TWI646236B - 在碳纖維上施加漿料之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示針對施加漿料於纖維之方法的各種實施例。在一些實施例中，溶劑可用於將上漿材料溶解在溶液中，其隨後可用於塗覆該等纖維。在一些實施例中，水浴可用於將漿料凝聚在該纖維表面及在塗覆該等纖維後移除該移除溶劑，使得隨後乾燥步驟期間可產生水蒸汽而不是溶劑蒸汽。在一些實施例中，可用強酸或強鹼作為該溶劑。

Description

在碳纖維上施加漿料之方法
本發明揭示一種藉由使用溶劑將上漿材料施加於纖維之方法。 該方法可用於加工改造該纖維與併入該纖維於其中之複合物材料之其他組分間之界面。在各種實施例中，該方法提供改良之製造方法及/或具有經改良性質之複合材料。
雖然碳纖維可用於製造非常堅固之產品，但是碳纖維本身在處理期間可係非常脆弱及由此在外力作用下容易斷裂。為對抗該纖維之脆弱性，可將塗層施加於纖維，該塗層充當阻止斷裂之保護性屏障。 通常，已知為漿(size)或漿料(sizing)之材料塗覆於碳纖維上以作為保護層及/或表面改質劑。此外，漿料可用於改質纖維之表面，諸如加強對聚合物基質纖維之黏附性。漿料可用於改良所得複合物效能。可基於碳纖維塗層期望之最終品質使用不同類型漿料。可將漿料施加於各種類型纖維，包括無機及有機纖維。
歷史上，就施加漿料於纖維(例如，碳纖維)而言有兩種主要工業標準實務。首先，上漿材料可藉使用表面活性劑乳化為載液。然而，表面活性劑之使用可不利地影響複合物之最終性質，此係由於該表面活性劑可殘留在最終纖維產品上。此外，許多材料不能輕易乳化。例如，高分子量(MW)環氧樹脂、熱塑性塑料及橡膠均趨於難以乳化， 及由此一般不使用該乳化方法用作碳纖維上漿。此余留不能經濟地及/或技術上用於加強或改質纖維表面之一大組潛在上漿材料。
施加漿料於纖維(例如，碳纖維)上之第二種方法係經由使用溶劑。上漿材料可溶於特定溶劑，諸如有機溶劑，產生溶劑與上漿材料之溶液。纖維可隨後在該溶液中浸漬使得漿料/溶劑溶液黏附於纖維。經漿料/溶劑溶液塗覆之纖維可經乾燥以移除溶劑，僅在纖維上余留上漿材料。然而，乾燥經塗覆材料以移除溶劑之步驟通常產生溶劑蒸汽，其對環境及暴露於該溶劑蒸汽之工作人員均係危險，除非採取適當預防措施。例如，有機溶劑蒸汽可係高度易燃及可著火及/或爆炸，甚至在採取大量預防措施時。此外，與過量溶劑暴露相關聯之一般健康危險包括對神經系統之毒性、生殖系統損害、肝臟及腎臟損害、呼吸系統損傷及/或癌症。由此，當處理藉由溶劑上漿方法產生之有機蒸汽時必須考慮嚴格保護及安全成本。此等預防措施可使溶劑上漿方法極其昂貴，及因此不切實際。
本發明揭示一種施加漿料於有機或無機纖維上之方法。在一些實施例中，該方法可包括提供一或多種或一定量纖維，使該一定量纖維與組合物接觸，其中該組合物包括溶於水可混溶溶劑中之聚合物，由此形成在該一定量纖維上之溶劑/聚合物塗層，使該聚合物凝聚在該一定量纖維上，藉由水沖洗具有該溶劑/聚合物塗層之該一定量纖維以移除該水可混溶溶劑、及至少部分乾燥所得大量經聚合物塗覆之纖維以製造一定量上漿纖維。
該一或多種或一定量纖維可選自碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維、聚烯烴纖維、聚酯纖維、丙烯酸纖維、及其組合。在一些實施例中，該一定量纖維可係織物。在一些實施例中，該水可混溶溶劑選自二甲基亞碸(DMSO)、N-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、 二甲基甲醯胺(DMF)、六甲基磷醯胺(HMPA)、丙酮、甲基乙基酮、丁酮、甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、二氯甲烷、氯仿、硫氰酸鈉、及氯化鋅。在一些實施例中，該溶劑可具有約10或更高或約3或更低之PH。在一些實施例中，該溶劑可係強鹼或強酸。
