CN105484041A - 一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂及其制备方法，所述碳纤维用复合型水性乳液上浆剂由水性改性环氧树脂乳液、热塑性树脂和的增韧助剂按照配比制得，本发明所制备的水性复合乳液上浆剂相溶性好，吸附和浸润碳纤维能力强，储存时间长，碳纤维上浆后上浆量均匀，含胶稳定、毛丝、延展性、硬度、宽度和摩擦系数稳定，且样条层间剪切强度较单一上浆剂增加10％，其湿法预浸布及编织布布面性能优良。

Description

一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维用上浆剂技术领域，具体涉及一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂及其制备方法。
背景技术
碳纤维具有高的比强度和比模量，是目前先进复合材料的主要增强材料之一，被广泛应用于航空航天，体育器材和工业领域。与传统材料相比，碳纤维复合材料具低密度、高强度、高模量、耐高温、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀、耐化学辐射等特性。还具有纤维的柔曲性和可编性，因此碳纤维被当作高科技先进材料的代表。
在高性能碳纤维的众多生产制造工艺中，碳纤维的上浆工艺流程是不可缺少的重要环节。首先，上浆剂在碳纤维表面均匀涂覆，可以改变纤维表面形貌，即表面粗糙度发生变化，有助于强化纤维与树脂基体间粘附锚定效应；其次，上浆剂可以在碳纤维表面形成功能性有机高分子层，从而改变碳纤维本来惰性的表面，使表面能提高，容易实现树脂基体在其表面的充分浸润；再次，上浆涂覆后的碳纤维表面的极性等活性基团含量增加，上浆剂中聚合物分子在温度控制下易于与树脂基体发生作用，形成了化学键合使纤维与树脂基体结合得更加牢固。最后，通过改变上浆剂体系主要成分的分子类型，实现碳纤维在不同树脂基体中的应用，形成碳纤维产品和相应复合材料的多样化和适应性。
由于碳纤维上浆剂对于碳纤维制造和产品性能的重要性，国外各碳纤维生产公司对于上浆剂配方严格保密，相关的文献报道极少。因此，研制出适合生产的高性能碳纤维用上浆剂迫在眉睫。
环氧树脂是热固性树脂中收缩率最小的一种，具有良好的力学性能、粘结性能和耐化学腐蚀性能等特点，尤其耐碱性更为优越，常常被用于制作胶黏剂和防腐涂层的主体，并在电子、电气、机械制造、化工防腐等许多工业领域中起到越来越重要的作用，成为各工业领域中不可或缺的基础材料，并逐步朝着“高纯化、精细化、专用化、系列化、配套化、功能化”六个方向发展，以此满足各个行业对环氧树脂提出的不同性能要求。水性环氧树脂由于其具有较高的力学性能、优良的附着粘接性能、良好的化学稳定性和耐热性、不含或少含有机溶剂，从而使其应用领域大大扩展但环氧树脂固化后交联密度高，呈三维网状结构，存在内应力大、质脆、耐疲劳性与耐冲击性差等不足，加之表面能高，在很大程度上限制了其应用。
目前，通过改性环氧树脂来增韧基体树脂的研究已取得了显著的成果，其增韧途径主要有两种：(1)用含“柔性链”的固化剂固化环氧，在交联网络中引入柔性链段，提高网链分子的柔顺性，达到增韧的目的；(2)用热固性树脂连续贯穿于环氧树脂网络中形成互穿、半互穿网络结构来增韧从而使环氧树脂韧性得到改善。
同时，热塑性树脂的发展速度也非常迅速，已大大超过热固性树脂的发展速度，这主要是由于热塑性树脂具有密度小、强度高、性能可设计性自由度大、高耐热性、废料回收利用性好等优良性能。在环氧树脂基体中加入一定量的高性能热塑性树脂，可以使碳纤维以较小的质量获得更高的机械强度，提高强度应用档次；可以形成颗粒分散相，使环氧树脂的韧性得到提高，而且不降低其刚度和耐热性。因此用热塑型树脂增韧水性环氧树脂逐渐成为一个热门研究方向。
值得一提的是，经过不断地探索和努力，制备出一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂。该复上浆剂附着在纤维表面，改善热塑性树脂与纤维间的界面粘接,利用水性环氧树脂的粘接性、耐腐蚀性、绝缘性、高强度等性能,改性热塑性树脂,实现两者性能优化组合,赋予热塑性树脂更好的性能。该复合乳液上浆剂干燥后形成皮膜将织物表面包裹，赋予碳纤维平滑、厚实、丰满、硬挺的手感，使湿法预浸料、双向编织布等复合材料的物理性能及力学性能优异且稳定。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种由热塑性上浆剂、水性改性环氧树脂乳液和增韧助剂共同组成的复合型水性乳液上浆剂，该复合乳液上浆剂具备浸润性好、界面粘结性强、高韧、强度高、稳定性好、环保无污染、制备工艺简单易操作等优点，适合直接应用于批量化的工业生产。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，由以下物质组成：热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液、增塑助剂。
