碳纖維用水性上漿劑及其制備方法和上漿方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及纖維制造領(lǐng)域，特別涉及一種碳纖維用水性上漿劑及其制備方法和上 漿方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維由于有許多優(yōu)異性能，如低密度，高強度，高模量，耐疲勞，耐磨損，低電阻 率，低熱膨脹系數(shù)，高熱傳導(dǎo)系數(shù)，耐高溫，耐化學腐蝕，與生物相容性好，導(dǎo)電性良好，射線 透過率好，后加工性好，設(shè)計自由度大等，被廣泛應(yīng)用在交通、土建、電器儀表、能源、醫(yī)療器 械、文體器材等方面，尤其在航空航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域，碳纖維及其復(fù)合材料的使用解決了 許多技術(shù)關(guān)鍵的問題。
[0003] 但是，碳纖維斷裂延伸率小，并且具有脆性，在碳纖維的生產(chǎn)過程中，由于機械摩 擦等容易產(chǎn)生毛絲、單絲斷裂等現(xiàn)象，毛絲會污染工作環(huán)境，損害人體健康，降低碳纖維與 樹脂基體的浸潤性，影響復(fù)合材料的性能。單絲斷裂也會降低碳纖維的綜合性能，因此就必 須對碳纖維進行上漿處理。
[0004] 上漿就是在碳纖維與基體樹脂之間引入聚合物過渡中間層，即涂覆一層聚合物保 護膠。由于增強纖維與基體在性能和結(jié)構(gòu)上差異較大，上漿層可以作為復(fù)合材料界面的過 渡層，將載荷通過界面有效的傳遞到纖維上，抑制界面處裂紋的引發(fā)和傳播，改善纖維與基 體樹脂界面粘結(jié)。上漿劑是生產(chǎn)碳纖維的重要輔助材料，能有效改善碳纖維的后加工性能， 例如提高耐磨性、降低毛絲量等。而且上漿劑組分中的活性官能團還可以促進界面間的化 學鍵合，進一步增強界面粘結(jié)性。
[0005] 上漿劑主要有以下幾個方面的作用：一是上漿劑可以保護碳纖維免受損傷，提高 纖維的集束性，有利于最大程度上保持碳纖維的強度；二是上漿劑可以改變碳纖維表面性 能，提高纖維對基體樹脂的浸潤性；三是上漿劑中若有反應(yīng)性官能團則有助于纖維表面與 基體樹脂的化學結(jié)合；四是上漿劑可以保護表面處理后碳纖維表面的活性基團。
[0006] 碳纖維上漿劑在國內(nèi)已有數(shù)十年的發(fā)展，主要集中在碳纖維增強環(huán)氧樹脂領(lǐng)域， 使用的體系多為環(huán)氧樹脂和有機溶劑，如專利CN103451951A提及使用丙酮作為溶劑制備 了碳纖維上漿劑，CN103628323A提及用三氯乙烯為溶劑，但是這種方法存在有機溶劑易揮 發(fā)、樹脂容易殘留在導(dǎo)輥上等缺陷。專利CN101858037A制備出水性碳纖維上漿劑，制備出 的乳液粒徑太大，上漿后的碳纖維與樹脂的界面結(jié)合不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的一個目的是提供一種粒徑小且分布范圍窄、穩(wěn)定性高和環(huán)保的碳纖維用 水性上漿劑以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0008] 本發(fā)明的另一目的是提供一種碳纖維用水性上漿劑的制備方法。
[0009] 本發(fā)明的再一目的是提供一種碳纖維用水性上漿劑的上漿方法。
[0010] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)發(fā)明目的：
[0011] -種碳纖維用水性上漿劑，包括以下百分含量的組分，環(huán)氧樹脂改性劑5-10%、環(huán) 氧樹脂10-25%、去離子水65% -80%和助劑1% -5%，環(huán)氧樹脂改性劑為對氨基苯甲酸或 對氨基苯磺酸，對氨基苯甲酸和對氨基苯磺酸的分子結(jié)構(gòu)中都含有羧基，一方面，羧基具有 親水性，與環(huán)氧樹脂反應(yīng)可以增加環(huán)氧樹脂的水溶性；另一方面，羧基具有極性，制備的碳 纖維上漿劑涂覆于碳纖維表面，與同樣是極性的PA6基體具有一定的親和性，使碳纖維和 基體樹脂具有一定的界面相容性，可提高復(fù)合材料的力學性能。
[0012] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述環(huán)氧樹脂為雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂 或酚醛環(huán)氧樹脂中的一種或幾種，雙酚A型環(huán)氧樹脂為E-03、E-06、E-12、E-20、E-35、E-44、 E-51或E-55中的一種或幾種，雙酚F型環(huán)氧樹脂為4,4' 一二羥基二苯基甲烷、2,4' 一二 羥基二苯基甲烷、2,2' 一二羥基二苯基甲烷中的一種或幾種，酚醛環(huán)氧樹脂為F-44、F-48、 F-50、F-51中的一種或幾種，這些環(huán)氧樹脂化學結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧基、羥基官能團與醚鍵提供了 與碳纖維表面官能團的反應(yīng)性和化學粘結(jié)性，同時雙酚A的苯環(huán)骨架保證了上漿劑的耐熱 性與基體樹脂的相容性。
