CN115748253B - 一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法 - Google Patents

Abstract

一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，先在主浆料中边搅拌边滴加醇剂，主浆料为UV亚克力，滴加结束后，再在室温，且高转速剪切下加入光引发剂，然后在室温，且高转速剪切下加入稀释单体，直至混合均匀，再在室温，且高转速剪切下加入助剂PVB，直至混合均匀，最终获得均匀透明的光固化碳纤维上浆剂；应用时，在待处理的碳纤维的表面涂覆所述上浆剂或将待处理的碳纤维浸泡在上浆剂中，在涂覆结束之后或浸泡结束之后获得中间体，再对中间体进行光固化处理以得到处理后纤维，该处理后纤维的上浆率为1.5%—2.5%。本设计不仅上浆成本较低，上浆效果较好，而且易于操作，整体性能稳定。

Description

一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维的上浆工艺，属于上浆剂技术领域，尤其涉及一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法。

背景技术

碳纤维主要由碳元素组成，具有耐高温、抗摩擦及耐腐蚀等特性，同时，碳纤维的外形呈纤维状，柔软，可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属或陶瓷等复合，以制造先进复合材料。其中，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。

现有技术中，为便于使用碳纤维制作复合材料，常常需要在复合之前，先对碳纤维进行上浆处理，而现有的碳纤维上浆过程，通常采用传统热上浆工艺，此工艺具备以下缺陷：

首先，消耗的能源比较多，要求车间温湿度高，导致上浆成本较高；

其次，再生毛羽多，断头率高，容易降低上浆效果；

再次，会对环境造成污染。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的上浆成本较高、上浆效果较差的缺陷与问题，提供一种上浆成本较低、上浆效果较好的光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

第一步，先在1.0—3.0重量份的主浆料中，边搅拌边滴加80—84重量份的醇剂，滴加结束后，再在室温下继续搅拌，直至形成均匀透明溶液，然后在室温，且高转速剪切下加入0.5—2.0重量份的光引发剂，直至混合均匀，以制成混合物体系A；所述主浆料为UV亚克力；

第二步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系A中加入12—14重量份的稀释单体，直至混合均匀，以制成混合物体系B；

第三步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系B中加入0.5—2.5重量份的助剂PVB，直至混合均匀，以获得所述的光固化碳纤维上浆剂，该光固化碳纤维上浆剂均匀透明。

所述光固化碳纤维上浆剂避光静置设定时间之内，形态为均匀透明，无分层，无沉淀；所述设定时间小于或等于1个月。

所述醇剂为乙醇、正丁醇或乙酸丁酯。

所述乙醇为浓度为98％的无水乙醇。

所述光引发剂为光引发剂TPO、光引发剂184或光引发剂1173。

所述稀释单体为TPGDA稀释单体或ACMO稀释单体。

所述第一步中，所述主浆料的用量为2.0重量份，所述醇剂的用量为81重量份，所述光引发剂的用量为2.0重量份；

所述第二步中，所述稀释单体的用量为13重量份；

所述第三步中，所述助剂PVB的用量为2.0重量份。

所述第一步中，所述继续搅拌的操作参数为1000—2400 r/min，所述高转速剪切的操作参数为5000—30000 r/min；

所述第二步、第三步中，所述高转速剪切的操作参数为5000—30000 r/min。

一种光固化碳纤维上浆剂的应用方法，所述应用方法包括以下步骤：在依据上述一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法制备所述的光固化碳纤维上浆剂之后，先在待处理的碳纤维的表面涂覆所述上浆剂或将待处理的碳纤维浸泡在所述上浆剂中，在涂覆结束之后或浸泡结束之后获得中间体，再对中间体进行光固化处理以得到处理后纤维，该处理后纤维的上浆率为1.5%—2.5%。

