CN105714563B - 一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂及制备方法，包括聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液、分散剂、硅油和高级脂肪酸；聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液为纳米片层二硫化钼分散液经聚丙烯酰胺改性后的分散液；所述制备方法先通过1)配置异丙醇水溶液，再加入微晶尺寸小于100微米的二硫化钼，形成分散液；2)超声、静置后，离心获取上层分散液；3)聚丙烯酰胺改性处理获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液，然后按照配比原则与分散剂、硅油和高级脂肪酸混合，该耐磨剂通过使用聚丙烯酰胺改性制备的纳米片层二硫化钼分散液，可以用于制备具有特殊用途的上浆剂，部分优化纤维及其复合材料界面性能和宏观性能。

Description

一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂及制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂及制备方法，特别指一种聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼基耐磨剂。
背景技术
碳纤维具有高比强度、高比模量等一系列优异性能而被广泛应用，但是因碳纤维韧性差，耐磨擦性差，在生产及加工过程中，会擦毛断头使开口不清，经机械摩擦容易产生毛丝及单丝断裂等现象，使其强度降低。在纤维生产过程中，通过上浆可以很好的解决上述问题，上浆已经成为纤维生产过程中非常重要的一个环节。随着碳纤维复合材料工业的不断发展，对上浆剂的性能要求也不断提高，从单纯的保护碳纤维逐渐演变成为了可以增强碳纤维复合材料界面粘结强度，提高复合材料力学性能，即由通用型上浆剂向功能型上浆剂发展。
上浆剂中的助剂能够很好的改善上浆剂在使用过程中的性能稳定性，耐磨剂是助剂中的一种，能够提高材料的耐磨性能，有效防止纤维之间粘结，而目前常见的耐磨剂具有成分的不稳定性和相容性差的缺点，因此研发具有良好性能的用于制备碳纤维上浆剂的耐磨剂具有重要意义。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂及制备方法，该耐磨剂通过使用聚丙烯酰胺改性制备的纳米片层二硫化钼分散液，可以用于制备具有特殊用途的上浆剂，部分优化纤维及其复合材料界面性能和宏观性能。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂，包括聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液、分散剂、硅油和高级脂肪酸；其中所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液为纳米片层二硫化钼分散液经聚丙烯酰胺改性后的分散液；其中所述聚丙烯酰胺改性方式为将聚丙烯酰胺原位接枝在已有效剥离的纳米片层二硫化钼表面。
进一步地，所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液的重量份为1-32，所述分散剂的重量份为1-5，所述硅油的重量份为60-90，所述高级脂肪酸的重量份为1-3。
进一步地，所述分散剂包括Solulan5、Solulan98、Solulan16，Solulan25、和Solulan97中的一种或两种以上。
进一步地，所述硅油包括未取代的聚二甲基硅氧烷和被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷；25℃时，所述被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷的黏度为2-100mm2/s。
进一步地，所述高级脂肪酸包括具有12-24个碳原子的月桂酸、肉豆蔻酸、木质素酸、棕榈酸、油酸中的一种或两种以上。
本发明另一方面还提供一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂的制备方法，由聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液配置而成，其中所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液的制备方法包括以下步骤：
1)配置异丙醇和水的混合液，其中异丙醇在所述混合液中的体积比例为30％-70％，再加入微晶尺寸小于100微米的二硫化钼，形成二硫化钼浓度为10mg/mL的分散液；
2)将步骤1)所得分散液进行超声、静置后，离心获取上层分散液，将片层状二硫化钼有效地剥离，然后去除大颗粒、未剥离的部分；
3)将步骤2)所得分散液进行聚丙烯酰胺改性处理：加入丙烯酰胺和过硫酸铵，反应获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液。
进一步地，上述制备方法还包括：称取一定量所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液按照配比原则与分散剂、硅油和高级脂肪酸在40-80℃下混合，用超声分散1-6h。
进一步地，步骤2)所述超声功率为100W，超声处理时间为1-8h，静置时间为4-12h，离心转速为2000-6000rpm。
进一步地，步骤3)所述丙烯酰胺和过硫酸铵的加入重量份比例为10:1-200:1,丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为5:1-25:1，温度为40-80℃，反应时间为4-96h。
进一步地，步骤3)所述丙烯酰胺和过硫酸铵的加入重量份比例为100：1,丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为10:1，温度为60℃，反应时间为48h。
本发明有益效果如下：
