[发明专利]一种预聚体和由其制备的碳纤维用聚氨酯乳液及其应用

说明书

技术领域

 本发明涉及碳纤维表面改性技术领域，特别涉及一种预聚体和由其制备的碳纤维用聚氨酯乳液及其应用。

背景技术

碳纤维具有高强度、高模量、导电、导热、耐高温及耐腐蚀等特性，其主要用途是用作增强材料，与树脂基体复合，制备高性能的复合材料，用于替代传统的钢铁等材料在国防、航空航天等领域的应用。由于碳纤维表面的惰性，使其很难与其他基体材料复合制备界面性能良好的复合材料，这很大程度上限制了其优异性能的发挥。为此，需要对碳纤维表面进行改性处理，目前国内碳纤维生产中有大量专利报道碳纤维的改性方法，中国专利CN1094100A、CN101403183A采用化学镀的方法在碳纤维表面均匀镀铜、银、锌等金属提高其导电性、与金属的相容性，可用于制备C/金属复合材料；专利CN101413209B、CN101413210B采用等离子体技术在碳纤表面涂敷纳米溶胶、二氧化硅等无机材料，提高碳纤维与无机材料的相容性；中国专利CN102321976A、CN101858038B、CN101880967B等专利采用配制上浆剂对碳纤维进行表面改性，这类改性方法制备的碳纤维上浆剂主要成分为环氧树脂，而传统的环氧树脂乳液对碳纤维集束性差，上浆后的碳纤维松散、毛羽量大，其主要仅用于增强环氧类热固性树脂，上述专利文献对碳纤维的改性方法，在一定程度上限制了碳纤维的使用领域。

 

发明内容

为了克服现有技术的不足与缺陷，本发明的首要目的是提供一种预聚体。

本发明的另一个目的在于提供能够提高对碳纤维的浸润性和集束性，降低对碳纤维的毛丝率的碳纤维用聚氨酯乳液。

本发明的再一个目的在于提供上述碳纤维用聚氨酯乳液的制备方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种预聚体，包括如下组分：

（A）聚酯改性二元醇；

（B）芳香族二异氰酸酯；

其中，（A）组分和（B）组分的重量比为3.29：1~9.42：1。

一种使用上述预聚体制备的碳纤维用聚氨酯乳液，按重量份计，包括如下组分：

预聚体                        46.05~104.2份；

有机溶剂                      45~55份；

去离子水                      72~203份；

加工助剂                      3.86~10.52份；

其中，所述预聚体，包括如下组分：

（A）聚酯改性二元醇；

（B）芳香族二异氰酸酯；

其中，（A）组分和（B）组分的重量比为3.29：1~9.42：1。

本发明的聚氨酯乳液是通过控制预聚体中聚酯改性二元醇与二异氰酸酯的质量比来调节预聚体中的异氰酸根指数R为1.2~2.0。其中，异氰酸根指数R =n（NCO）/ n（OH））； n（NCO）为芳香族二异氰酸酯NCO基团的摩尔量，n（OH）为聚酯二元醇OH基团的摩尔量。

当R值较小时，预聚物相对分子质量较大，预聚体中无残留的NCO基团，其不能与扩链剂发生化学反应，导致预聚物较难分散，所以乳液粒径较大（D₅₀大于3μm），表现为乳液静止稳定性（4周后发生沉降）；当R值过大时，残留的NCO基团增多，会与水生成脲键，同时生产CO₂气体，残留的NCO基团增多，在水分散时和水发生扩链反应就越激烈，生成的脲键也增多，而脲键链段疏水性强，形成不溶的多聚脲，导致形成的乳胶粒径变大（D₅₀大于3μm），乳液外观变差（乳白泛黄），稳定性降低（2周后发生沉降）。

所述芳香族二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、 间苯二甲基二异氰酸酯的一种或几种混合物；优选为甲苯二异氰酸酯。

所述聚酯改性二元醇选自分子量MW为1000~2000，羟值为55~120的液体的聚酯二元醇和/或聚碳酸酯二元醇；所述聚酯二元醇优选为聚己二酸丁二醇酯和/或聚己内酯二醇；所述聚碳酸酯二元醇优选为聚碳酸酯二醇。

所述有机溶剂选自丙酮、N-甲基吡咯烷酮、三羟甲基丙烷、丙二醇甲醚醋酸酯的一种或几种混合物；优选为丙酮和/或N-甲基吡咯烷酮。

所述加工助剂包括扩链剂和硅烷偶联剂；所述扩链剂选自二羟甲基丙酸、异佛尔酮二胺、乙二胺、三乙胺的一种或几种混合物；所述硅烷偶联剂选自KH-550、KH-560、KH-570的一种或几种混合物。