所述浸泡的时间为1分钟，所述光固化处理的时间为2分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法中，在制备光固化碳纤维上浆剂时，先在主浆料（限定为UV亚克力）中添加醇剂，再加入光引发剂，然后添加稀释单体，再添加助剂PVB，最终获得均匀透明的光固化碳纤维上浆剂，其中，不仅对主要原料的种类，各原料的添加顺序作了限定，而且对各原料的用量，各种原料添加操作的操作工艺都作了限定，该制备方法的优点包括：首先，所制备的光固化碳纤维上浆剂在对碳纤维上浆之后，能有效地改善界面（如图6所示，在光固化上浆之后，能在碳纤维表面固化形成一层薄膜，覆盖在碳纤维表面，填充碳纤维表面的凹槽，使得碳纤维更加光滑平整，同时，这层薄膜可以提高碳纤维的集束性和力学性能，并对碳纤维有一定的保护作用），对碳纤维界面起到一个很好地保护作用，能够有效地使松散的碳纤维单丝收拢成束，提高碳纤维的拉伸强度、柔软度、耐摩擦性能等，有效的减少它的毛丝量，提高集束性，获得一个较好的上浆小姑，从而有利于碳纤维束后续的编织加工；其次，制备过程相对现有技术，不仅在常温下就能进行，不需要特殊的环境，易于操作，而且原料易得，价格低廉；再次，最终获得的成品的整体性能稳定，呈现为稳定均匀的透明状，室温下能长时间避光放置，不会出现沉淀、分层等现象，具有良好的储藏性能。因此，本发明不仅上浆成本较低，上浆效果较好，而且易于操作，整体性能稳定。

2、本发明一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法中，制备上浆剂时所用的原材料包括主浆料、醇剂、光引发剂、稀释单体、助剂，它们都为无毒害原料，同时，整个制作过程都在常温下进行，既无有害的废气产生，不会污染环境，也不会危害操作人员的健康。因此，本发明不会污染环境，环保型较强。

3、本发明一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法中，主浆料为UV亚克力，其中，尤以UV亚克力为佳。该种主浆料能够溶于醇剂，在应用时，该主浆料对碳纤维有较好的粘附力，成膜性好，膜硬挺度，韧性均佳，拉伸强度高，同时，含有硅烷氧基，可以提高复合材料（如光固化上浆之后的碳纤维与环氧树脂构成的复合材料）的性能，并增加粘接强度，提高了碳纤维的应用性，与助剂PVB配合使用效果更佳，能够有利于光固化上浆剂在碳纤维表面的均匀成膜，提高了束丝的强度。因此，本发明对主浆料的限定，不仅能够提升最终产品对碳纤维提供的机械性能与表面性能，而且能与其他原料相协作，便于取得更好的整体效果。

4、本发明一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法中，在制备所述的光固化碳纤维上浆剂之后，先在待处理的碳纤维的表面涂覆所述上浆剂或将待处理的碳纤维浸泡在所述上浆剂中，在涂覆结束之后或浸泡结束之后获得中间体，再对中间体进行光固化处理以得到处理后纤维，所述光固化处理为光照，一般时间为2分钟左右，不仅效果很好，而且时间很短，加之前续浸泡的时间也需要很短（1分钟左右），如果是涂覆的话，时间更短，从而使得整个应用的时间很短，利于提升整体的上浆效率。因此，本发明的上浆效率很高。

5、本发明一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法中，在对碳纤维（优选为T300级别碳纤维）进行上浆，且光固化处理之后，处理后纤维的上浆率为1.5%—2.5%，优选为2.0%，可见，本发明能通过较低的上浆率就能对碳纤维形成有效保护，提升其耐磨性与拉伸性能，使碳纤维具有抵抗编制加工时摩擦的能力，而且能够避免上浆率过高所带来的导致碳纤维更加脆硬，织造时易产生弯折损伤的缺陷，同时，本发明在上浆时，无论是涂覆还是浸泡，所需时间都较短，一般为1分钟左右，从而使得本发明所制备的上浆剂兼具上浆率低、成膜时间短的优点，能够对碳纤维进行良好的表面修饰，整个过程十分快速、高效。因此，本发明不仅上浆率低，而且时间短，效率高。

6、本发明一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法及应用方法中，在对碳纤维（优选为T300级别碳纤维）进行上浆，且光固化处理之后，处理后纤维的上浆率为1.5%—2.5%，优选为2.0%，该技术特征除了带来上浆率自身的优点之外，还能在残重率上提升优点，残重率=（上浆后纤维高温煅烧后的质量-纤维的原始质量）/上浆后纤维质量×100%，该种残重率的优点能够充分发挥碳纤维属于耐高温纤维的优势，使其更好的应用在飞机刹车片和绝热材料。因此，本发明的残重率较好。

