用于碳纤维的包含纳米颗粒的纤维上浆系统技术方案

本发明专利技术涉及涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，相对于所述述涂覆纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，所述涂层可参与进一步的反应。本发明专利技术还涉及制造涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料的方法，以及相应的碳纤维复合材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于碳纤维的包含纳米颗粒的纤维上浆系统摘要：涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，其中基于上述涂覆纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，其中所述涂层可参与进一步的反应，制造涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料的方法，以及相应的碳纤维复合材料。专利技术说明：轻质构造是克服21世纪挑战的最重要技术之一。对于轻质构造来讲，纤维复合材料的使用是必不可少的。在运输领域，如在飞机建造、轨道车辆建造、或汽车建造、机械工程、或建筑领域，越来越多地使用所述材料，这要求这些纤维复合材料的性能不断提高。风力涡轮机的转子叶片的制造长度越来越大，因此对其机械稳定性的要求也不断增加。纤维复合材料，特别是用于高性能应用的纤维复合材料的制造，经常使用热固性或热塑性聚合物基质。所述聚合物基质相对于其在纤维复合材料中的性能而被优化。同样相对于在组件中的应用而优化所使用的增强纤维、短纤维或连续长丝纤维、以及由其制造的织物结构的结构和设计，所述织物可以是机织织物、针织织物、无纬稀松布或预成型件。纤维复合材料的失效主要取决于纤维/聚合物基质界面。不可或缺的要求是纤维与热固性或热塑性聚合物基质的良好粘合，以及纤维的良好润湿性。原则上有两种通过添加纳米材料解决该问题的方式。首先，可以将纳米材料引入到聚合物基质中，为此要使用相对较大量的纳米材料；其次，可以用纳米材料涂覆所述纤维。在制造纤维的过程中通过使用纤维上浆系统(也称为上浆)来解决该问题。所述上浆系统的功能首先是保护纤维，即在进一步的加工步骤期间不仅保护单独的长丝还保护纤维束(粗纱)，以及随后纤维与热固性或热塑性聚合物基质的粘合。所述上浆系统还可以影响其它的纤维性能，如抗静电行为。所述上浆系统包含与纤维类型(如玻璃纤维或碳纤维)纤维的细度和预期的后续应用(如在环氧树脂或在不饱和聚酯树脂中加工)相匹配的成分。Sprenger(J.Mater.Sci.,44(2009),pp.342-5)公开了包含均匀分布在聚合物中的纳米颗粒的纤维复合材料。与使用其它颗粒相比，即使二氧化硅颗粒在基质的含量为10重量％，其对机械性能也没有产生实质的影响。Yang(Mat.Letters61(2007),pp.3601-4)公开了一种具有SiO2纳米颗粒的碳纤维上浆体系，及对根据ASTMD2344的层间抗剪强度的有利影响，但没有公开任何允许计算纤维上的颗粒含量的数值。没有观察到其它层压板性能的改善。现有技术的缺点在于使用了相对大量的纳米材料。本专利技术的一个目的是通过使用较少量的纳米材料来简化现有技术的方法。令人惊奇的是，已经发现，即使在浆液中存在小量的纳米材料，也可以导致碳纤维复合材料的机械性能的显著提高。本专利技术提供涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，其中基于涂覆碳纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，其中涂层可能参与进一步的反应。在本专利技术的范围内，术语纳米颗粒是指有机或无机颗粒，优选无机颗粒，更优选氧化和/或氢氧化物颗粒，更优选非矿物质来源的颗粒；特别优选所述颗粒包含铝、钛、锌、锡、钒、铈、铁、镁或硅的氧化物和/或氢氧化物，更特别优选所述颗粒是SiO2颗粒。优选SiO2颗粒选自于沉淀二氧化硅、胶体二氧化硅、硅藻土(Kieselguhr)和气相二氧化硅，特别优选胶体二氧化硅。优选所述SiO2颗粒已经通过表面处理被疏水化。特别优选EP2067811(US2009/0149573)中段落60-65中所公开的表面改性颗粒，更特别优选所述SiO2纳米颗粒已经用烷基或芳烷氧基硅烷进行了表面处理。更优选所述无机颗粒已经被表面处理。优选使用选自有机硅化合物如三烷基氯硅烷、二烷基二氯硅烷、烷基烷氧基硅烷、芳基烷氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、(甲基)丙烯酰氧丙基三烷氧基硅烷、氨基丙基三烷氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚硅氧烷、Si-H官能化聚硅氧烷，羧酸，螯合剂和含氟聚合物以及它们的混合物进行所述表面处理。