CN102212967A - 一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法，该碳纤维乳液上浆剂包括：碳纤维上浆剂，碳纳米管，分散剂及溶剂；本发明的制备方法，包括：(1)制备碳纤维上浆剂；(2)将碳纤维上浆剂加入到溶剂中，制得上浆工作液，然后将碳纳米管与所述的上浆工作液混合，功率300w-600w下超声1-4小时后，加入分散剂，超声分散2-4小时，即得用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂。本发明的碳纤维乳液上浆剂具有良好的稳定性，使用该乳液上浆剂处理后，碳纤维后加工性能得到改善，并且碳纤维与基体树脂的界面粘结性得到增强，层间剪切强度增加，复合材料的性能也得到一定提高，且该制备方法简单、成本低、不污染环境。

Description

一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维功能型乳液上浆剂领域，特别涉及一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法。

背景技术

碳纤维凭借自身优异的高比强度、高比模量，抗腐蚀耐高温等优异特性，被广泛应用于热固性与热塑性基体复合材料的增强材料。在碳纤维的生产过程中，由于工艺条件的不同，纤维表面的微观形貌存在着一定的差别，而这势必会影响纤维及其复合材料的性能。一方面，纤维表面凹槽的存在将有助于改善纤维与树脂的界面粘结状况，即有助于复合材料界面性能的提高；但另一方面，碳纤维表面凹槽的存在又可能会使碳纤维本身的性能下降，从而使复合材料的综合性能的下降。

研究发现，在树脂基复合材料中存在第三相，即界面相，这一有限区域在物理性能上存在梯度，对纤维和基体树脂之间力的有效传递起主导作用，从而使纤维真正起到承载作用，影响复合材料的最终性能。但由于纤维与基体在性质上存在着很大的差异，而改变此差异的一种方法是在碳纤维与基体之间引入聚合物过渡中间层即进行上浆处理，即一方面使碳纤维粘合在一起，减少纤维之间的摩擦，减少损伤；另一方面可以对界面相起到修饰作用，使界面变得粗糙，强化力学锚定作用的影响。基体树脂容易渗透到与其组成相似的上浆层中，改善纤维对树脂基体的浸润性能，增强化学键合。在纤维的生产过程中，上浆是其中一个极为重要的环节。但由于上浆剂的存在并不能够很好的改善复合材料界面粘结性。近年来，纳米材料由于其尺寸效应、大的比表面积以及较强界面的相互作用作为上浆剂的改性剂受到人们的关注。至今没有很好的办法，从而使复合材料的综合性能的没有得到很大的提高。

利用聚焦电磁场感应加热，制造了一个乙炔反应环境，使乙炔在高温碳纤维附近裂解为氢气和碳原子。碳原子沉积在碳纤维表面，达到修复缺陷增强碳纤维的目的(中国专利公开号CN1461829A，公开日2003年12月17日)。但是该方法是对碳纤维在加工后产生的表面空洞缺陷进行气相沉积法修补的一道补充工序设备及其复杂，成本较高，操作不方便，而且效率低。另外，采用无机纳米SiO₂作为上浆树脂改性材料，制备成碳纤维功能型乳液上浆剂。但由于无机粒子其尺寸小，均匀分散存在一定的困难，因此纳米SiO₂用量多少对上浆剂性能影响也有待进一步研究(中国专利公开号CN1632217A，公开日2005年06月29日)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂及其制备方法，该乳液上浆剂具有良好的稳定性，能有效改善碳纤维的加工性能，本发明的制备方法操作简单、成本低，在实际应用中可以通过改变上浆剂中组分的配比，应用于不同种类的树脂基体。

本发明的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，包括：碳纤维上浆剂，碳纳米管，分散剂及溶剂，其中各组分的重量份数为：碳纤维上浆剂1-5份，碳纳米管0.01-5份，分散剂0.1-8份及溶剂100份。

上述的碳纤维上浆剂是由环氧树脂、丙酮和乳化剂均匀混合制得，各组分的重量份数比为：环氧树脂100份：丙酮1-6份：乳化剂3-20份；

上述的碳纳米管为羧基化的多臂碳纳米管或羧基化的单臂碳纳米管，其中羧基化的多臂碳纳米管的长度为10-30μm，内径为10-20nm，外径为5-10nm；单臂碳纳米管的长度为10-30μm，内径为0.8-1.6nm，外径为1-2nm。

上述的分散剂为γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)、γ-(甲基丙烯酰氧)基丙基三甲氧基硅烷(KH570)或聚乙二醇。