优选的，所述的热塑性上浆剂为脂肪族饱和多元醇、不饱和多元醇或聚酯多元醇的一种，其碳原子个数为5～20，相对分子质量为100～1000，酸值≤6mgKOH/g。
优选的，所述的水性改性环氧乳液中的环氧树脂是双酚A类环氧树脂。
优选的，所述的水性改性环氧乳液为水性聚氨酯改性环氧乳液、水性酚醛改性环氧乳液、水性饱和聚酯改性环氧乳液中的一种。
优选的，所述的水性改性环氧乳液的环氧当量为280～520，粒径为500～800nm，粘度为500～1500mpa·s。
优选的，所述的水性聚氨酯改性环氧乳液为聚氨酯和环氧树脂接枝共聚物、端羟基聚氨酯预聚体、封闭异氰酸酯改性环氧树脂、高羟值环氧树脂作固化剂固化端异氰酸根基聚氨酯预聚体等多种类型中的一种。
优选的，所述的水性酚醛改性环氧乳液由热固性的酚醛树脂改性环氧树脂得到。
碳纤维用复合型水性乳液上浆剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配比将热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液和增塑助剂用溶剂分别稀释成浓度为2％～10％的稀溶液；
(2)将步骤(1)中的热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液和增塑助剂混合，室温下搅拌成为均相溶液，制得碳纤维用复合型水性乳液上浆剂。
优选的，所述热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液、增塑助剂的配比为(2～3)：(4～8)：1。
优选的，所述溶剂为丙酮、乙醇和去离子水的任意混合溶液。
本发明的有益效果：本发明将热塑性上浆剂和水性改性环氧乳液混合运用到碳纤维上浆工艺中，克服了使用单一环氧树脂乳液造成的碳纤维的内应力大、质脆、耐疲劳性与耐冲击性差、表面能高等缺点，水性改性环氧树脂具有粘接性好、耐腐蚀性、绝缘性、高强度等特点，它与热塑性树脂配合使用，可以改善上浆剂与纤维之间的界面粘接强度。本发明操作简单，所制得的上浆剂稳定性良好；吸附和浸润碳纤维能力强，可长时间储存时间，碳纤维上浆后上浆量均匀，含胶稳定、毛丝、延展性、硬度、宽度和摩擦系数适中，在制成复合材料后，其样条层间剪切强度较单一上浆剂增加10％左右，其湿法预浸布及编织布布面性能优良。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
将水性聚氨酯改性环氧树脂乳液A1、热塑性脂肪族饱和多元醇B1、增韧助剂C1分别稀释成3％的水性稀乳液，按照2:6:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例2：
将水性聚氨酯改性环氧树脂乳液A2、热塑性脂肪族饱和多元醇B1、增韧助剂C1分别稀释成3％的水性稀乳液，按照3:6:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例3：
将水性酚醛改性环氧树脂乳液A3、热塑性不饱和多元醇B2、增韧助剂C1分别稀释成3％的水性稀乳液，按照3:7:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例4：
将水性酚醛改性环氧树脂乳液A3、热塑性脂肪族饱和多元醇B1、增韧助剂C2分别稀释成5％的水性稀乳液，按照2:6:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例5：
将水性饱和聚酯改性环氧树脂乳液A4、热塑性聚酯多元醇B3、增韧助剂C2分别稀释成8％的水性稀乳液，按照2:8:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例6：
将水性饱和聚酯改性环氧树脂乳液A4、热塑性不饱和多元醇B2、增韧助剂C1分别稀释成8％的水性稀乳液，按照2:7:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例7：
将水性聚氨酯改性环氧树脂乳液A1、热塑性聚酯多元醇B3、增韧助剂C2分别稀释成10％的水性稀乳液，按照3:8:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例8：
将水性酚醛改性环氧树脂乳液A3、热塑性聚酯多元醇B3、增韧助剂C1分别稀释成10％的水性稀乳液，按照为3:6:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例9：
将水性聚氨酯改性环氧树脂乳液A2、热塑性不饱和多元醇B2、增韧助剂C1和C2分别稀释成6％的水性稀乳液，按照3:6:1:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
