CN104389167A

CN104389167A - 一种含有纳米粒子的涂层溶液及其应用

Info

Publication number: CN104389167A
Application number: CN201410607576.4A
Authority: CN
Inventors: 刘丽; 姜大伟; 黄玉东; 张庆波; 吴子剑
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2015-03-04

Abstract

本发明公开了一种含有纳米粒子的涂层溶液及其应用。所述涂层溶液由纳米粒子、环氧树脂或者不饱和树脂、溶剂构成，该涂层溶液可以用于碳纤维上浆，其中：纳米粒子的含量为0.5-5wt.%，环氧树脂或者不饱和树脂的含量为0.5-5wt.%。本方法用于对碳纤维表面进行处理，可以在碳纤维出厂前根据客户的要求，在碳纤维表面涂敷一层纳米粒子，使碳纤维的性能满足各种碳纤维复合材料性能的需求。经本发明上浆后的碳纤维含有一层均匀的纳米粒子，制备碳纤维复合材料后有明显增强碳纤维和聚合物基体之间界面性能从而增加复合材料力学性能，非常有利于各种不同纳米粒子在碳纤维表面均匀的分散。

Description

一种含有纳米粒子的涂层溶液及其应用

技术领域

本发明涉及一种含有纳米粒子的涂层溶液及其在碳纤维上浆中的应用。

背景技术

碳纤维的生产过程分为原丝生产和原丝碳化两个过程。原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。其中，上浆处理可以防止纤维损伤，提高纤维与树脂母体的亲和性，所得纤维具有各种不同的断面结构。传统的上浆方法是在上浆槽中放有低分子量的环氧树脂，然后碳纤维经表面处理后经过上浆槽，碳纤维表面会涂敷一层环氧树脂浆料，使碳纤维束有一定的集束性。但是碳纤维在实际应用中需与不同树脂做成复合材料，环氧树脂涂层就很难满足所有复合材料的需求，所以就需要一些特殊性能的纳米粒子涂覆于碳纤维表面来满足一些收缩率较大，或者耐热性较差的树脂的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有纳米粒子的涂层溶液及其应用，均匀上浆含有纳米粒子涂层溶液可赋予碳纤维本体更优异性能，更均匀、更高的表面粗糙度，更大的表面能，且能在碳纤维表面引入不同的基团，克服了传统方法对含有纳米粒子溶液碳纤维上浆带来纳米粒子在碳纤维表面分散不均匀的困扰。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种含有纳米粒子的涂层溶液，由纳米粒子、环氧树脂（EP）或者不饱和树脂（UPR）、溶剂构成，其中：涂层溶液中纳米粒子的含量为0.5-5wt.%，环氧树脂（EP）或者不饱和树脂（UPR）的含量为0.5-5wt.%。

上述涂层溶液可以用于碳纤维上浆，利用其对碳纤维均匀上浆的方法包括原丝生产和原丝碳化两个过程，具体步骤如下：碳纤维原丝经聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序后，碳纤维原丝经过放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

本发明中，所述溶剂可为不同种类溶剂，根据纳米粒子的不同采用的溶剂不同，例如：水、乙醇、丙酮、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、DMF、DMSO等溶剂中的一种。

本发明中，所述纳米粒子可为不同种类纳米粒子，例如：多面体聚倍半硅氧烷（POSS）、碳纳米管（CNT）、氧化石墨烯（GO）、二氧化硅等纳米粒子中的一种。

本发明中，所述环氧树脂为低分子量的双酚A型环氧树脂。

本发明中，所述不饱和树脂为低分子量的二元酸和二元醇共聚得到的通用性不饱和树脂。

本发明中，所述纳米粒子含量可以控制为0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%、2wt.%、2.5wt.%、3wt.%、3.5wt.%、4wt.%、4.5wt.% 和5wt.%等。

本发明中，所述环氧树脂或者不饱和树脂含量可以控制为0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%、2wt.%、2.5wt.%、3wt.%、3.5wt.%、4wt.%、4.5wt.% 和5wt.%等。

本发明中，所述碳纤维原丝经过高温碳化、表面处理后经过含有纳米粒子涂层溶液的上浆槽。

本发明中，所述原丝碳化过程中碳纤维原丝经过上浆槽后经过压辊后烘干。

本发明中，所述原丝碳化过程中在含有纳米粒子涂层溶液的上浆槽外加入超声振荡处理。

本发明中，所述原丝碳化过程中通过经超声振荡的含有纳米粒子涂层溶液的上浆槽的时间来控制上浆均匀性。

本发明中，所述超声振荡处理时间可以控制为1-30min。

本发明中，所述烘干温度可以控制为50-200℃之间。

本发明中，所述烘干时间可以控制为5-60min之间。

本发明具有如下优点：

1、本方法用于对碳纤维表面进行处理，可以在碳纤维出厂前根据客户的要求，在碳纤维表面涂敷一层纳米粒子，使碳纤维的性能满足各种碳纤维复合材料性能的需求。

2、经本发明上浆后的碳纤维含有一层均匀的纳米粒子，制备碳纤维复合材料后有明显增强碳纤维和聚合物基体之间界面性能从而增加复合材料力学性能，非常有利于各种不同纳米粒子在碳纤维表面均匀的分散。