該聚合物可選自環氧樹脂、熱塑性塑料、橡膠、及其組合。在一些實施例中，該聚合物可選自聚醚碸、聚醚酮(例如，PEEK)、雙A環氧樹脂、雙F環氧樹脂、苯氧、酚系、乙烯酯、雙馬來醯亞胺(BMI)、聚醯亞胺、聚醯胺亞胺、雙酚A環氧樹脂之二縮水甘油醚、核殼型橡膠、蒽環氧樹脂、萘環氧樹脂、酚醛環氧樹脂、含三官能基之環氧樹脂、含四官能基之環氧樹脂、預聚物、及其組合。在一些實施例中，該聚合物具有約300或更高之環氧當量。在一些實施例中，該聚合物具有約500或更低之環氧當量。在一些實施例中，該聚合物係不同聚合物之組合。
該聚合物可由改質劑改質，該改質劑係選自橡膠粒子、無機粒子、有機粒子、添加劑、及其組合。在一些實施例中，該橡膠粒子、無機粒子、有機粒子、及添加劑可選自碳奈米管(CNT)、石墨烯片、碳微型珠、矽石奈米管、碳化矽奈米管、奈米黏土、及其組合。
在一些實施例中，至少部分乾燥期間實質上沒有溶劑蒸汽產生。在本發明中，由於該聚合物在水中之溶解性非常低，故不考慮水作為溶劑。在一些實施例中，不使用表面活性劑。至少部分乾燥步驟期間水可實質上從該一定量纖維中移除。在一些實施例中，在沖洗期間形成包括水、水可混溶溶劑、及聚合物之浴後組合物。該方法可視需要進一步包括循環該浴後組合物之一或多種組分。
本發明亦揭示一種施加漿料在纖維上及最小化溶劑蒸汽形成之方法。此可包括將聚合物與水可混溶溶劑組合以形成上漿組合物，其中將該聚合物溶於該上漿組合物，將該上漿組合物施加於至少一纖 維，由此用該聚合物塗覆該至少一纖維，將該聚合物凝聚在該至少一纖維上，從該至少一纖維中移除該水可混溶溶劑，及在已移除該水可混溶溶劑後至少部分乾燥該至少一纖維，其中至少部分乾燥期間實質上沒有溶劑蒸汽產生。
凝聚該聚合物及/或移除該水可混溶溶劑可包括將水施加於該至少一經塗覆纖維。
此等及其他實施例更詳細述於下文中。
100‧‧‧方法
102‧‧‧纖維
104‧‧‧上漿浴/塗覆步驟
106‧‧‧凝聚/沖洗步驟
108‧‧‧去離子水
110‧‧‧循環
112‧‧‧乾燥
114‧‧‧水蒸汽
116‧‧‧絡筒機
202‧‧‧方法
204‧‧‧凝聚浴
206‧‧‧沖洗浴
208‧‧‧淡水
210‧‧‧將水從沖洗浴運送回至凝聚浴
圖1示意性地闡明如本文所揭示使用溶劑浴及含水凝聚/沖洗浴施加漿料於纖維之方法的一實施例。
圖2示意性地闡明如本文所揭示使用溶劑浴及含水凝聚浴施加漿料於纖維之方法的一實施例。
圖3A至B顯示所揭示之上漿方法之實施例與用於將環氧樹脂上漿材料施加在碳纖維上之習知乳化上漿方法間的掃描電子顯微鏡(SEM)比較。圖3A顯示藉由使用DMSO施加之在T40/800上之DER-377環氧樹脂漿料，圖3B顯示AP-200漿料(含水乳液)(標準，對照)。
圖4A至B顯示使用用於二甲基亞碸(DMSO)及N-甲基吡咯啶酮(NMP)溶劑之熱塑性聚醚碸漿料的SEM比較。如圖所示，使用不同類型溶劑可控制碳纖維上所得之上漿薄膜表面形態。圖4A顯示藉由使用DMSO施加之在T40/800上之KM-177PES(聚醚碸)熱塑性漿料，圖4B顯示藉由使用NMP施加之在T40/800上之KM-177PES(聚醚碸)熱塑性漿料。
圖5顯示使用DMSO溶劑施加在碳纖維上之環氧樹脂/熱塑性摻合物組合上漿材料之SEM影像。圖5顯示藉由使用DMSO施加之在T40/800上之KM-177PES及DER-377環氧樹脂(50：50)漿料。
圖6A至B顯示用於DMSO及NMP溶劑之聚醯亞胺漿料的SEM比較。如圖所示，使用不同類型溶劑可控制碳纖維上所得之上漿薄膜表面形態。圖6A顯示藉由使用DMSO施加之在T40/800上之P-84(聚醯亞胺)熱塑性漿料，圖6B顯示藉由使用NMP施加之在T40/800上之P-84(聚醯亞胺)熱塑性漿料。
