碳纤维行业实验室和在线黏度测量技术及实例分析

丁晓炯

[笙威工程技术服务(上海)有限公司，上海 201399]

0 引言

碳纤维经过多年的发展，目前以粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料制备碳纤维的工艺实现了工业化。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始，实现一条龙生产。原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约其生产成本。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，这是多年经验的总结[1-2]。

如何在生产过程的一开始就控制好聚合反应的过程，确保整个反应过程都基本一致，是整个碳纤维生产的关键第一步，黏度测量就是控制和评价原液的关键手段。

目前在实际生产中，已广泛采用实验室黏度测量，也有不少碳纤维企业已尝试使用在线黏度测量技术[3]。

1 实验室黏度和在线黏度测量

1.1 实验室黏度测量

根据多年对化纤和碳纤维行业企业的走访和了解，目前行业内采用的实验室黏度测量主要有两种：旋转法和落球法。有关这两种方法的优劣和适用性，很少有人进行研究，基本都是按照各自行业或企业的内部传承和规定，也没有相应所测物料的测量标准。根据笔者的研究，通过对化纤行业针对原液的黏度测量做出实测和数据分析，旋转法比落球法具有更好的适用性和准确性，但针对某些特定的物料，落球法也是适用的[4-5]。

根据笔者的经验，旋转黏度计的测量也需要规定明确的测量条件，包括转子、转速、测量温度、样品量、读数时间等，最好是选用小量样品适配器的转子，这样样品量小，又可以外接恒温水浴，保证测量温度的稳定，热平衡时间也短，可以提高测量的准确性和时效性。

1.2 在线黏度测量

在线黏度计的类型很多，根据测量原理不同，主要有以下几种类型：压差式、注(活)塞式、旋转式、振动式等。碳纤维行业中以振动法为主，振动式的在线黏度测量起步相对较晚，但发展较快。振动法的传感头为一圆柱体，以恒定的振幅振动，当它剪切流体时，流体的黏度对传感头振动振幅有影响，测量维持恒定振幅所输入的功率，计算得到黏度。这类在线黏度计的测量范围也很宽，适合于不同的流体测量，测量时的剪切率比较高，一般剪切率约在1 000 s-1，高剪切的测量条件要求仪器有很高的灵敏度。

目前市场上的商品化在线黏度计也有一些，但是各家的仪器设计及内部算法各不相同，仪器的灵敏度、重复性和抗干扰性、实际使用性能差异也很大，能适合绝大部分剪切变稀的假塑性非牛顿流体或其他流体的在线黏度计，需要仪器有足够的灵敏度和稳定性，现在市场上最高灵敏度为SRV的0.001 cP，仪器没有运动部件，无需维护，是目前在使用较多的在线黏度测量设备[5]。

2 PAN原液在线黏度计选型实例分析

2.1 案例简介

某家企业正好已有两种不同测量原理的在线黏度测量仪器，但一直觉得不理想，想再寻找合适的在线黏度计。为了慎重起见，在做最终决定前，用了第三台在线黏度计进行试用测量，同时使用三台在线黏度计，并进行人工黏度测量比对，原有仪器分别以1、2表示、新仪器以3表示，得到了以下的测量数据。为了更好地进行评价，根据实测的数据除了简单的平均值计算外，还进行了进一步的相关分析计算，再进行综合评价，数据见表1。

表1 三种在线黏度计和实验室黏度测量值

续表

2.2 数据分析及结果

(1)直观观察。从数据的绝对值直观来看(表2)，仪器1的实测值和实验室黏度最接近，仪器2次之，仪器3为第三，那么根据这一表现，是否就可以认为仪器1最好呢？

表2 三种在线黏度计和实验室黏度测量值简单统计表

如果就这样做出决定，恰恰是不对的，需要具体分析原因。在线黏度测量结果和实验室黏度测量值的不一致，是由测量方法、条件以及物料流变特性决定的，已有文章论述，这里不再展开[6]。

(2)相关性分析。由于测量方法和测试条件的差异以及物料的流变特性，在线黏度和实验室黏度往往是不一样的，因此就应该用相关性分析做进一步的判断，通过对以上四组数据做相关系数的计算，得到以下相关系数矩阵(表3)。

表3 三种在线黏度计和实验室黏度测量值相关关系矩阵

从以上结果可以看到，和实验室黏度相关性最好的是仪器3，其次是仪器2、仪器1。这一结果和直观观察结果正好完全倒过来，最好的仪器是仪器3。

(3)转换成实验室黏度误差分析。通过以上的相关分析，我们得到了每个仪器和实验室黏度转换的关系，将每台仪器的在线值转换成实验室黏度值[5]，并进行了误差分析。相对偏差最小的是仪器3(6.55%)，其次是仪器2(7.25%)，第三是仪器1(8.10%)，最好的仪器是仪器3。

通过以上分析可知，最好的仪器是仪器3，其次是仪器2，第三是仪器1。

3 结束论

(1)测量方法和仪器的选择，需要结合实际的使用情况和物料的特性来选择，建议在决定前进行实际样品的测试，以免贸然决定造成损失。

(2)对于仪器的选型，不能只看数据的大小，更应该看趋势，建议进一步进行数据分析，通过一定的统计和误差分析，可保证最终选择的合理性和正确性。

(3)在统计过程中，数据经过线性的转换处理，不会影响最后线性相关性的统计结果，也可以采用更简洁的归一化数据处理方法，然后再进行统计分析，观察最后的结果是一致的。

(4)对于不同方法和仪器实测结果的分析，可以发现更多的有关仪器或样品特性的信息，这需要一定的数学、化学、流变学等相关基础知识，建议可以平时多利用一些软件工具进行分析。

(5)在线黏度测量或其他物理、化学参数的测量，数据处理和方法上是相通的，经常是可触类旁通和相互借鉴的。

(6)碳纤维行业中涉及的原液和树脂类物料的实验室黏度和在线黏度测量，在实际中还存在一些问题，建议制订特定物料的实验室黏度测试标准。在参考其他测试标准时，需要注意不能照搬照抄，明确规定需要同一的测量条件，以免引起在不同测量条件下进行数据比较。对于在线黏度测量，建议选用0.001 cP灵敏度和8 000 Hz工作频率，抗干扰性强的在线黏度计。