[发明专利]一种木质素基上浆剂在环氧丙烯酸酯复合材料中的应用

说明书

本发明提供了一种木质素基上浆剂在环氧丙烯酸酯复合材料中的应用：将碳纤维浸渍在上浆剂中，烘干后置于真空辅助成型装置中，经成型定性，获得碳纤维增强环氧丙烯酸酯复合材料。其中上浆剂由如下方法步骤制备：先将环氧树脂和臭氧化的木质素溶于有机溶剂，经加热搅拌反应获得木质素基环氧树脂，再加入醇胺和羧酸加热搅拌反应后，加入硅烷偶联剂获得木质素基亲水型上浆剂；上浆剂有效解决了碳纤维与环氧丙烯酸酯之间粘结性差等缺陷，提高了复合材料的力学性能。本发明上浆剂以水为介质，避免了有机溶剂的使用，成本低，环境友好，稳定性好。以其对碳纤维进行预处理，使得碳纤维增强环氧丙烯酸酯复合材料的综合性能提高显著。

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种木质素基亲水型上浆剂在环氧丙烯酸酯复合材料中的应用。

背景技术

环氧丙烯酸酯化学性稳定，耐霉菌，工艺简单，无需施加过高的压力，具有良好的绝缘性，耐化学腐蚀，具有较好的耐溶剂性等优点，因此在复合材料中有广泛的应用。但环氧丙烯酸酯耐磨性能差、耐冲击损伤能力差、韧性差，使其在生活中的应用受到了限制。

碳纤维是一种高比模量、高比强度、密度低、耐高温、热膨胀系数小的优异材料，被广泛应用于航天航空、汽车等高端领域。通过结合环氧丙烯酸酯与碳纤维的优点，可制备出高强度、轻量化的复合材料。然而，碳纤维呈现表面化学惰性，表面能低且几乎无化学基团。碳纤维进行上浆处理及添加相容剂能很好改善其界面性能。通过结合环氧丙烯酸酯基体，基体的性能短板大大拉低了复合材料的整体性能，表现为材料脆、易老化、不耐温、易损伤。另外材料之间结合难度很高，对于工艺的把控要求严格，容易出现气孔、分层、夹杂等缺陷，在使用过程中局部冲击过大也容易出现开裂、脱层的问题，因此一个良好的上浆剂成为了必不可少的部分。

上浆剂具有以下功能：(1)减少静电作用，提高碳纤维的集束能力，便于后续进行编纺加工；(2)隔绝空气、水分和灰尘，保持碳纤维表面活性；(3)填补碳纤维表面缺陷，在一定程度上对碳纤维起到辅助增强作用；(4)使碳纤维表面光滑，避免了在后续加工中的摩擦损伤，减少毛刺产生，提高碳纤维寿命，对碳纤维起到保护作用。

上浆剂可以分为溶液型上浆剂、乳液型上浆剂和亲水型上浆剂。溶液型上浆剂因其需要使用大量有机溶剂，成本相对较高，而且大量溶剂的挥发对于人体健康和工作环境具有非常严重的危害，所以目前已较少使用。乳液型上浆剂由于需要使用大量的乳化剂，其本质也是一种表面活性剂，故使碳纤维表面容易吸附水分；并且，低分子量的表面活性剂也会影响纤维与树脂之间的粘结性。少加或者不加乳化剂是上浆剂发展的重要方向，亲水型上浆剂是传统乳液型上浆剂的改进，通过向树脂中引入亲水性基团或将官能团离子化使其具有自乳化能力，能在水中不需要外加乳化剂就可以自乳化分散成乳液，较好的溶于水中，从而避免乳化剂的使用，而且其具有粒径尺寸小、粒径尺寸均匀及稳定性较高等优点。因此，亲水型环保无污染的上浆剂的研究成为了未来上浆剂发展的重点。

基于以上，开发一种亲水型环保高粘附性能上浆剂对碳纤维进行处理，提高碳纤维与环氧丙烯酸酯相容性，减少相容剂的使用量，同时满足材料力学性能，已成为亟需解决的技术难题。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提供了一种木质素基上浆剂在环氧丙烯酸酯复合材料中的应用，它包括如下步骤：

(1)在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为0.5-4.5wt％木质素基亲水型上浆剂水溶液中2-8min，然后将碳纤维布以1-5cm/min的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在80-120℃烘干1-5小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

(2)采用真空辅助成型工艺，将步骤(1)上浆预处理后的碳纤维布置于真空辅助成型装置中，进行抽真空操作，利用负压将与光引发剂和热固化剂混合均匀的环氧丙烯酸酯注入真空辅助成型装置，抽注0.5-1.5小时，保证环氧丙烯酸酯充分浸润碳纤维布，保持真空置于紫外光照箱内1-10分钟，在真空干燥烘箱70-150℃0.25-5小时后取出，获得碳纤维增强环氧丙烯酸酯复合材料。