圖7顯示使用DMSO溶劑施加於碳纖維上之核殼型橡膠上漿材料 之SEM影像。圖7顯示藉由使用DMSO施加之在T40/800上之Kaneka MX-181橡膠漿料。
圖8顯示使用DMSO溶劑施加於碳纖維上之環氧樹脂/核殼型橡膠組合上漿材料之SEM影像。圖8顯示藉由使用DMSO施加之在T40/800上之Kaneka MX-181橡膠及DER-377環氧樹脂(30：100)漿料。
圖9A至B顯示使用硫酸施加於碳纖維上之聚醚醚酮(PEEK)上漿材料之SEM影像。圖9A及9B顯示藉由使用硫酸施加之在T40/800上之APC2 PEEK(聚醚醚酮)熱塑性漿料。
本發明揭示之實施例提供一種使用溶劑將材料(例如，漿料)黏附於一定量或一組纖維之方法。特定而言，該揭示之方法使用水浴以移除黏附於該等纖維之溶劑，由此最小化該纖維處理期間之風險。例如，可最小化溶劑蒸汽形成。此外，強酸或強鹼溶劑可在處理期間進行稀釋。該揭示方法之實施例可結合典型溶劑漿料黏附方法使用。因此，應瞭解用於以下揭示內容之漿料及溶劑係一般所使用者，且無限制性。
本文使用之術語「漿」或「漿料」係廣義及包括其關於施加於纖維之一般技術詞典含義。此外，該術語亦指任何可用作纖維塗層之材料。該漿料之類型、尺寸、分子量、及其他性質並無限制。例如，該上漿材料可係可經由工業可接受之溶劑上漿方法施加於纖維的任何已知漿料。在各種實施例中，該漿料係相對可溶於用於上漿之溶劑中，而相對難溶於水之聚合物。
本文使用之術語「纖維」係廣義及包括一般技術詞典定義，及可指用於複合物材料之各種高效能纖維，包括纖維諸如碳纖維(例如，石墨纖維及石墨烯纖維)、玻璃纖維諸如e-玻璃纖維或s-玻璃纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維、聚烯烴纖維(例如，聚乙烯及聚丙烯纖維)、聚酯纖維、丙烯酸纖維、及其組合。纖維之構型並無限制及可包括，例如，由上述纖維製造之束、絲束及/或織物。
本文使用之術語「水可混溶溶劑」係廣義及包括一般技術詞典定義。熟習此項技術者可瞭解，本文描述之方法之內容中，水本身不考慮作為水可混溶溶劑(儘管如本文別處描述，水溶液諸如酸水溶液 及鹼水溶液可係水可混溶溶劑)。例如，水可混溶溶劑可係允許質量轉移機制之溶劑，其中溶劑從經溶劑/漿料塗覆之纖維轉移至水中及水轉移在上漿材料上及/或於上漿材料中，如本文別處描述。在一些實施例中，該水可混溶溶劑20℃時在水中之溶解度為約1g/L或更高、約2g/L或更高、約5g/L或更高、約8g/L或更高、約10g/L或更高、約50g/L或更高、或約100g/L或更高。在一些實施例中，該水可混溶溶劑可以全部比例在水中完全混溶。
特定而言，本發明揭示之方法允許在製造期間將上漿材料以溶液形式持續施加於纖維絲，同時減少或消除溶劑蒸汽之形成，由此最小化製造過程之健康及/或環境影響。如下文之詳細揭示，在一些實施例中，將漿料/溶劑以溶液形式施加於纖維後，該纖維可在含水浴(例如，水浴)中沖洗。該含水浴允許該漿料(其通常難溶於水)凝聚及均勻地塗覆該纖維，同時亦移除任何殘留溶劑至含水浴中。此外，該沖洗可有助於稀釋任何使用之強酸或鹼溶劑。
在一些實施例中，當經漿料/溶劑塗覆之纖維進入該含水浴時，可進行質量轉移機制，其中該溶劑轉移至水中及水轉移在該上漿材料上及/或於該上漿材料中。在此溶劑與水交換過程期間，該水(對該上漿材料係不良溶劑或非溶劑)可引起該漿料沉澱/凝聚在該纖維上以形成薄膜或塗覆在該纖維表面上。該溶劑與水交換速率、凝聚浴之溶劑濃度、溶劑溶解力、及凝聚浴溫度均可影響漿料薄膜在纖維上之形成。水浴中水之高濃度可有助於該溶劑移動至水相。質量轉移後，實質上全部該溶劑從纖維中移除及殘留在水浴中。