附图说明

图1是本发明中实施例1所制作的5种光固化碳纤维上浆剂在对碳纤维上浆后进行的耐磨测试示意图。

图2是本发明中实施例2所制作的5种光固化碳纤维上浆剂在对碳纤维上浆后进行的SEM图片对比图。

图3是本发明中实施例3所制作的5种光固化碳纤维上浆剂在对碳纤维上浆后进行的拉伸强度测试对比图。

图4是本发明中实施例4所制作的5种光固化碳纤维上浆剂在对碳纤维上浆后进行的毛丝量测试对比图。

图5是本发明所制作的光固化碳纤维上浆剂在避光静置时的形态对比示意图。

图6是本发明所制作的光固化碳纤维上浆剂在对碳纤维上浆前后的外表对比图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1—图6，一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

第一步，先在1.0—3.0重量份的主浆料中，边搅拌边滴加80—84重量份的醇剂，滴加结束后，再在室温下继续搅拌，直至形成均匀透明溶液，然后在室温，且高转速剪切下加入0.5—2.0重量份的光引发剂，直至混合均匀，以制成混合物体系A；所述主浆料为UV亚克力；

第二步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系A中加入12—14重量份的稀释单体，直至混合均匀，以制成混合物体系B；

第三步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系B中加入0.5—2.5重量份的助剂PVB，直至混合均匀，以获得所述的光固化碳纤维上浆剂，该光固化碳纤维上浆剂均匀透明。

所述光固化碳纤维上浆剂避光静置设定时间之内，形态为均匀透明，无分层，无沉淀；所述设定时间小于或等于1个月（如图5所示，一直到28天为止，依然为均匀透明，无分层、无沉淀的形态）。

所述醇剂为乙醇、正丁醇或乙酸丁酯。

所述乙醇为浓度为98％的无水乙醇。

所述光引发剂为光引发剂TPO、光引发剂184或光引发剂1173。

所述稀释单体为TPGDA稀释单体或ACMO稀释单体。

所述第一步中，所述主浆料的用量为2.0重量份，所述醇剂的用量为81重量份，所述光引发剂的用量为2.0重量份；

所述第二步中，所述稀释单体的用量为13重量份；

所述第三步中，所述助剂PVB的用量为2.0重量份。

所述第一步中，所述继续搅拌的操作参数为1000—2400 r/min，所述高转速剪切的操作参数为5000—30000 r/min；

所述第二步、第三步中，所述高转速剪切的操作参数为5000—30000 r/min。

一种光固化碳纤维上浆剂的应用方法，所述应用方法包括以下步骤：在依据上述一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法制备所述的光固化碳纤维上浆剂之后，先在待处理的碳纤维的表面涂覆所述上浆剂或将待处理的碳纤维浸泡在所述上浆剂中，在涂覆结束之后或浸泡结束之后获得中间体，再对中间体进行光固化处理以得到处理后纤维，该处理后纤维的上浆率为1.5%—2.5%。

所述浸泡的时间为1分钟，所述光固化处理的时间为2分钟。

本发明的原理说明如下：

本发明中涉及的光固化是指：使液态体系在紫外线高强辐射作用下高速转变为固态体系的一种技术，其高效、节能、环保，已在油墨和化工行业中实现商业应用。

本发明中的UV亚克力是指：市面上售卖的一种涂料，它是由聚甲基丙烯酸甲酯、3-氨基丙基三乙氧基硅烷，以及乙酸丁酯按照一定的比例混合而成的一种涂料，属于现有材料。

本发明中的光引发剂优选为TPO，它是一种高效的自由基Ⅰ型光引发剂，易与主浆料、稀释单体在光诱导下发生交联反应成膜，且稳定分散在该体系之中。

本发明中的稀释单体优选为TPGDA，它具有良好的交联效果，可降低辐射剂量，无色透明具有良好的稳定性，与碳纤维具有良好的浸润性能。

本发明中的助剂限定为PVB的原因在于：①助剂的加入能够加快成膜速度，成膜更加均匀致密；②助剂内含有丁醛，使形成的涂膜具有高透明性、韧性、耐候性等优越特性。

本发明中高转速剪切的参数限定为5000—30000 r/min的原因在于：转速过低，则导致光固化上浆剂溶液分散不均匀，各个组分不能够很好的混合均匀，处理时间长，而转速过高，则易使光固化上浆剂溶液溅出，损伤机器，增大能耗。

