CN110747648B - 一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂及其制备方法和应用，属于高分子材料领域，具体方案如下：一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂，包括聚酰亚胺、有机溶剂和去离子水，所述聚酰亚胺占上浆剂总质量的0.1～2％，去离子水占上浆剂总质量的90～96％，其余为有机溶剂；制备方法为：将聚酰亚胺溶于有机溶剂中，形成溶液A；向溶液A中逐滴去离子水，形成悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂；将碳纤维在所述碳纤维聚酰亚胺上浆剂中浸渍1～15s后进行刮浆处理，然后烘干，使得聚酰亚胺在碳纤维表面成膜从而完成上浆处理。本发明不仅可以提高热塑性树脂基碳纤维复合材料的界面性能，还具有操作简便，上浆剂成品中有机溶剂含量少，绿色环保等优点。

Description

一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂及其制备方法和应用。
背景技术
碳纤维增强复合材料发展至今，被广泛应用于航空航天，深海潜水器，军工等先进行业，这对碳纤维复合材料的性能提出了进一步的要求，其中以热塑性树脂为基体的新型复合材料具有广阔的应用前景。
上浆剂作为一种提高碳纤维原丝性能简单有效地手段，已经成为了生产碳纤维中必不可少的部分。目前市场上最常见的碳纤维上浆剂是环氧乳液型上浆剂，适用于最常见的环氧基碳纤维复合材料，但其耐热性能欠佳(5％分解温度一般不高于280℃)，不能满足成型条件一般在350℃以上的热塑性树脂基复合材料的生产，用于耐高温热塑性树脂的碳纤维所需上浆剂同时需要满足结构之间的相似性与优异的耐热性。
聚酰亚胺作为一种性能优异的工程塑料被广泛应用于航空航天、电子元器件等高新技术领域，聚酰亚胺膜因其机械性能、电学性能得到广泛的关注，借鉴其柔性薄膜的制备，也可将混杂薄膜涂覆于碳纤维上，达到类似于上浆剂的效果。但目前使用聚酰亚胺作为碳纤维热塑性上浆剂还少有报道，且出现的报道也多存在有机溶剂用量大、制备过程复杂以及助剂耐热性限制等问题。
发明内容
为了克服现有技术的局限，以提高碳纤维热塑性树脂复合材料的界面性能为目的，本发明提供了一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂及其制备方法和应用，该方法操作简便，上浆剂成品中有机溶剂含量少，可以绿色环保的进行碳纤维的上浆工序。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂，包括聚酰亚胺、有机溶剂和去离子水，所述聚酰亚胺占上浆剂总质量的0.1～2％，去离子水占上浆剂总质量的90～96％，其余为有机溶剂。
进一步的，所述聚酰亚胺的合成单体为二酐单体和二胺单体，所述二酐单体为四苯甲酸酐，4,4’-联苯醚二酐，2,3,3’,4’-二苯醚四甲酸二酐，3,3’4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐，4,4’-联苯醚二酐，1,2,3,4-环戊烷四羧酸二酐中的一种或多种；所述二胺单体为4,4’-二氨基二苯醚，对苯二胺，3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷，3,3'-甲撑二苯胺，4,4'-二氨基二苯甲酮，4,4'-乙烯二苯胺中的一种或多种。
优选的，所述聚酰亚胺为可溶型热塑性聚酰亚胺。
进一步的，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。
一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将聚酰亚胺溶于有机溶剂中，形成质量分数为5～20％的溶液A；
步骤二：向溶液A中逐滴加入去离子水，稀释至溶液A中聚酰亚胺的质量分数为0.1～2％，形成悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂。
进一步的，步骤二中，滴加去离子水的速度为每分钟10～120滴。
一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂的应用，将碳纤维在所述碳纤维聚酰亚胺上浆剂中浸渍1～15s后进行刮浆处理，然后在85～170℃下烘干10～60s，使得聚酰亚胺在碳纤维表面成膜从而完成上浆处理。
本发明提供的碳纤维聚酰亚胺上浆剂为悬浊液型上浆剂，所用体系为常见的有机溶剂(即合成聚酰胺酸时所用溶剂)与去离子水形成的复合体系，且最终上浆剂中有机溶剂含量可控制在10％以内。该悬浊液型上浆剂能够稳定存放三周以上，更长时间的储存可以借由储存聚酰亚胺粉末或溶液，现用现配上浆剂实现。
本发明提供的碳纤维聚酰亚胺上浆剂在上浆完成后，在碳纤维表面形成聚酰亚胺薄膜，借由所使用热塑性聚酰亚胺的耐热性，此上浆剂薄膜获得了优异的耐热性，其在惰性气氛中初始分解温度超过300℃，400℃前热分解不超过1％。因此该上浆剂可以广泛用于聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)等树脂为基体的碳纤维复合材料的制备中。使用本发明提供的上浆剂进行上浆处理，能够使CF/PEEK复合材料的层间剪切强度提高40％以上。
本发明不仅可以提高热塑性树脂基碳纤维复合材料的界面性能，还具有操作简便，上浆剂成品中有机溶剂含量少，绿色环保等优点。
具体实施方式
下面结合实施例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
一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂包括聚酰亚胺、有机溶剂和去离子水；其中聚酰亚胺占总质量的1.0％，去离子水占总质量的90％，有机溶剂占总质量的9％；所述聚酰亚胺为实验室合成可溶型热塑性聚酰亚胺。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂所用聚酰亚胺由2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐与3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷合成。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的制备方法按以下步骤进行：将上述热塑性聚酰亚胺溶于DMAc中，形成质量分数为10％稳定的有机溶液A；向前述有机溶液A中以每分钟60滴的速度加入去离子水，配置成悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂，其中热塑性聚酰亚胺占总质量的1.0％，去离子水占总质量的90％。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的应用包括以下步骤：将碳纤维在上浆剂中浸渍10s后进行刮浆处理，然后在170℃下烘干15s，使得热塑型聚酰亚胺在碳纤维表面成膜从而完成上浆处理。
实施例2
一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂包括聚酰亚胺、有机溶剂和去离子水；其中聚酰亚胺占总质量的0.5％，去离子水占总质量的96％，有机溶剂占总质量的3.5％；所述热塑性聚酰亚胺为实验室合成可溶型热塑性聚酰亚胺。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂所用聚酰亚胺的由2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐和4,4’-联苯醚二酐各一半与3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷合成。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的制备方法按以下步骤进行：将上述热塑性聚酰亚胺溶于DMF中，形成质量分数为12.5％稳定的有机溶液A；向前述有机溶液A中以每分钟20滴的速度加入去离子水，配置成悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂，其中热塑性聚酰亚胺占总质量的0.5％，去离子水占总质量的96％。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的应用包括以下步骤：将碳纤维在上浆剂中浸渍8s后进行刮浆处理，然后在155℃下烘干30s，使得热塑型聚酰亚胺在碳纤维表面成膜从而完成上浆处理。
实施例3
一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂包括聚酰亚胺、有机溶剂和去离子水；其中聚酰亚胺占总质量的0.2％，去离子水占总质量的96％，有机溶剂占总质量的3.8％；所述聚酰亚胺为实验室合成可溶型聚酰亚胺。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂所用聚酰亚胺由2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐和3,3’4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐各一半与3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷和4,4’-二氨基二苯醚各一半合成。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的制备方法按以下步骤进行：将上述聚酰亚胺溶于DMAc中，形成质量分数为5％稳定的有机溶液A；向前述有机溶液A中以每分钟10滴的速度加入离子水，配置成悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂，其中聚酰亚胺占总质量的0.2％，去离子水占总质量的96％。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的应用包括以下步骤：将碳纤维在上浆剂中浸渍10s后进行刮浆处理，然后在165℃下烘干35s，使得热塑型聚酰亚胺在碳纤维表面成膜从而完成上浆处理。
实施例4
一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂包括聚酰亚胺、有机溶剂和去离子水；其中聚酰亚胺占总质量的0.8％，去离子水占总质量的96％，有机溶剂占总质量的3.2％；所述聚酰亚胺为实验室合成可溶型聚酰亚胺。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂所用聚酰亚胺由2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐和3,3’4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐各一半与3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷和4,4’-二氨基二苯醚各一半合成。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的制备方法按以下步骤进行：将上述聚酰亚胺溶于DMAc中，形成质量分数为20％稳定的有机溶液A；向前述有机溶液A中以每分钟70滴的速度加入去离子水，配置成悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂，其中聚酰亚胺占总质量的0.8％，去离子水占总质量的96％。
上述碳纤维聚酰亚胺上浆剂的应用包括以下步骤：将碳纤维在上浆剂中浸渍5s后进行刮浆处理，然后在95℃下烘干60s，使得热塑型聚酰亚胺在碳纤维表面成膜从而完成上浆处理。

