宋云飛，宋邦瓊，劉 斌，肖建文，王文勝

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 鐵路運輸部，吉林 吉林 132021)

在聚丙烯腈(PAN)基碳纖維制備過程中，張力貫穿于整個碳纖維生產(chǎn)過程。碳纖維生產(chǎn)中在線張力測試和控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，葉國銘等[1]提到黏膠纖維碳化過程中張力的大小對最終纖維強力性能有很大影響，提出了一種智能張力控制裝置來控制張力恒定使纖維性能更為穩(wěn)定。潘鼎等[2]對PAN纖維低碳張力對纖維拉伸強度和彈性模量的影響做了詳細的研究，得出了拉伸強度和彈性模量隨低碳張力的變化趨勢，但對高溫碳化張力對纖維性能的影響并未做研究。

借助在線張力檢測儀器，從高溫碳化張力著手研究張力變化對碳纖維拉伸強度、彈性模量和體積密度的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與裝置儀器

原絲為中國石油吉林石化公司研究院自主生產(chǎn)的6KPAN原絲。

實驗裝置為中國石油吉林石化公司研究院碳纖維研究所碳化中試裝置，裝置自帶張力顯示儀器。

測試儀器為5565型萬能材料機：美國 Instron公司；DC/02雙柱密度梯度儀：密度梯度管由四氯化碳和1,2-二溴乙烷配制，英國LLOYD公司。

1.2 實驗過程

實驗在吉林石化公司研究院碳化中試裝置上進行，實驗過程中預(yù)氧化溫度控制在 200～280 ℃，低溫碳化溫度控制在700 ℃，高溫碳化溫度在1 400 ℃。低溫碳化牽伸率恒定在3%，高溫碳化張力通過牽伸調(diào)整實現(xiàn)張力的改變，負牽伸率控制在3%～5%，由在線張力儀觀察不同牽伸條件下的張力對碳纖維性能的影響。碳化處理后的纖維經(jīng)表面處理、上膠、烘干后卷繞成軸,供實驗分析用。

1.3 分析測試

1.3.1 密度

采用密度梯度法測試碳纖維的密度。

1.3.2 力學(xué)性能

采用等速拉斷法測試碳纖維力學(xué)性能,利用美國Instron 5565型萬能材料機及引伸計，依據(jù)國標進行試樣制備和測試。拉伸速度10 mm/min，夾頭間距200 mm，每組測10根取平均值計算碳纖維復(fù)絲的拉伸強度和彈性模量。

2 結(jié)果與討論

實驗得出高溫碳化所對應(yīng)的張力值，見表1。

由表1可以看出，隨高溫碳化負牽伸率的降低，高溫碳化張力逐漸增大，當(dāng)單絲高溫碳化張力值大于0.311cN時，絲束開始出現(xiàn)毛絲。單絲高溫碳化張力值在0.171～0.311cN，絲束在高溫碳化部分運行狀態(tài)良好。單絲高溫碳化張力值達0.365cN時，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，此值可視為此種纖維的極限張力值。賀福[3]提到在高溫碳化過程中，單絲牽伸張力為0.06～0.253cN，大于0.253cN時，引發(fā)單絲斷裂影響連續(xù)生產(chǎn)。其所提到的高溫碳化張力值與實驗區(qū)別較為明顯，因此不同的原絲其高溫碳化的張力值是有差別的，需對不同纖維的特點加以區(qū)分和研究。

表1 單根碳纖維在不同高溫碳化牽伸條件下對應(yīng)的張力值

2.1 高溫碳化張力對碳維纖維拉伸強度和彈性模量的影響

在高溫牽伸力的作用下，碳網(wǎng)平面轉(zhuǎn)位重排，并沿纖維軸取向排列，取向角縮小，取向度提高，從而使彈性模量得到提高[3]。在特定碳化條件下，高溫碳化張力與拉伸強度及彈性模量的關(guān)系見圖1。

高溫碳化張力/cN圖1 不同高溫碳化張力對拉伸強度和彈性模量的影響

由圖1可見，在一定范圍內(nèi)，彈性模量隨高溫碳化張力的增加而增大，拉伸強度隨高溫碳化張力的增加而無明顯規(guī)律；在張力為0.317cN時，彈性模量出現(xiàn)最大值，拉伸強度有所降低；而后拉伸強度和彈性模量都隨張力的增加而降低。高溫碳化張力的增加提高了纖維的取向度，從而彈性模量不斷提高，但當(dāng)張力增大到一定值時，再繼續(xù)增加張力會引起纖維結(jié)構(gòu)的破壞，引起軸向、徑向的裂紋或斷絲，從而引起彈性模量和拉伸強度的降低。

2.2 高溫碳化張力對碳纖維體積密度的影響

高溫施加張力會使碳纖維因高溫裂解形成的孔隙沿著纖維軸向壓縮或孔隙消除，使得纖維更加致密，體積密度有所提高。不同碳化張力條件下對應(yīng)的體積密度見圖2。

高溫碳化張力/cN圖2 高溫碳化張力與碳纖維體積密度的關(guān)系

由圖2可見，高溫碳化張力在0.171～0.265cN，體積密度增加趨勢緩慢，此時張力使纖維孔隙沿纖維軸拉伸不足，纖維不夠致密；張力在0.265～0.311cN，體積密度增加明顯，此時張力增加使得纖維孔隙缺陷逐漸消除，致密性逐步增加。張力大于0.311cN，體積密度變化規(guī)律不明顯，孔隙缺陷消除后，致密性將不會增加，體積密度不再增加，所以張力0.311與0.317cN 2點體積密度無明顯變化。張力在0.331與0.341cN 2點密度有所降低，可能因為纖維毛絲大引起密度測試誤差增大而引起。

3 結(jié) 論

(1) 對于不同的原絲其高溫碳化的張力值范圍是有差別的，需對不同纖維的特點加以區(qū)分和研究；

(2) 在一定張力范圍內(nèi)，彈性模量隨高溫碳化張力的增加而增大，拉伸強度隨高溫碳化張力的增加而無明顯規(guī)律；高溫碳化張力增到一定值時，彈性模量出現(xiàn)最大值，拉伸強度有所降低；而后拉伸強度和彈性模量都隨張力的增加而降低；

(3) 碳纖維體積密度隨張力的增加先增長緩慢，而后快速增加，最后趨于穩(wěn)定；

(4) 高溫碳化張力的控制應(yīng)當(dāng)綜合考慮其對纖維性能的影響。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 葉國銘，王妙廷，甘劍華，等.纖維碳化過程中的智能式張力自動調(diào)節(jié)裝置[J].中國紡織大學(xué)學(xué)報,1995，21(4)：121-124.

[2] 潘鼎，陳惠芳，李雨華，等.PAN 預(yù)氧化纖維的分段碳化工藝研究[J].中國紡織大學(xué)學(xué)報,1993，19(6)：17-23.

[3] 賀福.碳纖維及石墨纖維[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：237-238.