上油方式對碳纖維原絲質量及生產成本的影響

于 波，徐勤梅

(1.吉林化工學院，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］。在碳纖維生產中，碳纖維絲束根數很多，上油均一度控制嚴格。通常碳纖維上油均一度控制在0.5% ～1.8%。含油過高，碳纖維原絲在碳化時容易產生過多的粉末，從而造成碳化爐中相關設備的堵塞，同時影響碳纖維的強度，達不到使用要求;而如果含油量過低，碳纖維原絲灰分高、纖維強度下降［4］，則使碳纖維原絲生產的可紡性降低，影響碳纖維原絲的產量，造成生產控制成本高。作者對碳纖維原絲上油設備及控制工藝進行改進優化，并分析了不同的上油控制方式對碳纖維原絲生產成本及質量的影響。

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

油輥上油控制系統是采用一個多孔的油輥，碳纖維原絲在油輥下方通過，油劑首先進入油輥內，再從油輥的孔中流出，這樣碳纖維原絲經過油輥的時候油劑就附著在上面，沒有附著在碳纖維原絲上的油劑流入油劑槽中，通過油劑循環泵對油劑進行循環，保持油劑的溫度防止油劑變質。油劑槽內油劑量通過控制油劑加入計量泵進行控制，油輥的速度通過變頻器控制，油劑量也會因為油輥的速度變化而變化。

1.1.2 油輥上油原絲質量

從表1可以看出，油輥的碳纖維原絲含油率上油較均勻，但碳纖維原絲的強度不勻率(CV值)影響產品質量，造成生產成本提高，這是由于:(1)上油輥不光滑導致碳纖維原絲纏輥現象嚴重，影響了碳纖維原絲的質量;(2)在生產開始時生頭較困難，因為碳纖維原絲需要從油輥的底部通過，而底部還有油槽，降低了生頭速度，浪費大量的原液，增加了生產成本;(3)纏輥后處理難度較大，影響高速運行時間，進而影響了生產，同時由于纏輥斷絲，導致碳纖維原絲的強度降低;(4)由于油劑槽深度過深，油劑容易變質，增加原材料使用成本，進而增加碳纖維原絲的生產成本;(5)由于碳纖維原絲通過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高，油輥不光滑會導致碳纖維原絲經過時會產生毛絲，而毛絲影響了碳纖維的強度，碳纖維質量受到影響。

表1 油輥上油工藝原絲質量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，經過紡絲導輥進入烘干，經過油槽的碳纖維原絲完全浸在油槽里的油劑中，實現碳纖維原絲與油劑的充分接觸，達到碳纖維原絲的均勻上油的目的。油槽的液位通過溢流的方式實現液位平衡，平衡液位以外的油劑進入到油槽下面的循環槽內，通過油劑泵對油劑進行循環，保持油劑的溫度防止油劑變質，定期檢驗油劑槽中油劑的濃度，在油劑罐中配置生產需要的油劑的濃度，油槽中油劑的濃度通過循環泵不斷調整，因為碳纖維原絲經過油槽時將油槽的濃度漸漸稀釋，通過循環泵不斷的循環保持油槽中油劑濃度的穩定。這種工藝控制方式只需一個油劑循環泵，不用變頻控制，油劑濃度控制通過油劑和水量的配比控制即可，控制工藝簡單，運行也比較穩定。

1.2.2 油槽上油原絲質量及生產成本

從表2可以看出:油槽上油不會導致纏輥，提高了碳纖維原絲質量，因為這種工藝不會產生刮絲，杜絕了毛絲的產生，另外，該上油方式減少了損耗，增加了產量，減少了生產成本。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%。但油劑成本在整個碳纖維原絲生產成本中占15%，為了進一步降低成本，需要減少上油過程中油劑的循環使用量。

表2 油槽上油原絲質量Tab.2 Precursor quality using oil groove

2 碳纖維原絲上油方式的改進方法

2.1 改進措施

對碳纖維原絲上油工藝進行改進優化試驗。首先對設備進行精加工，以減少纏輥的現象，提高高速生產時間，減少因為纏輥降速對生產的影響，產量得到了提高;其次，減少生頭時間，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，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，減小油槽的深度，但油輥至少1/3以上要浸在油槽中，因此油劑的循環量還是沒有多大的改變，成本指標還是很高，油劑成本仍占碳纖維原絲總生產成本的12.7%。

2.2 改進后的上油控制系統

通過優化試驗，改進后的上油控制系統見圖1。碳纖維原絲采用油槽上油后，經過導絲輥將上油后的碳纖維原絲導入紡絲線烘干系統，油槽的液位通過溢流保持平衡，通過實時檢測回流循環油劑的濃度控制上油濃度，保證油劑均一穩定，同時通過循環泵循環油劑槽中的油劑，油劑配置主要通過油劑罐進行，增加油劑控制調節閥控制油劑的加入量，油劑加入量的多少根據回流循環管上的油劑濃度確定。

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

3 碳纖維原絲上油方式改進效果

從表3可以看出，原絲含油量及相關化驗指標并沒有影響。

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

在沒有改造油劑槽上油之前，油劑使用及循環量需要2.5 t，而通過增加油劑罐進行實時控制后，油劑使用循環量減少到1.3 t，由于是實時添加，取消了回流循環槽，同時補加油劑的量只是碳纖維原絲帶走的油劑量，補加量大大減少，減少了油劑循環使用量，減少了油劑變質，這樣達到降低上油控制在碳纖維原絲生產上的成本，改變上油工藝控制后，油劑成本降到了7.5%。

油劑循環使用量卻只使用了原來的1/2，而且還降低了勞動強度，主要表現在:(1)每次停車或者油劑變質時不需要將循環槽內的油劑人工清除，浪費較小，減少了碳纖維原始生產成本及員工的勞動工作量。原來停車或油劑變質時需要兩個人向10個大桶內盛裝上油槽及油劑循環槽內的油劑，需要1～2 h清理干凈;(2)不存在混合不均勻點，對油劑濃度的均勻性沒有影響，提高了碳纖維原絲的生產質量;(3)能及時控制油劑的濃度，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］.石油化工技術經濟，2013，29(5):39 －41.

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

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

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