CN102660874B

CN102660874B - 一种碳纤维用热塑性上浆剂及其制备和使用方法

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Publication number: CN102660874B
Application number: CN2012101840178A
Authority: CN
Inventors: 刘文博; 王荣国; 张舒; 李晓非; 矫维成; 赫晓东
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN102660874A

Abstract

一种碳纤维用热塑性上浆剂及其制备和使用方法，它涉及碳纤维用溶剂型上浆剂及其制备和使用方法。本发明要解决现有的热塑性上浆剂制备过程复杂、使用时污染环境的问题。制备方法：将热塑性树脂、有机溶剂A和助剂混合，搅拌均匀，得到热塑性上浆剂，使用时，将碳纤维在热塑性上浆剂中浸渍，然后对上浆的碳纤维进行刮胶处理，之后将刮胶处理后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍，最后将碳纤维烘干。本发明不仅可以提高碳纤维与聚芳醚类高性能热塑性树脂的浸润性、提高碳纤维/热塑性聚芳醚类树脂基复合材料的界面结合性能，而且还有具有成本低、性能稳定、使用方便和不污染环境的优点。本发明制备的碳纤维用热塑性上浆剂用于碳纤维材料的表面处理。

Description

一种碳纤维用热塑性上浆剂及其制备和使用方法

技术领域

本发明涉及碳纤维用溶剂型上浆剂及其制备和使用方法。

背景技术

碳纤维作为最重要的增强材料之一，已经被广泛的应用于航空航天、体育休闲用品、土木建筑、电子产品、医疗器械等领域。近年来航空航天领域对碳纤维增强树脂基复合材料提出了适应更高温度的要求，而具有较高耐热等级的高性能聚芳醚类热塑性树脂基复合材料因其疲劳性能好、抗冲击性能好、韧性好、成型工艺性好和成型周期短以及可以重复使用等优点受到广泛关注。

在生产及加工过程中，脆性很强的碳纤维经机械摩擦容易产生毛丝及单丝断裂等现象，影响碳纤维的性能。碳纤维表面的毛丝使树脂基体不能充分润湿碳纤维，使之制备的复合材料中存在孔隙，从而影响复合材料的力学性能。因此，必须对碳纤维进行上浆。上浆剂在碳纤维表面形成保护膜保护碳纤维表面、减少毛丝及单丝断裂现象，使碳纤维易与集束，而且还可以改善碳纤维与树脂基体的浸润性，从而提高纤维与树脂的结合强度。

目前研制的碳纤维用上浆剂主要针对碳纤维增强环氧树脂基复合材料，如专利CN101736593A中公开了一种水性环氧树脂乳液上浆剂的制备方法，该方法制备的上浆剂上浆后的碳纤维具有较好的集束性、光滑度、柔韧性，且能同时满足纤维间丝条整体松散程度、开纤性、单根纤维间的交联程度性能指标。针对热塑性树脂基复合材料的碳纤维用上浆剂的研发很少，如专利CN 100999867A中公布了一种热塑性聚酰亚胺树脂和缩水甘油醚型环氧树脂混合的水性乳液上浆剂的制备和应用方法，但是上浆过程中会加热将溶解树脂用的有机溶剂，污染环境，并且乳液制备过程复杂，成本相对较高。针对高性能聚芳醚类树脂的碳纤维用上浆剂研究还未见报道。

发明内容

本发明要解决现有的热塑性上浆剂制备过程复杂、使用时污染环境的问题，而提供一种碳纤维用热塑性上浆剂及其制备和使用方法。

本发明碳纤维用热塑性上浆剂由热塑性树脂、有机溶剂A和助剂制成；其中热塑性树脂和有机溶剂A组成主浆料，热塑性树脂的质量为主浆料质量的0.05％～3％；助剂质量为主浆料质量的0.05％～3％，所述热塑性树脂为聚芳醚类热塑性树脂。

上述碳纤维用热塑性上浆剂的制备方法按以下步骤进行：将热塑性树脂溶于有机溶剂A中组成主浆料，再加入助剂，搅拌后得到碳纤维用热塑性上浆剂；其中热塑性树脂的质量为主浆料质量的0.05％～3％；助剂质量为主浆料质量的0.05％～3％。

上述碳纤维用热塑性上浆剂的使用方法按以下步骤进行：将碳纤维在热塑性上浆剂中浸渍1～15s，然后对上浆的碳纤维进行刮胶处理，使吸附于碳纤维表面的上浆剂所形成的吸附层的厚度为0.05～0.3μm，之后将刮胶处理后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍1～15s，最后将碳纤维烘干。

本发明所提供的上浆剂为溶剂型上浆剂，所用溶剂为常用有机溶剂，成本低、制备方法简单、使用方便；将上浆后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍后，将有机溶剂A溶解于有机溶剂B中，再将碳纤维烘干，有机溶剂A与有机溶剂B沸点相差很大，采用蒸馏法很容易回收有机溶剂A和有机溶剂B，本发明所提供的使用方法，不但能回收利用有机溶剂，降低成本，更能减少环境污染，绿色环保。

