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)過程的一開始就控制好聚合反應(yīng)的過程，確保整個反應(yīng)過程都基本一致，是整個碳纖維生產(chǎn)的關(guān)鍵第一步，黏度測量就是控制和評價原液的關(guān)鍵手段。

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

1 實(shí)驗(yàn)室黏度和在線黏度測量

1.1 實(shí)驗(yàn)室黏度測量

根據(jù)多年對化纖和碳纖維行業(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，也沒有相應(yīng)所測物料的測量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)筆者的研究，通過對化纖行業(yè)針對原液的黏度測量做出實(shí)測和數(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)黏度計的測量也需要規(guī)定明確的測量條件，包括轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速、測量溫度、樣品量、讀數(shù)時間等，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，保證測量溫度的穩(wěn)定，熱平衡時間也短，可以提高測量的準(zhǔn)確性和時效性。

1.2 在線黏度測量

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

目前市場上的商品化在線黏度計也有一些，但是各家的儀器設(shè)計及內(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，需要儀器有足夠的靈敏度和穩(wěn)定性，現(xiàn)在市場上最高靈敏度為SRV的0.001 cP，儀器沒有運(yùn)動部件，無需維護(hù)，是目前在使用較多的在線黏度測量設(shè)備[5]。

2 PAN原液在線黏度計選型實(shí)例分析

2.1 案例簡介

某家企業(yè)正好已有兩種不同測量原理的在線黏度測量儀器，但一直覺得不理想，想再尋找合適的在線黏度計。為了慎重起見，在做最終決定前，用了第三臺在線黏度計進(jìn)行試用測量，同時使用三臺在線黏度計，并進(jìn)行人工黏度測量比對，原有儀器分別以1、2表示、新儀器以3表示，得到了以下的測量數(shù)據(jù)。為了更好地進(jìn)行評價，根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)除了簡單的平均值計算外，還進(jìn)行了進(jìn)一步的相關(guān)分析計算，再進(jìn)行綜合評價，數(shù)據(jù)見表1。

表1 三種在線黏度計和實(shí)驗(yàn)室黏度測量值

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)的絕對值直觀來看(表2)，儀器1的實(shí)測值和實(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 三種在線黏度計和實(shí)驗(yàn)室黏度測量值簡單統(tǒng)計表

如果就這樣做出決定，恰恰是不對的，需要具體分析原因。在線黏度測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室黏度測量值的不一致，是由測量方法、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[6]。

(2)相關(guān)性分析。由于測量方法和測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，通過對以上四組數(shù)據(jù)做相關(guān)系數(shù)的計算，得到以下相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)。

表3 三種在線黏度計和實(shí)驗(yàn)室黏度測量值相關(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)果正好完全倒過來，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。通過以上的相關(guān)分析，我們得到了每個儀器和實(shí)驗(yàn)室黏度轉(zhuǎn)換的關(guān)系，將每臺儀器的在線值轉(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選擇，建議在決定前進(jìn)行實(shí)際樣品的測試，以免貿(mào)然決定造成損失。

(2)對于儀器的選型，不能只看數(shù)據(jù)的大小，更應(yīng)該看趨勢，建議進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過一定的統(tǒng)計和誤差分析，可保證最終選擇的合理性和正確性。

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

(4)對于不同方法和儀器實(shí)測結(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，建議可以平時多利用一些軟件工具進(jìn)行分析。

(5)在線黏度測量或其他物理、化學(xué)參數(shù)的測量，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)中涉及的原液和樹脂類物料的實(shí)驗(yàn)室黏度和在線黏度測量，在實(shí)際中還存在一些問題，建議制訂特定物料的實(shí)驗(yàn)室黏度測試標(biāo)準(zhǔn)。在參考其他測試標(biāo)準(zhǔn)時，需要注意不能照搬照抄，明確規(guī)定需要同一的測量條件，以免引起在不同測量條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。對于在線黏度測量，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。