| 简介： |
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张莹 赵炯心 潘鼎
(东华大学材料科学与工程学院，上海，200051，E-mail:cld@dhu.edu.cn)
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维具有一系列功能特性，由主要用在航空工业中的复合材料发展为民用工程的组合件。新的应用领域在不断开发，越来越显示出其重要性。优质原丝是生产高性能碳纤维的前提。PAN原丝由于碳纤维制造及其结构性能的特殊要求，纺丝方法需要慎重选择。干湿纺不但有干法纺丝速度快、纺丝溶液浓度较高和可对细流施加高倍拉伸的优点，而且保留了湿法纺丝可以通过调整纺丝凝固浴参数来控制初生纤维结构的特点，因而该工艺兼具干纺与湿纺的长处。
干湿法纺丝中凝固过程是极其重要的，凝固条件不同，初生纤维的结构、性能会有极大的差异。原液细流与凝固浴接触后，当原液细流中某处的溶剂浓度达到临界浓度时，则发生相分离而固化成形。凝固过程中，溶剂与凝固剂之间的双扩散是工艺控制的关键。而溶剂和凝固剂的双扩散中的核心问题是扩散系数D*的计算，在这方面，公认的方法之一是通过Fick第二定律计算。在柱坐标系下该公式被表示为[1]：
以上公式左边的Mt表示时间t时纤维中凝固剂或溶剂含量；M∞表示达扩散平衡时纤维中凝固剂或溶剂含量；C0（C∞）表示原液（凝固浴）中溶剂浓度（％）；R表示纤维半径。M值可通过实验得到，计算机编程，能迅速得到凝固剂和溶剂的扩散，式中λn取n = 1~8。
本文测定D*是用动态成分分析法[4]，在小型纺丝机上，用单孔喷丝板进行PAN-NaSCN体系的D*测定。单根丝条从喷丝板挤出后，在不同位置用绕筒将丝从浴中取出，收集30秒，取得的丝样用滤纸吸干后，称重；丝束放进80℃炉中干燥，除去水份，再称重；最后，由纤维/溶剂组成的丝束在沸水中水洗2hr除去溶剂，称干重。
由上表数值可知：（1）丝条中NaSCN向凝固浴的扩散系数大于水向纤维的扩散系数；（2）浴温的提高导致扩散系数的增大；（3）在15%NaSCN的凝固浴里，溶剂和凝固剂的扩散系数差值减小。
碳纤维原丝不均匀将最终影响碳纤维不匀，其中原丝截面的皮芯结构严重，在预氧化或碳化过程中容易出现毛丝、断丝，从而降低了碳纤维的力学性能。因此，为了减少初生纤维径向结构上的差异，在干湿法凝固过程中，应降低溶剂和凝固剂扩散系数的差值。
参考文献
1. 纤维成形基本原理，A.谢皮斯基，上海科学技术出版社，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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