上述溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或去离子水。

本发明的一种用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂的制备方法，包括：

(1)将环氧树脂溶于丙酮中，然后抽真空脱去有机溶剂，制得环氧树脂混合物；在所述环氧树脂混合物中加入乳化剂，加热至熔融状态后，快速搅拌使乳化剂与环氧混合物均匀混合，搅拌时间为2-6h，冷却得到粘稠膏状碳纤维上浆剂；

(2)将碳纤维上浆剂加入到溶剂中，制得上浆工作液，然后将碳纳米管与所述的上浆工作液混合，功率300w-600w下超声1-4小时后，加入分散剂，超声分散2-4小时，即得用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂。

本发明的一种用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂用于对碳纤维进行上浆处理，烘干后收丝得到上浆后的碳纤维。

有益效果

(1)本发明的碳纤维乳液上浆剂能使基体树脂充分润湿碳纤维，有效地在纤维与树脂基体之间起到应力传递作用，与未改性上浆剂相比，其复合材料的层间剪切强度(ILSS)分别提高了13-15％。

(2)本发明的碳纤维乳液上浆剂中的碳纳米管能与碳纤维表面形成纳米增强界面层，改善纤维与基体粘结性能，以达到更好的增强效果；

(3)本发明的碳纤维乳液上浆剂的制备方法简单，效果好，生产效率高，且可以通过改变上浆剂中组分的配比，应用于不同种类的树脂基体，易工业化使用。

附图说明

图1是经乳液上浆剂上浆、氧化、碳化后得到碳纤维放大10000倍的场发射电镜图，其中上浆溶液中碳纤维上浆剂∶羧基化的多臂碳纳米管∶分散剂∶二甲基亚砜的重量比＝1∶0.02∶0.5∶100。

图2是经乳液上浆剂上浆、预氧化、碳化后得到碳纤维放大10000倍的场发射电镜图，其中上浆溶液中碳纤维上浆剂∶羧基化单臂碳纳米管∶分散剂∶N，N-二甲基甲酰胺的重量比＝1∶0.1∶0.1∶100。

图3是经乳液上浆剂上浆处理后碳纤维放大50000倍的场发射电镜图，其中上浆溶液中碳纤维上浆剂∶羧基化单臂碳纳米管∶分散剂∶去离子水的重量比＝5∶0.1∶8∶100。

图4是经乳液上浆剂上浆处理后碳纤维放大10000倍的场发射电镜图，其中上浆溶液中碳纤维上浆剂∶羧基化的单臂碳纳米管∶分散剂∶去离子水的重量比＝2∶5∶0.5∶100。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)将环氧树脂100重量份溶于丙酮1重量份中，然后抽真空脱去有机溶剂，制得环氧树脂混合物；在所述环氧树脂混合物中加入3重量份的乳化剂，加热至熔融状态后，快速搅拌使乳化剂与环氧混合物均匀混合，搅拌时间为6h，冷却得到粘稠膏状碳纤维上浆剂；

(2)将碳纤维上浆剂(室温)与二甲基亚砜混合配制工作液；将羧基化的多臂碳纳米管(长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)与工作液混合，用超声波细胞粉碎机以功率300w超声3小时；在得到的混合溶液中加入γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)，然后在40℃下超声分散2小时，制得碳纤维上浆剂∶羧基化的多臂碳纳米管∶分散剂∶二甲基亚砜的重量比＝1∶0.02∶0.5∶100的碳纤维乳液上浆剂。

然后将从丝辊出来的未上浆碳纤维用上述碳纤维乳液上浆剂上浆处理，热风烘干后收丝得到碳纤维。图1是经上浆、氧化、碳化后得到碳纤维放大10000倍的场发射电镜图。

实施例2

(1)将环氧树脂100重量份溶于丙酮6重量份中，然后抽真空脱去有机溶剂，制得环氧树脂混合物；在所述环氧树脂混合物中加入20重量份的乳化剂，加热至熔融状态后，快速搅拌使乳化剂与环氧混合物均匀混合，搅拌时间为2h，冷却得到粘稠膏状碳纤维上浆剂；

(2)先将碳纤维上浆剂加热到40-50℃，再与N，N-二甲基甲酰胺混合配制工作液；将羧基化的多臂碳纳米管(长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)与工作液混合，用超声波细胞粉碎机以功率600w超声1.5小时；在得到的混合溶液中加入γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)室温下超声分散4小时，制得碳纤维上浆剂∶羧基化单臂碳纳米管∶分散剂∶N，N-二甲基甲酰胺重量比＝1∶0.1∶0.1∶100的碳纤维乳液上浆剂。

然后将从丝辊出来的未上浆碳纤维用上述碳纤维乳液上浆剂进行上浆处理，热风烘干后收丝得到碳纤维。图2是经上浆、预氧化、碳化后得到碳纤维放大10000倍的场发射电镜图。

