 Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2013, 3, 1-3 http://dx.doi.org/10.12677/hjcet.2013.31001 Published Online January 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjcet.html) The Study of Polyacrylonitrile Fiber Strand Oil Dong Liu, Jiagui Sun, Liang Jin, Qiufei Chen, Huaizhou Pei Zhongfushenying Carbon Fiber Co., Ltd., Lianyungang Email: liudong312500@163.com Received: Dec. 6th, 2012; revised: Dec. 26th, 2012; accepted: Jan. 3rd, 2013 Abstract: In the production process of the carbon fiber, the finish oil has an important effect on improving the per- formance of the PAN precursor and carbon fiber. Thus, the study on the finish oil and oil technology is of great signifi- cance to the industrialized production of the PAN precursor and carbon fiber. In this research, in order to improve the quality of products, from oil technology, oil equipment, oil composition, the deficiencies in the current production process were discussed. Keywords: PAN Precursor; Carbon Fiber; Finish Oil; Oil Technology 聚丙烯腈碳纤维原丝上油的研究分析 刘 栋，孙加贵，金 亮，陈秋飞，裴怀周 中复神鹰碳纤维有限责任公司，连云港 Email: liudong312500@163.com 收稿日期：2012 年12 月6日；修回日期：2012 年12 月26 日；录用日期：2013 年1月3日 摘 要：在碳纤维生产过程中，油剂对提高原丝、碳丝的性能有着重要影响，因此研究分析油剂及上油工艺对 聚丙烯腈原丝及碳纤维工业化生产具有重要意义。为了提高产品质量，本文从上油工艺、上油设备、油剂成分 等方面分析了现有生产工艺的不足。 关键词：聚丙烯腈原丝；碳纤维；油剂；上油工艺 1. 引言 碳纤维是一种新型无机纤维材料，具有高强度、 高模量、耐高温、耐疲劳等一系列优异性能[1]。聚丙 烯腈(PAN)基碳纤维是生产高性能碳纤维最有前途的 前驱体[2]，利用聚丙烯腈原丝为出发原料，经过预氧 化和碳化过程得到的碳纤维，碳纤维综合性能最好[3]。 而在原丝的制造过程中，油剂是生产高性能PAN 原丝 和碳纤维的重要辅剂，通过油剂在丝束表面均匀成 膜，有效的防止单丝之间粘连和并丝，并减少了丝束 在生产过程中与辊筒的摩擦，有效避免了纤维表面缺 陷的产生。因此，上油成为一个至关重要的环节[4-6]。 2. 影响原丝上油质量的因素 2.1. 上油工艺 在工业化大生产中，制定出一套合理的上油工艺 能充分发挥油剂的作用。目前上油的方法主要有一道 上油法和两道上油法。一道上油，工艺比较简单，即 将油剂一次性赋予纤维。这就对油剂提出了很高的要 求，油剂油性的好坏、油剂的浓度及上油率的控制直 接影响致密化热辊的表面的光滑度[7]，并对后续预氧 丝含油量、碳丝的强度造成影响。两道上油，工序比 一道复杂，应用没有一道法普遍，主要是两次赋予纤 维油剂，这两次上油分别针对干燥致密化过程和预氧 化过程，这就很好的避免了一道上油带来的不足，但 二道上油在控制上比较困难，容易造成油剂成分在丝 Copyright © 2013 Hanspub 1  聚丙烯腈碳纤维原丝上油的研究分析 束上的不均一分布[8]。 针对以上两种有方法，有人[9]认为在一道上油过 程中，油剂与 PAN丝束内部存在着置换，准确控制进 入油浴纤维的膨润度及油浴上油温度对上油起着重 要作用。过高的膨润度，会使油剂分子进入丝束内部， 在碳化过程中，容易产生应力集中现象，导致丝束结 构不均匀，从而使碳丝拉伸强度下降。因此需要严格 控制上油前丝束的膨润度。而随着温度的升高，丝束 内的含油量随之增加。这主要是由于温度的升高，共 聚物大分子热运动具有足够的能量，大分子链开始运 动，分子间作用力降低，油剂分子较易进入纤维[10]。 但是过高的温度，容易造成油剂凝胶固化，油剂的油 性下降。所以合理控制上油中的工艺参数对上油有着 重要影响。 2.2. 上油设备 目前，恒温油剂槽是较普遍的上油装置。槽内设 置多个小直径导向辊，使丝条与导辊充分接触，以确 保丝束均匀上油；同时小直径导辊也起到一定的开纤 的效果。在纤维离开油浴后以橡胶辊挤压丝束，以达 到强化上油均匀的目的。为保证上油的质量及稳定， 采用油剂循环使用，并不断补充新油，保证油浴槽内 油剂的稳定。上油装置示意图，如图 1。 丝束的正常上油，设备的正常运行是关键。在该 上油系统中，首先应控制油剂浴槽内的液位高度，要 做到既要满足油剂浸泡丝束所需的高度，又要确保油 剂不溢出流失。在各法兰、阀门、泵处应严防跑、冒、 滴、漏带来的浪费。对于油浴中循环油剂管道出口、 丝条 油浴 油剂储罐 循环泵 循环油剂 Figure 1. Oiling device schematic diagram 图1. 上油装置示意图 入口，应设置过滤网以保证管道的畅通，避免出现油 循环量不足所带来的油剂漫流和丝束上油的不稳定。 有人[11]设计了在油槽内设定一个卧室过滤网桶如图 2，具有很好的过滤毛丝的功能。 丝束在经过水洗或水牵后，会带入槽内一定的水 份和热量。这就需要定时的补加新鲜油剂，以保证了 油剂浓度的稳定性。补充新鲜油量的多少，应该根据 对油剂中丝束的多少、油剂浓度的变化、油剂渗透性 的强弱等不定因素进行跟踪、总结，从而稳定控制油 浴浓度。为避免丝束带入的热量影响油剂的稳定性， 我们可以在上油装置中加入冷凝管，以稳定油浴温 度。油槽与油剂储槽之间应保证一定的循环量，以保 证在槽内的油剂浓度均匀，并定时清理油渍，避免出 现浓度、温度梯度，干扰丝束上油。 上油设备的控制除了需要理论与经验的结合，更 需要操作人员细心、仔细、灵活、积极的工作态度， 以确保原丝生产线的稳定。 2.3. 油剂成分 生产高性能 PAN 原丝的油剂是由改性硅油、乳化 剂、集束剂、抗静电剂等按一定的比例调配而成。这 样使油剂具备了以下性能：1) 能赋予纤维良好柔软性 和抗静电性能[12]；2) 增强了纤维单丝之间的抱合力， 减少了毛丝和断头；3) 减少了纤维与热辊之间的摩 擦，并提高了耐热性能[13]。 目前，改性硅油基团主要有氨基、环氧基、聚醚 链，分子式结构如图 3~5。 各改性硅油各有优点，氨基改性硅油能提高丝束 油槽 卧式过滤网桶 Figure 2. Horizontal screen drum design 图2. 卧式过滤网桶设计图 SiO H 3 C(CH 2 ) 2 NH (CH 2 ) 2 NH 2 Figure 3. Amino modified silicone oil 图3. 氨基改性硅油 Copyright © 2013 Hanspub 2  聚丙烯腈碳纤维原丝上油的研究分析 Copyright © 2013 Hanspub 3 SiO H 3 C(CH 2 ) 2 (O C HC H 2 ) 15 OCOCH 3 Figure 4. Polyether modified silicone oil 图4.聚醚改性硅油 SiO H 3 C(CH 2 ) 2 O Figure 5. Epoxy modified silicone oil 图5. 环氧改性硅油 亲水性和成膜性，环氧改性硅油可以提高丝束耐热 性，聚醚改性硅油能够提高丝束的自乳化性[14]。在生 产中通过混合复配，以得到较好的上油效果。但是在 生产中仍存在一些问题，在加热烘干辊上，改性硅油 会产生交联，交联后由原先的液态油剂转变成半固态 的胶状体系，使来起润滑保护作用的油剂反而变成了 粘结剂，将单丝彼此粘连在一起，使辊子的粗糙度提 高，烘干缠丝严重，使得生产过程顺利进行的难度加 大。这就要求我们合理调配不同种改性油剂加入量， 提高不同种油剂的兼容性。 油剂中乳化剂的使用，使油剂形成水包油的体 系，加大了油剂颗粒的分散性，从而降低油剂表面张 力，使油剂与丝束的接触角减少，使油剂在丝束表面 的铺展成膜。由于聚丙烯腈由共价键结合形成，不能 电离和传递电子，使丝束表面集聚电荷，散逸困难， 从而产生了静电。抗静电剂以其自身基团特性，将疏 水基吸附在纤维表面，亲水基趋向空气，形成一层亲 水性膜，从而使其难以产生静电。同时亲水膜吸收空 气中的水分形成水层，产生的静电易于传递到大气中 去，起到抗静电的作用[15]。 油剂的成份的复配，关系生产线的稳定，应该根 据丝束的实际情况，灵活改变油剂成份，从而提高油 剂的综合性能[16,17]。 3. 发展与建议 与国外各碳纤维生产厂家相比，国内的碳纤维厂 仍然存在着碳丝低强度、稳定性差等质量问题。针 对国外的技术封锁，我们更应该加强对碳纤维各生产 环节的研究探索。油剂在生产中的重要性毋庸置疑， 当前我们应选择较佳的上油工艺路线及配套的设备， 形成专业的油剂调配研发团队，突破在油剂配方技术 上的瓶颈，并制定一套合理的工艺生产参数、操作规 程、调控方法及其后续的检测方法和相应指标。最终 形成以工艺为核心，设备为基础、油剂为保证的精细 化生产路线，以实现碳纤维产业的飞速发展。 4. 结语 优异的油剂配方，可以同时减少纤维的先天和后 天的缺陷，因而能够显著地提高原丝与碳纤维的性能。 合理的上油工艺，可靠上油设备，优质的油剂能使上 油达到理想的效果，从而保证生产的稳定性和连续性。 我国目前在上油方面研究甚少，与其他国家的差距还 是很大。如能在油剂配方、上油工艺等方面取得大的 突破，则可以有效地促进我国碳纤维产业的进步。 参考文献 (References) [1] L. 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