CN107916572B - 可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法 - Google Patents

可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法。所述上浆剂通过按照重量配比将树脂5～50份，逐步加入乳化剂2～30份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水20～200份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配调节剂1～20份，其中复配调节剂包括调节剂A、调节剂B、调节剂C，各调节剂的比例依据所需表观性能进行确定，充分搅拌均匀后制得。本发明的制备方法工艺简单，乳液稳定性好，能够通过复配调节剂各组分比例的调控对碳纤维表观性能进行控制，针对应用需求有着广泛和重大的实际意义。

Description

可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂及其制备 方法
技术领域
本发明属于碳纤维材料制备技术领域，涉及一种可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法。
背景技术
碳纤维以其优异的性能被誉为“新材料之王”，是先进复合材料最重要的增强体之一，其拉伸强度和弹性模量是实现复合材料结构性能目标的关键。碳纤维复合材料具备质量轻、强度高、弹性模量高的特点，对武器装备性能提升贡献巨大，被广泛用于制造航空器机体及发动机、导弹外壳等重大国防和工业领域。
碳纤维经过高温热处理之后微观晶结构已经定型，决定了最终力学性能，碳纤维进一步经过表面处理、水洗工艺和干燥之后，在无张力情况下处于蓬松散乱的状态，无法在卷绕机上收卷，更影响碳纤维在后续碳纤维应用中的工艺，所以工业上生产碳纤维，都要对经过水洗烘干后的碳纤维进行上浆处理。
上浆剂一般说来有三大作用，一是在脆性的碳纤维表面包覆一层上浆剂层，减少纤维与生产设备辊体与使用过程中设备辊体的摩擦，保护纤维；二是在碳纤维复合材料的制备过程中在碳纤维与树脂基体之间起到桥梁作用，上浆剂相当于在碳纤维表面预包覆一层树脂薄层，能够起到界面传递作用，改善复合材料的界面性能；三是赋予碳纤维一定的表观性能，匹配各种碳纤维使用工艺的宽度、悬垂度、耐磨性、展宽性等，给碳纤维的应用带来重要的支持作用，极大的改善了碳纤维的工艺操作性能，也是碳纤维最终能够顺利用在碳纤维复合材料中的关键。
目前工业中所用上浆剂绝大部分是环氧乳液或者改性环氧乳液作为主剂，这也和目前碳纤维应用领域主要以环氧树脂体系为基体有关。一般对于碳纤维而言，碳纤维表观性能是依据上浆剂组成被动表现出来，很难从客户的需求出发，主动控制碳纤维上浆剂的组分得到客户所需表观性能的碳纤维。主动控制碳纤维的表观性能以适应下游客户的需求对碳纤维企业而言尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂，按重量份数计，由以下组份组成：树脂5～50份，乳化剂2～30份，水20～200份，复配调节剂1～20份，所述的复配调节剂包括调节剂A、调节剂B和调节剂C，其中调节剂A选自聚醚型水性聚氨酯、聚酯型水性聚氨酯和水性聚酯乳液中的一种或两种，调节剂B选自聚乙烯醇、聚丙二醇、聚乙二醇、高级脂肪醇、硬脂醇、油酸酯和硬脂酸酯中的一种或两种，调节剂C选自双酚A聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚(R为C12～18)和脂肪醇聚氧乙烯(30)甲基硅烷中的一种或两种。
所述的树脂是环氧树脂、酚醛改性环氧树脂、聚酯改性环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂等通用环氧树脂体系或改性环氧树脂体系中的一种或一种以上，其中环氧及改性环氧树脂要参考其环氧当量值。
所述的乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚、苄基酚聚氧乙烯醚、辛烷基苯酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、苯乙基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚、异辛基聚氧乙烯醚、十八烷醇基聚氧乙烯醚、异十三醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、失水山梨醇三硬脂酸酯、脂肪酸环氧乙烷加成物、蓖麻油环氧乙烷加成物及其衍生物、多元醇脂肪酸酯及其环氧乙烷加成物等通用型乳化剂的一种或一种以上。
调节剂A可控纤维悬垂度和宽度。调节剂A份数越高，碳纤维悬垂度和宽度越大，悬垂度可以控制在2-23cm范围内，宽度可以控制在3-9mm范围内。
调节剂B可控耐磨性能。调节剂B份数越高，碳纤维耐磨性能越强，耐磨性等级可以控制在A--～A+++(好)范围内。
调节剂C可控纤维展宽性能。调节剂C份数越高，碳纤维展宽性能越强，展宽性可以控制在1.0～3.0范围内。
调节剂A、B和C相互不影响。
上述可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂的制备方法，具体步骤如下：
按照重量配比将树脂5～50份，逐步加入乳化剂2～30份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水20～200份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照重量比加入复配调节剂1～20份，其中复配调节剂由调节剂A、调节剂B和调节剂C组成，其比例依据所需表观性能进行确定，充分搅拌均匀后得到上浆剂。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的上浆剂能够通过特定调节剂A、调节剂B、调节剂C的比例主动控制碳纤维的以下表观性能：宽度、悬垂度、耐磨性、展宽性等。采用本发明的上浆剂，可以通过客户的需求主动控制上浆剂的组成比例，方法简单有效，工艺易操作且乳液稳定性好。对应用领域的针对性有可控性调整，广泛适用于工业生产，较传统的上浆剂而言，实现了工业生产中的碳纤维表观性能可控，打破了传统上浆剂只能赋予碳纤维单一的表观性能，无法实现表观性能可控的生产方式，对工业生产影响重大。
