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羥基氨基改性硅油的合成、表面張力儀測試及其在炭纖維原絲油劑中的應用（三）
來源：新型炭材料 瀏覽 204 次 發布時間:2026-03-30
利用1H-NMR對H-PDMS和E-PDMS的形成進行結構表征，如圖4(a)所示，a處的位移(4.57)歸屬為Si-H上的氫，b處的位移(0.08)歸屬為Si-CH3上的氫，證明了H-PDMS已經合成。如圖4(b)所示，c、d處的位移(2.61~2.80、3.15)分別歸屬為環氧基團上的氫，e、f處的位移(3.70、3.36)分別歸屬為醚鍵兩端的氫，g、h處的位移(1.62、0.57)歸屬為—CH2—上的氫，i處的位移(0.08)歸屬于Si-CH3上的氫，證明了E-PDMS已經合成。
圖4 (a)H-PDMS 和 (b)E-PDMS 的 1H-NMR 譜圖
為了考察合成的自乳化P-OA乳液的存儲穩定性，對其進行了放置實驗，結果表明，在室溫儲存12個月以上，兩種油劑均沒有沉淀產生，表明P-OA的儲存穩定性可以滿足存儲周期。
纖維上油后需要進行預氧化和炭化，因此要求油劑具有適中的耐熱性，在200~300℃預氧化過程中不分解，不揮發，以保持纖維不黏連和并絲，但在300~800℃低溫炭化過程中迅速氣化，完全分解，盡量降低炭纖維灰分含量。圖5為P-OA與J-OA的熱穩定性曲線。油劑分解20%時，P-OA的分解溫度比J-OA高，油劑分解25%時兩條曲線相交，分解溫度為378℃。結果表明，P-OA的耐熱穩定性在300℃較J-OA高，滿足炭纖維原絲炭化生產要求。
圖5 P-OA 和 J-OA 的熱穩定性
在聚丙烯腈濕紡生產線上，同時采用P-OA與J-OA對PAN原絲上油，觀察上油后P-PAN原絲運行穩定性。在5km原絲收卷過程中，P-PAN纖維運行平穩，無毛絲、斷絲與粘輥等情況出現。
在炭纖維生產過程中油劑是減少表面缺陷的有效措施。本文設計合成的HA-PDMS，分子兩端有3個羥基，容易與PAN原絲表面腈基(-CN)形成氫鍵(圖6)，有利于增加PAN原絲集束性。對P-PAN和J-PAN的性能進行了測試，由表2可知，P-PAN強度較J-PAN提高4.6%，斷裂伸長率、纖度、模量、抗摩擦系數以及變異系數與J-PAN相當。
圖6 PAN纖維與HA-PDMS之間的氫鍵作用
表2 P-PAN，J-PAN的纖維性能
| Sample | P-PAN | J-PAN |
| Denier/dtex | 1.27 | 1.29 |
| Denier CV/% | 6.02 | 11.86 |
| Elongation/% | 13.05 | 12.80 |
| Elongation CV/% | 2.72 | 5.45 |
| Strength/cN·dtex-1 | 6.25 | 5.86 |
| Strength CV/% | 3.29 | 3.60 |
| Modulus/cN·dtex-1 | 118.20 | 115.34 |
| Modulus CV/% | 2.99 | 4.64 |
| Oil content/% | 0.94 | 1.70 |
| Frictional wear | 0.24 | 0.22 |
在相同炭化條件下對PAN原絲P-PAN和J-PAN進行炭化和上漿處理。表3為P-PAN與J-PAN經過炭化工藝后炭纖維的性能測試。對比數據可發現，采用P-OA上油可以提高炭纖維的拉伸強度37.74%、拉伸模量16%，同時毛羽量減小43.84%。
表3 P-CF，J-CF的纖維性能| Sample | P-CF | J-CF |
| Strength/GPa | 4.27 | 3.89 |
| Strength CV/% | 3.43 | 5.07 |
| Modulus/ GPa | 233.00 | 242.00 |
| Modulus CV/% | 1.61 | 1.86 |
| Elongation/% | 1.83 | 1.60 |
| Elongation CV/% | 4.23 | 4.87 |
| Volume density/g·cm-3 | 1.75 | 1.77 |
| Linear density/g·km | 830.00 | 863.20 |
| Carbon content/% | 94.78 | 92.51 |
| Ash content/% | 0.12 | 0.31 |
| Hairiness/mg·m-1 | 0.41 | 0.73 |
| Frictional wear | 0.22 | 0.22 |
4 結論
通過三步法合成了具有自乳化特點的HA-PDMS，與商業化環氧改性硅油復配得到聚丙烯腈基炭纖維原絲油劑(P-OA)。結果表明，P-OA油劑乳液粒徑為167nm，表面張力較J-OA降低，初始分解溫度約為250℃，高于J-OA的210℃，室溫儲存穩定好。使用P-OA和J-OA分別在PAN原絲生產線上進行上油制備了P-PAN和J-PAN，炭化制備兩種炭纖維P-CF和J-CF，采用摩擦系數儀、毛羽量測試儀、纖維強力儀對PAN原絲和炭纖維進行測試表征。上油后P-PAN單絲拉伸強度較J-PAN提高5%；炭化后P-CF較J-CF拉伸強度提高38%、拉伸模量提高16%、毛羽量減小44%，其它性能指標均與J-CF處于同一水平，為炭纖維原絲油劑的研發提供了新的思路。