Claims (6)

1.一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂，其特征在于：包括聚酰亚胺、有机溶剂和去离子水，所述聚酰亚胺占上浆剂总质量的0.1~2%，去离子水占上浆剂总质量的90~96%，其余为有机溶剂，所述上浆剂为悬浊液型，所述聚酰亚胺的合成单体为二酐单体和二胺单体，所述二酐单体为四苯甲酸酐，4,4’-联苯醚二酐，2,3,3’,4’-二苯醚四甲酸二酐，3,3’4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐，，1,2,3,4-环戊烷四羧酸二酐中的一种或多种；所述二胺单体为4,4’-二氨基二苯醚，对苯二胺，3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷，3,3'-甲撑二苯胺，4,4'-二氨基二苯甲酮，4,4'-乙烯二苯胺中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂，其特征在于：所述聚酰亚胺为可溶型热塑性聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂，其特征在于：所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。
4.一种权利要求1-3任一一项权利要求所述的碳纤维聚酰亚胺上浆剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将聚酰亚胺溶于有机溶剂中，形成质量分数为5~20%的溶液A；
步骤二：向溶液A中逐滴加入去离子水，稀释至溶液A中聚酰亚胺的质量分数为0.1~2%，形成悬浊液型碳纤维聚酰亚胺上浆剂。
5.根据权利要求4所述的一种碳纤维聚酰亚胺上浆剂的制备方法，其特征在于：步骤二中，滴加去离子水的速度为每分钟10~120滴。
6.一种权利要求1-3任一一项权利要求所述的碳纤维聚酰亚胺上浆剂的应用，其特征在于：将碳纤维在所述碳纤维聚酰亚胺上浆剂中浸渍1~15 s后进行刮浆处理，然后在85~170℃下烘干10~60 s，使得聚酰亚胺在碳纤维表面成膜从而完成上浆处理。
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