碳纖維行業實驗室和在線黏度測量技術及實例分析

丁曉炯

[笙威工程技術服務(上海)有限公司，上海 201399]

0 引言

碳纖維經過多年的發展，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現了工業化。碳纖維系統工程需從原絲的聚合單體開始，實現一條龍生產。原絲質量既決定了碳纖維的性質，又制約其生產成本。優質PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件，這是多年經驗的總結[1-2]。

如何在生產過程的一開始就控制好聚合反應的過程，確保整個反應過程都基本一致，是整個碳纖維生產的關鍵第一步，黏度測量就是控制和評價原液的關鍵手段。

目前在實際生產中，已廣泛采用實驗室黏度測量，也有不少碳纖維企業已嘗試使用在線黏度測量技術[3]。

1 實驗室黏度和在線黏度測量

1.1 實驗室黏度測量

根據多年對化纖和碳纖維行業企業的走訪和了解，目前行業內采用的實驗室黏度測量主要有兩種：旋轉法和落球法。有關這兩種方法的優劣和適用性，很少有人進行研究，基本都是按照各自行業或企業的內部傳承和規定，也沒有相應所測物料的測量標準。根據筆者的研究，通過對化纖行業針對原液的黏度測量做出實測和數據分析，旋轉法比落球法具有更好的適用性和準確性，但針對某些特定的物料，落球法也是適用的[4-5]。

根據筆者的經驗，旋轉黏度計的測量也需要規定明確的測量條件，包括轉子、轉速、測量溫度、樣品量、讀數時間等，最好是選用小量樣品適配器的轉子，這樣樣品量小，又可以外接恒溫水浴，保證測量溫度的穩定，熱平衡時間也短，可以提高測量的準確性和時效性。

1.2 在線黏度測量

在線黏度計的類型很多，根據測量原理不同，主要有以下幾種類型：壓差式、注(活)塞式、旋轉式、振動式等。碳纖維行業中以振動法為主，振動式的在線黏度測量起步相對較晚，但發展較快。振動法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動，當它剪切流體時，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，但是各家的儀器設計及內部算法各不相同，儀器的靈敏度、重復性和抗干擾性、實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定性，現在市場上最高靈敏度為SRV的0.001 cP，儀器沒有運動部件，無需維護，是目前在使用較多的在線黏度測量設備[5]。

2 PAN原液在線黏度計選型實例分析

2.1 案例簡介

某家企業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行試用測量，同時使用三臺在線黏度計，并進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據。為了更好地進行評價，根據實測的數據除了簡單的平均值計算外，還進行了進一步的相關分析計算，再進行綜合評價，數據見表1。

表1 三種在線黏度計和實驗室黏度測量值

續表

2.2 數據分析及結果

(1)直觀觀察。從數據的絕對值直觀來看(表2)，儀器1的實測值和實驗室黏度最接近，儀器2次之，儀器3為第三，那么根據這一表現，是否就可以認為儀器1最好呢？

表2 三種在線黏度計和實驗室黏度測量值簡單統計表

如果就這樣做出決定，恰恰是不對的，需要具體分析原因。在線黏度測量結果和實驗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，在線黏度和實驗室黏度往往是不一樣的，因此就應該用相關性分析做進一步的判斷，通過對以上四組數據做相關系數的計算，得到以下相關系數矩陣(表3)。

表3 三種在線黏度計和實驗室黏度測量值相關關系矩陣

從以上結果可以看到，和實驗室黏度相關性最好的是儀器3，其次是儀器2、儀器1。這一結果和直觀觀察結果正好完全倒過來，最好的儀器是儀器3。

(3)轉換成實驗室黏度誤差分析。通過以上的相關分析，我們得到了每個儀器和實驗室黏度轉換的關系，將每臺儀器的在線值轉換成實驗室黏度值[5]，并進行了誤差分析。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 結束論

(1)測量方法和儀器的選擇，需要結合實際的使用情況和物料的特性來選擇，建議在決定前進行實際樣品的測試，以免貿然決定造成損失。

(2)對于儀器的選型，不能只看數據的大小，更應該看趨勢，建議進一步進行數據分析，通過一定的統計和誤差分析，可保證最終選擇的合理性和正確性。

(3)在統計過程中，數據經過線性的轉換處理，不會影響最后線性相關性的統計結果，也可以采用更簡潔的歸一化數據處理方法，然后再進行統計分析，觀察最后的結果是一致的。

(4)對于不同方法和儀器實測結果的分析，可以發現更多的有關儀器或樣品特性的信息，這需要一定的數學、化學、流變學等相關基礎知識，建議可以平時多利用一些軟件工具進行分析。

(5)在線黏度測量或其他物理、化學參數的測量，數據處理和方法上是相通的，經常是可觸類旁通和相互借鑒的。

(6)碳纖維行業中涉及的原液和樹脂類物料的實驗室黏度和在線黏度測量，在實際中還存在一些問題，建議制訂特定物料的實驗室黏度測試標準。在參考其他測試標準時，需要注意不能照搬照抄，明確規定需要同一的測量條件，以免引起在不同測量條件下進行數據比較。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，抗干擾性強的在線黏度計。