本发明不仅适用于小丝束，适用于1K～100K碳纤维品种，适用于干喷湿纺碳纤维和湿法纺丝碳纤维，适用于强度型、模量型碳纤维，包括高模量石墨纤维。使用过程中可以根据需要通过加水调节使用浓度，水的加入对上浆剂本身性能不产生影响。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步描述本发明的技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1
欲控制碳纤维表观性能为宽度7.0±1mm，悬垂度9±3cm，展宽性为1.8±0.2，耐磨性等级为A+级；则按照重量配比将环氧当量为300克/当量的环氧树脂30份，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水80份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性环氧树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂6份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯2份、调节剂B聚乙烯醇2份、调节剂C脂肪醇聚氧乙烯醚(碳链R为C12～18)2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.9mm，悬垂度10.5cm，展宽性为1.81，耐磨性A+。
实施例2
欲控制碳纤维表观性能为宽度6.5±1mm，悬垂度13±3cm，展宽性为1.6±0.2，耐磨性等级为A+级，则按照重量配比将双酚A环氧树脂30份(300克/当量)，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚5份、烷基酚聚氧乙烯醚5份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水80份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂8份，其中调节剂A聚醚型水性聚氨酯为4份、调节剂B聚丙二醇2份、调节剂C脂肪醇聚氧乙烯醚(碳链R为C12～18)2份，充分搅拌均匀后得到上浆剂乳液，能够满足要求，测试值为：宽度6.7mm，悬垂度14.3cm，展宽性为1.73，耐磨性A+。
实施例3
能够控制碳纤维表观性能为宽度6.5±1mm，悬垂度16±3cm，展宽性为1.5±0.2，耐磨性等级为A+，则按照重量配比将双酚A环氧树脂30份(300克/当量)，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚3份、烷基酚聚氧乙烯醚3份、失水山梨醇三硬脂酸酯4份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水80份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂10份，其中调节剂A聚醚型水性聚氨酯、聚酯型水性聚氨酯和水性聚酯乳液各2份、调节剂B聚乙二醇、高级脂肪醇各1份、调节剂C脂肪醇聚氧乙烯醚(碳链R为C12～18)2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.7mm，悬垂度17.8cm，展宽性为1.67，耐磨性等级为A+。
实施例4
欲控制碳纤维表观性能为宽度6.5±1mm，悬垂度10±3cm，展宽性为1.7±0.2，耐磨性等级为A++级；则按照重量配比将环氧当量为300克/当量的环氧树脂30份，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水80份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性环氧树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂8份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯2份、调节剂B聚乙烯醇2份、高级脂肪醇2份，调节剂C双酚A聚氧乙烯醚2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.6mm，悬垂度11.2cm，展宽性为1.73，耐磨性A++。
实施例5
欲控制碳纤维表观性能为宽度7.0±1mm，悬垂度10±3cm，展宽性为2.0±0.2，耐磨性等级为A+级；则按照重量配比将环氧当量为300克/当量的环氧树脂30份，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水80份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性环氧树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂8份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯2份、调节剂B高级脂肪醇2份，调节剂C双酚A聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚各2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度7.1mm，悬垂度10.2cm，展宽性为2.16，耐磨性A+。
