本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種根據(jù)樹(shù)脂基質(zhì)與碳纖維表面張力匹配技術(shù)的碳纖維乳液上漿劑及其制備方法。

背景技術(shù)：
碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量等一系列優(yōu)異性能，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，擁有優(yōu)異的層間抗剪切、抗沖擊性能，損傷容限，斷裂韌性及可靠性均優(yōu)于傳統(tǒng)的復(fù)合材料。但因碳纖維韌性差，耐磨擦性差，在生產(chǎn)及加工過(guò)程中，會(huì)擦毛斷頭使開(kāi)口不清，經(jīng)機(jī)械摩擦容易產(chǎn)生毛絲及單絲斷裂等現(xiàn)象，使其強(qiáng)度降低。由于毛絲的存在，使基體樹(shù)脂不能充分潤(rùn)濕碳纖維，這樣就會(huì)在制備的復(fù)合材料中產(chǎn)生孔隙，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。另外，毛絲還會(huì)對(duì)工作環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，必須對(duì)碳纖維進(jìn)行上漿。上漿劑會(huì)在碳纖維的表面形成保護(hù)膜，減少后續(xù)加工過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦，磨損及毛絲等現(xiàn)象，其作用主要表現(xiàn)為以下四點(diǎn)：一，具有集束功能，改善碳纖維工藝性能，使其易加工；二，類似偶聯(lián)劑，改善碳纖維與樹(shù)脂間的化學(xué)結(jié)合，提高復(fù)合材料的界面性能；三，起到潤(rùn)滑劑的作用，保護(hù)碳纖維。減少相互間的摩擦，使其損傷盡可能小；四，充當(dāng)潤(rùn)濕劑，改善碳纖維的浸潤(rùn)性能，便于樹(shù)脂浸潤(rùn)，減少?gòu)?fù)合材料的制備時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，為了改善碳纖維與樹(shù)脂間的潤(rùn)濕性能，需開(kāi)展碳纖維表面能及上漿劑對(duì)表面能影響的研究。根據(jù)表面張力匹配理論，液體在與固體表面相互接觸時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象：當(dāng)液體分子之間的內(nèi)聚力小于液體分子與固體分子之間的附著力時(shí)，液體會(huì)在固體表面上自動(dòng)鋪展開(kāi)，這表明該液體能夠潤(rùn)濕固體；當(dāng)液體分子之間的內(nèi)聚力大于液體分子與固體分子之間的附著力時(shí)，液體不會(huì)在固體表面上自動(dòng)鋪展開(kāi)，而會(huì)形成球狀液滴，這表明該液體不能夠潤(rùn)濕固體。碳纖維浸潤(rùn)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段，由于毛細(xì)作用下潤(rùn)濕碳纖維的樹(shù)脂的重量很少，很難成為阻力，此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂主要是在毛細(xì)管的附加壓力作用下迅速潤(rùn)濕纖維，使碳纖維重量迅速增加；第二個(gè)階段，隨樹(shù)脂重量的越來(lái)越大，這部分增加的重量則成為碳纖維進(jìn)一步吸附樹(shù)脂的阻力，并且阻力逐漸變大，因而碳纖維吸附樹(shù)脂的速率在逐漸變慢，最終在二者的共同作用下達(dá)到吸附平衡，碳纖維的重量幾乎不再變化。按照熱力學(xué)基礎(chǔ)理論，當(dāng)上漿劑和碳纖維兩者之間的表面張力差越小時(shí)，理論上來(lái)說(shuō)，相容效果越好。這一點(diǎn)可以通過(guò)以下公式進(jìn)行表述：其中d表示表面張力的色散部分，p對(duì)應(yīng)表面張力的極性部分；s表示纖維材料，l對(duì)應(yīng)溶劑。對(duì)于公式的左半部分，當(dāng)為0時(shí)；對(duì)于公式的右半部分，當(dāng)時(shí)可能獲得最小值。因此，在上漿劑和碳纖維的表面張力不可能完全相等的情況下，兩者的表面張力色散分量和極性分量比值越接近時(shí)，其浸潤(rùn)性越好。通過(guò)這一原理，在已知碳纖維表面張力的情況下，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的上漿劑組分從而滿足其良好浸潤(rùn)性要求。目前，由于環(huán)氧樹(shù)脂在碳纖維復(fù)合材料制備過(guò)程中的廣泛使用，現(xiàn)有碳纖維上漿劑多為環(huán)氧樹(shù)脂上漿劑(如：CN101886336、CN1271276、CN101858037、CN102828416、CN102206919、CN102212967、CN101858038、CN101736593、CN101845755和CN101880967)，以實(shí)現(xiàn)上漿纖維與環(huán)氧樹(shù)脂間的良好相容和匹配。但是針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂與基質(zhì)表面張力和浸潤(rùn)性的匹配，需要通過(guò)適當(dāng)?shù)耐緩竭M(jìn)行改性從而得以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種成本低、性能穩(wěn)定的碳纖維乳液上漿劑及其制備方法。一種基于表面張力匹配技術(shù)的碳纖維乳液上漿劑，主要包括主漿料和助劑，主漿料是由雙酚類環(huán)氧樹(shù)脂和聚丙二醇組成，所述助劑是以銨離子作為對(duì)離子的陰離子型表面活性劑，非離子型表面活性劑，或是兩者的混合物。進(jìn)一步地，所述雙酚類環(huán)氧樹(shù)脂包括雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂和雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂，其分子鏈中包含雙酚基團(tuán)和羥基，一端或兩端端基為環(huán)氧基團(tuán)，所述的聚丙二醇分子量范圍為4000-10000。進(jìn)一步地，所述主漿料為雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E42、環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-44和聚丙二醇，所述助劑為二乙烯三胺。進(jìn)一步地，其中主漿料為10-30重量份，優(yōu)選為20-25重量份，助劑為0.1-0.5重量份，優(yōu)選為0.2-0.4重量份。進(jìn)一步地，主要由以下重量份組成：9-11重量份的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E42、4-6重量份的環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-44、5-10重量份的聚丙二醇、0.1-0.5重量份的二乙烯三胺。進(jìn)一步地，所述碳纖維乳液上漿劑的溶度參數(shù)范圍為：10-25MPa1/2，在25℃時(shí)的表面張力為20-45mN/m，表面張力極性相與非極性相比值在0.2-1.6。