本发明耐磨剂能有效地作为特殊用途碳纤维上浆剂成分使用，能够解决目前常见的耐磨剂成分的不稳定性和相容性差的缺点，明显改善产品的耐磨和加工性能，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耐磨剂中组分的配比，应用于不同种类的上浆剂基体，在碳纤维、玻璃纤维等的制备过程中可以起到很好的保护作用，同时对复合材料的力学性能有所提高。这种功能型的耐磨剂可以部分优化纤维及其复合材料界面性能和宏观性能。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例1耐磨剂的扫描电镜照片；
图2为实施例3耐磨剂的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例1
本实施例提供一种用于碳纤维上浆剂的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼基耐磨剂及制备方法，其中制备方法包括以下步骤：
(1)配置水和异丙醇的混合溶液，其中异丙醇的体积比例为30％，再加入平均微晶尺寸50微米的二硫化钼，二硫化钼的浓度为10mg/mL，混合形成分散液；
(2)将步骤(1)获得的分散液超声处理，超声功率为100W，超声时间为1小时；超声完成后静置4小时；然后在4000rpm转速下离心获取上层分散液；
(3)将步骤(2)获得的分散液进行改性处理：在40℃加入重量份比例为10：1的丙烯酰胺和过硫酸铵，其中丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为5:1，反应80h后获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液；
(4)在70℃下，取上述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液20克与50克分散剂Solulan16、900克黏度为5mm2/s的未取代的聚二甲基硅氧烷和30克具有12-24个碳原子的月桂酸在100W超声功率下超声分散1小时，获得耐磨剂。
本实例中得到的耐磨剂包括2重量份的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液、5重量份的分散剂Solulan16、90重量份的未取代的聚二甲基硅氧烷和3重量份的具有12-24个碳原子的月桂酸。
该耐磨剂的扫描电镜照片如图1所示。
实施例2
本实施例提供一种用于碳纤维上浆剂的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼基耐磨剂及制备方法，其中制备方法包括以下步骤：
(1)配置水和异丙醇的混合溶液，其中异丙醇的体积比例为50％，再加入平均微晶尺寸80微米的二硫化钼，二硫化钼的浓度为10mg/mL，混合形成分散液；
(2)将步骤(1)获得的分散液超声处理，超声功率为100W，超声时间为8小时；超声完成后静置4小时；然后在6000rpm转速下离心获取上层分散液；
(3)将步骤(2)获得的分散液进行改性处理：在60℃加入重量比例为80：1的丙烯酰胺和过硫酸铵，其中丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为12:1，反应获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液，反应50h后获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液；
(4)在60℃下，取上述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液320g与50克分散剂Solulan25、610克黏度为20mm2/s的被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷和20克具有12-24个碳原子的肉豆蔻酸在100W超声功率下超声分散6小时，获得耐磨剂。
本实例中得到的耐磨剂包括32重量份的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液、5重量份的分散剂Solulan25、61重量份的被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷和2重量份的具有12-24个碳原子的肉豆蔻酸。
实施例3
本实施例提供一种用于碳纤维上浆剂的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼基耐磨剂及制备方法，其中制备方法包括以下步骤：
(1)配置水和异丙醇的混合溶液，其中异丙醇的体积比例为70％，再加入平均微晶尺寸50微米的二硫化钼，二硫化钼的浓度为10mg/mL，混合形成分散液；
(2)将步骤(1)获得的分散液超声处理，超声功率为100W，超声时间为8小时；超声完成后静置12小时；然后在2000rpm转速下离心获取上层分散液；
(3)将步骤(2)获得的分散液进行改性处理：在80℃加入重量份比例为200:1的丙烯酰胺和过硫酸铵，其中丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为25:1反应获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液，反应4h后获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液；
(4)在80℃下，取上述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液160克与30克分散剂Solulan5、790克黏度为50mm2/s的未取代的聚二甲基硅氧烷和20克具有12-24个碳原子的棕榈酸在100W超声功率下超声分散3小时，获得耐磨剂。
本实例中得到的耐磨剂包括16重量份的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液、3重量份的分散剂Solulan5、79重量份的未取代的聚二甲基硅氧烷和2重量份的具有12-24个碳原子的棕榈酸。
该耐磨剂的扫描电镜照片如图2所示。
实施例4
本实施例提供一种用于碳纤维上浆剂的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼基耐磨剂及制备方法，其中制备方法包括以下步骤：