实施例6
能够控制碳纤维表观性能为宽度6.8±1mm，悬垂度10±3cm，展宽性为1.8±0.,2，耐磨性等级为A+级，则按照重量配比将双酚A环氧树脂30份(300克/当量)和聚氨酯改性环氧树脂5份(200克/当量)，酚醛改性环氧树脂5份(200克/当量)、聚酯改性环氧树脂5份(200克/当量)，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份、烷基酚聚氧乙烯醚3份、失水山梨醇三硬脂酸酯4份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水100份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂6份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯2份、调节剂B聚乙二醇、高级脂肪醇各1份、调节剂C双酚A聚氧乙烯醚2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度7.0mm，悬垂度11.0cm，展宽性为1.88，耐磨性等级为A+。
实施例7
能够控制碳纤维表观性能为宽度6.6±1mm，悬垂度9±3cm，展宽性为1.8±0.2，耐磨性等级为A+级，则按照重量配比将双酚A环氧树脂20份(300克/当量)和聚氨酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，酚醛改性环氧树脂10份(200克/当量)、聚酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份、烷基酚聚氧乙烯醚10份、失水山梨醇三硬脂酸酯10份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水200份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂6份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯2份、调节剂B聚乙二醇、高级脂肪醇各1份、调节剂C双酚A聚氧乙烯醚2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.7mm，悬垂度11.6cm，展宽性为1.78，耐磨性等级为A+。
实施例8
能够控制碳纤维表观性能为宽度6.6±1mm，悬垂度7±3cm，展宽性为1.8±0.2，耐磨性等级为A+级，则按照重量配比将双酚A环氧树脂20份(300克/当量)和聚氨酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，酚醛改性环氧树脂10份(200克/当量)、聚酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份、壬基酚聚氧乙烯醚10份、脂肪酸环氧乙烷加成物10份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水200份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂4份，其中调节剂A为0份、调节剂B硬脂醇、高级脂肪醇各1份、调节剂C双酚A聚氧乙烯醚2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.5mm，悬垂度7.4cm，展宽性为1.70，耐磨性等级为A+。
实施例9
能够控制碳纤维表观性能为宽度6.6±1mm，悬垂度9±3cm，展宽性为1.8±0.2，耐磨性等级为A级，则按照重量配比将双酚A环氧树脂20份(300克/当量)和聚氨酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，酚醛改性环氧树脂10份(200克/当量)、聚酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份、壬基酚聚氧乙烯醚10份、脂肪酸环氧乙烷加成物10份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水200份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂4份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯2份份、调节剂B为0份、调节剂C双酚A聚氧乙烯醚2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.6mm，悬垂度10.9cm，展宽性为1.74，耐磨性等级为A。
实施例10
能够控制碳纤维表观性能为宽度6.6±1mm，悬垂度9±3cm，展宽性为1.5±0.2，耐磨性等级为A+级，则按照重量配比将双酚A环氧树脂20份(300克/当量)和聚氨酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，酚醛改性环氧树脂10份(200克/当量)、聚酯改性环氧树脂10份(200克/当量)，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚10份、壬基酚聚氧乙烯醚10份、脂肪酸环氧乙烷加成物10份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水200份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂4份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯2份份、调节剂B硬脂醇为2份、调节剂C为0份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.5mm，悬垂度9.8cm，展宽性为1.47，耐磨性等级为A+。
