于 波，徐勤梅

(1.吉林化工學(xué)院，吉林132022;2.吉林化纖股份有限公司，吉林132022)

碳纖維原絲上油能夠賦予纖維平滑性、抗靜電性和集束性，還使原絲具有足夠的耐高溫性、分纖性和防融著性［1－3］。在碳纖維生產(chǎn)中，碳纖維絲束根數(shù)很多，上油均一度控制嚴(yán)格。通常碳纖維上油均一度控制在0.5% ～1.8%。含油過(guò)高，碳纖維原絲在碳化時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)多的粉末，從而造成碳化爐中相關(guān)設(shè)備的堵塞，同時(shí)影響碳纖維的強(qiáng)度，達(dá)不到使用要求;而如果含油量過(guò)低，碳纖維原絲灰分高、纖維強(qiáng)度下降［4］，則使碳纖維原絲生產(chǎn)的可紡性降低，影響碳纖維原絲的產(chǎn)量，造成生產(chǎn)控制成本高。作者對(duì)碳纖維原絲上油設(shè)備及控制工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，并分析了不同的上油控制方式對(duì)碳纖維原絲生產(chǎn)成本及質(zhì)量的影響。

1 碳纖維原絲上油方式

1.1 油輥上油

1.1.1 油輥上油工藝

油輥上油控制系統(tǒng)是采用一個(gè)多孔的油輥，碳纖維原絲在油輥下方通過(guò)，油劑首先進(jìn)入油輥內(nèi)，再?gòu)挠洼伒目字辛鞒?，這樣碳纖維原絲經(jīng)過(guò)油輥的時(shí)候油劑就附著在上面，沒(méi)有附著在碳纖維原絲上的油劑流入油劑槽中，通過(guò)油劑循環(huán)泵對(duì)油劑進(jìn)行循環(huán)，保持油劑的溫度防止油劑變質(zhì)。油劑槽內(nèi)油劑量通過(guò)控制油劑加入計(jì)量泵進(jìn)行控制，油輥的速度通過(guò)變頻器控制，油劑量也會(huì)因?yàn)橛洼伒乃俣茸兓兓?/p>

1.1.2 油輥上油原絲質(zhì)量

從表1可以看出，油輥的碳纖維原絲含油率上油較均勻，但碳纖維原絲的強(qiáng)度不勻率(CV值)影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成生產(chǎn)成本提高，這是由于:(1)上油輥不光滑導(dǎo)致碳纖維原絲纏輥現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了碳纖維原絲的質(zhì)量;(2)在生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)生頭較困難，因?yàn)樘祭w維原絲需要從油輥的底部通過(guò)，而底部還有油槽，降低了生頭速度，浪費(fèi)大量的原液，增加了生產(chǎn)成本;(3)纏輥后處理難度較大，影響高速運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而影響了生產(chǎn)，同時(shí)由于纏輥斷絲，導(dǎo)致碳纖維原絲的強(qiáng)度降低;(4)由于油劑槽深度過(guò)深，油劑容易變質(zhì)，增加原材料使用成本，進(jìn)而增加碳纖維原絲的生產(chǎn)成本;(5)由于碳纖維原絲通過(guò)的油輥的光滑度要求很高，加工工藝很難，如果提高油輥的光滑度則加工成本過(guò)高，油輥不光滑會(huì)導(dǎo)致碳纖維原絲經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生毛絲，而毛絲影響了碳纖維的強(qiáng)度，碳纖維質(zhì)量受到影響。

表1 油輥上油工藝原絲質(zhì)量Tab.1 Precursor quality using oil roller

1.2 油槽上油

1.2.1 油槽上油工藝

碳纖維原絲在油槽上行走，經(jīng)過(guò)紡絲導(dǎo)輥進(jìn)入烘干，經(jīng)過(guò)油槽的碳纖維原絲完全浸在油槽里的油劑中，實(shí)現(xiàn)碳纖維原絲與油劑的充分接觸，達(dá)到碳纖維原絲的均勻上油的目的。油槽的液位通過(guò)溢流的方式實(shí)現(xiàn)液位平衡，平衡液位以外的油劑進(jìn)入到油槽下面的循環(huán)槽內(nèi)，通過(guò)油劑泵對(duì)油劑進(jìn)行循環(huán)，保持油劑的溫度防止油劑變質(zhì)，定期檢驗(yàn)油劑槽中油劑的濃度，在油劑罐中配置生產(chǎn)需要的油劑的濃度，油槽中油劑的濃度通過(guò)循環(huán)泵不斷調(diào)整，因?yàn)樘祭w維原絲經(jīng)過(guò)油槽時(shí)將油槽的濃度漸漸稀釋?zhuān)ㄟ^(guò)循環(huán)泵不斷的循環(huán)保持油槽中油劑濃度的穩(wěn)定。這種工藝控制方式只需一個(gè)油劑循環(huán)泵，不用變頻控制，油劑濃度控制通過(guò)油劑和水量的配比控制即可，控制工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行也比較穩(wěn)定。