附图说明

图1为含有纳米粒子的涂层溶液对碳纤维均匀上浆具体过程示意图；

图2为实施例1中不用本发明方法上浆后碳纤维表面形貌；

图3为实施例1中用本发明方法上浆后碳纤维表面形貌；

图4为实施例3中不用本发明方法上浆后碳纤维表面形貌；

图5为实施例3中用本发明方法上浆后碳纤维表面形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

Methacryl-POSS 纳米粒子： 2wt.%；

丙酮溶剂： 50 mL。

将2wt.% POSS纳米粒子溶解于50 mL 丙酮溶剂中，经图1装置，未超声处理上浆后得不均匀纳米粒子涂层，如图2所示。

Methacryl-POSS 纳米粒子： 2wt.%；

丙酮溶剂： 50 mL；

环氧树脂（E51）： 1wt.%。

将2wt.% POSS纳米粒子溶解于50 mL 丙酮溶剂中，在加入1wt.%环氧树脂，经图1装置上浆后得均匀纳米粒子涂层，如图3所示。

从图2-3可以发现不用此方法和用此方法上浆后对碳纤维表面的影响效果不同，用此方法上浆后，纳米粒子在纤维表面分布更为均匀，有助于提高碳纤维复合材料的界面性能，防止由于纳米粒子聚集而造成的应力集中对碳纤维复合材料性能的损伤。

实施例2：

Methacryl-POSS 纳米粒子： 4wt.%；

丙酮溶剂： 100 mL。

将4wt.% POSS纳米粒子溶解于100 mL 丙酮溶剂中，经图1装置，未超声处理上浆后得不均匀纳米粒子涂层，效果同图2所示。

Methacryl-POSS 纳米粒子： 4wt.%；

丙酮溶剂： 100 mL；

环氧树脂（E51）： 1wt.%。

将4wt.% POSS纳米粒子溶解于100 mL 丙酮溶剂中，在加入1wt.%环氧树脂，经图1装置上浆后得均匀纳米粒子涂层，效果同图3所示。

实施例3：

单壁碳纳米管纳米粒子： 2wt.%；

去离子水溶剂： 100 mL。

将2wt.% 碳纳米管纳米粒子分散于100 mL 去离子水溶剂中，经图1装置，未超声处理上浆后得不均匀纳米粒子涂层，如图4所示。

单壁碳纳米管纳米粒子： 2wt.%；

去离子水溶剂： 100 mL。

环氧树脂（E51）： 1wt.%。

将2wt.%碳纳米管纳米粒子分散于100 mL 去离子水溶剂中，在加入1wt.%环氧树脂，经图1装置上浆后得均匀纳米粒子涂层，如图5所示。

Claims

1.一种含有纳米粒子的涂层溶液，其特征在于所述涂层溶液由纳米粒子、环氧树脂或者不饱和树脂、溶剂构成，其中：涂层溶液中纳米粒子的含量为0.5-5wt.%，环氧树脂或者不饱和树脂的含量为0.5-5wt.%。

2.根据权利要求1所述的含有纳米粒子的涂层溶液，其特征在于所述溶剂为水、乙醇、丙酮、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、DMF、DMSO溶剂中的一种。

3.根据权利要求1所述的含有纳米粒子的涂层溶液，其特征在于所述纳米粒子为多面体聚倍半硅氧烷、碳纳米管、氧化石墨烯、二氧化硅中的一种。

4.根据权利要求1所述的含有纳米粒子的涂层溶液，其特征在于所述环氧树脂为低分子量的双酚A型环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的含有纳米粒子的涂层溶液，其特征在于所述不饱和树脂为低分子量的二元酸和二元醇共聚得到的不饱和树脂。

6.根据权利要求1所述的含有纳米粒子的涂层溶液，其特征在于所述纳米粒子含量为0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%、2wt.%、2.5wt.%、3wt.%、3.5wt.%、4wt.%、4.5wt.% 或5wt.%。

7.根据权利要求1所述的含有纳米粒子的涂层溶液，其特征在于所述环氧树脂或者不饱和树脂含量为0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%、2wt.%、2.5wt.%、3wt.%、3.5wt.%、4wt.%、4.5wt.% 或5wt.%。

8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的含有纳米粒子的涂层溶液在碳纤维上浆中的应用。

9.根据权利要求8所述的含有纳米粒子的涂层溶液在碳纤维上浆中的应用，其特征在于在对碳纤维上浆时，包括原丝生产和原丝碳化两个过程，其中：所述原丝碳化过程中在含有纳米粒子涂层溶液的上浆槽外加入超声振荡处理。

10.根据权利要求8所述的含有纳米粒子的涂层溶液在碳纤维上浆中的应用，其特征在于所述超声振荡处理时间为1-30min。