一旦沖洗步驟完成，該纖維可經乾燥以移除過量水。乾燥步驟期間，由於所有或幾乎所有溶劑已經移除，實質上沒有溶劑蒸汽可形成。例如，僅可忽略不計程度之溶劑蒸汽可形成，此將不會對工作人員有害。因此，該揭示方法之實施例可提供用於將許多類型漿料施加 於纖維之具成本效益及環境友好之方法。在下文描述之實施例中，可應用一般技術者通常使用之任何溶劑及漿料。
本發明揭示方法之實施例可用於施加各種漿料作為前驅體或中間體纖維產物，諸如氧化纖維或預碳化纖維之塗層。在纖維製造中該塗層可作為製程輔助物或性質強化物。漿料可對底下材料具有眾多影響及可靶向於提供纖維及/或複合物各種性質之效能改良。例如，漿料塗層之形態可係針對纖維及/或複合物性質改良而特別定制。如上文提及，在製造過程中纖維可係非常脆弱。因此，漿料可一般作為強化材料施加，及可例如作為保護性屏障以阻止處理期間纖維之損壞。 因此，將該漿料施加於纖維後，在製造過程中該纖維可更易於處理且更低損壞可能性。此外，漿料可用於一般改質該纖維之表面以得到期望之特性及複合物效能。
漿料可影響纖維及嵌入於其中之複合物材料之其他組分(諸如基質樹脂)間的界面性質。例如，實質負載轉移可發生於嵌入在樹脂基質中纖維之界面處。該漿料可用於輔助在該基質中纖維之黏附，其有助於阻止外力斷裂該纖維離開基質。此外，漿料可例如幫助提供在樹脂基質中環繞纖維之堅固支撐，由此強化及/或增韌該複合物產物，並且改良加工能力及該基質中纖維之效能。
如上文所提及，使用溶劑之漿料施加係纖維領域之準則。溶劑漿料較之乳化漿料可係較佳，由於可併與該溶劑使用之多種上漿材料。乳化製程受限於可乳化上漿材料之使用。然而，在所揭示方法之實施例中，不同類型漿料可用於該揭示之方法。例如，環氧樹脂、熱塑性塑料、橡膠、及其組合可用作上漿材料，及上漿材料之類型並無限制。幾乎所有種類之聚合物、熱固性塑料、熱塑性塑料、或其摻合物可施加於纖維作為在下述方法之實施例中的漿料，包括彼等具有高分子量(MW)或高環氧當量(EEW)者。
如本文在聚合物內容中所使用，術語「分子量」係指重量平均分子量，如使用光散射檢測之尺寸排除層析測得。在一些實施例中，該漿料可具有約10,000或更高、約50,000或更高、約100,000或更高之分子量。在一些實施例中，該漿料可具有約500,000或更低之分子量。在一些實施例中，用於所揭示方法之漿料可具有比習知用於乳化方法更高之MW。在一些實施例中，該漿料可具有約150或更高、約300或更高、或約500或更高之環氧當量(EEW)。在一些實施例中，該漿料可具有約500或更低之環氧當量。在一些實施例中，用於揭示方法之漿料具有比習知用於乳化方法更高之EEW。特定而言，聚醚碸、聚醚酮(例如，聚醚醚酮，PEEK)、雙A環氧樹脂、雙F環氧樹脂、苯氧、酚系、乙烯酯、BMI、聚醯胺、聚醯胺亞胺、雙酚A環氧樹脂之二縮水甘油醚、核殼型橡膠、蒽環氧樹脂、萘環氧樹脂、酚醛環氧樹脂、含三官能基之環氧樹脂、及含四官能基之環氧樹脂及其以各種比例之混合物可用作漿料。
此外，預聚物類型漿料可施加於纖維。一般而言，事實上可使用可溶於溶劑中之任何漿料聚合物，及，如下文描述，高度腐蝕性溶劑可用於所揭示方法之實施例。許多上文列舉之聚合物，包括具有高環氧當量之環氧樹脂材料，無法使用習知乳化方法輕易乳化。在一些實施例中，使用之漿料可係水不溶性。此外，藉由添加橡膠粒子或無機粒子、有機粒子、或添加劑(諸如例如，碳奈米管(CNT)、石墨烯片、碳微型珠、矽石奈米管、碳化矽奈米管、及奈米黏土)改質上漿材料可更易達成均勻粒子分佈。