1.2.2 油槽上油原絲質(zhì)量及生產(chǎn)成本

從表2可以看出:油槽上油不會(huì)導(dǎo)致纏輥，提高了碳纖維原絲質(zhì)量，因?yàn)檫@種工藝不會(huì)產(chǎn)生刮絲，杜絕了毛絲的產(chǎn)生，另外，該上油方式減少了損耗，增加了產(chǎn)量，減少了生產(chǎn)成本。增加了油劑的用量，增加了原材料消耗成本，但綜合成本降低了0.7%。但油劑成本在整個(gè)碳纖維原絲生產(chǎn)成本中占15%，為了進(jìn)一步降低成本，需要減少上油過(guò)程中油劑的循環(huán)使用量。

表2 油槽上油原絲質(zhì)量Tab.2 Precursor quality using oil groove

2 碳纖維原絲上油方式的改進(jìn)方法

2.1 改進(jìn)措施

對(duì)碳纖維原絲上油工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化試驗(yàn)。首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行精加工，以減少纏輥的現(xiàn)象，提高高速生產(chǎn)時(shí)間，減少因?yàn)槔p輥降速對(duì)生產(chǎn)的影響，產(chǎn)量得到了提高;其次，減少生頭時(shí)間，降低原液損耗率，需要改變油輥的位置，但是該措施需要油輥浸在油槽內(nèi)，但油輥及油槽之間的距離很難有所改變;第三，防止油劑變質(zhì)，減小油槽的深度，但油輥至少1/3以上要浸在油槽中，因此油劑的循環(huán)量還是沒(méi)有多大的改變，成本指標(biāo)還是很高，油劑成本仍占碳纖維原絲總生產(chǎn)成本的12.7%。

2.2 改進(jìn)后的上油控制系統(tǒng)

通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，改進(jìn)后的上油控制系統(tǒng)見(jiàn)圖1。碳纖維原絲采用油槽上油后，經(jīng)過(guò)導(dǎo)絲輥將上油后的碳纖維原絲導(dǎo)入紡絲線烘干系統(tǒng)，油槽的液位通過(guò)溢流保持平衡，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)回流循環(huán)油劑的濃度控制上油濃度，保證油劑均一穩(wěn)定，同時(shí)通過(guò)循環(huán)泵循環(huán)油劑槽中的油劑，油劑配置主要通過(guò)油劑罐進(jìn)行，增加油劑控制調(diào)節(jié)閥控制油劑的加入量，油劑加入量的多少根據(jù)回流循環(huán)管上的油劑濃度確定。

圖1 油槽油劑罐上油控制系統(tǒng)Fig.1 Oiling control system of mixing tank for oil groove

3 碳纖維原絲上油方式改進(jìn)效果

從表3可以看出，原絲含油量及相關(guān)化驗(yàn)指標(biāo)并沒(méi)有影響。

表3 上油槽油劑罐上油工藝原絲檢驗(yàn)Tab.3 Precursor test using a mixing tank of oil groove

在沒(méi)有改造油劑槽上油之前，油劑使用及循環(huán)量需要2.5 t，而通過(guò)增加油劑罐進(jìn)行實(shí)時(shí)控制后，油劑使用循環(huán)量減少到1.3 t，由于是實(shí)時(shí)添加，取消了回流循環(huán)槽，同時(shí)補(bǔ)加油劑的量只是碳纖維原絲帶走的油劑量，補(bǔ)加量大大減少，減少了油劑循環(huán)使用量，減少了油劑變質(zhì)，這樣達(dá)到降低上油控制在碳纖維原絲生產(chǎn)上的成本，改變上油工藝控制后，油劑成本降到了7.5%。

油劑循環(huán)使用量卻只使用了原來(lái)的1/2，而且還降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，主要表現(xiàn)在:(1)每次停車(chē)或者油劑變質(zhì)時(shí)不需要將循環(huán)槽內(nèi)的油劑人工清除，浪費(fèi)較小，減少了碳纖維原始生產(chǎn)成本及員工的勞動(dòng)工作量。原來(lái)停車(chē)或油劑變質(zhì)時(shí)需要兩個(gè)人向10個(gè)大桶內(nèi)盛裝上油槽及油劑循環(huán)槽內(nèi)的油劑，需要1～2 h清理干凈;(2)不存在混合不均勻點(diǎn)，對(duì)油劑濃度的均勻性沒(méi)有影響，提高了碳纖維原絲的生產(chǎn)質(zhì)量;(3)能及時(shí)控制油劑的濃度，提高上油的均勻度，提高了碳纖維原絲的質(zhì)量。

［1］ 袁玉紅.聚丙烯腈基碳纖維原絲上油工藝研究［J］.石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2013，29(5):39 －41.

［2］ 賀福.高性能碳纖維原絲與油劑［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2004，29(5):1 －5.

［3］ 歐陽(yáng)琴，陳友汜，莫高明，等.聚丙烯腈原絲中黏連的形成與控制［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2011，36(2):21 －25.

［4］ 王學(xué)彩.PAN原絲生產(chǎn)中的斷頭原因分析［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2011，36(4):38 －39.