[发明专利]聚氨酯结构改性的环氧树脂上浆剂乳液及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于水性环氧上浆剂乳液的制备领域，特别涉及一种具有良好集束性和耐磨性的聚氨酯结构改性的环氧树脂上浆剂乳液及其制备和应用。

背景技术

以碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、芳纶等为代表的高性能纤维是生产制备纤维增强树脂基复合材料的重要基础增强体材料。以高性能碳纤维、石墨纤维的工程化制造为例，其生产工艺流程中，纤维的表面化学处理与上浆是研究和生产碳纤维的一个必不可少的环节（《碳纤维及石墨纤维》贺福著，化学工业出版社，2010）。通过碳纤维表面处理和上浆工序，一方面可以提高生产所得碳纤维的集束性、耐磨性、韧性、抗静电性等，同时可通过上浆剂性能的调节实现所得碳纤维的开纤性和扩幅性的平衡调控，满足碳纤维、石墨纤维在后续编织、铺层、缠绕等复合材料制造工艺的性能要求。另一方面，碳纤维、石墨纤维表面的处理与上浆剂的应用性能匹配，可以在确保纤维制造与后续工艺性能的同时针对不同复合材料树脂体系和成形工程工艺条件，提高碳纤维、石墨纤维的基体树脂浸润性和固化成形所得纤维增强树脂基复合材料的界面粘结强度。

基于上浆剂在高性能碳纤维以及石墨纤维制造工程和纤维增强树脂基复合材料应用中的重要性，上浆剂已成为碳纤维、石墨纤维工程化的重要配套材料，其性能影响碳纤维制造工程的工艺性和复合材料的综合力学性能，也是目前高性能碳纤维和石墨纤维产业化技术研究的重要热点。中国发明专利申请200510063352.2、201010300131.3、201010234852.9、2009102158.33、201010202372.4分别公开了以环氧树脂、水性环氧树脂、缩水甘油醚酯、聚丙烯腈类、环氧乙烯基复合树脂为主要组分的碳纤维上浆剂的制备方法以及应用。此外，为了进一步改进乳液性能和上浆碳纤维的性能，中国发明专利申请201010217247.0、201110102007.0、201110085545.3、200410064587.9分别公开了采用多元醇、石墨烯、碳纳米管、纳米二氧化硅等改性的乳液上浆剂的制备方法和应用。同时，中国发明专利申请201010217240.9和201010125199.2分别公开了两种自乳化型环氧基碳纤维用上浆剂的合成制备方法。然而从目前的应用状况看，采用上述树脂配方和制备方法所得的上浆剂应用于碳纤维、石墨纤维时，存在正常纤维上浆量（<1.40%）条件下集束性和耐磨性差、开纤性和扩幅性能欠缺以及回弹韧性不足等问题，尤其是在12K及以上丝束数的碳纤维工程化应用中普遍存在，制约了上述上浆剂的实际工程应用。

为了改善碳纤维、石墨纤维的集束性和耐磨性能不足，目前通常采用在水性环氧树脂基乳液上浆剂中额外加入特种功能渗透剂、集束剂等助剂。以碳纤维集束剂为例，目前市售的产品如三洋化成公司CHEMITYLEN纤维集束剂，其有效化学成分为双酚型不饱和聚酯。实际工程应用中，在水性乳液上浆剂中加入集束功能助剂混合后，存在上浆剂乳液稳定性下降、容易分层、固含量不易控制等技术问题。同时由于外加集束功能助剂的组分容易导致上浆碳纤维硬化，失去后期纤维加工成型需要的弹性与耐磨性，无法满足最终复合材料的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种聚氨酯结构改性的环氧树脂上浆剂乳液及其制备和应用，该环氧树脂上浆剂乳液所制得碳纤维具有良好的集束性、耐磨性和韧性，同时上浆剂树脂的化学稳定性良好，有利于上浆碳纤维的长期储存保质；且制备工艺简单、易操作，反应原料来源方便，成本低，可以在通用设备中完成制备过程，经济效益良好，有利于实现工业化生产。

本发明的一种聚氨酯结构改性的环氧树脂上浆剂乳液，其组分包括：

所述的聚氨酯结构改性的环氧树脂组合物，其组分包括：

双酚A型环氧树脂             88~99wt%

异氰酸酯                    1~12wt%

所述的双酚A型环氧树脂选自双酚A型E20、双酚A型E21、双酚A型E44、双酚A型E51中的一种或几种的混合物；

所述的双酚A型环氧树脂，其平均分子量为350~2500克/摩尔，优选平均分子量为350~1500克/摩尔；

所述的异氰酸酯为芳香族、脂肪族或脂环族异氰酸酯；优选异氰酸酯为芳香族甲苯二异氰酸酯（TDI）、芳香族二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、脂肪族六次亚甲基二异氰酸酯（HDI）或脂环族异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）；

所述的表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其疏水性脂肪醇部分为C1~C18的碳链；优选十六醇聚氧乙烯醚、十八醇聚氧乙烯醚；