所述纳米颗粒优选为球形或不规则形状；所述纳米颗粒更优选为球形。特别优选涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，其中基于涂覆碳纤维材料的干重，涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，其中涂层可以参与进一步的反应，且所述纳米颗粒是表面改性的球形二氧化硅纳米颗粒。纳米颗粒的平均直径优选为1-300nm，更优选1-200nm，还更优选2-150nm，进一步优选3-100nm，特别优选5-50nm。优选地，通过DLS(动态光散射)确定施加到碳纤维之前的纳米颗粒的直径。由DLS测得的平均值是重量平均值。在碳纤维上的纳米颗粒的直径通过电子显微照片测定。该平均值是算术平均值。优选不同类型的纳米颗粒的混合物，其中所述混合物至少包含SiO2颗粒；基于所有纳米颗粒的总质量，这些混合物优选包含大于50重量％，更优选包含大于80重量％，还更优选包含大于95重量％，特别优选包含大于99重量％的SiO2颗粒。特别优选的SiO2纳米颗粒的直径为5-50nm，其表面已被疏水改性，特别是已经用烷基烷氧基硅烷和/或芳基烷氧基硅烷疏水化。碳纤维材料优选为单根长丝、包含单根长丝的纤维束、或包含单丝或纤维束的纱线。进一步优选，碳纤维材料是包括单丝、纤维束或纱线产品如无纬稀松布和机织织物。特别优选包含纤维束的无纬稀松布。机织织物优选为亚麻织造型。优选的无纬稀松布由多层组成，并且这些层可以具有单向(单轴)取向或多向(多轴)取向。无纬稀松布的优点在于所述层的纤维或纤维束没有被编织过程弯曲。这导致更大的吸收力的能力。特别优选所述碳纤维材料是由碳纤维制成的无纬稀松布。所述碳纤维材料优选由清洁过的材料或已涂覆的未完成的产品制造，优选使用清洁过的碳纤维材料。清洁方法优选取决于材料；优选的清洁方法是热处理，特别优选借助IR源的辐照。优选所述热处理在惰性气体下进行。所述惰性气体优选不含氧；存在于所述惰性气体中的氧的量优选小于1体积％，更优选小于0.1体积％，特别优选小于50ppm。优选IR源的长度为1m。使所述碳纤维材料经过所述IR源，距离为5mm至10cm，优选1-3cm。所述辐照导致位于碳纤维材料表面上的化合物分解。优化该步骤使得即使在相同条件下反复照射之后，测试样品或多个相同的测试样品的质量之差也不会超过测量值的1％。当本专利技术的涂覆碳纤维材料被所述纳米材料涂覆时，优选其为单丝、纤维束、机织织物或无纬稀松布的形式；更优选，用所述纳米材料涂覆纤维束。基于涂覆纤维的干重，本专利技术的碳纤维材料优选包含小于9重量％，更优选小于8、7、6、5、4、3或2重量％的纳米材料。基于涂覆纤维的干重，本专利技术的碳纤维材料更优选包含0.05-1.6重量％，特别优选0.1-1.2重量％，特别优选0.2-1.0重量％的纳米材料。特别优选，涂覆有纳米颗粒的本专利技术碳纤维材料是已经用环氧树脂中的球形SiO2纳米颗粒涂覆的纤维束，所述SiO2纳米颗粒用烷基烷氧基硅烷和/或芳基烷氧基硅烷进行了表面处理，其中基于涂覆纤维束的干重，所述涂覆纤维束包含0.1-2重量％的纳米颗粒，并且所述涂层可以参与进一步的反应。所述碳纤维材料涂层的进一步反应是允许通过交联反应与聚合物基质化学键合的反应。涂覆有纳米颗粒的本专利技术的聚合物基质和碳纤维材料可以形成碳纤维复合材料，其中在涂层的表面处，碳纤维材料的涂层可以与聚合物基质反应。优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，其中基于涂覆碳纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，其中所述涂层可参与其它反应，且所述纳米颗粒是表面改性的球形二氧化硅纳米颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.10 EP 15158364.81.涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料，其中基于涂覆碳纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，其中所述涂层可参与其它反应，且所述纳米颗粒是表面改性的球形二氧化硅纳米颗粒。2.根据权利要求1或2的碳纤维材料，特征在于所述涂层包含可交联的环氧基团。3.根据权利要求1-3之一的碳纤维材料，特征在于所述涂层包含环氧树脂。4.涂覆有纳米颗粒的碳纤维材料的制造方法，其中基于涂覆碳纤维材料的干重，所述涂层包含0.01至小于10重量％的纳米颗粒，且其中通过浸渍或喷雾或借助于浴液，将所述碳纤维材料与包含含有纳米颗粒的成膜剂的水性乳液接触，并随后干燥所述涂覆的碳纤维材料，其中所述水性乳液包含表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·施普伦格，M·瑙曼，
申请(专利权)人：赢创德固赛有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE