第２９卷第５期 ２０１３年１Ｏ月 石油化工技术与经济 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ
聚丙烯腈基碳纤维原丝上油工艺研究
袁玉红
（中国石化上海石油化工股份有限公司腈纶部，２００５４０）
摘要：通过试验，研究了上油位置、上油槽中油剂的质量分数和上油均匀性对纤维性能的影响。结果表 明：在干燥致密化工序前上油能提高纤维干燥致密化的均匀性，适当降低前上油槽内油剂的质量分数可以 降低纤维所含灰分，保持上油槽中丝束的宽度和厚度均匀有利于提高上油均匀性。 关键词：原丝上油位置油槽浓度灰分 文章编号：１６７４—１０９９（２０１３）０５—００３９—０３ 中图分类号：ＴＱ３４２．７４ 文献标识码：Ａ
碳纤维因具有高比强度、高比模量、耐高温、耐 腐蚀、耐疲劳、抗蠕变及良好的导电、导热和传热性
能而成为高性能增强材料，广泛应用于航空航天 器、交通运输工具、体育用品和医疗器材等领域。
碳纤维制造条件十分苛刻，在成为碳纤维前， 原丝要经历２００～３００ ｏＣ的预氧化、３００℃以上的
碳化以及８００ ｏＣ以上的高温碳化等过程，因此原 丝用油剂不仅应具备常规油剂的特性，赋予纤维
平滑性、抗静电性和集束性，还应使原丝具有足够 的耐高温性、分纤性和防融着性，以便在预氧化和
低温碳化过程中避免单丝之间因局部热而发生黏
连或并丝，从而减少表面缺陷，得到高质量的碳纤 维 一 。 油剂的这些作用只有在合理的上油工艺条件
下才能得到充分发挥。因此，原丝上油工艺的选 择对于改善和提高原丝性能具有十分重要的意
义。文章对上油位置、上油槽中油剂的质量分数 和上油均匀性对纤维性能的影响进行了研究，以
期为聚丙烯腈基碳纤维原丝（以下简称原丝）的 工业化生产提供参考。
１试验部分 １．１主要原料 聚丙烯腈（丙烯腈一丙烯酸甲酯一衣康酸水 相悬浮聚合产物），自产，相对分子质量为７０ ０００
～８０ ０００；ＮａＳＣＮ，自产，质量分数为５８％；油剂， 含硅油剂Ｆ。
１．２分析与测试 １．２．１ 油剂有效浓度 按照国家标准ＧＢ／Ｔ ６２８４－－２００６《化工产品 中水分测定的通用方法干燥减量法》进行测试。
准确称取２．５—３．０ ｇ样品于已恒重的称量瓶中， 将称量瓶放人１０５℃烘箱中干燥１２０ ｍｉｎ左右， 取出称量瓶，待冷却后称量。
１．２．２纤维所含灰分 按照《灼烧残渣测定通用方法》进行测试。 称取３ ｇ左右试样，置于已在８００℃下灼烧至恒 重的瓷坩埚中。将装有试样的坩埚放在电炉上加
热，燃烧至无黑烟冒出为止。将坩埚放人８００ ｏＣ
的高温炉中灼烧２．５ ｈ使试样灰化，将坩埚取出， 冷却后称重。
１．２．３纤维含油率 按照国家标准ＧＢ／Ｔ ６５０４－－２００８《化学纤维
含油率测试方法》进行测试。称取约５ ｇ纤维试 样，用一定比例的甲醇和四氯化碳混合液进行萃 取，尽量使纤维所含溶剂挥发干净，然后将纤维放
人１０５℃烘箱内烘至恒重，放入干燥器内待冷却
后称重。经萃取得到的油剂同样在１０５ ｏＣ烘箱中 烘至恒重后冷却、称重。
２结果与讨论 ２．１ 上油位置对原丝干燥致密化效果的影响 为了了解上油位置对原丝干燥致密化效果的
影响，调整上油位置，分３种情况进行了试验：一 种是只在干燥致密化前上油（前上油）；另一种是
收稿日期：２０１３—０７—１５。 作者简介：袁玉红，女，１９７２年１１月出生，１９９３年毕业于上 海石油化工高等专科学校化纤工艺专业，高级工程师，现从 事碳纤维工艺研究工作。
石油化工技术与经济 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ 第２９卷第５期 ２０１３年１０月
只在干燥致密化后上油（后上油）；还有一种是干
燥致密化前后都上油（二道上油）。 从试验结果看：后上油纤维中有几缕存在失
透现象，而前上油和二道上油的纤维则不存在这
种现象；后上油的纤维手感偏硬，单丝之间有明显 的并丝现象，而前上油和二道上油的纤维手感较
软，没有失透和并丝现象，但前上油纤维加工过程 中的静电现象非常明显，绕辊多，无法维持正常的 生产。
干燥致密化是除去纤维内部水分而使纤维内
部孔洞闭合，从而获得结构致密的原丝的重要途 径。在干燥致密化之前上油能够在单丝表面涂敷
一层均匀的油膜作为隔离层＿３ Ｊ，使单丝之间保持
一定的距离。因为在干燥致密化过程中，热辊的 温度远高于原丝的玻璃化转变温度，原丝表面分
子链段的运动趋于活跃，如果相邻单丝紧密接触， 纤维之间容易形成新的分子链间作用力。由于氰
基偶极之问的静电吸引异常强烈，更容易导致单 丝相互黏结在一起，继而因干燥致密化不完全而
失透，成品纤维手感偏硬并存在并丝现象。 就后上油而言，由于在致密化前未经上油，
单丝之间没有被完全隔离开来，在干燥致密化
过程中容易发生黏连，导致干燥致密化不完全 而出现失透现象。可见，为了减少单丝问的黏
连和失透现象的发生，在干燥致密化前需设置 上油工序。 ２．２前上油槽的油剂质量分数对纤维性能的影
响 纤维的上油位置决定了油剂能否被吸收进而 渗透到纤维之中。干燥致密化前纤维呈多孔结
构，此时上油会有相当数量的油剂渗透到纤维的 孔隙中，纤维所含灰分增加，对碳纤维质量造成不 利影响。因此，需调整前上油槽中油剂的质量分
数。上油槽中油剂质量分数变化对纤维的含油率 及灰分的影响见表１。
从试验情况看，采用前上油工序的情况下，纤
维含油率稍低，但纤维所含的灰分仍较后上油高。 这主要是由于致密化前纤维的孔隙较多，油剂容 易进入微小孔隙，成品纤维灰分就多 Ｊ。而油剂
所含的硅及硅化物对碳纤维而言是杂质，而且进
人纤维内部的油剂在氧化、碳化过程中不易脱除，
形成新的应力集中点和缺陷位，导致碳纤维强度 下降。 表１上油槽中油剂质量分数与纤维含油率和灰分的关系％
为了降低灰分，将前上油槽中的油剂质量分 数从１．５％降至０．５８％，如表１所示，纤维灰分从 ０．４％下降到０．２％。如上所述，为稳定生产，必
须在干燥致密化后再一次上油。 为此进行了二道上油试验，同时降低前上油
槽中油剂质量分数，结果纤维的灰分明显下降，干
燥致密化后没有出现失透、并丝等现象，原丝成品 质量稳定，生产装置运行正常，没有出现绕辊等现
象。
为了得到高性能的原丝，除了必须控制前上 油槽中油剂质量分数外，还需控制纤维含油率。
从表１可以看出：随着前上油槽中油剂质量分数 的降低，纤维含油率下降。但含油率过低的话，丝
束表面不能均匀地形成油膜，干燥致密化不完全，
摩擦阻力增大，集束性差，丝条变毛 ；而随着前 上油槽油剂质量分数的增加，纤维含油率提高，摩
擦阻力减小，断头减少，但纤维灰分增加，碳纤维
品质变差。 综合上述试验情况，原丝二道上油的前上油
槽中油剂质量分数宜控制在０．５％一０．８％，纤维 含油率宜控制在０．６％一１．０％左右。
２．３前上油槽中丝束宽度对上油均匀性和纤维 性能的影响 原丝的缺陷会遗传到碳纤维，缺陷的尺寸越
大，其危害也越大。黏连是一种常见的缺陷，它是 由数根单丝黏结在一起而形成的。黏连是尺度最 大的缺陷，也是最致命的缺陷。而采用前上油工
艺可以提高各单丝在油剂中浸润的均匀性，有助
于防止黏连的发生。 要提高各单丝上油的均匀性，就需要合理选
择上油时丝条的宽度，以确保油剂在各单丝上均
匀成膜，避免原丝在接下来的连续干燥过程中发
生黏连，进而减少碳纤维的缺陷。
前上油槽中丝束的状态对原丝上油均匀性和 第５期（２０１３） 袁玉红．聚丙烯腈基碳纤维原丝上油工艺研究
碳纤维外观的影响见表２。
表２不同上油丝束宽度对原丝及碳纤维的影响
为进一步考察丝束宽度对上油均匀性的影 响，将一股丝束均匀分成４份，编号为１ ～４ ，分
别测试这些纤维样品的含油率，结果见表３。
表３不同上油丝束宽度下纤维含油率比较
从试验情况看，增加丝束在油槽中的宽度可
以提高油剂在纤维表面的成膜均匀性，缩小丝束 宽度方向上纤维含油率差异；丝束宽度在２０ ｍｍ
以上时，试样的含油率差异变小并趋于一致。上 油均匀性提高后，干燥致密化的均匀性同步提高， 单丝之间没有黏连，碳化后没有出现毛刺丝。
总之，前上油槽中的丝束宽度控制在２０ ｍｍ
以上为宜，同时应确保丝束厚度均匀，从而保持丝 束含油率一致，这样才有利于提高碳纤维质量。
３结论 （１）碳纤维属于脆性材料，缺陷是制约其抗 拉强度提高的主要因素。碳纤维中大部分缺陷由
原丝遗传而来，合理的上油工艺是防止缺陷产生 的有效手段之一。
（２）为了减少单丝间的黏连，在原丝干燥致 密化前需设置上油工序，使油剂在单纤维表面成
膜，保证干燥致密化的正常进行，减少纤维失透和 并丝现象。 （３）将前上油槽中丝束的宽度控制在２０ ｍｍ 以上并且厚薄均匀有助于提高油剂在单纤维表面
成膜的均匀性，提高单丝间的上油均匀性，从而减 少干燥后单丝间的黏连，提高原丝和碳纤维质量。
（４）油剂中的硅及硅化物会导致碳纤维结构 不匀而使抗拉强度下降。在确保干燥致密化工序
正常运行的前提下，降低前上油槽中油剂的质量 分数和纤维含油率可以减少对碳纤维质量的不利
影响。具体地说，原丝二道上油过程中，前上油槽 中油剂质量分数控制在０．５％～０．８％、纤维含油
率控制在０．６％～１．０％为宜。
参考文献
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Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｏｉｌｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ－・ｂａｓｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ
Ｙｕａｎ Ｙｕｈｏｎｇ （Ａｃｒｙｌｉｃ Ｆｉｂｅｒ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＳＩＮＯＰＥＣ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．２００５４０） ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｏｉｌｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｉｎ ｔｈｅ ｏｉｌｉｎｇ ｇｒｏｏｖｅ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｏｉｌｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｏｉｌｉｎｇ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｄｒｙｉｎｇ ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒ，ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｏｆ ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ
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ｇｒｏｏｖｅ ｗａｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｏｉｌｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ，ｏｉｌｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｏｉｌ ｇｒｏｏｖｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔ
ｉｏｎ，ａｓｈ ｃｏｎｔｅｎｔ