[發明專利]一種耐高溫的水性碳纖維通用上漿劑及制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110793567.9
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN113430831B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 陳玉潔;郭宇通;王杰統;李華;劉河洲
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: D06M15/53
• 分類號: D06M15/53;C08G65/48;D06M101/40
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種耐高溫的水性碳纖維通用上漿劑及制備方法和應用，上漿劑按重量百分數計算，其組分包括0.1％?10％磺化聚醚酮酮，80?99％去離子水。與現有技術相比，本發明所制備的上漿劑可以廣泛適用于原始碳纖維，連續碳纖維與回收短切碳纖維的上漿處理。其產物的最大分解溫度大于300℃，可以適用于高溫的加工制造條件和應用環境。

技術領域

本發明屬于上漿劑制備領域，具體設計一種耐高溫水性碳纖維通用上漿劑的制備方法。可以通用于原始碳纖維、回收碳纖維、連續碳纖維、短切碳纖維等材料的上漿處理。

背景技術

碳纖維是一種無機纖維材料，其具有比強度高、比模量高、耐高溫、耐腐蝕、密度小、抗疲勞等特點。碳纖維及其復合材料在運動器材、航天航空、醫療器械、國防軍工等領域有著廣泛的應用。我國的碳纖維及其相關產業近年來也呈現飛速發展的趨勢，碳纖維產量逐年增加。但是，碳纖維材料脆性高、伸長率低，在生產和加工過程中因為重復受到拉伸、摩擦、彎折等作用，容易出現斷絲、毛絲等現象，嚴重影響產品的質量和生產效率。此外，由于碳纖維表面官能團較少，呈現界面惰性，在與樹脂等材料混合構造復合材料的過程中存在界面結合較差的問題，從而導致復合材料的性能下降。

為了解決上述問題，可以對碳纖維進行上漿處理以提高碳纖維的可織性與增加碳纖維與基體材料之間的界面結合。上漿劑的作用主要是保護碳纖維表面的官能團免受環境中雜質污染；提高碳纖維的集束性，增加其加工工藝性，使其便于加工；改善碳纖維與基體樹脂之間的化學結合力；增強碳纖維的浸潤性，進而提高復合材料層間剪切強度，改善和優化復合材料的綜合性能；增加碳纖維表面潤滑性，對碳纖維進行保護，減少其在加工過程中因為摩擦、彎折等原因而出現斷絲、毛絲的現象。

目前主要的碳纖維上漿劑分為溶劑型、乳液型和水溶型。溶劑型上漿劑所采用的溶劑為有機溶劑，大多數有毒且具有良好的揮發性，對環境的污染和人體的傷害較大。乳液型上漿劑是通過向不溶于水的樹脂基材料中添加乳化劑與水來制成乳液。相比于溶劑型上漿劑，乳液型上漿劑對人體的傷害較低。但是大多數乳化劑是表面活性劑，在自然環境下難以降解，對環境的污染依然很大。而水性上漿劑是以水為溶劑，且沒有添加污染較大的有機類添加劑和表面活性劑，對環境和人體的影響都相對較低。

目前常用的上漿劑多為熱固性樹脂或者能與熱固性樹脂發生反應的熱固性上漿劑，例如環氧樹脂。這些熱固性上漿劑加工較為困難，且固化后難以進行再加工處理。此外熱固性上漿劑材料的耐高溫性能較差，一般溫度高于250℃容易發生降解反應，產生分解產物并殘留在樣品中，會嚴重影響碳纖維和基體之間的結合以及降低復合材料的性能。相比較于熱固性樹脂，熱塑性樹脂具有低密度、高韌性、高損傷容限、容易加工成型等優點。此外，熱塑性樹脂的加工溫度一般可以達到 300℃，可以滿足加工和生產生活過程中的高溫環境需求。但是，由于碳纖維表面惰性，因此熱塑性樹脂與碳纖維的結合相比于熱固性樹脂更差，而且當下大多數熱塑性樹脂基上漿劑采用的都是溶劑型上漿劑，對環境和人體的傷害較大。

我國近年來碳纖維的產量逐年增加，但是高強度碳纖維的構造仍然較為欠缺。此外高性能的碳纖維復合材料的加工與制造仍然存在較大的技術困難。上漿劑作為解決碳纖維復合材料的界面結合問題的方法之一，是相關領域的研究重點。但是當前的水性碳纖維上漿劑的相干研究和報道還較少，特別是耐高溫水性熱塑性樹脂基碳纖維通用上漿劑還未見有相關的發明和報道。

專利申請201811432863.0公開了一種聚醚酮酮上漿劑，由以下重量份的原料混合攪拌而成：聚醚酮酮0.1～5份，硫酸溶液20～99.8份，氧化石墨烯0.1～5份；所述硫酸溶液為質量分數為90～99％的硫酸的水溶液；所述聚醚酮酮為低結晶型聚醚酮酮樹脂；所述氧化石墨烯為平均粒徑為300～5000目的氧化石墨烯粉體；本發明能滿足PEKK樹脂加工溫度且能有效提高碳纖維與PEKK基體界面粘接性能，且制備工藝簡單。但是該專利所使用的的上漿劑還是酸性溶液，對環境和人體的傷害較大，且其應用范圍較小，僅限定于聚醚醚酮樹脂基復合材料的制造與使用。此外，該專利中使用氧化石墨烯存在易于團聚，價格昂貴，制備工藝復雜的問題，對于復合材料的使用和后續使用會造成影響。

發明內容