实施例11
欲控制碳纤维表观性能为宽度6.6±1mm，悬垂度9±3cm，展宽性为1.5±0.2，耐磨性等级为A级；则按照重量配比将环氧当量为300克/当量的环氧树脂5份，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚1份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水20份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性环氧树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂1份，其中调节剂A聚酯型水性聚氨酯1份、调节剂B位0份、调节剂C为2份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.6mm，悬垂度10.1cm，展宽性为1.60，耐磨性A。
实施例12
欲控制碳纤维表观性能为宽度6.6±1mm，悬垂度3±3cm，展宽性为1.5±0.2，耐磨性等级为A+级；则按照重量配比将环氧当量为200克/当量的环氧树脂5份，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚1份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水20份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性环氧树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂1份，其中调节剂A为0份、调节剂B位聚乙二醇1份、调节剂C为0份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.6mm，悬垂度4.4cm，展宽性为1.56，耐磨性A+。
实施例13
欲控制碳纤维表观性能为宽度6.5±1mm，悬垂度3±3cm，展宽性为1.7±0.2，耐磨性等级为A级；则按照重量配比将环氧当量为200克/当量的环氧树脂5份，逐步加入乳化剂异十三醇聚氧乙烯醚1份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水20份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性环氧树脂乳液，按照同浓度下重量比加入复配特定调节剂1份，其中调节剂A为0份、调节剂B为份、调节剂C双酚A聚氧乙烯醚为1份，充分搅拌均匀后得到所得上浆剂，能够满足要求，测试值为：宽度6.5mm，悬垂度4.4cm，展宽性为1.79，耐磨性A。
表1为各实施例组份份数及表观性能数据。从表中各数据可以看出，调节剂A可控纤维悬垂度和宽度，并且调节剂A份数越高，碳纤维悬垂度和宽度越大。悬垂度可以控制在2-23cm范围内，宽度可以控制在3-9mm范围内。调节剂B可控纤维耐磨性能。调节剂B份数越高，碳纤维耐磨性能越强，耐磨性等级可以控制在A--～A+++(好)范围内。调节剂C可控纤维展宽性能。调节剂C份数越高，碳纤维展宽性能越强，展宽性可以控制在1.0～3.0范围内。并且调节剂A、B和C调控各性能相互不影响。
表1为各实施例组份份数及表观性能数据
Figure BDA0001485617260000071
Figure BDA0001485617260000081

Claims (4)

1.可控碳纤维表观性能的水性乳液型碳纤维上浆剂，其特征在于，按重量份数计，由以下组份组成：树脂5~50份，乳化剂 2~30份，水20~200份，复配调节剂1~20份，所述的复配调节剂包括调节剂A、调节剂B和调节剂C，其中调节剂A选自聚醚型水性聚氨酯、聚酯型水性聚氨酯和水性聚酯乳液中的一种或两种，调节剂B选自聚乙烯醇、聚丙二醇、聚乙二醇、高级脂肪醇、油酸酯和硬脂酸酯中的一种或两种，调节剂C选自双酚A聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯甲基硅烷中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的上浆剂，其特征在于，所述的树脂是环氧树脂、酚醛改性环氧树脂、聚酯改性环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂通用环氧树脂体系或改性环氧树脂体系中的一种或一种以上。
3.根据权利要求1所述的上浆剂，其特征在于，所述的乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚、苄基酚聚氧乙烯醚、辛烷基苯酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、苯乙基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚、异辛基聚氧乙烯醚、十八烷醇基聚氧乙烯醚、异十三醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、失水山梨醇三硬脂酸酯、脂肪酸环氧乙烷加成物、蓖麻油环氧乙烷加成物及其衍生物、多元醇脂肪酸酯及其环氧乙烷加成物通用型乳化剂的一种或一种以上。
4.根据权利要求1~3任一所述的上浆剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
按照重量配比将树脂5~50份，逐步加入乳化剂2~30份高速搅拌分散，同时逐步添加去离子水20~200份，按照相反转法制备得到稳定性均匀的水性树脂乳液，按照重量比加入复配调节剂1~20份，其中复配调节剂由调节剂A、调节剂B和调节剂C组成，其比例依据所需表观性能进行确定，充分搅拌均匀后得到上浆剂。
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