[发明专利]一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维功能型乳液上浆剂领域，特别涉及一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法。

背景技术

碳纤维凭借自身优异的高比强度、高比模量，抗腐蚀耐高温等优异特性，被广泛应用于热固性与热塑性基体复合材料的增强材料。在碳纤维的生产过程中，由于工艺条件的不同，纤维表面的微观形貌存在着一定的差别，而这势必会影响纤维及其复合材料的性能。一方面，纤维表面凹槽的存在将有助于改善纤维与树脂的界面粘结状况，即有助于复合材料界面性能的提高；但另一方面，碳纤维表面凹槽的存在又可能会使碳纤维本身的性能下降，从而使复合材料的综合性能的下降。

研究发现，在树脂基复合材料中存在第三相，即界面相，这一有限区域在物理性能上存在梯度，对纤维和基体树脂之间力的有效传递起主导作用，从而使纤维真正起到承载作用，影响复合材料的最终性能。但由于纤维与基体在性质上存在着很大的差异，而改变此差异的一种方法是在碳纤维与基体之间引入聚合物过渡中间层即进行上浆处理，即一方面使碳纤维粘合在一起，减少纤维之间的摩擦，减少损伤；另一方面可以对界面相起到修饰作用，使界面变得粗糙，强化力学锚定作用的影响。基体树脂容易渗透到与其组成相似的上浆层中，改善纤维对树脂基体的浸润性能，增强化学键合。在纤维的生产过程中，上浆是其中一个极为重要的环节。但由于上浆剂的存在并不能够很好的改善复合材料界面粘结性。近年来，纳米材料由于其尺寸效应、大的比表面积以及较强界面的相互作用作为上浆剂的改性剂受到人们的关注。至今没有很好的办法，从而使复合材料的综合性能的没有得到很大的提高。

利用聚焦电磁场感应加热，制造了一个乙炔反应环境，使乙炔在高温碳纤维附近裂解为氢气和碳原子。碳原子沉积在碳纤维表面，达到修复缺陷增强碳纤维的目的(中国专利公开号CN1461829A，公开日2003年12月17日)。但是该方法是对碳纤维在加工后产生的表面空洞缺陷进行气相沉积法修补的一道补充工序设备及其复杂，成本较高，操作不方便，而且效率低。另外，采用无机纳米SiO₂作为上浆树脂改性材料，制备成碳纤维功能型乳液上浆剂。但由于无机粒子其尺寸小，均匀分散存在一定的困难，因此纳米SiO₂用量多少对上浆剂性能影响也有待进一步研究(中国专利公开号CN1632217A，公开日2005年06月29日)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法，该乳液上浆剂具有良好的稳定性，能有效改善碳纤维的加工性能，本发明的制备方法操作简单、成本低，在实际应用中可以通过改变上浆剂中组分的配比，应用于不同种类的树脂基体。

本发明的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，包括：碳纤维上浆剂，碳纳米管，分散剂及溶剂，其中各组分的重量份数为：碳纤维上浆剂1-5份，碳纳米管0.01-5份，分散剂0.1-8份及溶剂100份。

上述的碳纤维上浆剂是由环氧树脂、丙酮和乳化剂均匀混合制得，各组分的重量份数比为：环氧树脂100份：丙酮1-6份：乳化剂3-20份；

上述的碳纳米管为羧基化的多臂碳纳米管或羧基化的单臂碳纳米管，其中羧基化的多臂碳纳米管的长度为10-30μm，内径为10-20nm，外径为5-10nm；单臂碳纳米管的长度为10-30μm，内径为0.8-1.6nm，外径为1-2nm。

上述的分散剂为γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)、γ-(甲基丙烯酰氧)基丙基三甲氧基硅烷(KH570)或聚乙二醇。

上述溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或去离子水。

本发明的一种用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂的制备方法，包括：

(1)将环氧树脂溶于丙酮中，然后抽真空脱去有机溶剂，制得环氧树脂混合物；在所述环氧树脂混合物中加入乳化剂，加热至熔融状态后，快速搅拌使乳化剂与环氧混合物均匀混合，搅拌时间为2-6h，冷却得到粘稠膏状碳纤维上浆剂；

(2)将碳纤维上浆剂加入到溶剂中，制得上浆工作液，然后将碳纳米管与所述的上浆工作液混合，功率300w-600w下超声1-4小时后，加入分散剂，超声分散2-4小时，即得用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂。

本发明的一种用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂用于对碳纤维进行上浆处理，烘干后收丝得到上浆后的碳纤维。

有益效果

(1)本发明的碳纤维乳液上浆剂能使基体树脂充分润湿碳纤维，有效地在纤维与树脂基体之间起到应力传递作用，与未改性上浆剂相比，其复合材料的层间剪切强度(ILSS)分别提高了13-15％。