| 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中的復合材料發展為民用工程的組合件。新的應用領域在不斷開發，越來越顯示出其重要性。優質原絲是生產高性能碳纖維的前提。PAN原絲由于碳纖維制造及其結構性能的特殊要求，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點，而且保留了濕法紡絲可以通過調整紡絲凝固浴參數來控制初生纖維結構的特點，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，初生纖維的結構、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鍵。而溶劑和凝固劑的雙擴散中的核心問題是擴散系數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。
由上表數值可知：（1）絲條中NaSCN向凝固浴的擴散系數大于水向纖維的擴散系數；（2）浴溫的提高導致擴散系數的增大；（3）在15%NaSCN的凝固浴里，溶劑和凝固劑的擴散系數差值減小。
碳纖維原絲不均勻將最終影響碳纖維不勻，其中原絲截面的皮芯結構嚴重，在預氧化或碳化過程中容易出現毛絲、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構上的差異，在干濕法凝固過程中，應降低溶劑和凝固劑擴散系數的差值。
參考文獻
1. 纖維成形基本原理，A.謝皮斯基，上海科學技術出版社，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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