| 簡介： |
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張瑩 趙炯心 潘鼎
(東華大學材料科學與工程學院，上海，200051，E-mail:cld@dhu.edu.cn)
聚丙烯腈(PAN)基碳纖維具有一系列功能特性，由主要用在航空工業(yè)中的復(fù)合材料發(fā)展為民用工程的組合件。新的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷開發(fā)，越來越顯示出其重要性。優(yōu)質(zhì)原絲是生產(chǎn)高性能碳纖維的前提。PAN原絲由于碳纖維制造及其結(jié)構(gòu)性能的特殊要求，紡絲方法需要慎重選擇。干濕紡不但有干法紡絲速度快、紡絲溶液濃度較高和可對細流施加高倍拉伸的優(yōu)點，而且保留了濕法紡絲可以通過調(diào)整紡絲凝固浴參數(shù)來控制初生纖維結(jié)構(gòu)的特點，因而該工藝兼具干紡與濕紡的長處。
干濕法紡絲中凝固過程是極其重要的，凝固條件不同，初生纖維的結(jié)構(gòu)、性能會有極大的差異。原液細流與凝固浴接觸后，當原液細流中某處的溶劑濃度達到臨界濃度時，則發(fā)生相分離而固化成形。凝固過程中，溶劑與凝固劑之間的雙擴散是工藝控制的關(guān)鍵。而溶劑和凝固劑的雙擴散中的核心問題是擴散系數(shù)D*的計算，在這方面，公認的方法之一是通過Fick第二定律計算。在柱坐標系下該公式被表示為[1]：
以上公式左邊的Mt表示時間t時纖維中凝固劑或溶劑含量；M∞表示達擴散平衡時纖維中凝固劑或溶劑含量；C0（C∞）表示原液（凝固浴）中溶劑濃度（％）；R表示纖維半徑。M值可通過實驗得到，計算機編程，能迅速得到凝固劑和溶劑的擴散，式中λn取n = 1~8。
本文測定D*是用動態(tài)成分分析法[4]，在小型紡絲機上，用單孔噴絲板進行PAN-NaSCN體系的D*測定。單根絲條從噴絲板擠出后，在不同位置用繞筒將絲從浴中取出，收集30秒，取得的絲樣用濾紙吸干后，稱重；絲束放進80℃爐中干燥，除去水份，再稱重；最后，由纖維/溶劑組成的絲束在沸水中水洗2hr除去溶劑，稱干重。
由上表數(shù)值可知：（1）絲條中NaSCN向凝固浴的擴散系數(shù)大于水向纖維的擴散系數(shù)；（2）浴溫的提高導(dǎo)致擴散系數(shù)的增大；（3）在15%NaSCN的凝固浴里，溶劑和凝固劑的擴散系數(shù)差值減小。
碳纖維原絲不均勻?qū)⒆罱K影響碳纖維不勻，其中原絲截面的皮芯結(jié)構(gòu)嚴重，在預(yù)氧化或碳化過程中容易出現(xiàn)毛絲、斷絲，從而降低了碳纖維的力學性能。因此，為了減少初生纖維徑向結(jié)構(gòu)上的差異，在干濕法凝固過程中，應(yīng)降低溶劑和凝固劑擴散系數(shù)的差值。
參考文獻
1. 纖維成形基本原理，A.謝皮斯基，上?？茖W技術(shù)出版社，1983
2. A.H.Wilson, Modeling Analyzes of Wet Spinning. Phil.Mag., 1948, 39:48-51
3. K.Taketa, Kaguo Kagaku Zasshi, 1963, 66, p721-725
4. S.J.LAW, Compositional Changes During the Wet Spinning of Acrylic Fibers from Aqueous Sodium Thiocyanate Solvent. Journal of Applied Polymer Science, 1998, 69, p1459-1469
Compositional Changes During the Dry-Wet Spinning of
PAN-Based Carbon fibers
Zhang Ying Zhao Jiong Xin Pan Ding
College of Material Science and Engineering，Dong Hua University，Shang Hai，200051，E-mail:cld@dhu.edu.cn
Abstract: The compositional changes taking place during the dry-wet spinning of PAN-based carbon fibers were investigated. During a dynamic single-filament spinning experiment, the average composition at any distance from the spinneret face through the precipitation bath can be determined by leading the filament out of the bath at a given point, collecting it, and analyzing it for the overall composition. |
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