[發明專利]一種乳液型碳纖維用上漿劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710183154.2
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN106884330B
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 楊常玲;劉立果;呂永根;孫穎;黃飛
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: D06M15/564
• 分類號: D06M15/564;D06M15/53;D06M13/256;C08L77/06;C08K9/04;C08K7/06;B29B15/14;D06M101/40
• 代理公司: 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙) 31303
• 代理人: 金利琴

本發明涉及一種乳液型碳纖維用上漿劑及其制備方法和應用，首先將聚氨酯樹脂溶解在室溫下易揮發的有機溶劑中，加入表面活性劑混合均勻后制得主漿料溶液，再將表面活性劑分散在去離子水中制得乳化用水，然后將乳化用水逐滴加入到主漿料溶液中至主漿料溶液發生相反轉，最后將剩余的乳化用水全部加入主漿料溶液中，連續攪拌得到最終產品。最終產品遇水不發生固化，粒度均勻，粒徑為100?200nm，穩定性良好，常溫干燥條件下能儲存6個月，耐熱溫度高達280?300℃。將使用最終產品上漿后的碳纖維鋪層后與熱塑性樹脂尼龍66通過熱壓成型的工藝制得的碳纖維/尼龍66復合材料具有良好的層間剪切強度。

技術領域

本發明屬于碳纖維用上漿劑領域，涉及一種乳液型碳纖維用上漿劑及其制備方法和應用。

背景技術

碳纖維增強熱塑性復合材料因其可重復使用、成型速度快、抗疲勞性能好等特點引起了廣泛關注。碳纖維具有較高的比強度和比模量，是目前市面上較為先進的增強型材料，被廣泛應用于航空航天、體育器材和工業制造等領域。與傳統材料相比，碳纖維具有耐熱、耐腐蝕性高、強度高、密度小等特點，被當作當代高科技先進材料的代表。

碳纖維表面改性是碳纖維在復合材料中應用的關鍵技術，在碳纖維生產過程中需要對碳纖維進行電化學氧化等處理，使得碳纖維表面產生含氧活性基團，如羥基、羧基和羰基等。這些活性基團可以和復合材料的各種基體樹脂產生化學鍵合，從而可以大幅改善復合材料的界面性能。但是，碳纖維本身具有脆性，容易在生產、加工中產生毛絲，而且以上所述經表面改性獲得的活性基團在空氣中容易“失活”。所以對碳纖維表面進行上漿處理是碳纖維生產中不可或缺的工序，其目的除了減少毛絲、保護碳纖維表面、避免碳纖維表面“失活”以外，還可以通過上漿劑設計來改善纖維和樹脂基體的浸潤性，提高界面作用強度。

目前，與碳纖維/環氧樹脂復合材料相匹配的環氧型樹脂上漿劑的耐熱溫度一般不超過180℃，耐熱性能一般且多數是針對熱固性樹脂基體的，如專利CN101736593A中公開了一種環氧樹脂乳液的上漿劑，主要用于碳纖維增強熱固性環氧樹脂復合材料。熱塑性樹脂基復合材料和熱固性樹脂復合材料的加工成型方法有較大區別，界面作用的原理也不相同，所以開發熱塑性樹脂基復合材料用碳纖維上漿劑顯得非常的迫切。

中國專利CN104562698A公布了一種在水性聚氨酯乳液中加入熱塑性樹脂粉體進行混合得到的碳纖維上漿劑，可用于耐高溫熱塑性樹脂，但由于乳液中加入了熱塑性樹脂粉體，難以獲得分散性均一穩定的乳液，在上漿過程中還會發生熱塑性樹脂粉體的團聚現象，造成碳纖維表面形成厚度不均一的漿料層，在復合材料的制作中反而會對復合材料的界面產生不利的影響，復合材料界面作用強度不佳。

王浩靜等人采用在環氧上漿劑中加入聚氨酯來對碳纖維進行上漿，對碳纖維進行上漿處理后獲得了具有良好耐摩擦性能和開纖性能的碳纖維束。但上漿處理后碳纖維干燥過程中由于漿料中含有環氧樹脂，干燥需要嚴格控制，否則溫度太高會引起環氧樹脂分解而對上漿層產生破壞作用，且由于環氧樹脂作為漿料成分之一使得該上漿劑耐溫性能差，該上漿劑并不適用于碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料。

楊永崗等人采用TDI與聚酯二醇進行改性獲得一種改性不飽和聚酯乳液，通過相反轉乳化獲得了穩定的乳液，研究發現采用改性不飽和聚酯乳液上漿的碳纖維集束性、耐磨性、柔韌性較好，且上漿劑與碳纖維獲得了較好的相容性，但改性聚氨酯制備的過程中流程和工藝復雜，耗時較長，對設備要求較高，無疑增加了產品成本，且不利于工業化生產，另一方面，采用TDI作為原料制備聚氨酯有諸多弊端，TDI與MDI相比具有分子量小、常溫下易揮發、耐高溫性能差等缺點，不適合用于碳纖維增強熱塑性基體樹脂復合材料的制備，同時TDI具有較強的致癌毒性，不利于研發、操作人員的身體健康，且TDI分子的兩個-NCO基團的活性相差25倍，不利于改性的進行。

碳纖維用熱塑性樹脂上漿劑設計和加工應主要考慮：

(1)提高碳纖維的技術性；

(2)提高碳纖維與高粘度熱塑性樹脂的浸潤性；