[发明专利]碳纤维用水性上浆剂及其制备方法和上浆方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维制造领域，特别涉及一种碳纤维用水性上浆剂及其制备方法和上浆方法。

背景技术

碳纤维由于有许多优异性能，如低密度，高强度，高模量，耐疲劳，耐磨损，低电阻率，低热膨胀系数，高热传导系数，耐高温，耐化学腐蚀，与生物相容性好，导电性良好，射线透过率好，后加工性好，设计自由度大等，被广泛应用在交通、土建、电器仪表、能源、医疗器械、文体器材等方面，尤其在航空航天等尖端技术领域，碳纤维及其复合材料的使用解决了许多技术关键的问题。

但是，碳纤维断裂延伸率小，并且具有脆性，在碳纤维的生产过程中，由于机械摩擦等容易产生毛丝、单丝断裂等现象，毛丝会污染工作环境，损害人体健康，降低碳纤维与树脂基体的浸润性，影响复合材料的性能。单丝断裂也会降低碳纤维的综合性能，因此就必须对碳纤维进行上浆处理。

上浆就是在碳纤维与基体树脂之间引入聚合物过渡中间层，即涂覆一层聚合物保护胶。由于增强纤维与基体在性能和结构上差异较大，上浆层可以作为复合材料界面的过渡层，将载荷通过界面有效的传递到纤维上，抑制界面处裂纹的引发和传播，改善纤维与基体树脂界面粘结。上浆剂是生产碳纤维的重要辅助材料，能有效改善碳纤维的后加工性能，例如提高耐磨性、降低毛丝量等。而且上浆剂组分中的活性官能团还可以促进界面间的化学键合，进一步增强界面粘结性。

上浆剂主要有以下几个方面的作用：一是上浆剂可以保护碳纤维免受损伤，提高纤维的集束性，有利于最大程度上保持碳纤维的强度；二是上浆剂可以改变碳纤维表面性能，提高纤维对基体树脂的浸润性；三是上浆剂中若有反应性官能团则有助于纤维表面与基体树脂的化学结合；四是上浆剂可以保护表面处理后碳纤维表面的活性基团。

碳纤维上浆剂在国内已有数十年的发展，主要集中在碳纤维增强环氧树脂领域，使用的体系多为环氧树脂和有机溶剂，如专利CN103451951A提及使用丙酮作为溶剂制备了碳纤维上浆剂，CN103628323A提及用三氯乙烯为溶剂，但是这种方法存在有机溶剂易挥发、树脂容易残留在导辊上等缺陷。专利CN101858037A制备出水性碳纤维上浆剂，制备出的乳液粒径太大，上浆后的碳纤维与树脂的界面结合不好。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种粒径小且分布范围窄、稳定性高和环保的碳纤维用水性上浆剂以解决现有技术存在的问题。

本发明的另一目的是提供一种碳纤维用水性上浆剂的制备方法。

本发明的再一目的是提供一种碳纤维用水性上浆剂的上浆方法。

本发明通过以下技术方案来实现发明目的：

一种碳纤维用水性上浆剂，包括以下百分含量的组分，环氧树脂改性剂5-10％、环氧树脂10-25％、去离子水65％-80％和助剂1％-5％，环氧树脂改性剂为对氨基苯甲酸或对氨基苯磺酸，对氨基苯甲酸和对氨基苯磺酸的分子结构中都含有羧基，一方面，羧基具有亲水性，与环氧树脂反应可以增加环氧树脂的水溶性；另一方面，羧基具有极性，制备的碳纤维上浆剂涂覆于碳纤维表面，与同样是极性的PA6基体具有一定的亲和性，使碳纤维和基体树脂具有一定的界面相容性，可提高复合材料的力学性能。

在本发明的一些实施例中，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂或酚醛环氧树脂中的一种或几种，双酚A型环氧树脂为E-03、E-06、E-12、E-20、E-35、E-44、E-51或E-55中的一种或几种，双酚F型环氧树脂为4，4’－二羟基二苯基甲烷、2，4’－二羟基二苯基甲烷、2，2’－二羟基二苯基甲烷中的一种或几种，酚醛环氧树脂为F-44、F-48、F-50、F-51中的一种或几种，这些环氧树脂化学结构中的环氧基、羟基官能团与醚键提供了与碳纤维表面官能团的反应性和化学粘结性，同时双酚A的苯环骨架保证了上浆剂的耐热性与基体树脂的相容性。

在本发明的一些实施例中，上述上浆剂中的助剂包括流平剂、表面活性剂、防沉降剂、润湿剂、分散剂和成膜剂。

其中，流平剂为羟甲基纤维素、聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚聚酯改性有机硅氧烷、烷基改性有机硅氧烷、丙烯酸树脂、脲醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂中的一种或几种，由此，能促使上浆剂在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑的浆膜，提高其流平性和均匀性，增加覆盖性，使成膜均匀、自然。