在一些實施例中，可使用高度腐蝕性及/或毒性溶劑。例如，可使用有機溶劑，其乾燥時可產生不期望之溶劑蒸汽。此外，可使用強酸(例如，pH 1、2、3、或4)及強鹼(例如，pH 12、11、或10)，由於一些漿料(例如，PEEK)不能充分溶解於有機溶劑，但可溶解於強 酸。較佳地，在揭示方法之實施例中使用之溶劑係混溶或可溶於水。
在一些實施例中，該溶劑可係極性、非質子性溶劑。此等類型之溶劑可具有高介電常數及高偶極矩。例如，可使用二甲基亞碸(DMSO)、N-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、二甲基甲醯胺(DMF)、六甲基磷醯胺(HMPA)、及其上述之混合物，儘管該溶劑類型並無限制，及該領域中任何常用溶劑可用於所揭示方法之實施例。在一些實施例中，可使用其他有機溶劑諸如丙酮、甲基乙基酮、丁酮、甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、二氯甲烷、及氯仿。在一些實施例中，可使用無機溶劑，諸如可使用彼等包含氯化鋅或硫氰酸鈉之無機溶劑。在一些實施例中，該無機溶劑可係鹽或多種鹽之水溶液。
上漿方法
圖1闡明根據本發明實施例之用於纖維之漿料施加之方法100。所述方法之實施例可對環境友善，原因係該製程期間實質上避免溶劑蒸汽。此外，可使用苛性溶劑，諸如強酸性或強鹼性溶劑，同時藉由處理期間稀釋該溶劑限制對暴露於該溶劑之工作人員的潛在危險。
首先，製備102纖維。在一些實施例中，該纖維係製造的，及在一些實施例中該纖維係購買的。製備纖維之方法並無限制，及一般技術者可瞭解製備此等纖維之不同方法。該等纖維可隨後浸漬於上漿浴104中。上漿浴104可包含溶劑與該上漿材料之組合。
一旦該等纖維經溶劑與聚合物之溶液塗覆，該經溶劑/上漿材料包覆之纖維可從上漿浴104中移除及置於含水凝聚/沖洗浴(例如，水浴)106中。浴106可包含靜止水或流動水。在一些實施例中，可使用去離子水108，例如，以減少金屬污染，儘管亦可使用其他類型水諸如蒸餾及自來水，且水之類型並無限制。此外，雖然水通常方便且經濟，水不一定必須使用，及可使用不同液體(在其中該溶劑相對可溶及該漿料相對難溶)以從該溶劑/漿料塗層中移除該溶劑及將該漿料凝 聚在該等纖維上。該纖維可在水浴106中大力沖洗或可浸泡以移除任何殘留溶劑。在一些實施例中，該纖維可置於水浴106中，及噴口可產生移動水流以沿著該纖維經過。在其他實施例中(未在圖1中顯示)，該聚合物可藉由不需要涉及在浴中浸漬之其他方法，例如，藉由在該纖維上噴水而凝聚在該纖維上。
圖2闡明用於施加漿料於纖維之方法之實施例。如在方法202顯示，凝聚浴204及沖洗浴206可分離。在一些實施例中，浴204/206可連接，由此水可在其間流動。在一些實施例中，該水僅在一方向流動。由此，該纖維可首先途徑用於將漿料凝聚在纖維上之凝聚浴204。該纖維可隨後移動至沖洗浴206，其中淡水208，諸如上文描述之水，可用於沖洗掉該纖維上之溶劑。使用之水可隨後運送回210凝聚浴204，其可產生級聯效應。因此，在一些實施例中，凝聚浴204中使用之水可包含溶劑及水。如圖所示，許多其他步驟相似於彼等關於圖1討論之步驟，儘管一般技術者可瞭解存在添加或移除步驟。
返回參考圖1，上述沖洗步驟106可使用複數個浴。在一些實施例中，該複數個浴可各具有1或多個隔室，例如，至少各2、3、4、5、6、7、8、9、或10個隔室。該浴可以級聯形式配置，其中水可從一隔室溢流至相鄰隔室。該纖維可在第一隔室中沖洗及隨後以一般相反於級聯方向之方向移動至相鄰隔室。該纖維可隨後從第一浴移動至第二浴。在一些實施例中，最後一個浴可用於檢查任何殘留溶劑。在一些實施例中，大約80%、85%、90%、95%、99%、99.9%或100%之溶劑可在沖洗步驟106中沖洗掉。在一些實施例中，80%或更高、85%或更高、90%或更高、95%或更高、99%或更高、或99.9%或更高之溶劑在沖洗步驟106中沖洗掉。在一些實施例中，可控制浴中水之溫度，與水之濃度，及由此水與溶劑/漿料/纖維之比率。在一些實施例中，幾乎全部漿料在纖維上之凝聚發生在第一隔室。在一些實施例 中，水浴之溫度可變化以產生或加強相分離。
