CN108360252A - 一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法 - Google Patents

一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法，属于上浆剂材料技术领域。本发明技术方案通过磺化改性并对上浆剂进行改性处理，由于碳纤维材料在上浆完成后，其纤维表面微量的官能团和上浆剂中磺酸基发生化学反应，界面层的结合能力增强，分子间作用力增强，分子链间距缩短，有效提高本发明技术方案中上浆剂在碳纤维表面的附着性和包覆性能，通过包裹在纤维表面，填充纤维表面沟槽缺陷的同时和纤维成为一体，提高碳纤维拉伸强度；且本发明技术方案采用甲基三乙氧基硅烷为原料进行改性处理，由于上浆剂使用过后会在纤维表面形成包覆层，可在一定程度上提高界面机械啮合作用，提高上浆后碳纤维材料的力学强度。

Description

一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法，属于上浆剂材料技术领域。
背景技术
目前，碳纤维（CFS）增强热塑性树脂复合材料因为力学性能良好、成型周期短、加工过程简单以及可回收性好越来越受到关注，近年来得到了迅猛的发展。然而CFS表面光滑及化学惰性导致纤维与基体的不兼容以及弱的界面力，这一直是影响CFS增强热塑性树脂复合材料性能的主要因素之一。为了实现制备高性能CFS增强热塑性树脂复合材料，增强体与基体之间的界面层一直是研究的重点，大量研究致力于CFS表面处理和CFS上浆剂的探索。而上浆剂作为CFS复合树脂的真实界面层直接决定着两者能否成为一个承载外力的整体，进而发挥复合材料的优越特性。碳纤维上浆剂可分为两种，一种是主要由树脂、乳化剂及其它助剂所组成的乳液型上浆剂，例如环氧树脂型、聚氨酯树脂型、复合树脂型等。此外，还有聚苯基喹噁琳(PPQ)上浆剂、有机硅改性酚醛树脂上浆剂、硼改性酚醛树脂等耐高温型上浆剂。另一种是溶剂型上浆剂，它是将树脂如聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸、环氧树脂等溶解在丙酮等有机溶剂中制成的。目前，最为常用的且研究最为成熟的碳纤维上浆剂是环氧树脂型上浆剂，这是由于碳纤维在作为复合材料的增强材料使用时，基体主要是以环氧树脂为主，再加上环氧树脂具有非常好的粘结性能、化学稳定性好、耐热性高、固化收缩率小、孔隙率低、生产成本较低等优点。
随着碳纤维应用领域的越来越广，单纯以环氧树脂作为复合材料的基体已经不能满足人们的需要越来越多性能更加优异的树脂开始进入人们的视野。对于某一种特定树脂基体，必须选择适当的上浆剂种类，不同上浆剂种类对于不同的基体树脂，产生的作用也不尽相同，所以上浆剂应尽量选择与基体树脂结构相同或者相似的物质，这样可以提高碳纤维与基体树脂之间界面性能，改善材料的力学强度。随着热塑性树脂基复合材料越来越广泛的应用，尤其是CF/PPEK复合材料的应用领域的迅速扩大，一般型环氧树脂上浆剂就暴露其与热塑性树脂对比强度不够的缺陷，所以制备一种高强型碳纤维上浆剂材料很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对碳纤维上浆剂材料上浆后力学性能较低的问题，提供了一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）按重量份数计，分别称量45～50份醋酸酐、10～15份过硫酸铵、3～5份硫酸溶液和55～60份1,2-二氯乙烷，搅拌混合并水浴加热，得改性液；
（2）按质量比1:10，将聚碳酸酯添加至四氢呋喃中，搅拌混合得基体液并按重量份数计，分别称量45～50份基体液、10～15份改性液和5～10份OP-10乳化剂置于三口烧瓶中，搅拌混合并加热至沸腾，静置冷却至室温，得乳化改性液；
（3）按重量份数计，分别称量45～50份无水乙醇、3～5份正硅酸乙酯、1～2份对甲苯磺酸和2～3份甲基三乙氧基硅烷置于三口烧瓶中搅拌混合得混合液；
（4）按重量份数计，分别称量45～50份无水乙醇、10～15份乳化改性液、1～2份KH-550置于三口烧瓶中，搅拌混合水浴加热3～5h，得溶胶改性液；
（5）按体积比1:10，将改性乳化液滴加至溶胶改性液中，待滴加完成后，搅拌混合并水浴加热2～3h，超声分散25～30min，即可制备得一种高强型碳纤维上浆剂。
步骤（1）所述的硫酸溶液为质量分数80％硫酸溶液。
步骤（4）所述的水浴加热温度为45～50℃。
步骤（5）所述的改性乳化液滴加速率为0.5～1.0mL/min。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明技术方案通过磺化改性并对上浆剂进行改性处理，由于碳纤维材料在上浆完成后，其纤维表面微量的官能团和上浆剂中磺酸基发生化学反应，界面层的结合能力增强，分子间作用力增强，分子链间距缩短，有效提高本发明技术方案中上浆剂在碳纤维表面的附着性和包覆性能，通过包裹在纤维表面，填充纤维表面沟槽缺陷的同时和纤维成为一体，提高碳纤维拉伸强度；