本发明所提供的上浆剂本身还可承受较高的温度，其玻璃化转变温度高于267℃。用该上浆剂涂覆的碳纤维适用于与聚芳醚类耐高温树脂，如聚醚醚酮(PEEK)、含二氮杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK)、含二氮杂萘联苯聚芳醚砜酮(PPESK)、聚醚酮(PEK)、聚醚砜(PES)、聚醚酮酮(PEKK)等复合制备复合材料。用该上浆剂涂覆的碳纤维与PPEK/NMP溶液的浸润性提高(接触角降低了55％)，CF/PPEK复合材料的界面剪切强度提高了45％。

本发明不仅可以提高碳纤维与聚芳醚类高性能热塑性树脂的浸润性、提高碳纤维/热塑性聚芳醚类树脂基复合材料的界面结合性能，而且还有具有成本低、性能稳定、使用方便和不污染环境的优点。

本发明制备的碳纤维用热塑性上浆剂用于碳纤维材料的表面处理。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式碳纤维用热塑性上浆剂由热塑性树脂、有机溶剂A和助剂制成；其中热塑性树脂和有机溶剂A组成主浆料，热塑性树脂的质量为主浆料质量的0.05％～3％；助剂质量为主浆料质量的0.05％～3％，所述热塑性树脂为聚芳醚类热塑性树脂。

本实施方式所提供的上浆剂本身可承受较高的温度，其玻璃化转变温度高于267℃。用该上浆剂涂覆的碳纤维适用于与聚芳醚类耐高温树脂，如聚醚醚酮(PEEK)、含二氮杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK)、含二氮杂萘联苯聚芳醚砜酮(PPESK)、聚醚酮(PEK)、聚醚砜(PES)、聚醚酮酮(PEKK)等复合制备复合材料。用该上浆剂涂覆的碳纤维与PPEK/NMP溶液的浸润性提高(接触角降低了55％)，CF/PPEK复合材料的界面剪切强度提高了45％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述聚芳醚类热塑性树脂为含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚酮树脂(PPEK)、含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚砜树脂(PPES)和含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚砜酮树脂(PPESK)中的一种或者是几种的组合。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式中，当所述聚芳醚类热塑性树脂为几种的组合时，按任意比混合。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述有机溶剂A为氯仿、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、氮甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基亚砜(DMSO)中的一种或几种的组合。其它与具体实施方式一或二相同。

本实施方式中，当所述有机溶剂A为几种的组合时，按任意比混合。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述助剂为聚氧乙烯醚与聚氧丙烯醚的混合物、蓖麻油聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚或仲辛醇聚氧乙烯醚。其它与具体实施方式一至三之一相同。

当助剂为聚氧乙烯醚与聚氧丙烯醚的混合物时，聚氧乙烯醚与聚氧丙烯醚按任意比混合。

具体实施方式五：本实施方式碳纤维用热塑性上浆剂的制备方法按以下步骤进行：将热塑性树脂溶于有机溶剂A中组成主浆料，再加入助剂，搅拌后得到碳纤维用热塑性上浆剂；其中热塑性树脂的质量为主浆料质量的0.05％～3％；助剂质量为主浆料质量的0.05％～3％。

本实施方式中，热塑性树脂优选含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚酮树脂(PPEK)、含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚砜树脂(PPES)和含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚砜酮树脂(PPESK)中的一种或者是几种的组合。

有机溶剂A优选氯仿、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、氮甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基亚砜(DMSO)中的一种或几种的组合。

助剂优选聚氧乙烯醚与聚氧丙烯醚的混合物、蓖麻油聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚或仲辛醇聚氧乙烯醚。

本实施方式所提供的上浆剂为溶剂型上浆剂，所用溶剂为常用有机溶剂，成本低、制备方法简单、使用方便；所制备的上浆剂本身还可承受较高的温度，其玻璃化转变温度高于267℃。用该上浆剂涂覆的碳纤维适用于与聚芳醚类耐高温树脂，如聚醚醚酮(PEEK)、含二氮杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK)、含二氮杂萘联苯聚芳醚砜酮(PPESK)、聚醚酮(PEK)、聚醚砜(PES)、聚醚酮酮(PEKK)等复合制备复合材料。用该上浆剂涂覆的碳纤维与PPEK/NMP溶液的浸润性提高(接触角降低了55％)，CF/PPEK复合材料的界面剪切强度提高了45％。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式与具体实施方式五不同的是：搅拌是以500～2000rpm的转速，机械搅拌5～30min。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式碳纤维用热塑性上浆剂的使用方法按以下步骤进行：将碳纤维在热塑性上浆剂中浸渍1～15s，然后对上浆的碳纤维进行刮胶处理，使吸附于碳纤维表面的上浆剂所形成的吸附层的厚度为0.05～0.3μm，之后将刮胶处理后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍1～15s，最后将碳纤维烘干。