在凝聚/沖洗步驟106之水浴中，上漿材料可凝聚/沉澱及黏附於纖維表面。此可發生係由於水可混溶溶劑可用於塗覆步驟104，因此溶劑與水之交換發生以凝聚該聚合物。由此，一旦該纖維接觸或浸入水中，該溶劑可溶於水中形成溶液。此外，該水不溶性漿料可凝聚在一起及黏附於纖維表面。在一些實施例中，該纖維可係相對疏水性。 因此，該水可混溶溶劑可溶於水及沖洗掉，同時該漿料可保留黏附於纖維。此外，水浴可用於稀釋強酸性或強鹼性溶劑。由於在水浴中沖洗經溶劑/漿料塗覆之纖維，系統之總pH可接近7。由此，該經塗覆之纖維可更易於處理。
在一些實施例中，可用一些方法移除所得浴後組合物，其包括與水混合之溶劑/漿料溶液及循環一或多種組分110。在一些實施例中，該浴後組合物可包含在上漿纖維在步驟106後從浴中移除時不黏附於纖維之任何上漿材料。在一些實施例中，可藉由蒸餾循環溶劑。 在一些實施例中，通常以鬆散聚合物粒子或片之形式的過量漿料，可過濾除去。循環該溶劑及/或過量漿料之方法並無限制。
一旦纖維經上漿材料塗覆及移除溶劑，可乾燥該纖維112。例如，可使用烘箱或一般乾暖循環空氣乾燥纖維，而乾燥之方法並無限制。在一些實施例中，可在約125℃至約140℃之溫度範圍乾燥該纖維。由於該溶劑實質上在水沖洗步驟106已經從該纖維中移除，在乾燥期間水蒸汽114產生，該水蒸汽含有較少或不含溶劑蒸汽。相比於溶劑蒸汽，通常明顯更容易移除水蒸汽114，及涉及水蒸汽釋放之任何洩漏或意外一般係無害。在一些實施例中，乾燥步驟112期間移除全部水。在一些實施例中，乾燥步驟112後水仍殘留在纖維上。與乾燥以移除溶劑相比，較高溫度及其他參數可用於乾燥112以移除水分，由於其具有較低爆炸或著火危險，及由此乾燥速度可提高及/或 製程生產量增強。在該纖維經適當漿料乾燥後，該上漿材料可在絡筒機116中捲繞以用於任何最終處理步驟及裝運。然而，絡筒機不係必需，及一般技術者可瞭解本發明預期其他較小之處理變化。
先前漿料施加摒棄本文揭示之凝聚/沖洗步驟106。由此，在後續乾燥步驟112期間，有害溶劑氣體/蒸汽在缺乏該凝聚/沖洗步驟106時趨於產生。此等蒸汽可引發嚴重環境危害，及可潛在地損害暴露於其中之工作人員。例如，一些溶劑氣體係易燃的，其可在纖維製造步驟期間導致著火意外或突發事件。然而，藉由使用本文描述之凝聚/沖洗浴106，可最小化該溶劑之有害影響，若未完全消除的話。在漿料乾燥器中該水凝聚/沖洗步驟106可排除對於有機蒸汽之任何處理之需要，其在習知溶劑上漿製程中係主要問題。此外，沖洗步驟106可用於稀釋強酸或強鹼溶劑。
此外，由於全部或實質上全部溶劑在乾燥前移除，在包裝處理及纖維放線時在各種實施例中任何不完全乾燥將不會引起纖維黏連問題。黏連可導致事故及纖維破損。此外，當纖維黏連時需引起更多注意，潛在地導致生產減慢。
此外，多種不同上漿材料可摻合在一起以用於上文揭示之方法。例如，第一上漿聚合物可與第二可溶聚合物組分或第二不溶聚合或無機組分摻合。
由此，本文描述之方法可以乳化方法之安全程度生產施加漿料之纖維，同時不具有其眾多弊端及局限。例如，所揭示之方法可允許使用廣泛範圍之上漿材料。此外，所揭示之方法允許減少或消除使用表面活性劑，該表面活性劑對最終複合物性質有不利影響。再者，移除表面活性劑之步驟可降低總製造成本，同時增加製造該纖維之容易性。此外，所揭示之方法可以產生很少或沒有潛在地危險有機蒸汽之方式運行，不似典型溶劑施加方法，由此增加纖維上漿製程之總安全 性。
實例