（2）本发明技术方案采用甲基三乙氧基硅烷为原料进行改性处理，由于改性后的上浆剂使用过后会在纤维表面形成一层散布有颗粒物的包覆层，颗粒是由硅溶胶缩聚成的二氧化硅形成，可在一定程度上提高界面机械啮合作用，有效改善上浆剂材料包覆改性的性能，从而提高上浆后碳纤维材料的力学强度。
具体实施方式
按重量份数计，分别称量45～50份醋酸酐、10～15份过硫酸铵、3～5份质量分数80％硫酸溶液和55～60份1,2-二氯乙烷，搅拌混合并置于45～55℃下水浴加热2～3h，得改性液，按质量比1:10，将聚碳酸酯添加至四氢呋喃中，搅拌混合得基体液并按重量份数计，分别称量45～50份基体液、10～15份改性液和5～10份OP-10乳化剂置于三口烧瓶中，搅拌混合并加热至沸腾，静置冷却至室温，得乳化改性液；按重量份数计，分别称量45～50份无水乙醇、3～5份正硅酸乙酯、1～2份对甲苯磺酸和2～3份甲基三乙氧基硅烷置于三口烧瓶中搅拌混合得混合液，再按重量份数计，分别称量45～50份无水乙醇、10～15份乳化改性液、1～2份KH-550置于三口烧瓶中，搅拌混合并置于45～50℃下水浴加热3～5h，得溶胶改性液；按体积比1:10，将改性乳化液滴加至溶胶改性液中，控制滴加速率为0.5～1.0mL/min，待滴加完成后，搅拌混合并置于55～60℃下水浴加热2～3h，再在200～300W下超声分散25～30min，即可制备得一种高强型碳纤维上浆剂。
按重量份数计，分别称量45份醋酸酐、10份过硫酸铵、3份质量分数80％硫酸溶液和55份1,2-二氯乙烷，搅拌混合并置于45℃下水浴加热2h，得改性液，按质量比1:10，将聚碳酸酯添加至四氢呋喃中，搅拌混合得基体液并按重量份数计，分别称量45份基体液、10份改性液和5份OP-10乳化剂置于三口烧瓶中，搅拌混合并加热至沸腾，静置冷却至室温，得乳化改性液；按重量份数计，分别称量45份无水乙醇、3份正硅酸乙酯、1份对甲苯磺酸和2份甲基三乙氧基硅烷置于三口烧瓶中搅拌混合得混合液，再按重量份数计，分别称量45份无水乙醇、10份乳化改性液、1份KH-550置于三口烧瓶中，搅拌混合并置于45℃下水浴加热3h，得溶胶改性液；按体积比1:10，将改性乳化液滴加至溶胶改性液中，控制滴加速率为0.5mL/min，待滴加完成后，搅拌混合并置于55℃下水浴加热2h，再在200W下超声分散25min，即可制备得一种高强型碳纤维上浆剂。
按重量份数计，分别称量47份醋酸酐、12份过硫酸铵、4份质量分数80％硫酸溶液和57份1,2-二氯乙烷，搅拌混合并置于47℃下水浴加热2h，得改性液，按质量比1:10，将聚碳酸酯添加至四氢呋喃中，搅拌混合得基体液并按重量份数计，分别称量47份基体液、12份改性液和7份OP-10乳化剂置于三口烧瓶中，搅拌混合并加热至沸腾，静置冷却至室温，得乳化改性液；按重量份数计，分别称量47份无水乙醇、4份正硅酸乙酯、2份对甲苯磺酸和2份甲基三乙氧基硅烷置于三口烧瓶中搅拌混合得混合液，再按重量份数计，分别称量47份无水乙醇、12份乳化改性液、2份KH-550置于三口烧瓶中，搅拌混合并置于47℃下水浴加热4h，得溶胶改性液；按体积比1:10，将改性乳化液滴加至溶胶改性液中，控制滴加速率为0.7mL/min，待滴加完成后，搅拌混合并置于57℃下水浴加热2h，再在250W下超声分散27min，即可制备得一种高强型碳纤维上浆剂。
按重量份数计，分别称量50份醋酸酐、15份过硫酸铵、5份质量分数80％硫酸溶液和60份1,2-二氯乙烷，搅拌混合并置于55℃下水浴加热3h，得改性液，按质量比1:10，将聚碳酸酯添加至四氢呋喃中，搅拌混合得基体液并按重量份数计，分别称量50份基体液、15份改性液和10份OP-10乳化剂置于三口烧瓶中，搅拌混合并加热至沸腾，静置冷却至室温，得乳化改性液；按重量份数计，分别称量50份无水乙醇、5份正硅酸乙酯、2份对甲苯磺酸和3份甲基三乙氧基硅烷置于三口烧瓶中搅拌混合得混合液，再按重量份数计，分别称量50份无水乙醇、15份乳化改性液、2份KH-550置于三口烧瓶中，搅拌混合并置于50℃下水浴加热5h，得溶胶改性液；按体积比1:10，将改性乳化液滴加至溶胶改性液中，控制滴加速率为1.0mL/min，待滴加完成后，搅拌混合并置于60℃下水浴加热3h，再在300W下超声分散30min，即可制备得一种高强型碳纤维上浆剂。
将本发明制备的实例1，2，3对碳纤维材料进行上浆处理并与未上浆处理的碳纤维材料作为对照组进行性能对比，具体测试如下表表1所示：
表1性能对照表
由上表可知，本发明制备的上浆剂具有优异的力学性能和耐摩擦性能。