更進(jìn)一步地，提供一種基于表面張力匹配技術(shù)的碳纖維乳液上漿劑的制備方法，其特征在于，(1)將主漿料溶解于二氯甲烷中，在0-20℃，反應(yīng)10～30小時(shí),得到改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液；(2)在改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液中加入去離子水，蒸餾除去二氯甲烷；(3)然后在改性環(huán)氧樹(shù)脂水溶液中添加助劑，在溫度為60-100℃下高速剪切1～6小時(shí)。進(jìn)一步地，其中第(1)步中的二氯甲烷為10-20重量份，第(2)步中的去離子水為10-20重量份。進(jìn)一步地，所述高速剪切的剪切轉(zhuǎn)速為5000-15000rpm。進(jìn)一步地，所述上漿劑針對(duì)表面張力極性相和非極性相比值為0.3-0.8的碳絲。根據(jù)上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果包括：通過(guò)組分和比例的選擇，以及制備方法的優(yōu)化，與碳纖維的表面張力分量分別匹配，從而獲得高相容浸潤(rùn)性。本發(fā)明上漿劑具有特定的溶度參數(shù)和表面張力，可抑制碳纖維在加工過(guò)程中毛絲的產(chǎn)生、提高碳纖維耐磨性、同時(shí)還可以改善碳纖維與基體樹(shù)脂的界面粘結(jié)。本發(fā)明具有合成簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定、使用方便、不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1:實(shí)施例2經(jīng)上漿處理后碳纖維的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖；圖2:實(shí)施例2經(jīng)上漿處理后碳纖維與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性曲線；圖3:實(shí)施例3經(jīng)上漿處理后碳纖維的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖；圖4:實(shí)施例3經(jīng)上漿處理后碳纖維與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性曲線。具體實(shí)施方式實(shí)施例1(1)針對(duì)表面張力極性相和非極性相比值為0.35的碳絲，將1000克雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E42、500克環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-44，800克聚丙二醇(分子量10000)，溶解于1500克二氯甲烷中，在10℃下反應(yīng)16小時(shí)，得到改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液；(2)在改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液中加入1500克去離子水，蒸餾除去二氯甲烷；(3)在改性環(huán)氧樹(shù)脂水溶液中添加助劑二乙烯三胺30克，剪切轉(zhuǎn)速為10000rpm，溫度為65℃下高速剪切3小時(shí)，即制得匹配的碳纖維乳液上漿劑。實(shí)施例2(1)針對(duì)表面張力極性相和非極性相比值為0.76的碳絲，將1000克雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E42、500克環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-44，600克聚丙二醇(分子量20000)，溶解于1000克二氯甲烷中，在0℃下反應(yīng)16小時(shí)，得到改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液；(2)在改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液中加入1500克去離子水，蒸餾除去二氯甲烷；(3)在改性環(huán)氧樹(shù)脂水溶液中添加助劑二乙烯三胺30克，剪切轉(zhuǎn)速為10000rpm，溫度為95℃下高速剪切2小時(shí)。即制得匹配的碳纖維乳液上漿劑。圖1是本實(shí)施例經(jīng)上漿處理后碳纖維的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖。圖2是本實(shí)施例經(jīng)上漿處理后碳纖維與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性曲線。實(shí)施例3(1)針對(duì)表面張力極性相和非極性相比值為0.53的碳絲，將1000克雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E42、500克環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-44，500克聚丙二醇(分子量10000)，溶解于1000克二氯甲烷中，在5℃下反應(yīng)16小時(shí)，得到改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液；(2)在改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液中加入1500克去離子水，蒸餾除去二氯甲烷；(3)在改性環(huán)氧樹(shù)脂水溶液中添加助劑二乙烯三胺30克，剪切轉(zhuǎn)速為10000rpm，溫度為75℃下高速剪切3小時(shí)。即制得碳纖維乳液上漿劑。圖3是本實(shí)施例經(jīng)上漿處理后碳纖維的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖。圖4是本實(shí)施例經(jīng)上漿處理后碳纖維與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性曲線。實(shí)施例4(1)針對(duì)表面張力極性相和非極性相比值為0.72的碳絲，將1000克雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E42、500克環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-44，1000克聚丙二醇(分子量8000)，溶解于1000克二氯甲烷中，在10℃下反應(yīng)16小時(shí)，得到改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液；(2)在改性環(huán)氧樹(shù)脂溶液中加入1500克去離子水，蒸餾除去二氯甲烷；(3)在改性環(huán)氧樹(shù)脂水溶液中助劑二乙烯三胺30克，剪切轉(zhuǎn)速為10000rpm，溫度為85℃下高速剪切2小時(shí)。即制得碳纖維乳液上漿劑。實(shí)施例1-4中得到的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能如下表:綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于表面張力匹配技術(shù)的碳纖維乳液上漿劑及制備方法，該上漿劑具有特定的溶度參數(shù)和表面張力，可抑制碳纖維在加工過(guò)程中毛絲的產(chǎn)生、提高碳纖維耐磨性、同時(shí)還可以改善碳纖維與基體樹(shù)脂的界面粘結(jié)。本發(fā)明具有合成簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定、使用方便、不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。