提供以下實例以證實相對於其他上漿方法，所揭示上漿方法實施例之各種態樣及/或優點。討論此等實例係出於闡明之目的而不應解釋為限制所揭示實施例之範圍。
圖3A至B闡明藉由上文方法之實施例(圖3A)經DER-337環氧樹脂漿料塗覆之碳纖維表面，該漿料來自Dow Chemical Company，相比藉由先前技術乳化方法之實施例(圖3B)經AP-200漿料塗覆之碳纖維，該漿料來自Cytec Industries，其含有DER-337作為基質組分。如掃描式電子顯微鏡(SEM)顯示，在所揭示方法之實施例塗覆之碳纖維具有與習知乳化方法幾乎相同之表面外觀。由此，如圖3A至B顯示，本文描述之凝聚上漿方法可產生與藉由習知乳化上漿方法相同種類的普遍均勻上漿塗層。因此，本文描述之塗覆方法可與習知方法相同或比習知方法更佳地充分包覆碳纖維，及不具有相同弊端。例如，不似習知乳化方法，如本文所描述，可使用高MW聚合上漿材料。
圖4至圖8闡明由使用各種纖維、漿料、及溶劑組合物施加漿料產生之碳纖維表面，如藉由SEM所成影像。圖4A闡明在使用DMSO作為溶劑將聚醚碸漿料(Cytec Industries生產之KM-177聚醚碸)施加於碳纖維。如圖所示，該漿料以珠狀結構黏附於碳纖維，其係均勻分佈。 圖4B闡明相同上漿材料，但使用NMP作為溶劑。如圖所示，在碳纖維上很少或沒有聚醚碸珠形成，而是形成普遍均勻及光滑塗層。此可發生係由於DMSO及NMP之不同溶劑溶解力。因此，取決於溶劑類型，可藉由碳纖維上漿料產生不同表面構型或形態，及可形成不同纖維基質界面性質。該類型之構型或形態不限於珠或光滑表面，及可產生不同類型之表面構型，諸如薄膜、凸塊、及晶須。
圖5闡明使用DMSO施加於碳纖維之聚醚碸/環氧樹脂(約50/50重 量比；Cytec Industries之KM-177聚醚碸及Dow Chemical Company之DER-377環氧樹脂)組合物作為漿料。不似圖4A之漿料，該漿料使用DMSO以一般光滑塗層施加。因此，該表面構型不僅受溶劑類型影響，亦受與其混合之材料類型影響。在一些實施例中，可使用經混合或摻合之漿料。在一些實施例中，良好成膜漿料，諸如雙-A環氧樹脂，可用於促進其他漿料，諸如蒽環氧樹脂之施加。
圖6A至B闡明分別使用DMSO及NMP施加於碳纖維之聚醯胺熱塑性漿料(Evonik Industrial之P-84聚醯胺)。如圖所示，當使用DMSO時，該漿料在纖維表面形成小凸塊。然而，當使用NMP時，形成晶須樣塗層。圖7闡明使用DMSO施加於碳纖維之橡膠漿料(Kaneka Corporation之MX-181核殼型橡膠)，及圖8闡明使用DMSO施加於碳纖維之30：100(重量%/重量%)橡膠/環氧樹脂漿料(Kaneka Corporation之MX-181核殼型橡膠及Dow Chemical Company之DER-337環氧樹脂)。 如圖所示，該橡膠可用於改質該環氧樹脂漿料，其可隨後產生能遞送提升複合物之耐沖擊效能之纖維。
圖9A至B闡明使用強硫酸(96%)施加於碳纖維之聚醚醚酮熱塑性漿料(Cytec Industries之APC2 PEEK)。如SEM照片中顯示，當強酸性環境變化時，該漿料可凝聚及/或黏附於碳纖維，例如，如上文描述當添加水後酸強度降低時。由此，強酸或強鹼可用於上述方法中。
在一些實施例中，對於某些溶劑由該纖維拾取之漿料相對於其他溶劑更高。不同溶劑、溶劑類型、溶劑濃度、纖維表面亦可影響漿料拾取。一般而言，纖維之較粗糙表面可導致較高拾取，反之較光滑表面可導致較低拾取。
如上文描述，上文揭示之實施例可藉由溶劑混合物之使用製備經上漿材料塗覆之纖維。所揭示之方法可藉使用至少一水浴實質上避免溶劑蒸汽之形成，由此增加製造該纖維之安全性，亦降低潛在不利 環境影響。所揭示之方法可以提供相當於(若不是好於)目前使用之習知乳化上漿方法之操作方式操作。此係由於於所得複合物中存在乳化劑(例如，表面活性劑)可減弱該聚合物基質及纖維與聚合物基質間之界面。此外，乳化穩定性問題可導致塗覆在纖維表面上之不均勻(例如，blogs)漿料。
