件得到相应原丝，经过预氧化、碳化后对相应碳纤维进行强度测试，其结果见表3。从表3中数据可以得出，条件b所得碳纤维强度较高，条件a所得碳纤维强度略小于条件b，条件c所得碳纤维强度明显小于条件b，说明条件b更有利于碳纤维强度的提高，该结果与原丝取向结果一致。

表3 不同水洗张力条件的碳纤维强度比较

3 结论

聚丙烯腈碳纤维原丝拍打式水洗过程中，施加的水洗张力大小会影响原丝生产过程中的二甲基亚砜残留量，张力达到2.5 cN/dtex时，二甲基亚砜残留量达到最小，此时水洗效果最好。水洗控制过程中按照水洗1至水洗8张力由0.5 cN/dtex逐渐增至2.5 cN/dtex，所得原丝取向度达到93.4%，相比其他方法强度提高约300 MPa。