一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法，本发明专利技术制备方法包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆、干燥和卷绕收丝的步骤。本发明专利技术选用聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂，通过浸渍法实现上浆。同时碳纤维上浆时采用蒸汽热辊加热；上浆后干燥采用立式热风干燥箱烘干的方式进行干燥。本发明专利技术的有益效果在于：本发明专利技术制备方法简单，所制备的碳纤维适用于制备聚酰胺树脂基复合材料，所制备的复合材料工艺性能优异，界面力学性能高，耐磨损性好。

Carbon fiber for polyamide resin matrix composite and preparation method thereof

The invention discloses a carbon fiber for polyamide resin matrix composite and a preparation method, and the preparation method includes the steps of polymerization, spinning, preoxidation, low temperature carbonization, high temperature carbonization, surface treatment, sizing, drying and winding and winding. The polyamide resin suspension sizing agent is selected to achieve sizing by impregnation. At the same time, the carbon fiber was heated by steam hot roller when sizing, and then dried by vertical hot air drying box after drying. The beneficial effect of the invention is as follows: the preparation method of the invention is simple, the prepared carbon fiber is suitable for the preparation of polyamide resin based composite material, the prepared composite material has excellent technological properties, high interfacial mechanical properties and good wear resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法
本专利技术属于碳纤维制备领域，特别涉及一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。
技术介绍
近年来随着能源紧张、环境污染等问题日益突出，碳纤维复合材料轻量化技术、循环利用技术、快速成型技术发展加速，特别在汽车领域、压力罐等工业领域越来越受到关注。以此为突破口，碳纤维增强热塑性性复合材料得以快速发展。碳纤维增强聚酰胺树脂以其优异的耐磨损和力学性能等受到广泛关注，但采用目前技术制备的复材存在树脂浸渍困难、孔洞缺陷严重、复材性能不稳定等诸多技术难点，究其原因，一方面是由于目前加工成型技术尚有不足，另外主要是由于目前的碳纤维主要是针对热固性环氧树脂复材体系研制，其表面涂覆的多为环氧树脂或改性环氧树脂类上浆剂。此类上浆剂放置时间过长或者在较高的烘燥、加工温度下会产生部分或全部固化，导致纤维丝束变硬、僵化、团聚，进一步造成基体树脂浸渍困难、容易产生疵点空隙，使复材产生局部力学缺陷。特别针对聚酰胺树脂基复合材料制备的碳纤维较为少见。中国专利(申请号为201310052755.1)提供了一种由聚酰胺、有机溶剂、表面改性剂、水等制备而成的改性聚酰胺类上浆剂及其制备的碳纤维，但由于含有溶剂，其安全性稳定性较差，在上浆剂工业应用领域基本已被淘汰。
技术实现思路
为了克服现有技术，本专利技术的目的在于提供一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。采用本专利技术方法制成的碳纤维上浆量高低可控，可以铺展形成宽带状纤维，增加丝束宽度，降低后续中间品加工的难度，减少后续中间品加工所需要的树脂用量，提高预浸料加工均匀性和稳定性。所制备的碳纤维表面涂覆一层完全由聚酰胺树脂制备的上浆剂，不含环氧树脂基团，适用于制备聚酰胺树脂基复合材料，所制备的复合材料工艺性能优异，界面力学性能高，耐磨损性好。本专利技术采用聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆、干燥和卷绕收丝生产工序。为解决聚酰胺基体树脂浸渍不良和纤维老化变硬等问题，本专利技术采用以聚酰胺树脂粉末为主体，引入聚丙烯酰胺分散剂，同时引入具有长链亲油基团的脂肪醇聚氧乙烯醚稳定剂，能够和聚酰胺树脂与聚丙烯酰胺产生有效结合，具有良好的两亲性，可制备得到性能稳定可靠的悬浮液上浆剂；为解决高上浆量条件下纤维烘干问题，提高聚酰胺树脂粉末在碳纤维表面铺展的均匀性，本专利技术在上浆工序引入蒸汽热辊加热、上浆后干燥工序引入立式热风干燥箱烘干的干燥工艺。本专利技术提供一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，该制备过程包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆、干燥和卷绕收丝的步骤；其中：上浆时通过浸渍法采用聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂进行；所述聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂由聚酰胺树脂、分散剂、稳定剂和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％计，聚酰胺树脂占60～80％，分散剂占5～15％的，稳定剂占15～25％。本专利技术中，低温碳化在低温碳化炉中进行，低温碳化炉有6个温区，温度控制分别为0～650℃、0～650℃、0～750℃、0～900℃、0～900℃、0～900℃。本专利技术中，高温碳化在高温碳化炉中进行，高温碳化炉有6个温区，温度控制分别为0～1250℃、0～1350℃、0～1600℃、0～1800℃、0～2000℃和0～2000℃。本专利技术中，所述聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：先将聚酰胺树脂、分散剂在去离子水中混合均匀，再加入稳定剂，于高速乳化机中以2000～10000rpm转速乳化10～25min后得到悬浮液上浆剂。本专利技术中，所述聚酰胺树脂具有如下式Ⅰ的结构通式：其中p为聚酰胺的聚合度，m和n数值可以相同或不同。