本发明中的室温是指23摄氏度—27摄氏度。

本发明中的“直至混合均匀，以制成混合物体系A或者制成混合物体系B”是指：混合均匀不仅是混合物体系A或者混合物体系B获得的标准，也是高转速剪切结束的标准。

本发明中“直至混合均匀，以制成混合物体系B”优选为此时获得的混合物体系B为均匀透明的液体。

本发明中处理后纤维的上浆率限定为1.5%—2.5%的原因在于：上浆率在此范围比较合适，若上浆率过大，则碳纤维的弹性与伸长率降低，织造时反而易脆断头，浆料浪费，成本增加；若上浆率过小，则碳纤维的强力与耐磨性达不到工艺要求，易出现轻浆起毛，断头增加，影响生产。

实施例1：

（一）、制备方法：

一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

第一步，先在2.0重量份的主浆料中，边搅拌边滴加82.5重量份的醇剂，滴加结束后，再在室温下继续搅拌，直至形成均匀透明溶液，然后在室温，且高转速剪切下加入2.0重量份的光引发剂，直至混合均匀，以制成混合物体系A；所述主浆料为UV亚克力；

第二步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系A中加入13重量份的稀释单体，直至混合均匀，以制成混合物体系B；

第三步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系B中加入0.5重量份的助剂PVB，直至混合均匀，以获得所述的光固化碳纤维上浆剂，该光固化碳纤维上浆剂均匀透明。

同时，依据上述同样的制备方法，分别获得上浆剂02、上浆剂03、上浆剂04、上浆剂05如下：

上浆剂02：主浆料2份，光引发剂2份，稀释单体13份，助剂1.0份，乙醇82份。

上浆剂03：主浆料2份，光引发剂2份，稀释单体13份，助剂1.5份，乙醇81.5份。

上浆剂04：主浆料2份，光引发剂2份，稀释单体13份，助剂2.0份，乙醇81份。

上浆剂05：主浆料2份，光引发剂2份，稀释单体13份，助剂2.5份，乙醇80.5份。

此时，一共获得5份光固化碳纤维上浆剂，分别为上浆剂01、上浆剂02、上浆剂03、上浆剂04、上浆剂05。

（二）、应用方法：

先在待处理的碳纤维的表面涂覆所述上浆剂或将待处理的碳纤维浸泡在所述上浆剂中，在涂覆结束之后或浸泡结束之后获得中间体，再对中间体进行光固化处理以得到处理后纤维，再计算处理后纤维的上浆率，该上浆率=（上浆烘干后纤维质量-上浆前纤维质量）/上浆前纤维质量×100%，五种上浆率如下表：

。

（三）、验收方法：

碳纤维在实际织造中，因为受到反复的摩擦和弯曲作用，碳纤维会受到较大的损伤，碳纤维承受这些损伤的能力决定了碳纤维织造适应能力。因此，考察上浆前后耐磨性能差异至关重要，耐磨性能也是考察上浆剂性能的重要参考依据，包含以下几个步骤：

先将待处理的碳纤维均匀裁剪为100 cm长的纤维段，再将纤维段分别浸入上述5个上浆剂溶液中1分钟，然后取出纤维段进行光固化处理（2 分钟），再参照FZ/T01058—1999 《纱线耐磨试验方法往复式磨辊法》标准进行耐磨性能试验，记录纤维段断裂时的运动时间即为耐磨时间，具体如下：

。

此外，还请参见图1，图1中是未上浆碳纤维，与碳纤维在上述5种上浆剂上浆后的耐磨测试数据对比图。

由图可见，经历本上浆剂上浆之后的碳纤维的耐磨时间大为延长。

实施例2：

基本操作同实施例1中的上浆剂01的制备方法，不同之处在于主浆料的用量分别为主浆料1.0份、主浆料3.0份、主浆料4.0份、主浆料5.0份。

参见图2，图中是上述5种上浆剂在碳纤维上上浆后的SEM图片与原始碳纤维的对比图。由对比图清晰可见，未上浆之前，碳纤维表面是存在很多凹槽，外观是不平整的，而经过上浆之后，碳纤维表面的凹槽有所减少，表面变得更加平整，其中，尤其使用3g主浆料时，碳纤维的表面相对最平整，凹槽最少。

