[发明专利]用于碳纤维的包含纳米颗粒的纤维上浆系统

说明书

本发明涉及涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，相对于所述述涂覆纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，所述涂层可参与进一步的反应。本发明还涉及制造涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料的方法，以及相应的碳纤维复合材料。

摘要：

涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，其中基于上述涂覆纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，其中所述涂层可参与进一步的反应，制造涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料的方法，以及相应的碳纤维复合材料。

发明说明：

轻质构造是克服21世纪挑战的最重要技术之一。对于轻质构造来讲，纤维复合材料的使用是必不可少的。在运输领域，如在飞机建造、轨道车辆建造、或汽车建造、机械工程、或建筑领域，越来越多地使用所述材料，这要求这些纤维复合材料的性能不断提高。风力涡轮机的转子叶片的制造长度越来越大，因此对其机械稳定性的要求也不断增加。

纤维复合材料，特别是用于高性能应用的纤维复合材料的制造，经常使用热固性或热塑性聚合物基质。所述聚合物基质相对于其在纤维复合材料中的性能而被优化。同样相对于在组件中的应用而优化所使用的增强纤维、短纤维或连续长丝纤维、以及由其制造的织物结构的结构和设计，所述织物可以是机织织物、针织织物、无纬稀松布或预成型件。

纤维复合材料的失效主要取决于纤维/聚合物基质界面。不可或缺的要求是纤维与热固性或热塑性聚合物基质的良好粘合，以及纤维的良好润湿性。

原则上有两种通过添加纳米材料解决该问题的方式。首先，可以将纳米材料引入到聚合物基质中，为此要使用相对较大量的纳米材料；其次，可以用纳米材料涂覆所述纤维。

在制造纤维的过程中通过使用纤维上浆系统(也称为上浆)来解决该问题。所述上浆系统的功能首先是保护纤维，即在进一步的加工步骤期间不仅保护单独的长丝还保护纤维束(粗纱)，以及随后纤维与热固性或热塑性聚合物基质的粘合。所述上浆系统还可以影响其它的纤维性能，如抗静电行为。所述上浆系统包含与纤维类型(如玻璃纤维或碳纤维)纤维的细度和预期的后续应用(如在环氧树脂或在不饱和聚酯树脂中加工)相匹配的成分。

Sprenger(J.Mater.Sci.,44(2009),pp.342-5)公开了包含均匀分布在聚合物中的纳米颗粒的纤维复合材料。与使用其它颗粒相比，即使二氧化硅颗粒在基质的含量为10重量％，其对机械性能也没有产生实质的影响。

Yang(Mat.Letters 61(2007),pp.3601-4)公开了一种具有SiO₂纳米颗粒的碳纤维上浆体系，及对根据ASTM D2344的层间抗剪强度的有利影响，但没有公开任何允许计算纤维上的颗粒含量的数值。没有观察到其它层压板性能的改善。

现有技术的缺点在于使用了相对大量的纳米材料。

本发明的一个目的是通过使用较少量的纳米材料来简化现有技术的方法。

令人惊奇的是，已经发现，即使在浆液中存在小量的纳米材料，也可以导致碳纤维复合材料的机械性能的显著提高。

本发明提供涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，其中基于涂覆碳纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，其中涂层可能参与进一步的反应。

在本发明的范围内，术语纳米颗粒是指有机或无机颗粒，优选无机颗粒，更优选氧化和/或氢氧化物颗粒，更优选非矿物质来源的颗粒；特别优选所述颗粒包含铝、钛、锌、锡、钒、铈、铁、镁或硅的氧化物和/或氢氧化物，更特别优选所述颗粒是SiO₂颗粒。优选SiO₂颗粒选自于沉淀二氧化硅、胶体二氧化硅、硅藻土(Kieselguhr)和气相二氧化硅，特别优选胶体二氧化硅。