[发明专利]一种用于碳纤维表面处理的水溶性环氧树脂乳液及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种用于碳纤维表面处理的水溶性环氧树脂乳液及其制备方法和用途，属于功能高分子与复合材料技术领域。本发明水溶性环氧树脂乳液是由聚乙二醇、环氧树脂和催化剂为原料制备而成。本发明还提供了利用该乳液改性碳纤维以及利用改性碳纤维制备的复合材料。本发明水溶性环氧树脂乳液粒径仅为几十纳米，其稳定性好，储存周期久，浸润性好，作为表面处理剂对碳纤维进行改性，可改善碳纤维与基体的界面性能，使碳纤维与基体能更好的结合，进而制备性能优异的碳纤维增强复合材料。采用本发明水溶性环氧树脂乳液改性碳纤维制备的碳纤维增强复合物材料在航空航天、车辆工程、海洋船舶、运动装备、能源设备等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于功能高分子与复合材料技术领域，具体涉及一种用于碳纤维表面处理的水溶性环氧树脂乳液及其制备方法和用途

背景技术

碳纤维增强聚合物复合材料(CFRPs)通常是以碳纤维或其制品为增强体的聚合物基复合材料，其具有密度低、重量轻、模量高、强度高、耐高温、耐腐蚀、抗老化等特点，在航空航天、车辆工程、海洋船舶、运动装备、能源设备等领域得到广泛应用。碳纤维(CFs)是CFRPs中重要的原料，由于CFs内石墨结晶的一致取向和完整性使其具有强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、抗摩擦、导电、导热等优异性能。但是CFs的非极性表面使其与基体之间结合时界面强度很低，制备得到的CFRPs容易发生界面脱黏和开裂，最终导致失效，这一问题也限制了CFRPs的应用潜能。表面缺陷越少的CFs制备的CFRPs界面性能越差，因此大量研究期望改善CFs表面活性，提高CFs与基体之间的结合性能，进而增强CFRPs的界面性能。

在现有改善CFs表面活性的方法中，上浆是对CFs伤害最小的方法，该方法几乎不影响CFs的机械性能。到目前为止，上浆一直是商业上改性CFs的首选方法。这种方法通过改善CFs对基体的润湿性和增加活性基团，加强了CFRPs的界面性能。上浆剂主要分为溶剂型上浆剂和乳液型上浆剂。传统的上浆剂为溶液型上浆剂，是通过将聚合物溶解在有机溶剂中产生的，需要使用大量的有机溶剂，成本相对较高，且有机溶剂沸点低、易挥发，稳定性很差，对环境和人体健康均有严重的危害。因此溶液型上浆剂目前已较少使用。乳液型上浆剂的主要成分为各种树脂，在乳化剂的辅助作用下经高速搅拌而成。它不仅环境友好，而且由于乳化剂的存在，乳液的表面张力小，对纤维的浸润性好，因此该类上浆剂得到了广泛的应用。但乳液型上浆剂制备时需要使用大量乳化剂，这些乳化剂本质是一种表面活性剂，因此使碳纤维表面容易吸附水分；此外，低分子量的表面活性剂也会影响界面结合性能。

水溶性乳液上浆剂是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，从而避免乳化剂的使用。然而水溶性乳液上浆剂粒径一般为100-200nm，会影响上浆剂的稳定性。如专利CN109355910B公开了一种以聚乙二醇、丁酮、环氧树脂、封端剂、二异氰酸酯单体为原料制备得到的非离子型水性环氧碳纤维上浆剂，专利中乳液粒径在200nm以上。如何研究一种粒径更小、稳定性和均匀性更好的乳液作为碳纤维上浆剂，赋予碳纤维更好的集束性、耐磨性、浸润性，使碳纤维与基体能更好的结合，得到的CFRPs具有更优异界面性能，是扩展CFRPs应用的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于碳纤维表面处理的水溶性环氧树脂乳液及其制备方法和用途。

本发明提供了一种水溶性环氧树脂乳液，它是由聚乙二醇、环氧树脂和催化剂为原料制备而成：

所述聚乙二醇和环氧树脂的摩尔比为(1～100)∶(1～100)；所述催化剂重量为原料总重量0.01～10％。

进一步地，所述聚乙二醇和环氧树脂的摩尔比为(0.8-1.5)∶1；

和/或，所述催化剂重量为原料总重量的0.5-5％；

优选地，所述聚乙二醇和环氧树脂的摩尔比为1∶1；

和/或，所述催化剂重量为原料总重量的0.5-2％。