[0013] 在本發(fā)明的一些實施例中，上述上漿劑中的助劑包括流平劑、表面活性劑、防沉降 劑、潤濕劑、分散劑和成膜劑。
[0014] 其中，流平劑為羥甲基纖維素、聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚聚酯改 性有機硅氧烷、烷基改性有機硅氧烷、丙烯酸樹脂、脲醛樹脂或三聚氰胺甲醛樹脂中的一種 或幾種，由此，能促使上漿劑在干燥成膜過程中形成一個平整、光滑的漿膜，提高其流平性 和均勻性，增加覆蓋性，使成膜均勻、自然。
[0015] 表面活性劑可以選用十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、仲烷基磺酸鈉、磺基琥 珀酸癸基聚氧乙烯（6)醚酯二鈉或磺基琥珀酸壬基酚聚氧乙烯（10)醚酯二鈉中的一種或 幾種，表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)具有兩親性：一端為親水基團，另一端為疏水基團，降低了碳 纖維上漿劑的表面張力和表面自由能。
[0016] 防沉降劑為聚氧乙烯脂肪胺（醇）、聚氧乙烯脂肪醇硫酸鹽或聚二醇醚中的一種 或幾種，由此，防止制備的碳纖維上漿劑在稀釋、儲存和上漿過程中形成沉淀。
[0017] 潤濕劑為乙醇、丙二醇、甘油、山梨糖醇桿單酯或聚氧乙烯山梨糖醇酐酯中的一種 或幾種，其中，山梨糖醇桿單酯為山梨糖醇酐單月桂酸酯、山梨糖醇酐單棕櫚酸酯、山梨糖 醇酐單硬脂酸酯、山梨糖醇酐單油酸酯或山梨糖醇酐三油酸酯，聚氧乙烯山梨糖醇酐酯為 聚氧乙烯山梨糖醇酐單月桂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐單棕櫚酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐 單硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐單油酸酯或聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯，潤濕劑降低 其表面或界面張力，使水性上漿劑能展開在碳纖維表面上，而把碳纖維潤濕。
[0018] 分散劑為乙基纖維素、聚乙烯醇、明膠、六聚偏磷酸鈉、磷酸三鈉、三聚磷酸鈉、油 酸酰胺、干酪素、聚羧酸鹽或全氟辛酸中的一種或幾種，分散劑與防沉降劑配合使用能使液 體或者固態(tài)微粒均勻的分布到水中，形成相對穩(wěn)定的乳液。
[0019] 成膜劑可以是丙烯酸樹脂、丁二烯樹脂、聚氨酯、硝酸纖維、丙烯酸樹脂改性酪蛋 白、丙烯酸樹脂聚氨酯共聚樹脂、聚乙烯、丙烯酸酯改性丁二烯樹脂或聚氨酯改性硝酸纖維 中的一種或幾種，能在碳纖維表面形成一層黏著牢固，具有一定柔軟性、延伸性和彈性、耐 摩擦性等的連續(xù)均勻漿膜。
[0020] 一種如上所述的碳纖維用水性上漿劑的制備方法，包括以下制備步驟：
[0021] 步驟一，制備改性環(huán)氧樹脂：將陰離子型改性劑與環(huán)氧樹脂按一定質(zhì)量比加于反 應(yīng)釜中并攪拌，將反應(yīng)溫度升至60-90°C，在60-90°C、200-500r/min條件下攪拌反應(yīng)l-3h， 得到陰離子改性的環(huán)氧樹脂。
[0022] 步驟二，加水乳化：在溫度40_90°C及轉(zhuǎn)速200_500r/min攪拌條件下，向制得的改 性環(huán)氧樹脂中以l-3mL/min的速度滴加50-150mL去離子水至相轉(zhuǎn)變。
[0023] 步驟三，加入助劑：向步驟二中制備好的水性環(huán)氧樹脂乳液中滴加0. 05%流平 劑、0. 5%表面活性劑、0. 03%防沉降劑、0. 05%潤濕劑、0. 06%分散劑和0. 1%成膜劑，攪拌 5-15min得到主衆(zhòng)料。
[0024] 步驟四：加水稀釋：按照主漿料與去離子水質(zhì)量比1 :5_1:10的比例向主漿料中加 入去離子水進行稀釋，得到碳纖維用水性上漿劑。
[0025] 一種如上所述的碳纖維用水性上漿劑的上漿方法，包括以下步驟：
[0026] 將制得的碳纖維用水性上漿劑倒入上漿槽中，碳纖維擴幅至原絲束寬度的2-10 倍并以0. 5-3m/min的浸漬速度和50-500g張力通過漿槽，在100-200°C條件下烘干收卷。
[0027] 本發(fā)明提供的碳纖維用水性上漿劑，通過對助劑含量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、加水 速度、加水溫度、碳纖維速度和烘干溫度等條件的嚴格控制，具有以下優(yōu)點：
[0028] 1、通過將陰離子