所述的聚酰胺树脂数均分子量在1.0万～3.0万，优选1.5万～2.5万。所述的聚酰胺粉末平均直径在20～50微米之间，优选30～40微米。本专利技术中，所述聚酰胺树脂选自聚酰胺6、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺66、聚酰胺610、聚酰胺612、聚酰胺1010或聚酰胺1012中的任意一种或几种。本专利技术中，所述的分散剂为聚丙烯酰胺，数均分子量在1.0万～3.0万之间，优选1.5万～2.0万。所述稳定剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其具有如式Ⅱ的结构通式：其中，R选自包含15～20个碳原子的饱和脂肪族基团；聚氧乙烯聚合度n范围为20～40。本专利技术中，聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂中，固体组分的含量为5％～30％；上浆时的上浆量控制在1％～20％。本专利技术中，上浆时，上浆后的碳纤维再经过蒸汽热辊。蒸汽热辊辊面上温度控制范围0～360℃。上浆后的纤维通过蒸汽热辊时，一方面脱除部分水分，防止纤维进入后道高温干燥箱时剧烈汽化造成不安全；另一方面，表面所粘有的聚酰胺粉末在高温下熔融铺展，初步形成较为均一连续的一层聚酰胺树脂膜。本专利技术中，干燥采用立式热风干燥箱进行；所述立式干燥箱的温区为4个，各区温度控制分别为0～350℃、0～300℃、0～200℃和0～150℃。本专利技术中采用立式干燥的方法，使碳纤维表面聚酰胺树脂进一步熔融流动，在自重作用下缓慢流平，使碳纤维表面聚酰胺树脂膜更为均匀完整；同时可以保证高上浆量条件下将纤维表面水分全部脱除。本专利技术还提供一种上述制备方法得到的聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维。现有技术中，采用乳液型环氧树脂基上浆剂进行碳纤维上浆时，由于环氧树脂的软化温度较低，因此不能采用过高的干燥温度。在干燥温度和干燥时间受限制的条件下，采用乳液型环氧树脂基上浆剂制备碳纤维的上浆量不能太高，否则会造成上浆纤维难以烘干，表面含有大量水分，影响后道加工应用，同时也限制了碳纤维必须制备成集束状纤维。与采用乳液型环氧树脂基上浆剂上浆生产碳纤维技术相比较，本专利技术所述的聚酰胺树脂基悬浮液上浆碳纤维可以采用更高的上浆剂浓度，具有更高的上浆量，所制备的碳纤维采用本专利所述蒸汽热辊加热、立式热风干燥箱烘干的干燥工艺后可以铺展形成宽带状纤维，增加丝束宽度，幅宽提高50％～130％，有效降低纤维厚度。碳纤维能更好地铺展均匀，有利于降低后续复合材料中间品加工时聚酰胺树脂向纤维内部渗透浸润的难度，同时可减少预浸料加工时树脂膜的用量，提高预浸料加工均匀性和稳定性，降低生产成本。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术所述的一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维表面，涂覆聚酰胺树脂基碳纤维上浆剂，不含环氧树脂基团，长时间储存不会产生老化变硬现象，能够和聚酰胺基体树脂具有良好的浸润和结合能力，工艺性能和耐磨损性能优异。(2)本专利技术所述的悬浮液碳纤维上浆剂引入聚丙烯酰胺分散剂，同时引入具有长链亲油基团的脂肪醇聚氧乙烯醚稳定剂，能够和聚酰胺树脂与聚丙烯酰胺产生有效结合，具有良好的两亲性，所制备的上浆剂成本低廉、工艺简便、安全性和稳定性满足工程工艺需要。(3)本专利技术采用上浆时蒸汽热辊加热和上浆后立式热风干燥箱烘干的干燥工艺，既可使碳纤维表面所粘有的聚酰胺粉末在高温下熔融铺展，形成均一连续的聚酰胺树脂膜，同时在自重作用下缓慢流平，聚酰胺树脂粉末可以快速均匀地铺展浸润碳纤维，碳纤维上浆更加均匀。(4)本专利技术所述的聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维表面上浆量高低可控，可以铺展形成宽带状纤维，增加丝束宽度，提高丝束幅宽，降低纤维厚度，降低后续复合材料中间品加工的难度，减少后续复材中间品加工的树脂用量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，其特征在于，该制备过程包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆、干燥和卷绕收丝的步骤；其中：上浆时通过浸渍法采用聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂进行；所述聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂由聚酰胺树脂、分散剂、稳定剂和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％计，聚酰胺树脂占60～80％，分散剂占5～15％的，稳定剂占15～25％。

【技术特征摘要】
1.一种聚酰胺树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，其特征在于，该制备过程包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆、干燥和卷绕收丝的步骤；其中：上浆时通过浸渍法采用聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂进行；所述聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂由聚酰胺树脂、分散剂、稳定剂和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％计，聚酰胺树脂占60～80％，分散剂占5～15％的，稳定剂占15～25％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，低温碳化在低温碳化炉中进行，低温碳化炉有6个温区，温度控制分别为0～650℃、0～650℃、0～750℃、0～900℃、0～900℃和0～900℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，高温碳化在高温碳化炉中进行，高温碳化炉有6个温区，温度控制分别为0～1250℃、0～1350℃、0～1600℃、0～1800℃、0～2000℃和0～2000℃。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚酰胺树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：先将聚酰胺树脂、分散剂在去离子水中混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：季春晓，黄翔宇，曹阿民，刘瑞超，袁玉红，王平，张捷，吴嵩义，宋文迪，刘礼华，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石化上海石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11