实施例3

将碳纤维上浆剂(室温)与二甲基乙酰胺混合配制工作液，根据所需上浆量要求，工作液浓度约为3％；将羧基化的多臂碳纳米管(长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)0.05重量份与工作液100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率600w超声1小时；在得到的混合溶液中加入2重量份γ-(甲基丙烯酰氧)基丙基三甲氧基硅烷(KH570)室温下超声分散6小时；然后将从丝辊出来的未上浆碳纤维进行上浆处理，热风烘干后收丝得到碳纤维。

实施例4

先将碳纤维上浆剂加热到40-50℃，再与去离子水混合将配制工作液；将羧基化的多臂碳纳米管(长度10-30μm，内径10-20nm，外径5-10nm)与工作液混合，用超声波细胞粉碎机以功率400w超声4小时；在得到的混合溶液中加入聚乙二醇室温下超声分散4小时，制得碳纤维上浆剂∶羧基化单臂碳纳米管∶分散剂∶去离子水重量比＝5∶0.1∶8∶100的碳纤维乳液上浆剂。

然后将从丝辊出来的未上浆碳纤维用上述碳纤维乳液上浆剂进行上浆处理，热风烘干后收丝得到碳纤维。图3是上浆处理后碳纤维放大50000倍的场发射电镜图。

实施例5

将碳纤维上浆剂(室温)与的去离子水混合配制工作液；将羧基化的单臂碳纳米管(长度10-30μm，内径0.8-1.6nm，外径1-2nm)与工作液混合，用超声波细胞粉碎机以功率400w超声2小时；在得到的混合溶液中加入γ-(甲基丙烯酰氧)基丙基三甲氧基硅烷(KH570)室温下超声分散4小时，制得碳纤维上浆剂∶羧基化的单臂碳纳米管∶分散剂∶去离子水重量比＝2∶5∶0.5∶100的碳纤维乳液上浆剂。

然后将从丝辊出来的未上浆碳纤维用上述碳纤维乳液上浆剂进行上浆处理，热风烘干后收丝得到碳纤维。图4是上浆处理后碳纤维放大10000倍的场发射电镜图。

实施例6

将碳纤维上浆剂(室温)与二甲基乙酰胺混合配制工作液，根据所需上浆量要求，工作液浓度约为3％；将羧基化的单臂碳纳米管(长度10-30μm，内径0.8-1.6nm，外径1-2nm)0.05重量份与工作液100重量份混合，用超声波细胞粉碎机以功率500w超声1.5小时；在得到的混合溶液中加入5重量份聚乙二醇室温下超声分散6小时；然后将从丝辊出来的未上浆碳纤维进行上浆处理，热风烘干后收丝得到碳纤维。

实施例1-6中得到的碳纤维的力学性能如下表：

Claims (8)

1.一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，包括：碳纤维上浆剂，碳纳米管，分散剂及溶剂，其中各组分的重量份数为：碳纤维上浆剂1-5份，碳纳米管0.01-5份，分散剂0.1-8份及溶剂100份。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，其特征在于：所述的碳纤维上浆剂是由环氧树脂、丙酮和乳化剂混合制得，各组分的重量份数比为：环氧树脂100份：丙酮1-6份：乳化剂3-20份；

3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，其特征在于：所述的碳纳米管为羧基化的多臂碳纳米管或羧基化的单臂碳纳米管。

4.根据权利要求3所述的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，其特征在于：所述的羧基化的多臂碳纳米管的长度为10-30μm，内径为10-20nm，外径为5-10nm；单臂碳纳米管的长度为10-30μm，内径为0.8-1.6nm，外径为1-2nm。

5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，其特征在于：所述的分散剂为γ-巯丙基三甲氧基硅烷KH590、γ-(甲基丙烯酰氧)基丙基三甲氧基硅烷KH570或聚乙二醇。

6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，其特征在于：所述的溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或去离子水。

7.根据权利要求1所述的一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂，其特征在于：所述的用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂用于对碳纤维进行上浆处理。

8.一种碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂的制备方法，包括：

(1)将环氧树脂溶于丙酮中，然后抽真空脱去有机溶剂，制得环氧树脂混合物；在所述环氧树脂混合物中加入乳化剂，加热至熔融状态后，搅拌2-6h，冷却得碳纤维上浆剂；

(2)将碳纤维上浆剂加入到溶剂中，制得上浆工作液，然后将碳纳米管与所述的上浆工作液混合，功率300w-600w下超声1-4小时后，加入分散剂，超声分散2-4小时，即得用碳纳米管改性的碳纤维乳液上浆剂。

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