实施例3：

基本操作同实施例1中的上浆剂01的制备方法，不同之处在于稀释单体的用量分别为：稀释单体10份、稀释单体11份、稀释单体12份、稀释单体14份。

参见图3，图中是上述5种上浆剂在碳纤维上上浆后与原始碳纤维进行的拉伸强度对比图。图中的横坐标为拉伸位移(mm)，纵坐标为拉伸强度(N)，由对比图清晰可见，与未上浆的碳纤维进行对比，上浆后碳纤维的拉伸性能大为提高。

实施例4：

基本操作同实施例1中的上浆剂01的制备方法，不同之处在于光引发剂的用量分别为：

光引发剂0.5份、光引发剂1.0份、光引发剂1.5份、光引发剂2.5份。

参见图4，图中是上述5种上浆剂在碳纤维上上浆后与原始碳纤维进行的毛丝量测试对比图。

毛丝量测试包含：先取100 cm长的碳纤维束，将其夹持在聚氨酯海绵中（海绵尺寸60×50×20 mm），再在海绵上放置一个质量为200 g的砝码施加一定的压力，然后将碳纤维以1 m/min的速度水平运动，直到纤维完全通过聚氨酯海绵，再使用电子天平分别称取碳纤维束通过摩擦前后聚氨酯海绵的质量，计算其差值，每组试样测量10次，取平均值作为碳纤维的摩擦毛丝量，参见图4，相互比较，明显可见，上浆后的碳纤维的毛丝量较少。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

第一步，先在1.0—3.0重量份的主浆料中，边搅拌边滴加80—84重量份的醇剂，滴加结束后，再在室温下继续搅拌，直至形成均匀透明溶液，然后在室温，且高转速剪切下加入0.5—2.0重量份的光引发剂，直至混合均匀，以制成混合物体系A；所述主浆料为UV亚克力；

第二步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系A中加入12—14重量份的稀释单体，直至混合均匀，以制成混合物体系B；

第三步，在室温，且高转速剪切下向混合物体系B中加入0.5—2.5重量份的助剂PVB，直至混合均匀，以获得所述的光固化碳纤维上浆剂，该光固化碳纤维上浆剂均匀透明；

所述稀释单体为TPGDA稀释单体或ACMO稀释单体；

所述UV亚克力是指：市面上售卖的一种涂料，它由聚甲基丙烯酸甲酯、3-氨基丙基三乙氧基硅烷，以及乙酸丁酯混合而成。

2.根据权利要求1所述的一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：所述光固化碳纤维上浆剂避光静置设定时间之内，形态为均匀透明，无分层，无沉淀；所述设定时间小于或等于1个月。

3.根据权利要求1或2所述的一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：所述醇剂为乙醇或正丁醇。

4.根据权利要求3所述的一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：所述乙醇为浓度为98％的无水乙醇。

5.根据权利要求1或2所述的一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：所述光引发剂为光引发剂TPO、光引发剂184或光引发剂1173。

6.根据权利要求1或2所述的一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：

所述第一步中，所述主浆料的用量为2.0重量份，所述醇剂的用量为81重量份，所述光引发剂的用量为2.0重量份；

所述第二步中，所述稀释单体的用量为13重量份；

所述第三步中，所述助剂PVB的用量为2.0重量份。

7.根据权利要求1或2所述的一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于：

所述第一步中，所述继续搅拌的操作参数为1000—2400 r/min，所述高转速剪切的操作参数为5000—30000 r/min；

所述第二步、第三步中，所述高转速剪切的操作参数为5000—30000 r/min。

8.一种光固化碳纤维上浆剂的应用方法，其特征在于：所述应用方法包括以下步骤：

在依据权利要求1或2所述的一种光固化碳纤维上浆剂的制备方法制备所述的光固化碳纤维上浆剂之后，先在待处理的碳纤维的表面涂覆所述上浆剂或将待处理的碳纤维浸泡在所述上浆剂中，在涂覆结束之后或浸泡结束之后获得中间体，再对中间体进行光固化处理以得到处理后纤维，该处理后纤维的上浆率为1.5%—2.5%。

9.根据权利要求8所述的一种光固化碳纤维上浆剂的应用方法，其特征在于：所述浸泡的时间为1分钟，所述光固化处理的时间为2分钟。