碳纖維行業(yè)實(shí)驗(yàn)室和在線黏度測(cè)量技術(shù)及實(shí)例分析

丁曉炯

[笙威工程技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司，上海 201399]

0 引言

碳纖維經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前以粘膠(纖維素)基纖維、瀝青纖維和聚丙烯腈(PAN)纖維三種原料制備碳纖維的工藝實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件，這是多年經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)[1-2]。

如何在生產(chǎn)過(guò)程的一開(kāi)始就控制好聚合反應(yīng)的過(guò)程，確保整個(gè)反應(yīng)過(guò)程都基本一致，是整個(gè)碳纖維生產(chǎn)的關(guān)鍵第一步，黏度測(cè)量就是控制和評(píng)價(jià)原液的關(guān)鍵手段。

目前在實(shí)際生產(chǎn)中，已廣泛采用實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量，也有不少碳纖維企業(yè)已嘗試使用在線黏度測(cè)量技術(shù)[3]。

1 實(shí)驗(yàn)室黏度和在線黏度測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量

根據(jù)多年對(duì)化纖和碳纖維行業(yè)企業(yè)的走訪和了解，目前行業(yè)內(nèi)采用的實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量主要有兩種：旋轉(zhuǎn)法和落球法。有關(guān)這兩種方法的優(yōu)劣和適用性，很少有人進(jìn)行研究，基本都是按照各自行業(yè)或企業(yè)的內(nèi)部傳承和規(guī)定，也沒(méi)有相應(yīng)所測(cè)物料的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)筆者的研究，通過(guò)對(duì)化纖行業(yè)針對(duì)原液的黏度測(cè)量做出實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，旋轉(zhuǎn)法比落球法具有更好的適用性和準(zhǔn)確性，但針對(duì)某些特定的物料，落球法也是適用的[4-5]。

根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的測(cè)量也需要規(guī)定明確的測(cè)量條件，包括轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速、測(cè)量溫度、樣品量、讀數(shù)時(shí)間等，最好是選用小量樣品適配器的轉(zhuǎn)子，這樣樣品量小，又可以外接恒溫水浴，保證測(cè)量溫度的穩(wěn)定，熱平衡時(shí)間也短，可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

1.2 在線黏度測(cè)量

在線黏度計(jì)的類型很多，根據(jù)測(cè)量原理不同，主要有以下幾種類型：壓差式、注(活)塞式、旋轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式等。碳纖維行業(yè)中以振動(dòng)法為主，振動(dòng)式的在線黏度測(cè)量起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動(dòng)，當(dāng)它剪切流體時(shí)，流體的黏度對(duì)傳感頭振動(dòng)振幅有影響，測(cè)量維持恒定振幅所輸入的功率，計(jì)算得到黏度。這類在線黏度計(jì)的測(cè)量范圍也很寬，適合于不同的流體測(cè)量，測(cè)量時(shí)的剪切率比較高，一般剪切率約在1 000 s-1，高剪切的測(cè)量條件要求儀器有很高的靈敏度。

目前市場(chǎng)上的商品化在線黏度計(jì)也有一些，但是各家的儀器設(shè)計(jì)及內(nèi)部算法各不相同，儀器的靈敏度、重復(fù)性和抗干擾性、實(shí)際使用性能差異也很大，能適合絕大部分剪切變稀的假塑性非牛頓流體或其他流體的在線黏度計(jì)，需要儀器有足夠的靈敏度和穩(wěn)定性，現(xiàn)在市場(chǎng)上最高靈敏度為SRV的0.001 cP，儀器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需維護(hù)，是目前在使用較多的在線黏度測(cè)量設(shè)備[5]。

2 PAN原液在線黏度計(jì)選型實(shí)例分析

2.1 案例簡(jiǎn)介

某家企業(yè)正好已有兩種不同測(cè)量原理的在線黏度測(cè)量?jī)x器，但一直覺(jué)得不理想，想再尋找合適的在線黏度計(jì)。為了慎重起見(jiàn)，在做最終決定前，用了第三臺(tái)在線黏度計(jì)進(jìn)行試用測(cè)量，同時(shí)使用三臺(tái)在線黏度計(jì)，并進(jìn)行人工黏度測(cè)量比對(duì)，原有儀器分別以1、2表示、新儀器以3表示，得到了以下的測(cè)量數(shù)據(jù)。為了更好地進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)除了簡(jiǎn)單的平均值計(jì)算外，還進(jìn)行了進(jìn)一步的相關(guān)分析計(jì)算，再進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 三種在線黏度計(jì)和實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量值

