[發明專利]納米SiO2改性乳液型碳纖維上漿劑及其制備方法

無效

• 申請號: 201410607588.7
• 申請日: 2014-11-03
• 公開（公告）號: CN104389175A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 劉麗;張慶波;黃玉東;龍軍;姜大偉;武光順;謝非;李大龍;王芳
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: D06M15/55
• 分類號: D06M15/55;D06M11/79;D06M15/568;D06M15/53;D06M101/40
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明涉及一種用于碳纖維的含有納米SiO₂的乳液型上漿劑及其制備方法。

背景技術

碳纖維上漿劑是碳纖維復合材料制品的重要組成部分，在碳纖維復合材料性能的發揮過程中起著非常重要的作用。市場上絕大多數的碳纖維上漿劑都是以環氧樹脂為基體的，具有鋪展性好、和基體樹脂匹配性好等優點，但是其耐熱性能受環氧樹脂本身性能的影響。隨著碳纖維在聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、有機硅樹脂等耐高溫樹脂中的應用，上漿劑耐熱性的提高非常關鍵。

納米SiO₂是一種高科技的超細的無機材料，擁有眾多獨特的性能，例如：超微小的尺寸、高比表面積、杰出的表面吸附能力、高表面能、高化學純度、良好的分散能力、非常好的耐高溫性和穩定性等。擁有諸多的優異性能使得納米SiO₂在很多學科和領域有著不可替代的作用。因此，用納米SiO₂改性碳纖維上漿劑將是一個不錯的選擇，希望納米SiO₂可以賦予碳纖維復合材料許多優異的性能。

山西煤化所的楊禹等人采用納米SiO₂改性環氧樹脂乳液上漿劑和未改性乳液上漿劑對聚丙烯腈基碳纖維進行表面上漿。研究了未上漿、未改性和改性上漿碳纖維的表面狀態，發現碳纖維表面的粗糙度和表面能都增大。碳纖維經兩種上漿劑上漿后，其表面粗糙度和表面能有所增加，導致纖維與基體樹脂間的物理錨錠和化學鍵合作用增強，使界面黏結更加緊密，而納米SiO₂改性上漿劑對碳纖維的影響優于未改性上漿劑，碳纖維經納米SiO₂改性上漿和未改性上漿后，與未上漿相比，可使單纖維復合材料的IFSS分別提高79%和41%，從結果來看此方法改性碳纖維上漿劑取得了成功，但是摻雜了SiO₂的上漿劑的穩定性會受到很大的影響，不利于大量使用。

乳液型碳纖維上漿劑具有來經濟、安全、環保、衛生等諸多優點，勢必是碳纖維上漿劑的發展趨勢，將完全取代污染性較高，危險性較大的溶劑型上漿劑。但是納米SiO₂在水溶液中容易團聚，影響上漿劑的粒度分布及穩定性。???

發明內容

為了提高碳纖維上漿劑的耐熱性能、同時解決納米SiO₂在上漿劑乳液中的分散問題，本發明提供了一種適合工業生產的、具有更高耐熱性能且可賦予碳纖維優良性能的、含有納米SiO₂乳液型碳纖維上漿劑及其制備方法，在制備上漿劑乳化劑的過程中將納米SiO₂引入到了上漿劑體系中，提高了上漿劑的耐熱性能，解決了SiO₂在上漿劑乳液中的分散問題。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種含有納米SiO₂乳液型碳纖維上漿劑，由非離子型環氧乳化劑?10~25wt.%、環氧樹脂30~45wt.%、水分散介質?40~60wt.%制備而成。

上述含有納米SiO₂乳液型碳纖維上漿劑的制備方法，具體實施步驟如下：

取環氧樹脂，加入聚乙二醇和有機溶劑，在回流溫度下加入偶聯劑反應1~2h，加入納米SiO₂和偶聯劑，反應1~2h，然后加入烷基酚聚氧乙烯醚攪拌1~2h，抽真空抽出有機溶劑，降低到室溫得到非離子型環氧乳化劑；在所得非離子型環氧乳化劑基礎上加入環氧樹脂，在50~60℃下充分混合，然后緩緩加入水分散介質直至相轉變得到含納米SiO₂乳液型碳纖維上漿劑。

本發明中，所述環氧樹脂為低分子量（高環氧值）的雙酚A型環氧樹脂。

本發明中，所述水分散介質為去離子水。

本發明中，所述非離子型環氧乳化劑按照質量比由以下組份制備而得：環氧樹脂：30~35、聚乙二醇：25~35、偶聯劑：3-7、納米SiO₂：2~4、烷基酚聚氧乙烯醚：10~15，其中：環氧樹脂為含有一定羥基數量的雙酚A型環氧樹脂；偶聯劑為二異氰酸酯，具體為甲苯二異氰酸酯；聚乙二醇為中分子量的聚乙二醇，具體為分子量是4000-6000的聚乙二醇。

本發明中，所述納米SiO₂的直徑≤50nm。

本發明中，所述有機溶劑為甲苯或丁酮。

本發明具有如下優點：

1、本發明采用的偶聯劑是甲苯二異氰酸酯，將親水基團接枝在環氧分子上，不存在游離的小分子影響上漿劑在碳纖維上的鋪展。