[發明專利]一種石墨烯改性的碳纖維上漿劑的制備方法及其產品

有效

• 申請號: 201610296461.7
• 申請日: 2016-05-05
• 公開（公告）號: CN105862428B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 李超;顏春;祝穎丹;劉東;徐海兵;陳剛;王昊
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: D06M15/55
• 分類號: D06M15/55;D06M11/74;C08L63/00;C08K9/04;C08K9/02;C08K7/06;C08J5/06;D06M101/40
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 劉誠午

技術領域

本發明涉及碳纖維上漿劑制備領域，具體涉及一種石墨烯改性的碳纖維上漿劑的制備方法及其產品。

背景技術

碳纖維具有模量高、強度高、耐高溫、耐疲勞、導電和熱膨脹系數小等一系列優點，碳纖維增強樹脂基復合材料廣泛應用于航天航空、交通、能源、建筑等領域。碳纖維絲在生產過程中容易產生毛絲和單絲斷裂現象，會降低材料的力學性能。為了解決這個問題，通常在碳纖維生產過程中對其表面進行上漿處理，同時上漿劑還提升碳纖維和基體樹脂之間的界面粘接強度，從而提升碳纖維復合材料的綜合性能。

碳纖維上漿劑大體可以分為溶劑型和乳液型兩種，上漿劑中主漿料為樹脂，制備上漿劑的樹脂種類繁多，主要有乙烯醇、聚丙烯酸、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機硅改性酚醛樹脂、聚酰亞胺、聚酰亞胺等。溶劑型的上漿劑在使用時需要大量的有機溶劑，從而引發經濟、安全及環保問題。為了避免上述問題的出現，水性乳液型碳纖維上漿劑被開發出來。

劉文博等人將熱塑性聚芳醚砜樹脂溶于有機溶劑中制備了一種熱塑性碳纖維上漿劑。該發明具有制備簡單上漿均勻等優點。但由于該發明在碳纖維工業生產中大量應用時會帶來嚴重的環境污染問題，對比水性上漿劑不具備競爭力。

劉麗等人將環氧樹脂和聚乙二醇等混合制備了非離子型環氧乳化劑，并用該乳化劑與環氧樹脂以及氧化石墨烯水溶液制備了含有氧化石墨烯的碳纖維上漿劑。該發明的上漿劑僅由液態E-44環氧樹脂制備，由于液態環氧樹脂易吸水，上漿后難以對碳纖維起到有效保護，相比于固液混合樹脂更難在碳纖維與基體間形成良好的界面，在碳纖維的工業化生產中會出現難以克服的問題。

石墨烯是由碳六元環組成的二維周期蜂窩狀點陣結構，它可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨，因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯還兼有石墨和碳納米管等材料的一些優良性質，例如高熱導性和高機械強度，以石墨烯制備的納米復合材料也表現出許多優異的性能。將石墨烯加入到上漿劑中不僅可提高界面的錨定效應，而且加入石墨烯后還可以減少吸水量，顯著提升界面性能。但石墨烯在水中的分散性很差，如果不經過處理加入到上漿劑中容易團聚反而使性能下降。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種石墨烯改性的碳纖維上漿劑的制備方法及其產品，該方法制備的產品不僅具有粒徑小均勻，且與碳纖維表面結合好等優點，而且同時解決了石墨烯分散不均勻和穩定性差的問題。

本發明解決上述技術問題的技術方案為：

一種石墨烯改性的碳纖維上漿劑的制備方法，包括如下的步驟：

1)將固態環氧樹脂和液態環氧樹脂在60～100℃下熔融混合，得到混合環氧樹脂；

2)加入陰離子表面活性劑，攪拌進行乳化；

3)繼續加入非離子表面活性劑攪拌，然后滴加蒸餾水，攪拌至體系發生相反轉，得到上漿乳液；

4)制備改性的石墨烯溶液；

5)將上漿乳液和改性的石墨烯溶液混合分散，得到石墨烯改性碳纖維上漿劑。

上述技術方案中，所述的制備方法簡單易于操作，所得的上漿劑具有粒徑小且均勻，穩定性好等優點。上漿劑中加入改性的石墨烯不僅可提高界面的錨定效應，而且加入石墨烯后還可以減少吸水量，顯著提升界面性能；其次，改進的石墨烯具有尺寸大小合適，粒徑分布窄，剝離程度高，穩定性好易儲存等特點，同時可大幅度提升碳纖維的界面性能進而提升綜合力學性能的優點。制備得到的改性上漿劑具有使用方便、易于儲存和化學性質穩定等特點，對于高性能碳纖維上漿劑的工業應用推廣有較好的指導意義。

作為優選，所述的固態環氧樹脂為E-06環氧樹脂、E-12環氧樹脂或E-20環氧樹脂。

作為優選，所述的液態環氧樹脂為E-44環氧樹脂、E-51環氧樹脂或E-55環氧樹脂。

作為優選，所述的陰離子表面活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽、十二烷基硫酸鹽、十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸鹽、十二烷基苯磺酸鹽、仲烷基磺酸鹽、脂肪醇羥乙基磺酸鹽、十二烷基磷酸酯鹽、十六烷基三甲基氯酸鹽或N-月桂酰肌氨酸鹽中的一種或幾種。進一步優選，所述的陰離子表面活性劑為十二烷基硫酸銨、十六烷基三甲基氯酸銨、十二烷基磷酸酯銨、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉或十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸銨。

作為優選，所述的非離子表面活性劑為烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的環氧乙烷加成物、聚氧乙烯月桂醚、失水山梨醇酯、蔗糖酯、烷基醇酰胺型表面活性劑或非離子氟碳表面活性劑中的一種或幾種。