應用
本文所揭示方法之實施例可用於製造纖維，或具有包埋在熱固性或熱塑性樹脂或聚合物中之此等纖維之複合物材料，其中該漿料黏附於纖維表面。藉由所揭示方法之實施例製造之纖維可隨後用於各種目的，其全部係非限制性的。例如，藉由上文揭示之方法製造之纖維可用於棒球拍、電子產品外殼、及高爾夫球桿。此外，纖維可係特別有利於航空航天及汽車領域，此係由於高強度與重量比及良好剛性。 例如，纖維可用於飛行器，諸如商用及軍用飛機、運動商品、汽車、及一般航空航天及工業。上文描述之碳纖維可用於主要結構，諸如機翼、機身、及機尾，以及二級結構，諸如內部。
雖然以上描述已顯示、描述、及指出本發明教示之基本新穎特徵，但是應瞭解熟習此項技術者可在不脫離本發明教示之範圍下作出以如所闡明之裝置及其應用的細節形式之各種省略、取代、及變化。 因此，本發明教示之範圍不應限於以上討論，而應由隨附專利申請範圍定義。

Claims (14)

  1. 一種在碳纖維上施加漿料之方法，其包括以下步驟：提供一定量碳纖維；使該一定量碳纖維與上漿組合物接觸，其中該上漿組合物包括溶於水可混溶溶劑中之水不溶性上漿材料，該水不溶性上漿材料係選自環氧樹脂、熱塑性塑料、橡膠及其組合之聚合物；使該上漿材料凝聚在該一定量碳纖維上，由此形成在該碳纖維上之上漿材料及溶劑之塗層；用水沖洗該經塗覆之碳纖維以移除該水可混溶溶劑；及至少部分乾燥所得該一定量之經聚合物塗覆之碳纖維以製備一定量上漿碳纖維。
  2. 如請求項1之方法，其中該一定量之纖維係碳織物。
  3. 如請求項1之方法，其中該水可混溶溶劑係選自二甲基亞碸(DMSO)、N-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、二甲基甲醯胺(DMF)、六甲基磷醯胺(HMPA)、丙酮、甲基乙基酮、丁酮、甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、二氯甲烷、氯仿、硫氰酸鈉、氯化鋅及其組合。
  4. 如請求項1之方法，其中該水可混溶溶劑具有10或更高、或3或更低之pH。
  5. 如請求項1之方法，其中該水可混溶溶劑係強鹼或強酸。
  6. 如請求項1之方法，其中該上漿材料係選自聚醚碸、聚醚酮、雙A環氧樹脂、雙F環氧樹脂、苯氧、酚系、乙烯基酯、雙馬來醯亞胺(BMI)、聚醯亞胺、聚醯胺亞胺、雙酚A環氧樹脂之二縮水甘油醚、蒽環氧樹脂、萘環氧樹脂、酚醛環氧樹脂、含三官能基之環氧樹脂、含四官能基之環氧樹脂及其組合。
  7. 如請求項1之方法，其中該上漿材料經改質劑改質，該改質劑選自無機粒子、有機粒子及其組合。
  8. 如請求項7之方法，其中該改質劑係選自碳奈米管(CNT)、石墨烯片、碳微型珠、矽石奈米管、碳化矽奈米管、奈米黏土、及其組合。
  9. 如請求項1之方法，其中該上漿材料係不同聚合物之組合。
  10. 如請求項1之方法，其中在該至少部分乾燥步驟期間無溶劑蒸汽產生。
  11. 如請求項1之方法，其中未使用表面活性劑。
  12. 如請求項1之方法，其中在該至少部分乾燥步驟期間水係從該經塗覆之碳纖維中移除。
  13. 如請求項1之方法，其中在該沖洗期間形成包括水、水可混溶溶劑及聚合物之浴後組合物。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括循環該浴後組合物之一或多種組分。
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