利用1H-NMR对H-PDMS和E-PDMS的形成进行结构表征，如图4(a)所示，a处的位移(4.57)归属为Si-H上的氢，b处的位移(0.08)归属为Si-CH3上的氢，证明了H-PDMS已经合成。如图4(b)所示，c、d处的位移(2.61~2.80、3.15)分别归属为环氧基团上的氢，e、f处的位移(3.70、3.36)分别归属为醚键两端的氢，g、h处的位移(1.62、0.57)归属为—CH2—上的氢，i处的位移(0.08)归属于Si-CH3上的氢，证明了E-PDMS已经合成。

图4 (a)H-PDMS 和 (b)E-PDMS 的 ¹H-NMR 谱图

为了考察合成的自乳化P-OA乳液的存储稳定性，对其进行了放置实验，结果表明，在室温储存12个月以上，两种油剂均没有沉淀产生，表明P-OA的储存稳定性可以满足存储周期。

纤维上油后需要进行预氧化和炭化，因此要求油剂具有适中的耐热性，在200~300℃预氧化过程中不分解，不挥发，以保持纤维不黏连和并丝，但在300~800℃低温炭化过程中迅速气化，完全分解，尽量降低炭纤维灰分含量。图5为P-OA与J-OA的热稳定性曲线。油剂分解20%时，P-OA的分解温度比J-OA高，油剂分解25%时两条曲线相交，分解温度为378℃。结果表明，P-OA的耐热稳定性在300℃较J-OA高，满足炭纤维原丝炭化生产要求。

图5 P-OA 和 J-OA 的热稳定性

在聚丙烯腈湿纺生产线上，同时采用P-OA与J-OA对PAN原丝上油，观察上油后P-PAN原丝运行稳定性。在5km原丝收卷过程中，P-PAN纤维运行平稳，无毛丝、断丝与粘辊等情况出现。

在炭纤维生产过程中油剂是减少表面缺陷的有效措施。本文设计合成的HA-PDMS，分子两端有3个羟基，容易与PAN原丝表面腈基(-CN)形成氢键(图6)，有利于增加PAN原丝集束性。对P-PAN和J-PAN的性能进行了测试，由表2可知，P-PAN强度较J-PAN提高4.6%，断裂伸长率、纤度、模量、抗摩擦系数以及变异系数与J-PAN相当。

图6 PAN纤维与HA-PDMS之间的氢键作用

表2 P-PAN，J-PAN的纤维性能

在相同炭化条件下对PAN原丝P-PAN和J-PAN进行炭化和上浆处理。表3为P-PAN与J-PAN经过炭化工艺后炭纤维的性能测试。对比数据可发现，采用P-OA上油可以提高炭纤维的拉伸强度37.74%、拉伸模量16%，同时毛羽量减小43.84%。

4 结论

通过三步法合成了具有自乳化特点的HA-PDMS，与商业化环氧改性硅油复配得到聚丙烯腈基炭纤维原丝油剂(P-OA)。结果表明，P-OA油剂乳液粒径为167nm，表面张力较J-OA降低，初始分解温度约为250℃，高于J-OA的210℃，室温储存稳定好。使用P-OA和J-OA分别在PAN原丝生产线上进行上油制备了P-PAN和J-PAN，炭化制备两种炭纤维P-CF和J-CF，采用摩擦系数仪、毛羽量测试仪、纤维强力仪对PAN原丝和炭纤维进行测试表征。上油后P-PAN单丝拉伸强度较J-PAN提高5%；炭化后P-CF较J-CF拉伸强度提高38%、拉伸模量提高16%、毛羽量减小44%，其它性能指标均与J-CF处于同一水平，为炭纤维原丝油剂的研发提供了新的思路。