Claims (4)

1.一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，分别称量45～50份醋酸酐、10～15份过硫酸铵、3～5份硫酸溶液和55～60份1,2-二氯乙烷，搅拌混合并水浴加热，得改性液；
（2）按质量比1:10，将聚碳酸酯添加至四氢呋喃中，搅拌混合得基体液并按重量份数计，分别称量45～50份基体液、10～15份改性液和5～10份OP-10乳化剂置于三口烧瓶中，搅拌混合并加热至沸腾，静置冷却至室温，得乳化改性液；
（3）按重量份数计，分别称量45～50份无水乙醇、3～5份正硅酸乙酯、1～2份对甲苯磺酸和2～3份甲基三乙氧基硅烷置于三口烧瓶中搅拌混合得混合液；
（4）按重量份数计，分别称量45～50份无水乙醇、10～15份乳化改性液、1～2份KH-550置于三口烧瓶中，搅拌混合水浴加热3～5h，得溶胶改性液；
（5）按体积比1:10，将改性乳化液滴加至溶胶改性液中，待滴加完成后，搅拌混合并水浴加热2～3h，超声分散25～30min，即可制备得一种高强型碳纤维上浆剂。
2.根据权利要求1所述的一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的硫酸溶液为质量分数80％硫酸溶液。
3.根据权利要求1所述的一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的水浴加热温度为45～50℃。
4.根据权利要求1所述的一种高强型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的改性乳化液滴加速率为0.5～1.0mL/min。
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