本实施方式所提供的上浆剂为溶剂型上浆剂，所用溶剂为常用有机溶剂，成本低、制备方法简单、使用方便；将上浆后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍后，将有机溶剂A溶解于有机溶剂B中，再将碳纤维烘干，有机溶剂A与有机溶剂B沸点相差很大，采用蒸馏法很容易回收有机溶剂A和有机溶剂B，本发明所提供的使用方法，不但能回收利用有机溶剂，降低成本，更能减少环境污染，绿色环保。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：有机溶剂B为甲醇、乙醇或丙酮。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：将碳纤维在热塑性上浆剂中浸渍1～5s，然后对上浆的碳纤维进行刮胶处理，使吸附于碳纤维表面的上浆剂所形成的吸附层的厚度为0.05～0.2μm，之后将刮胶处理后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍1～5s，最后将碳纤维烘干。其它与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：将碳纤维烘干是在60℃～160℃温度下干燥0.5min～5min。其它与具体实施方式七至九之一相同。

采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例碳纤维用热塑性上浆剂的制备方法按以下步骤进行：按质量比将1份的PPEK树脂溶于9份的二甲基乙酰胺中组成主浆料，再加入0.05份脂肪醇聚氧乙烯醚，以1000rpm的速度，机械搅拌15min，使树脂充分溶解于溶剂中，得到碳纤维用热塑性上浆剂；

将碳纤维在热塑性上浆剂中浸渍5s，然后对上浆的碳纤维进行刮胶处理，使吸附于碳纤维表面的上浆剂所形成的吸附层的厚度为0.1μm，之后将刮胶处理后的碳纤维在乙醇中浸渍5s，最后将碳纤维在120℃下干燥1min，完成碳纤维的上浆。

本实施例所制备的上浆剂为溶剂型上浆剂，所用溶剂为常用有机溶剂，成本低、制备方法简单、使用方便；将上浆后的碳纤维在乙醇中浸渍后，将二甲基乙酰胺溶解于乙醇中，再将碳纤维烘干，二甲基乙酰胺与乙醇沸点相差很大，采用蒸馏法很容易回收二甲基乙酰胺和乙醇，本发明所提供的使用方法，不但能回收利用有机溶剂，降低成本，更能减少环境污染，绿色环保。与未经过上浆处理的碳纤维相比，本实施例得到的上浆的碳纤维与PPEK/NMP溶液的浸润性提高(接触角降低了55％)，CF/PPEK复合材料的界面剪切强度提高了45％。

Claims

1.一种碳纤维用热塑性上浆剂，其特征在于碳纤维用热塑性上浆剂由热塑性树脂、有机溶剂A和助剂制成；其中热塑性树脂和有机溶剂A组成主浆料，热塑性树脂的质量为主浆料质量的0.05%～3%；助剂质量为主浆料质量的0.05%～3%，所述热塑性树脂为聚芳醚类热塑性树脂；所述有机溶剂A为氯仿、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、氮甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种或几种的组合，所述助剂为聚氧乙烯醚与聚氧丙烯醚的混合物、聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维用热塑性上浆剂，其特征在于所述聚芳醚类热塑性树脂为含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚酮树脂、含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚砜树脂和含二氮杂萘联苯结构的聚芳醚砜酮树脂中的一种或者是几种的组合。

3.制备权利要求1所述的一种碳纤维用热塑性上浆剂的方法，其特征在于碳纤维用热塑性上浆剂的制备方法按以下步骤进行：将热塑性树脂溶于有机溶剂A中组成主浆料，再加入助剂，搅拌后得到碳纤维用热塑性上浆剂；其中热塑性树脂的质量为主浆料质量的0.05%～3%；助剂质量为主浆料质量的0.05%～3%。

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维用热塑性上浆剂的制备方法，其特征在于搅拌是以500～2000rpm的转速，机械搅拌5～30min。

5.使用权利要求1所述的一种碳纤维用热塑性上浆剂的方法，其特征在于一种碳纤维用热塑性上浆剂的使用方法按以下步骤进行：将碳纤维在热塑性上浆剂中浸渍1～15s，然后对上浆的碳纤维进行刮胶处理，使吸附于碳纤维表面的上浆剂所形成的吸附层的厚度为0.05～0.3μm，之后将刮胶处理后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍1～15s，最后将碳纤维烘干；所述有机溶剂B为甲醇、乙醇或丙酮。

6.根据权利要求5所述的一种碳纤维用热塑性上浆剂的使用方法，其特征在于将碳纤维在热塑性上浆剂中浸渍1～5s，然后对上浆的碳纤维进行刮胶处理，使吸附于碳纤维表面的上浆剂所形成的吸附层的厚度为0.05～0.2μm，之后将刮胶处理后的碳纤维在有机溶剂B中浸渍1～5s，最后将碳纤维烘干。

7.根据权利要求5所述的一种碳纤维用热塑性上浆剂的使用方法，其特征在于将碳纤维烘干是在60℃～160℃温度下干燥0.5min～5min。