續(xù)表

2.2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

(1)直觀觀察。從數(shù)據(jù)的絕對(duì)值直觀來(lái)看(表2)，儀器1的實(shí)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)室黏度最接近，儀器2次之，儀器3為第三，那么根據(jù)這一表現(xiàn)，是否就可以認(rèn)為儀器1最好呢？

表2 三種在線黏度計(jì)和實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量值簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)表

如果就這樣做出決定，恰恰是不對(duì)的，需要具體分析原因。在線黏度測(cè)量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量值的不一致，是由測(cè)量方法、條件以及物料流變特性決定的，已有文章論述，這里不再展開(kāi)[6]。

(2)相關(guān)性分析。由于測(cè)量方法和測(cè)試條件的差異以及物料的流變特性，在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度往往是不一樣的，因此就應(yīng)該用相關(guān)性分析做進(jìn)一步的判斷，通過(guò)對(duì)以上四組數(shù)據(jù)做相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，得到以下相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)。

表3 三種在線黏度計(jì)和實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量值相關(guān)關(guān)系矩陣

從以上結(jié)果可以看到，和實(shí)驗(yàn)室黏度相關(guān)性最好的是儀器3，其次是儀器2、儀器1。這一結(jié)果和直觀觀察結(jié)果正好完全倒過(guò)來(lái)，最好的儀器是儀器3。

(3)轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)室黏度誤差分析。通過(guò)以上的相關(guān)分析，我們得到了每個(gè)儀器和實(shí)驗(yàn)室黏度轉(zhuǎn)換的關(guān)系，將每臺(tái)儀器的在線值轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)室黏度值[5]，并進(jìn)行了誤差分析。相對(duì)偏差最小的是儀器3(6.55%)，其次是儀器2(7.25%)，第三是儀器1(8.10%)，最好的儀器是儀器3。

通過(guò)以上分析可知，最好的儀器是儀器3，其次是儀器2，第三是儀器1。

3 結(jié)束論

(1)測(cè)量方法和儀器的選擇，需要結(jié)合實(shí)際的使用情況和物料的特性來(lái)選擇，建議在決定前進(jìn)行實(shí)際樣品的測(cè)試，以免貿(mào)然決定造成損失。

(2)對(duì)于儀器的選型，不能只看數(shù)據(jù)的大小，更應(yīng)該看趨勢(shì)，建議進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)一定的統(tǒng)計(jì)和誤差分析，可保證最終選擇的合理性和正確性。

(3)在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)線性的轉(zhuǎn)換處理，不會(huì)影響最后線性相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，也可以采用更簡(jiǎn)潔的歸一化數(shù)據(jù)處理方法，然后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，觀察最后的結(jié)果是一致的。

(4)對(duì)于不同方法和儀器實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)更多的有關(guān)儀器或樣品特性的信息，這需要一定的數(shù)學(xué)、化學(xué)、流變學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，建議可以平時(shí)多利用一些軟件工具進(jìn)行分析。

(5)在線黏度測(cè)量或其他物理、化學(xué)參數(shù)的測(cè)量，數(shù)據(jù)處理和方法上是相通的，經(jīng)常是可觸類旁通和相互借鑒的。

(6)碳纖維行業(yè)中涉及的原液和樹(shù)脂類物料的實(shí)驗(yàn)室黏度和在線黏度測(cè)量，在實(shí)際中還存在一些問(wèn)題，建議制訂特定物料的實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在參考其他測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要注意不能照搬照抄，明確規(guī)定需要同一的測(cè)量條件，以免引起在不同測(cè)量條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。對(duì)于在線黏度測(cè)量，建議選用0.001 cP靈敏度和8 000 Hz工作頻率，抗干擾性強(qiáng)的在線黏度計(jì)。