[发明专利]一种乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用，特别涉及一种适用于不饱和聚酯树脂基体的乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。

背景技术

碳纤维是先进复合材料重要的增强材料，在军事及民用工业的各个领域已取得广泛应用。但碳纤维属于脆性材料，在生产和加工过程中因机械摩擦容易造成单丝断裂和毛丝，使碳纤维的强度降低，影响其复合材料的力学性能。为改善纤维的强度及深加工性能，碳纤维生产线的收卷前都配有上浆装置。上浆是在碳纤维表面上涂一层保护胶，改善碳纤维的加工性能，减少毛丝及单丝断裂现象，使碳纤维集束，同时还可改善纤维与基体间的黏结，提高复合材料层间剪切强度(ILSS)。

常用上浆剂分溶剂型和乳液型两种。溶剂型上浆剂使用时溶剂挥发易导致树脂残留在导辊上，纤维通过时会造成损伤，同时有机溶剂挥发污染环境，目前国外已较少使用。乳液型上浆剂一般不易在导辊上残留树脂，又无溶剂污染环境，而且由于含有表面活性剂，可以大大提高纤维表面的被润湿性，还可以通过助剂达到提高碳纤维复合材料力学性能的目的。因此，现在各碳纤维生产厂商多用乳液型上浆剂。

由于复合材料使用环境和条件的不同，使用的树脂基体也性能各异。碳纤维上浆剂必须适应不同的树脂基体，并与其有很好的相容性，才能充分发挥碳纤维的优异性能。以往的研究者研制了许多乳液型碳纤维上浆剂，如US 4751258、US 4420512、US 5688554、CN 02813985.2均报道了不同组成的乳液型碳纤维上浆剂，这些上浆剂都是针对环氧树脂基体。当碳纤维复合材料的树脂基体为不饱和聚酯树脂时，其碳纤维所用上浆剂与环氧树脂型上浆剂结构有所不同。美国专利US 4981947采用不饱和醇类与异氰酸酯反应形成具有聚氨酯键的化合物，以此作为主要成分制备碳纤维上浆剂，但是该聚氨酯需自己聚合，工序较繁琐，反应不容易控制。US 4880881报道了一种不仅能够提高碳纤维的深加工性能，而且可以通过调节组分来适应环氧基体和不饱和聚酯基体的上浆剂。这种碳纤维上浆剂主要组分为环氧树脂、含有一个稠环苯酚的烷氧基衍生物片段(B1)和一个或两个单酯或聚酯片段(B2)特殊的共聚物、取代苯酚的烷氧基衍生物。可以通过调节组分B中B1和B2的分子量、比例、结构和组成来获得预想的性能。但是，组分B的制备较繁琐。

发明内容

本发明为了克服上述不足，提供了一种成本低、性能稳定的乳液型碳纤维上浆剂，此上浆剂适应于不饱和聚酯树脂基体，此外，本上浆剂还能改善纤维的表面性能和深加工性能，同时可改善纤维与基体树脂的界面黏结。

本发明还提供了本乳液型碳纤维上浆剂的制备方法，该方法操作简单，易于实施。

本发明还提供了本乳液型碳纤维上浆剂在碳纤维上的应用。

本发明是通过以下措施实现的：

一种乳液型碳纤维上浆剂，包括：主浆料、乳化剂、助剂和去离子水，所述助剂包括稀释剂和渗透剂，其中，乳化剂的质量为主浆料质量的5％～15％，稀释剂的质量为主浆料质量的0％～120％，渗透剂的质量为主浆料质量的1％～5％，去离子水与主浆料的质量比为50～90∶10～50。

上述上浆剂中，所述主浆料是乙烯基酯树脂和改性环氧树脂的混合物，所述乙烯基酯树脂和改性环氧树脂的质量比为10～90∶10～90。其中，乙烯基酯树脂为双酚A型环氧(甲基)丙烯酸类乙烯基酯树脂，改性环氧树脂为端环氧基反应型液态丁腈橡胶(ETBN)或环氧化聚丁二烯。

上述上浆剂中，所述乳化剂为下列表面活性剂中任意两种的混合物：烷基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)磷酸酯铵盐、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)硫酸铵、T-80(即吐温-80)、农乳602、蓖麻油聚氧乙烯醚。两种乳化剂的质量比为10～90∶10～90。其中，烷基酚聚氧乙烯醚为辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)或壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)，蓖麻油聚氧乙烯醚为EL-40或EL-20。

含NP-10磷酸酯铵盐和NP-10硫酸铵不仅具有优良的乳化分散性能，并且不影响上浆后碳纤维增强复合材料的耐热性。NP-10硫酸铵可在市场中买到，NP-10磷酸酯铵盐可通过NP-10磷酸酯制得：将NP-10磷酸酯加入反应釜，在搅拌下加入25-28wt％的氨水，当pH值至7.5-8.5时停止滴加，在35-45℃搅拌1-1.5h，即得NP-10磷酸酯铵盐。

农乳602的结构式为：

式中，(k，m＝1，2，3；n＝20)，E为C₂H₄O。

蓖麻油聚氧乙烯醚(EL-40、EL-20)的结构式为：