(1)配置水和异丙醇的混合溶液，其中异丙醇的体积比例为60％，再加入平均微晶尺寸80微米的二硫化钼，二硫化钼的浓度为10mg/mL，混合后分散液共计100克；
(2)将步骤(1)获得的分散液超声处理，超声功率为100W，超声时间为4小时；超声完成后静置8小时；然后在5000rpm转速下离心获取上层分散液；
(3)将步骤(2)获得的分散液进行改性处理：在60℃加入重量份比例为50：1丙烯酰胺和过硫酸铵，其中丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为20:1，反应获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液，反应24h后获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液；
(4)在50℃下，取上述纳米片层二硫化钼分散液200克与30克分散剂Solulan97、760克黏度为70mm2/s的被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷和10克具有12-24个碳原子的油酸在100W超声功率下超声分散3小时，获得耐磨剂。
本实例中得到的耐磨剂包括20重量份的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液、3重量份的分散剂Solulan97、76重量份的被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷和1重量份的具有12-24个碳原子的油酸。
使用实施例1-4中的耐磨剂涂覆的纤维耐磨次数如表1所示，由表可以看出，本发明的耐磨剂经聚丙烯酰胺改性后的增加了纤维了耐磨次数。
表1使用实施例1-4中的耐磨剂涂覆的纤维耐磨次数
条件 耐磨次数 变化幅度(％)
空白(未改性) 304 -
实施例1 629 107
实施例2 538 77
实施例3 672 121
实施例4 631 108
综上所述，本发明实施例提供了一种用于碳纤维上浆剂的聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼基耐磨剂及制备方法，该耐磨剂能有效地作为特殊用途碳纤维上浆剂成分使用，明显改善产品的耐磨和加工性能。可以部分优化纤维及其复合材料界面性能和宏观性能；制备方法操作简单，成本低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于碳纤维上浆剂的耐磨剂，其特征在于，包括聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液、分散剂、硅油和高级脂肪酸；
其中所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液为纳米片层二硫化钼分散液经聚丙烯酰胺改性后的分散液；其中所述聚丙烯酰胺改性方式为通过过硫酸铵引发剂将聚丙烯酰胺原位接枝在已有效剥离的纳米片层二硫化钼表面。
2.根据权利要求1所述用于碳纤维上浆剂的耐磨剂，其特征在于，所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液的重量份为1-32，所述分散剂的重量份为1-5，所述硅油的重量份为60-90，所述高级脂肪酸的重量份为1-3。
3.根据权利要求1或2所述用于碳纤维上浆剂的耐磨剂，其特征在于，所述分散剂包括Solulan5、Solulan98、Solulan16，Solulan25、和Solulan97中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1或2任一所述用于碳纤维上浆剂的耐磨剂，其特征在于，所述硅油包括未取代的聚二甲基硅氧烷或被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷；25℃时，所述未取代的聚二甲基硅氧烷或被具有2-20个碳原子的烷基取代的聚二甲基硅氧烷的黏度为2-100mm2/s。
5.根据权利要求1或2任一所述用于碳纤维上浆剂的耐磨剂，其特征在于，所述高级脂肪酸包括具有12-24个碳原子的月桂酸、肉豆蔻酸、木质素酸、棕榈酸、油酸中的一种或两种以上。
6.一种如权利要求1-5任一所述用于碳纤维上浆剂的耐磨剂的制备方法，其特征在于，由聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液配置而成，其中所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液的制备方法包括以下步骤：
1)配置异丙醇和水的混合液，其中异丙醇在所述混合液中的体积比例为30％-70％，再加入微晶尺寸小于100微米的二硫化钼，形成二硫化钼浓度为10mg/mL的分散液；
2)将步骤1)所得分散液进行超声、静置后，离心获取上层分散液；
3)将步骤2)所得分散液进行聚丙烯酰胺改性处理：加入丙烯酰胺和过硫酸铵，反应获得聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，还包括：称取一定量所述聚丙烯酰胺改性纳米片层二硫化钼分散液按照配比原则与分散剂、硅油和高级脂肪酸在40-80℃下混合，用超声分散1-6h。
8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤2)所述超声功率为100W，超声处理时间为1-8h，静置时间为4-12h，离心转速为2000-6000rpm。
9.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤3)所述丙烯酰胺和过硫酸铵的加入重量份比例为10:1-200:1,丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为5:1-25:1，温度为40-80℃，反应时间为4-96h。
10.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤3)所述丙烯酰胺和过硫酸铵的加入重量份比例为100：1,丙烯酰胺与二硫化钼的重量份比例为10:1，温度为60℃，反应时间为48h。
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