实施例10：
将水性饱和聚酯改性环氧树脂乳液A4、热塑性脂肪族饱和多元B1、增韧助剂C1和C2分别稀释成6％的水性稀乳液，按照3:6:1:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
对比例1：
将水性聚氨酯改性环氧树脂乳液A1、增韧助剂C1分别稀释成5％的水性稀乳液，按照4:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
对比例2：
将水性饱和聚酯改性环氧树脂乳液A4、增韧助剂C2分别稀释成3％的水性稀乳液，按照4:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
对比例3：
将水性聚氨酯改性环氧树脂乳液B2、增韧助剂C1和C2分别稀释成10％的水性稀乳液，按照6:1:1的质量混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
对比例4：
将水性酚醛改性环氧树脂乳液B3、增韧助剂C1和C2分别稀释成8％的水性稀乳液，按照8:1:1的质量比混合均匀后，停止搅拌，得到碳纤维用复合水性乳液上浆剂。
测试碳纤维复合型水性乳液上浆剂的力学性能。
附表1所用原料组分表
附表2各原料组分的用量比
附表3碳纤维力学性能测试表
结论：添加热塑性上浆剂、水性改性环氧树脂后，碳纤维的强度和含量明显增加。
综上，本发明实施例具有如下有益效果：本发明操作简单，各组分易混合，稳定性良好；所述的碳纤维用复合型水性乳液上浆剂吸附和浸润碳纤维能力强，碳纤维上浆后上浆量均匀，含胶稳定、毛丝、延展性、硬度、宽度和摩擦系数适中，在制成复合材料后，其样条层间剪切强度较单一上浆剂增加10％左右，其湿法预浸布及编织布布面性能优良。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，其特征在于，由以下物质制成：热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液、增塑助剂。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，其特征在于，所述的热塑性上浆剂为脂肪族饱和多元醇、不饱和多元醇或聚酯多元醇的一种，其碳原子个数为5～20，相对分子质量为100～1000，酸值≤6mgKOH/g。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，其特征在于，所述的水性改性环氧乳液中的环氧树脂是双酚A类环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，其特征在于，所述的水性改性环氧乳液为水性聚氨酯改性环氧乳液、水性酚醛改性环氧乳液、水性饱和聚酯改性环氧乳液中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，其特征在于，所述的水性改性环氧乳液的环氧当量为280～520，粒径为500～800nm，粘度为500～1500mpa·s。
6.根据权利要求4所述的一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，其特征在于，所述的水性聚氨酯改性环氧乳液为聚氨酯和环氧树脂接枝共聚物、端羟基聚氨酯预聚体、封闭异氰酸酯改性环氧树脂、高羟值环氧树脂作固化剂固化端异氰酸根基聚氨酯预聚体等多种类型中的一种。
7.根据权利要求4所述的一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，其特征在于，所述的水性酚醛改性环氧乳液由热固性的酚醛树脂改性环氧树脂得到。
8.一种根据权利要求1～7所述的碳纤维用复合型水性乳液上浆剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配比将热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液和增塑助剂用溶剂分别稀释成浓度为2％～10％的稀溶液；
(2)将步骤(1)中的热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液和增塑助剂混合，室温下搅拌成为均相溶液，制得碳纤维用复合型水性乳液上浆剂。
9.根据权利要求7所述的碳纤维用复合型水性乳液上浆剂的制备方法，其特征在于，所述热塑性上浆剂、水性改性环氧乳液、增塑助剂的配比为(2～3)：(4～8)：1。
10.根据权利要求8所述的碳纤维用复合型水性乳液上浆剂的制备方法，溶其特征在于，所述溶剂为丙酮、乙醇和去离子水的任意混合溶液。
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